CN109818568B - 用于光伏组件的串联式关断系统及关断后重新启动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及用于光伏组件的串联式关断系统及关断后重新启动的方法。用于光伏组件的串联式关断系统主要包括关断控制模块和关断装置,多个光伏组件串联连接成电池组串并且多个光伏组件还与关断装置串联在一起,关断装置用于对与之串联的电池组串来执行关断操作,关断控制模块在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行关断操作。利用较为简单的拓扑结构来构成关断模块以达成低成本方案,还提供了多级光伏组件被关断后重新启动方案。

Description

用于光伏组件的串联式关断系统及关断后重新启动的方法
技术领域
本发明主要涉及到光伏发电技术领域,确切的说,涉及到串联的多级光伏组件能够被快速关断的系统,利用较为简单的拓扑结构来构成关断模块以达成低成本方案,而且还提供了串联的多级光伏组件被关断后重新启动方案。
背景技术
光伏发电系统在电力电子系统中需要满足安全规范,为此各国政府或相关机构分别出台了相应的法规法则。基于安全规范的考虑,美国防火协会修改国家电气规范,要求住宅用的光伏发电系统中:在发生紧急情况时限制光伏发电系统交流并网端口断开后,直流端的电压最大不得超过八十伏。意大利的安全规范告诫:消防员在建筑物带电压的情况下是绝对不被允许进行灭火操作的。德国也率先执行防火安全标准并且还明文规定:在光伏发电系统中逆变器与组件之间需要增加额外的直流电切断装置。从这些法规法则可以归纳出安全因素的首要注意事项:即便是光伏组件发生了不期望的火灾,施救也只有在所有的光伏组件被烧毁而不再危机人身安全后,才被许可进行消防施救。
光伏发电系统在欧美国家的普及度较高,因此配套的安全用电的法规法则也随之较为及时的延伸到光伏发电的领域。以美国的安全规范NEC2017为例,要求光伏发电系统具有快速关断功能,在关断后光伏阵列内部导体之间以及导体与大地之间的电压最高不得超过约为八十伏。光伏电站在应对安全规范的积极措施是:为了实现快速关断特意在光伏组件的输出端处安装起到关断作用的关断装置,在提供直流电的电池组串上或直流母线上安装命令发送装置,命令发送装置则主要是由交流电网来供电。譬如面临火灾时则十分有必要来迅速关断光伏组件时,命令发送装置用来指示关断装置关断。关断光伏组件的应对措施可以制止火灾等负面事件的进一步恶化,提高可靠性和安全性。
发明内容
在本发明的一个非限制性的可选实施方式中,披露了一种用于光伏组件的串联式关断系统并且该系统主要包括:
至少一个关断控制模块和至少一个关断装置;
多个光伏组件串联连接成电池组串并且它们还与关断装置串联在一起;
关断装置用于对与之串联的电池组串来执行关断操作;
关断控制模块在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行关断操作。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、第一耦合变压器;
第一耦合变压器的原边绕组与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
第一耦合变压器的次级绕组则用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被捕获的激励脉冲源则藉由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
主开关是功率MOSFET且第一、第二端子和控制端子分别是源极、漏极和栅极;
主开关是IGBT且第一、第二端子和控制端子分别是发射极、集电极和栅极。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过该控向二极管耦合到主开关的控制端子。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过一个第一电容耦合于一个第一节点;
第一耦合变压器的次级绕组的异名端与第一节点之间连接有一个第一二极管;
第一二极管的阳极连到第一耦合变压器的次级绕组的异名端而阴极连到第一节点。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
在关断装置未执行关断操作而维系与电池组串来保持串联连接的阶段,关断控制模块所发出的激励脉冲源具有第一逻辑态;
关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置输送的激励脉冲源从第一逻辑态翻转到相反的第二逻辑态,以通知关断装置立即短接主开关的控制端子与第一端子从而迅速地关断主开关。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相反;
第一耦合变压器的辅助绕组的异名端连接到一个NPN双极晶体管的基极、同名端和所述的NPN双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的NPN双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的NPN双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相同;
第一耦合变压器的辅助绕组的同名端通过反接的第二二极管连接到一个PNP双极晶体管的基极、异名端和所述的PNP双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的PNP双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的PNP双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关;
第二二极管的阳极连到PNP双极晶体管的基极而阴极连到辅助绕组的同名端。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作;
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
在储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
利用一个互感器配备的原边绕组和次级绕组替换所述第一耦合变压器配备的原边绕组和次级绕组,也即利用互感器替代第一耦合变压器同样可行。
在本发明的一个非限制性的可选实施方式中,披露了基于前文的一种光伏组件快速关断系统在被关断后再次重新启动的方法,其中:
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、第一耦合变压器;
第一耦合变压器的原边绕组与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
第一耦合变压器的次级绕组则用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被捕获的激励脉冲源则藉由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断;
该方法主要包括:
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源藉此向储能电容充电,直至储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压,以触发关断装置对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作。
上述的方法,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,激励脉冲源被停止导致储能电容的电荷损失而无法达到主开关的导通阈值电压,此阶段由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
上述的方法,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,激励脉冲源被停止导致储能电容的电荷损失而无法达到主开关的导通阈值电压,此阶段由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
关断控制模块在收到启动命令再次对储能电容充电使其电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,此时储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
上述的方法,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
上述的方法,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
上述的方法,其中:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过该控向二极管耦合到主开关的控制端子。
上述的方法,其中:
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过一个第一电容耦合于一个第一节点;
第一耦合变压器的次级绕组的异名端与第一节点之间连接有一个第一二极管;
第一二极管的阳极连到第一耦合变压器的次级绕组的异名端而阴极连到第一节点。
上述的方法,其中:
在关断装置未执行关断操作而维系与电池组串来保持串联连接的阶段,关断控制模块所发出的激励脉冲源具有第一逻辑态;
关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置输送的激励脉冲源从第一逻辑态翻转到相反的第二逻辑态,以通知关断装置立即短接主开关的控制端子与第一端子从而迅速地关断主开关。
上述的方法,其中:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相反;
第一耦合变压器的辅助绕组的异名端连接到一个NPN双极晶体管的基极、同名端和所述的NPN双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的NPN双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的NPN双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关。
上述的方法,其中:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相同;
第一耦合变压器的辅助绕组的同名端通过反接的第二二极管连接到一个PNP双极晶体管的基极、异名端和所述的PNP双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的PNP双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的PNP双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关;
第二二极管的阳极连到PNP双极晶体管的基极而阴极连到辅助绕组的同名端。
在本发明的另一个非限制性的可选实施方式中,披露了另一种用于光伏组件的串联式关断系统,其中主要包括:
至少一个关断控制模块和至少一个关断装置;
多个光伏组件串联连接成电池组串并且它们还与关断装置串联在一起;
关断装置用于对与之串联的电池组串来执行关断操作;
关断控制模块在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行关断操作;其中:
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、电感器;
电感器与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
电感器用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被感应到的激励脉冲源则经由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断;
电感器的一端耦合到主开关的第一端子以及电感器的相对另一端连接到该控向二极管的阳极,且该控向二极管的阴极耦合到主开关的控制端子。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作;
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
上述的用于光伏组件的串联式关断系统,其中:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
在储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
充分考虑光伏发电系统的安全等级因素,以美国NEC2017-690.12标准建议的光伏发电系统的款项为例,要求具备组件级别的关断能力,提供最好的系统安全性。通过本申请的上述解释内容,如果说电压需要迅速的下降到30伏以下,那么关断控制模块在收到人为发出的外部关断命令时,停止向关断装置发送激励脉冲以通知关断装置将各自对应的光伏组件予以关断,此时直流母线电压近似等于零伏而具备较高的系统安全性。因此本申请的组件级别的关断解决方案具备组件自动关断能力,可用于阻止由于火灾、热斑或接线盒接线电阻过大带来的发热导致组件和接线盒不可逆破坏。
在本申请中所谓的关断命令其实不仅仅是来源于人为发出的外部关断命令,还可以是内部的关断命令,譬如关断控制模块通过传感器侦测到高温或明火或类似的故障时,关断控制模块的关断命令可以是被各种目标故障触发而产生的。在满足组件级别的关断能力后又会发现系统在关断后如何恢复又是一个新的疑虑,在本申请中关断控制模块在收到启动命令时,通过电力线向关断装置输送激励脉冲(如方波)藉此向储能电容充电,直至储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压,以触发关断装置对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作,可恢复向母线提供电压。
附图说明
为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂,下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释,阅读以下详细说明并参照以下附图之后,本发明的特征和优势将显而易见。
图1是光伏组件串联构成电池组串并由多个电池组串并联的架构示意图。
图2是为光伏组件配置关断装置和为电池组串配置关断控制模块的架构。
图3是电池组串中由关断控制模块指示关断装置维持接通的第一实施例。
图4是电池组串中由关断控制模块指示关断装置维持接通的第二实施例。
图5是关断控制模块向电力线上发送可被关断装置接收的激励脉冲信号。
图6是关断控制模块指示关断装置从接通迅速切换到关断的第一实施例。
图7是关断控制模块指示关断装置从接通迅速切换到关断的第二实施例。
图8是关断装置从接通切换到关断的过程中储能电容上电压的波动范例。
图9是关断装置从接通切换到关断的过程中加速储能电容放电的实施例。
图10是关断控制模块指示关断装置从关断迅速切换到接通的第一实施例。
图11是关断控制模块指示关断装置从关断迅速切换到接通的第二实施例。
图12是关断装置利用单一的电感器感应脉冲信号为储能电容充电的范例。
具体实施方式
下面将结合各实施例,对本发明的技术方案进行清楚完整的阐述,但所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例,基于该等实施例,本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。
在光伏发电领域,光伏组件或光伏电池是发电的核心部件。太阳能电池板在主流技术的方向分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池等,硅电池被要求的使用年限高达二十多年的寿命,对电池的输出特性进行持久性的监测是必不可少的。很多内部和外部因素都会导致光伏组件的发电效率低下:光伏组件自身之间的制造差异或安装差异或阴影遮挡或最大功率追踪适配度等因素都会引起转换效率降低。以遮挡为例,如果部分光伏组件被云朵或建筑物或树影或污垢等类似情况遮挡后,这部分组件就会由电源变成负载而不再产生电能,光伏组件在发生热斑效应严重的局部位置的温度较高,有的甚至会超过几百摄氏度,引起烧毁或暗斑、焊点融化、封装材料老化、玻璃炸裂、腐蚀等永久性的破坏,给光伏组件的长期安全性和可靠性造成极大地的隐患。光伏发电系统亟待解决的问题就在于:能够实时地或间歇性的观察每一块被安装的光伏电池板的工作状态,能对电池的过温、过压、过流和端子短路及各类故障等异常情况进行预警,这对发生异常的电池采取类似于主动安全关断或其他的应急措施显得尤为重要。美国国家电工规范规定所有的光伏发电系统的电压需要在10秒钟之内下降到30伏以下,基于实现快速关断的功能必须考虑为光伏组件的输出配置起到关断作用的关断装置。
参见图1,光伏组件阵列是光伏发电系统从光能到电能转换的基础。展示了光伏组件阵列中安装的电池组串,关于电池组串:每一个电池组串由多个相互串联连接的光伏组件串接构成,光伏组件还可以替换成燃料电池或化学电池等直流电源。多个不同的电池组串它们之间是并联连接的关系:虽然每一个电池组串由多个光伏组件构成而且内部的多个光伏组件是串联的关系,但是多个不同的电池组串的彼此之间是相互并联的连接关系并共同向逆变器INVT之类的能源收集装置提供电能。在某个电池组串中,本申请以串联型的多级光伏组件PV1-PVN为例,它们各自的输出电压VO1-VON相互叠加后将总的具有较高电势的串级电压提供给逆变器INVT,即母线电压VBUS,逆变器INVT汇总串联的多级光伏组件各自的输出功率后进行直流电到交流电的逆变,N是大于1的自然数。为逆变器提供直流电源的直流母线LA-LB之间连接有大容量的母线电容CDC,母线电容在光伏发电系统中要实现逆变器恒定输入功率和波动的输出功率间的解耦。
参见图2,某实施例中每块光伏电池或称光伏组件均配置有执行监控及关断的装置也即简称为关断装置。在某个电池组串中:第一级光伏组件PV1产生的电能由第一级关断装置SD1来决定是否叠加到整个电池组串中,第二级光伏组件PV2产生的电能由第二级关断装置SD2来决定是否叠加到整个电池组串中,直至第N级的光伏组件PVN产生的电能由第N级的关断装置SDN来决定是否叠加到整个电池组串中。关断装置的主要作用解释如下譬如:第一级关断装置SD1至第N级的关断装置SDN需要和另外的一个关断控制模块RSD(RapidShut-Down)之间建立通信,这种通信机制兼容于当前的各种通信方案例如电力线载波通信或各类无线通信等,关断控制模块RSD至少需要配备人机交互功能,也即能够接收来自人为发出的命令。如果电站因为各种原因发生火灾,消防员必须先关断整个发电系统方可救火,否则高电压可能危及人身安全。以人为的主动操作关断控制模块RSD作为范例:关断控制模块RSD在收到关断命令时,例如按下它配备的紧急关断开关即可表征下达了一种关断命令,此时关断控制模块RSD基于通信立即向多个关断装置SD1-SDN发出第一指令也即关断指令,可以用逻辑电平信号表示,用于通知多个关断装置SD1-SDN将各自对应的光伏组件PV1-PVN予以关断,以至于按照期望的那样连接在直流母线LA-LB之间的电池组串输出的电压立即下降到近乎等于零。
参见图2,在一个可选但非必须的实施例中,假定某个电池组串的内部串接有第一级光伏组件PV1、第二级光伏组件PV2,依此类推,至第N级的光伏组件PVN。则可以获悉单独的某个电池组串上能够提供的总的串级电压约等于:第一级光伏组件PV1所输出的电压VO1加上第二级的光伏组件PV2所输出的电压VO2,然后还需要再加上第三级的光伏组件PV3所输出的电压VO3…,依此类推,至累加到第N级的光伏组件PVN输出的电压值VON,总的串级电压的计算结果就等于VO1+VO2+…VON。母线LA-LB上由多级光伏组件输出的电压所叠加得到的串级电压被输送给汇流箱或逆变器等电力设备汇流和逆变后再并网。多个光伏组件PV1-PVN对应多个关断装置SD1-SHN,具体而言:第一级关断装置SD1、第二级关断装置SD2、…依此类推直至第N级的关断装置SDN等均通过电力线串联连接。关断装置用于将与之对应的光伏组件予以关断而从电池组串中移除或用于将与之对应的光伏组件从关断状态恢复到接入电池组串的串联接入状态。
参见图2,前文提及到当关断控制模块RSD向多个关断装置SD1-SDN发送出所谓的关断指令,通知多个关断装置SD1-SDN将各自对应的光伏组件PV1-PVN予以关断来保障系统安全。可以按照期望的那样将直流母线LA-LB之间的电压立即被拉低到近乎等于零来保障安全,同时关断控制模块RSD随时要准备接收启动命令。启动命令在任何时刻都有可能产生,譬如,发生火灾预警而切断整个电池组串,当火灾预警被解除之后就需要重新启动系统让光伏发电系统再次进入工作状态而向母线提供电压。光伏发电领域针对所谓的光伏组件的关断装置,可见其基本的功能就是将光伏组件关断或接通。
参见图2,系统在关断后的重新启动的控制模式在于:关断控制模块RSD在收到启动命令时,向多个关断装置SD1-SDN发送与前述关断的指令对立的启动指令以通知多个关断装置将各自对应的光伏组件PV1-PVN从关断状态恢复到串联接入状态。前文告知关断控制模块RSD至少需要配备人机交互功能,启动命令可以是人为发出的命令。如按下所谓的关断控制模块RSD配备的启动开关即可表征下达了一种启动命令,此阶段关断控制模块RSD基于通信立刻向关断装置SD1-SDN发出第二指令也即启动指令,可以用逻辑电平信号表示。使光伏组件PV1-PVN从关断状态恢复到串联接入状态,按照期望的那样连在直流母线LA-LB间的电池组串输出的电压立即向母线提供串级电压,串级电压的电压水准非常高而且一般可以高达到几百伏甚至上千伏。
参见图2,和图1没有采用任何关断装置相比,图2的实施方式具备了快速关断功能而且符合安全规范,但图2的实施方式采用了过多的关断装置,关断装置的数量等同于光伏组件的数量,不仅成本过高也造成关断控制模块RSD和关断装置SD1-SDN之间的通信困难,因此有必要采用数量更少的关断装置来达成相同的目的。
参见图3,在多级光伏组件PV1-PVN串联连接的整个电池组串中观察:任意前一级光伏组件的负极端子耦合到相邻后一级光伏组件的正极端子,从而满足:某个电池组串中最大能够提供的总的串级电压等于它当中多级光伏组件PV1-PVN各自的输出电压的最终叠加值。具体的关系为:第一级光伏组件PV1的负极输出端O2耦合到相邻后一级也即第二级光伏组件PV2正极输出端O1,第二级光伏组件PV2的负极输出端O2耦合到相邻后一级也即第三级光伏组件PV3的正极输出端O1,直至还有第N-1级的光伏组件的负极输出端O2耦合到它的后一级光伏组件PVN的正极输出端O1。从而由多级光伏组件各自输出的电压叠加得到的串级电压被输送给能源收集装置。还可以观察到第一级光伏组件的正极输出端O1耦合到母线LA上,而且还发现末尾的最后的第N级的光伏组件的负极输出端O2耦合到母线LB上。图3的实施例和图2略有不同:图2中多级光伏组件当中的每一个都对应分配有一个关断装置,但是图3中共用一个关断装置。图3中被分离出来的单独关断装置SD相比图2成本低很多,关断装置SD的位置任意:可以布置在末尾的最后的第N级的光伏组件的负极输出端O2和母线LB之间,也可以布置在首位的第一级光伏组件PV1的正极输出端O1和母线LA之间,还可以布置在任意前一级光伏组件的负极输出端和相邻后一级光伏组件的正极输出端之间。总的原则是:多级光伏组件串联连接成电池组串并且多级光伏组件还与关断装置SD串联在一起。
参见图3,顾名思义可得知串联式关断系统隐含了关断装置SD和多级光伏组件是串联连接的关系,包括:关断控制模块RSD和关断装置SD,光伏组件PV1-PVN串联连接成电池组串并且它们还与关断装置SD串联在一起,关断装置SD用于对与其串联的电池组串来执行关断操作。关断控制模块RSD在收到关断命令时,例如按下该关断控制模块配备的紧急关断开关/关断按钮/触控屏式的关断开关即可表征下达了关断命令,关断控制模块RSD具备人机交互功能。关断控制模块RSD向关断装置SD下达所谓关断的指令的模式采纳以下方案:关断控制模块RSD在控制关断装置SD处于正常导通状态而保障关断装置SD与电池组串来维持串联连接的时候,需要不间断的或者至少是间歇性或周期性的向关断装置SD发送激励脉冲源PUS,此时含有光伏组件PV1-PVN的电池组串自身因为关断装置SD是导通的而直接被串联在母线LA-LB之间,所以它能够向母线贡献较高的电压水准;相对立的,如果关断控制模块RSD在控制关断装置SD处于关断状态而使得电池组串来从直流母线LA-LB间移除的时候,必须停止向关断装置SD发送所谓的激励脉冲源PUS,含有光伏组件PV1-PVN的电池组串自身因为关断装置SD是关断的状态而直接被从母线LA-LB之间移除,也即无法再向母线贡献电能。大致可以认为关断控制模块向关断装置SD下达关断的指令的模式是:停止向关断装置SD输送周期性的激励脉冲源PUS以通知关断装置SD对与之串联的电池组串来执行关断操作。
参见图3,关断装置SD包括主开关M和第一耦合变压器T1,主开关M和第一耦合变压器T1通过电力线与多个光伏组件PV1-PVN串联连接在母线之间。这里所谓的电力线或串接线其实也可以认为是母线的延伸部分。主开关M可以是功率MOSFET即金属氧化物半导体场效应晶体管或IGBT即绝缘栅双极晶体管,或等同的功率开关。主开关属于三端口型电子开关,金属氧化物半导体场效应晶体管包含栅极和源极以及漏极而绝缘栅双极晶体管则包括栅极和集电极以及发射极。金属氧化物半导体场效应晶体管的主开关具有如漏极D的第二端子和具有如源极S的第一端子及如栅极G的控制端子,绝缘栅双极晶体管的主开关具有如集电极C的第二端子和具有如发射极E的第一端子及如栅极G的控制端子。普通的金属氧化物半导体场效应晶体管的导通特性是在栅极和源极之间施加达到导通阈值电压的电压值时就被开启,普通的绝缘栅双极晶体管的导通特性是在栅极和发射极之间施加达到导通阈值电压的电压值时就被开启。功率半导体开关器件典型的有金属氧化物半导体场效应晶体管、双极性晶体管、晶闸管、门极关断晶闸管、关断晶闸管以及发射极关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管等。
参见图3,第一耦合变压器T1的原边绕组L1与具有第一端子和第二端子及控制端子的主开关M串联,主开关M的控制端子的信号决定了主开关M的第一端子和第二端子之间是导通的还是关断的,可以用电流互感器替换耦合变压器。第一耦合变压器T1因为具有耦合效果所以它的次级绕组L2则用于提取或感应关断控制模块RSD加载到电力线上的激励脉冲源PUS,激励脉冲源PUS可以是脉动的电压并且以方波最为常见。为了满足次级绕组L2可以感应和捕获到激励脉冲源PUS,第一耦合变压器T1次级绕组L2的异名端耦合到主开关M的第一端子处也即耦合到公共节点NCO处,设公共节点NCO具有参考地电位GR。第一耦合变压器T1次级绕组L2的同名端通过一控向二极管D2耦合到所述主开关M的控制端子如栅极G。具体的:第一耦合变压器T1的次级绕组L2的同名端通过第一电容CC耦合于第一节点N1,该控向二极管D2连接在第一节点N1和主开关的控制端子之间,该控向二极管D2的阳极端连接到第一节点N1而阴极端连接到主开关的控制端子处。在第一耦合变压器T1次级绕组L2的异名端与第一节点N1之间另外还连接有第一二极管D1,注意第一二极管D1的具有参考地电位GR的阳极连到第一耦合变压器T1次级绕组L2的异名端而阴极连到第一节点N1。被次级绕组L2从电力线上捕获到或者说感应到的激励脉冲源PUS藉由该控向二极管D2向连接在主开关M的控制端子与第一端子之间的储能电容C1充电,也即向设置于栅极G和公共节点NCO之间的所述储能电容C1充电,该控向二极管允许被感应的脉冲单向的为储能电容充电。在可选的实施例中,主开关M的控制端子和第一端子或公共节点NCO之间还设有与储能电容并联的并联电阻R1。感应到的激励脉冲源PUS对储能电容C1充电,储能电容C1的电位达到主开关M的导通阈值电压则主开关M被予以接通,否则当储能电容C1的电位未达到主开关M的导通阈值电压时则主开关M被关断。根据半导体物理学理论,太阳能组件的等效物理模型包括了二极管因子、等效串联电阻和等效并联电阻等因素,光伏组件在不同的光照强度和不同的温度环境的影响下,输出阻抗特性有较大的不同。激励脉冲的传递路径是需要经由每一个光伏组件的内阻进行传递,光伏组件的阻抗随着外部环境发生较大偏移的情况下,激励脉冲在多级光伏组件的传递路径上的衰退程度几乎不可预测。在模糊的信号处理中,采用第一电容CC和第一二极管D1的组合,至少在部分实施方式中可以将激励脉冲源PUS的电位整体性的抬升一定的幅度以避免过度衰减。
参见图4,关断装置SD主要是包括了通过电力线与光伏组件PV1-PVN串联连接的主开关M和第一耦合变压器T1,相对图3省去第一电容CC和第一二极管D1。在所谓的关断装置SD中设置第一耦合变压器T1的原边绕组L1与具有第一端子和第二端子及控制端子的主开关M串联连接。其中第一耦合变压器T1次级绕组L2则用于提取加载在电力线上的激励脉冲源PUS,作为信号的耦合作用,被次级绕组L2感应到或者捕获到的激励脉冲源PUS信号则经由该控向二极管D2向连在主开关M的控制端子如栅极G和譬如源极电极S的第一端子之间的储能电容C1充电。在可选的实施例中,主开关的控制端子和第一端子或公共节点NCO之间还设有与储能电容C1并联的并联电阻R1。在可选的实施例中,该控向二极管D2的阳极端直接连接到次级绕组L2的同名端而阴极端则连接到主开关的控制端子处。主开关M的控制端子与第一端子或公共节点NCO之间还设置有与储能电容C1并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管Z1-Z2。所谓的反向串联连接的稳压二极管Z1-Z2是指:稳压二极管Z1和Z2的阳极互连,稳压二极管Z1的阴极连接到第一端子或公共节点NCO处,稳压二极管Z2的阴极连接到主开关的控制端子处从而使得这一对串联连接的稳压二极管和储能电容C1并联连接,注意这种实施方式还同样可以被应用到图3的实施方式中。背靠背反向串联连接的稳压二极管用于钳制主开关的控制端子和第一端子间的压降,避免损坏功率开关。主开关的第一端子和公共节点在本申请中直接耦合在一起而具有相同的参考地电位GR。
参见图5,关断控制模块RSD向关断装置SD或者说向电力线上输送周期性的激励脉冲源PUS有多种方式。在该实施例中:激励脉冲源PUS以高低逻辑电平的形式由关断控制模块RSD带有的脉冲信号产生器来产生。第二耦合变压器T2也有原边绕组和次级绕组且其原边绕组串联在电力线上,其原边绕组和关断装置SD还有串联连接的一系列光伏组件PV1-PVN均通过电力线串连在一起。除此之外设置第二耦合变压器T2的次级绕组与图示的一个耦合电容OC两者串联连接在另外一个参考地GG和驱动器DR的输出端之间,这里的参考地GG记作第二参考地电位和上文的参考地电位GR记作第一参考地电位两者的电势可以不同。然后关断控制模块RSD将产生的激励脉冲源PUS通过配备的驱动器DR予以输出,则激励脉冲源PUS就可以通过第二耦合变压器T2的原边绕组和次级绕组的耦合作用而被传播或加载到电力线上。
参见图6,关断控制模块RSD试图控制关断装置SD处于正常的导通状态则必须持续或间歇性的发送激励脉冲源PUS,然后由关断装置SD感应激励脉冲源PUS并向自身的储能电容充电方可维持关断装置SD的导通,也即满足储能电容C1的电位达到主开关的导通阈值电压的条件。相应的,如果关断控制模块RSD不再期望关断装置SD处于正常的导通状态而是被关断,譬如遇到紧急情况关断控制模块RSD收到关断命令时即可将原本不间断的或间歇性或周期性的向关断装置SD发送的激励脉冲源PUS停止,此种情况下储能电容C1会掉电而不再满足电位达到主开关的导通阈值电压的条件。关断控制模块向关断装置SD下达关断的指令的模式是:停止向关断装置SD输送周期性的激励脉冲源以通知关断装置SD对与之串联的电池组串来执行关断操作。背景部分介绍美国电工规范规定了光伏发电系统的电压须在10秒钟内下降到30伏以下,按照图3-5的实施方式虽然能够及时的关断整个电池组串,但更保险和更安全的方式,如图6所示的关断装置能够在关断控制模块RSD收到关断命令时更迅速的关断系统。
参见图6,在关断控制模块RSD没有收到关断命令的阶段,即关断装置S未执行关断操作而维系与电池组串PV1-PVN来保持串联连接的阶段,关断控制模块RSD所发出的激励脉冲源PUS具有第一逻辑态譬如是相对零电位的正电位,此阶段仍然可以有效的保证被第一耦合变压器捕获的激励脉冲源PUS经由一控向二极管D2持续的向连接在主开关的控制端子与第一端子间的储能电容C1充电,满足储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压的条件。作为关断控制模块RSD收到关断命令时更迅速的关断模式,关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置SD输送的激励脉冲源PUS从第一逻辑态翻转到相反的第二逻辑态,譬如是相对零电位的负电位,以通知关断装置SD立刻短接主开关的控制端子与第一端子从而迅速地关断主开关M。参见图6:第一耦合变压器T1的辅助绕组L3的绕向与次级绕组L2相反,所以两者磁感应方向也不同。在该实施例中主动采用额外的辅助绕组L3的目的是:第一耦合变压器T1辅助绕组L3的异名端连接到一个开关类型为NPN双极晶体管Q的基极、辅助绕组L3的同名端和NPN双极晶体管的发射极相连于主开关M的第一端子处,也即辅助绕组L3的同名端和NPN双极晶体管的发射极具有参考地电位GR。注意所述NPN双极晶体管Q的集电极还被连接到该主开关的控制端子如栅极G处。如果激励脉冲源PUS具有第一逻辑态,则辅助绕组L3无法有效的感应到第一逻辑态的激励脉冲源PUS或者说是激活NPN双极晶体管,反之当关断控制模块RSD收到关断命令时由于该激励脉冲源PUS从原始的第一逻辑态翻转到后续极性相反的第二逻辑态,以至于辅助绕组L3可以顺畅的捕获到或说感应到第二逻辑态的激励脉冲源PUS,因此激活NPN双极晶体管Q导通,并且立即将主开关M的控制端子与它的第一端子短接到一起从而迅速地关断主开关M,使主开关M的控制端子和所谓的参考地电位GR的电势相同。主要的关断控制原理是:在辅助绕组L3感应到第二逻辑态的激励脉冲源PUS时,会迅速的激发所述NPN双极晶体管Q导通,藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关M,该实施方式可应用到图3-5的实施例。
参见图7,在关断控制模块RSD未收到关断命令的时段,即关断装置S没有执行关断操作而维系与电池组串PV1-PVN来保持串联连接的时段,关断控制模块RSD所发出的激励脉冲源PUS具有第一逻辑态譬如是相对零电位的正电平,此时段仍然可以保障被第一耦合变压器感应到的激励脉冲源PUS经由该控向二极管D2持续地向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容C1充电,符合储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压的条件。作为关断控制模块RSD收到关断命令时更快速的关断模式,关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置SD输送的激励脉冲源PUS从第一逻辑态翻转到相反的第二逻辑态,譬如是相对零电位的负电平,以通知关断装置SD立即短接主开关的控制端子与第一端子从而快速地关断主开关M,然后再停止向关断装置输送周期性激励脉冲源PUS或仅仅只发送具有第二逻辑态而非第一逻辑态的激励脉冲源PUS给关断装置均可以保障串联的链路被关断,此实施手段还适用于图6的实施例。停止向关断装置输送所谓的激励脉冲源PUS目的是停止给储能电容充电,作为替代手段,仅仅只发送具有第二逻辑态而非第一逻辑态的激励脉冲源PUS给关断装置是将主开关的控制端子和主开关的第一端子两者直接钳制到同一电位,两种手段独立运作或配合运作均可,最终达成的结果均是关断装置S执行关断操作并与电池组串来断开连接。上下文第一逻辑态翻转到极性相反的第二逻辑态,譬如具有第一逻辑态的激励脉冲的电平水准相对于零电位或基准电位具有正的极性,具有第二逻辑态的激励脉冲的电平水准相对于零电位或基准电位则具有负的极性,它们这种相对的关系用于满足快速关断的需求。
参见图7,作为图6的实施方式的替代方案,需要设置第一耦合变压器T1的另外的辅助绕组L3的绕向与次级绕组L2相同,所以两者磁感应方向也相同。在该实施例中主动采用额外的辅助绕组L3的目的是:第一耦合变压器T1的辅助绕组L3的同名端通过反接的第二二极管D3连接到一个PNP双极晶体管Q的基极、辅助绕组L3的异名端和所述的PNP双极晶体管Q的发射极相连于主开关M的第一端子处,也即辅助绕组的异名端和所述的PNP双极晶体管Q的发射极具有参考地电位GR。所述的PNP双极晶体管的集电极则连接到主开关M的控制端子如栅极G处,辅助绕组L3在感应到第二逻辑态的激励脉冲源PUS时激发所述的PNP双极晶体管Q导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关M。注意第二二极管D3的阳极连到PNP双极晶体管的基极而它的阴极则连到辅助绕组L3的同名端。激励脉冲源PUS具有第一逻辑态的时候虽然辅助绕组L3感应到第一逻辑态的激励脉冲源PUS,但双极晶体管无法导通所以认为辅助绕组不起作用,反之关断控制模块RSD收到关断命令时由于该激励脉冲源PUS从原始的第一逻辑态翻转到极性相反的第二逻辑态,以至于辅助绕组L3可以感应到第二逻辑态的激励脉冲源PUS,因此PNP双极晶体管Q导通,并立即将主开关M的控制端子和它的第一端子短接到一起从而迅速地关断主开关M,使得主开关M的控制端子和所谓的参考地电位GR的电势相同。此时主要的关断控制原理是:辅助绕组L3在感应到第二逻辑态的激励脉冲源PUS时,会迅速的激发所述PNP双极晶体管Q导通,藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关M,该实施方式可应用到图3-5的实施例。
参见图8,关断装置SD在收到关断命令的指示之前需要保持发电系统的导通状态而正常发电的方法包括:等待关断命令的关断控制模块RSD在收到关断命令之前也即在时间轴的时刻TS之前,关断控制模块RSD控制关断装置SD进入导通模式,使进入导通模式的关断装置对应的一系列的光伏组件PV1-PVN被接入到直流母线LA-LB之间而向直流母线供电,直流母线的电压大致等于VO1+VO2+…VON。向关断装置输送周期性激励脉冲源PUS使得储能电容的电压波动的曲线106类似于锯齿波,曲线106中上坡是向储能电容充电而下坡则是储能电容放电或漏电,因为激励脉冲源PUS是电平跳变的高低电平方波所以导致储能电容的电压显现出锯齿的波动。如果以功率MOSFET为例则储能电容的电压波动还表示了栅极源极电压VGS的波动。关断控制模块RSD在收到关断命令时譬如按下紧急关断开关即表征下达了关断命令,此时关断控制模块RSD则会立即停止向关断装置SD发出激励脉冲源PUS,相当于发出关断的指令也即在时刻TS储能电容由于丧失了激励脉冲源PUS而开始迅速掉电,到时刻TE1电荷丧失殆尽。当然主开关不会等到储能电容的电量接近零才关闭,而是在时刻TS-TE1之间的某个时间节点由于储能电容的电位无法达到主开关的导通阈值电压而将主开关M关断。
参见图9,关断控制模块在收到关断命令时停止向关断装置输送激励脉冲源以通知关断装置执行关断操作,即图3-5所采用的实施例,这些实施例在发出关断的指令的时刻也即在时刻TS导致储能电容C1由于丧失了激励脉冲源PUS而开始掉电,一直到后续的某个时刻TE1储能电容上电荷才丧失殆尽,可结合图8所示。采用图6-7阐释的实施例是作为对比,执行关断操作修改为:先将向关断装置SD输送的激励脉冲源PUS从原始的第一逻辑态翻转到极性相反的第二逻辑态,以通知关断装置SD立即短接主开关的控制端子与第一端子,而迅速关断主开关M执行关断操作,如图9所示,这些实施例在发出关断的指令的时刻即在时刻TS导致主开关的控制端子与第一端子被瞬态短路,从而使得控制端子与第一端子的电势相同。在时刻TS信号翻转开始直至在时刻TE2储能电容的电荷丧失得更快,几乎是直接跌落到零,相同的道理主开关也不会等到储能电容的电量接近零才关闭,而是在时刻TS-TE2之间的某个时间节点并且近乎是时刻TS左右由于主开关的控制端子和它的第一端子被瞬态短路而将主开关M关断。图9中TS-TE2之间的耗时远远小于图8中TS-TE1之间的耗时。对比图8-9的控制方式我们能够轻易的得出毫无疑虑的结果:图9采用辅助绕组的方案大大缩短了关断控制模块在收到关断命令时来执行关断命令的响应时间。如果说母线电压需要在10秒钟内下降到30伏以下,显而易见的是采用辅助绕组的方案更符合母线迅速跌落的预期。
参见图10,关断装置SD在关断的指令的指示下被关断后如果试图毫无障碍的再次重新启动系统的方法需要单独设计。等待启动命令的关断控制模块RSD在收到启动命令之前该关断控制模块RSD由于控制关断装置SD进入关断模式,使进入了关断模式的关断装置所对应的光伏组件无法被接入到直流母线之间而向直流母线供电。主开关被断开虽然可以断开母线来保障安全却同时造成非常负面的弊端——关断控制模块RSD发出的激励脉冲源PUS无法再在闭合环路中顺畅的传播,该闭合环路是指主开关和由一系列串联连接的电池组件PV1-PVN所构成的位于母线LA-LB之间的环路。系统重新启动的方法的独特设计在于:关断装置SD还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作,也即关断控制模块RSD在收到启动命令时,譬如触发关断控制模块配备的物理启动开关/触控屏开关/声控开关等即表征下达了启动命令,再次通过电力线向关断装置SD输送周期性激励脉冲源PUS以通知关断装置SD对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作,相当于此阶段关断控制模块RSD立刻再次向关断装置发出启动指令。前文已经讨论了,主开关M被断开导致再次通过电力线向关断装置输送的周期性激励脉冲源PUS无法通过断开的主开关M形成闭合传播路径,换言之次级绕组无法感应到脉冲,会直接造成关断装置SD执行重新串联连接的操作困难。本申请解决激励脉冲源PUS在闭环中传播的手段为:关断装置SD还配置有连接在主开关M的譬如源极的第一端子和譬如漏极的第二端子之间的并联电容CP,关断装置SD执行关断操作并关闭主开关M后,由与主开关M并联连接的并联电容CP提供激励脉冲源PUS在电力线上进行传播的导通通路。关断控制模块RSD在收到启动命令之后,关断控制模块通过发出的激励脉冲源PUS指示关断装置SD将对应的光伏组件PV1-PVN从系统关断阶段的关断状态恢复到串联接入状态,包含了电池组串的光伏组件PV1-PVN的发电系统被迅速重新启动,直流母线LA-LB电压迅速升高到等于VO1+VO2+…VON。整体思路是通过的并联电容CP保障主开关M关断时激励脉冲源PUS能传播,借助激励脉冲源PUS向储能电容充电来使得主开关重新接通,满足储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压,所以关断装置能够对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。
参见图11,前文提到关断装置SD在关断的指令的指示下被关断后试图重新启动系统的困惑在于:关断控制模块RSD发出的激励脉冲源PUS无法再在闭合环路中顺畅的传播而且主因是主开关被断开所造成的。作为替代图10的实施例,解决激励脉冲源在闭环中传播的替代手段是:关断装置SD配置有连接在主开关M的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关MP。常开型(Normally-ON)并联开关MP在常规状态下如果不主动的去控制它的导通或关断状态则它默认是处于接通状态的。常开型并联开关MP的可采用的器件类型譬如是结型场效应晶体管JFET,部分结型场效应晶体管的漏极和源极分别被视为第一端子和第二端子且它们可以互换。常开型并联开关MP的控制端子G被连接到主开关M的控制端子G,常开型并联开关MP的第一端子和第二端子分别对应连接到主开关的第一端子和第二端子。关断装置SD执行关断操作并关闭主开关M后,常开型并联开关进入默认的接通状态。相反如果储能电容被充电而导致常开型并联开关的第一端子或第二端子与栅极控制端之间有电势差,则常开型并联开关进入截止状态。关断装置执行关断操作并关闭主开关M后,在本申请由进入导通状态的常开型并联开关MP提供激励脉冲源PUS在电力线上进行传播的导通通路。关断控制模块RSD在控制关断装置处于正常导通状态,譬如保障关断装置SD与电池组串来维持串联的时候,需要不间断的或者至少是间歇性或周期性的向关断装置SD发送激励脉冲源PUS,储能电容C1因为脉冲信号的充电使其电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关M的阶段,为避免主开关和常开型并联开关之间的干涉,储能电容C1被充电的电位还用作夹断电压而可以控制将结型场效应晶体管等类别的常开型并联开关MP予以截止。整体思路是通过常开型并联开关保障主开关M关断时激励脉冲源PUS能传播,借助激励脉冲源PUS向储能电容充电来促使主开关重新被接通,满足储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压,所以关断装置能够对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。唯独在某些可选但非必须的实施方式中需要注意的是,关断的指令导致储能电容逐步掉电,在储能电容的掉电过程中由于电位无法达到主开关的导通阈值电压而先行关断主开关M,此时刻因为储能电容的电荷还未到零而将常开型并联开关MP钳制在关断区,直至储能电容的掉电结束无法再影响常开型并联开关MP的栅极源极电压而使并联开关进入默认的接通状态。换言之也即在系统的关断过程中,主开关被关断后其并联开关是略有延迟才接通的。
参见图12,通过对上文中尤其是图2-11的实施例提及的用于光伏组件的串联式关断系统进行改造,包括:关断控制模块RSD和关断装置SD,光伏组件PV1-PVN串联连接成电池组串并且它们还与关断装置SD串联在一起,关断装置SD用于对与之串联的电池组串来执行关断操作,关断控制模块RSD在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源PUS以通知关断装置SD对与之串联的电池组串来执行关断操作。在拓扑中关断装置SD包括通过电力线与多个光伏组件PV1-PVN串联连接的主开关M和取代前文中第一耦合变压器的耦合元件T3,该实施例中耦合元件T3使用电感器LS。并且所谓的电感器LS与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关M串联。通过对比上下文我们知道第一耦合变压器被电感器LS所替换。电感器LS用于提取加载在电力线上的激励脉冲源PUS,被感应到的激励脉冲源PUS经由一控向二极管D2向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容C1充电,储能电容C1的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关M被予以接通否则主开关M关断。电感器LS的实际位置就是第一耦合变压器的原边绕组的位置,所以电感器LS的一端耦合到主开关M的第一端子以及还设置电感器LS的相对另一端连接到该控向二极管D2的阳极,且该控向二极管D2的阴极耦合到主开关M的控制端子。主开关M的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻R1。主开关M的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管Z1-Z2。
参见图12,通过对上文中尤其是图2-11的实施例提及的用于光伏组件的串联式关断系统进行修正,关断装置SD还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作,关断控制模块RSD在收到启动命令时,再次通过电力线向所谓的关断装置SD输送周期性激励脉冲源PUS以通知关断装置SD对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。关断装置SD包括连接在主开关M的第一端子和第二端子之间的并联电容CP,结合图10和图12。在可选的实施例中,关断装置SD执行关断操作并关闭主开关后由与主开关并联连接的并联电容CP提供激励脉冲源PUS在电力线上进行传播的导通通路。关断装置SD包括连接在主开关M的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关MP,结合图11和图12。在可选的实施例中,常开型并联开关MP的控制端子连接到主开关M的控制端子,关断装置SD执行关断操作并关闭主开关后,由进入导通状态的常开型并联开关MP提供激励脉冲源PUS在电力线上进行传播的导通通路以及在储能电容C1的电位达到主开关MP的导通阈值电压而接通主开关时,储能电容的电位还控制将常开型并联开关MP予以截止。值得说明的是,图2-7和图10-11的所有实施方式提到的各种技术特征均可以被应用到图12的实施例中,并且关断装置SD可以被连接在末尾的光伏组件PVN的负极输出端O2和母线LB之间,也还可以布置在首位的光伏组件PV1的正极输出端O1和母线LA之间,甚至可以布置在任意前一级光伏组件的负极输出端和相邻后一级光伏组件的正极输出端之间。则电感器LS和主开关M两者串联后可以布置在最后的第N级的光伏组件的负极输出端O2和母线LB之间,它们两者串联后可以布置在首位的第一级光伏组件PV1的正极输出端O1和母线LA之间,它们两者串联后也还可以布置在任意前一级光伏组件的负极输出端和相邻后一级光伏组件的正极输出端之间,布置的目的是关断装置能满足关断整个系统的需求。
以上通过说明和附图,给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例,上述发明提出了现有的较佳实施例,但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言,阅读上述说明后,各种变化和修正无疑将显而易见。因此,所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在本申请权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容,都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (29)

1.一种用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于,包括:
至少一个关断控制模块和至少一个关断装置;
多个光伏组件串联连接成电池组串并且它们还与关断装置串联在一起;
关断装置用于对与之串联的电池组串来执行关断操作;
关断控制模块在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行关断操作;
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、第一耦合变压器;
第一耦合变压器的原边绕组与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
第一耦合变压器的次级绕组则用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被感应到的激励脉冲源则经由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断。
2.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
主开关是功率MOSFET且第一、第二端子和控制端子分别是源极、漏极和栅极;或
主开关是IGBT且第一、第二端子和控制端子分别是发射极、集电极和栅极。
3.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
4.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
5.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过该控向二极管耦合到主开关的控制端子;
同名端连接到该控向二极管的阳极且主开关的控制端子连到该控向二极管的阴极。
6.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过一个第一电容耦合于一个第一节点;
第一耦合变压器的次级绕组的异名端与第一节点之间连接有一个第一二极管;
第一二极管的阳极连到第一耦合变压器的次级绕组的异名端而阴极连到第一节点;
第一节点连到该控向二极管的阳极且主开关的控制端子连到该控向二极管的阴极。
7.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
在关断装置未执行关断操作而维系与电池组串来保持串联连接的阶段,关断控制模块所发出的激励脉冲源具有第一逻辑态;
关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置输送的激励脉冲源从第一逻辑态翻转到极性相反的第二逻辑态,以通知关断装置立即短接主开关的控制端子与第一端子从而迅速地关断主开关。
8.根据权利要求7所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相反;
第一耦合变压器的辅助绕组的异名端连接到一个NPN双极晶体管的基极、同名端和所述的NPN双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的NPN双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的NPN双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关。
9.根据权利要求7所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相同;
第一耦合变压器的辅助绕组的同名端通过反接的第二二极管连接到一个PNP双极晶体管的基极、异名端和所述的PNP双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的PNP双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的PNP双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关;
第二二极管的阳极连到PNP双极晶体管的基极而阴极连到辅助绕组的同名端。
10.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作;
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。
11.根据权利要求10所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
12.根据权利要求10所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
在储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
13.根据权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
利用一个互感器配备的原边绕组和次级绕组替换所述第一耦合变压器配备的原边绕组和次级绕组。
14.一种基于权利要求1所述的用于光伏组件的串联式关断系统在关断后重新启动的方法,其特征在于,其中:
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、第一耦合变压器;
第一耦合变压器的原边绕组与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
第一耦合变压器的次级绕组则用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被捕获的激励脉冲源则藉由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断;
所述的方法包括:
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源藉此向储能电容充电,直至储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压,以触发关断装置对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,激励脉冲源被停止导致储能电容的电荷损失而无法达到主开关的导通阈值电压,此阶段由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
16.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,激励脉冲源被停止导致储能电容的电荷损失而无法达到主开关的导通阈值电压,此阶段由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
关断控制模块在收到启动命令再次对储能电容充电使其电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,此时储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
17.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
18.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
19.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过该控向二极管耦合到主开关的控制端子;
同名端连接到该控向二极管的阳极且主开关的控制端子连到该控向二极管的阴极。
20.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
第一耦合变压器的次级绕组的异名端耦合到主开关的第一端子;
第一耦合变压器的次级绕组的同名端通过一个第一电容耦合于一个第一节点;
第一耦合变压器的次级绕组的异名端与第一节点之间连接有一个第一二极管;
第一二极管的阳极连到第一耦合变压器的次级绕组的异名端而阴极连到第一节点;
第一节点连到该控向二极管的阳极且主开关的控制端子连到该控向二极管的阴极。
21.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:
在关断装置未执行关断操作而维系与电池组串来保持串联连接的阶段,关断控制模块所发出的激励脉冲源具有第一逻辑态;
关断控制模块在收到关断命令时,先将向关断装置输送的激励脉冲源从第一逻辑态翻转到极性相反的第二逻辑态,以通知关断装置立即短接主开关的控制端子与第一端子从而迅速地关断主开关。
22.根据权利要求21所述的方法,其特征在于:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相反;
第一耦合变压器的辅助绕组的异名端连接到一个NPN双极晶体管的基极、同名端和所述的NPN双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的NPN双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的NPN双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关。
23.根据权利要求21所述的方法,其特征在于:
第一耦合变压器的一个辅助绕组的绕向与次级绕组相同;
第一耦合变压器的辅助绕组的同名端通过反接的第二二极管连接到一个PNP双极晶体管的基极、异名端和所述的PNP双极晶体管的发射极相连于主开关的第一端子处;
所述的PNP双极晶体管的集电极连接到主开关的控制端子处;
辅助绕组在感应到第二逻辑态的激励脉冲源时激发所述的PNP双极晶体管导通并藉此短接主开关的控制端子与第一端子而关闭主开关;
第二二极管的阳极连到PNP双极晶体管的基极而阴极连到辅助绕组的同名端。
24.一种用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于,包括:
至少一个关断控制模块和至少一个关断装置;
多个光伏组件串联连接成电池组串并且它们还与关断装置串联在一起;
关断装置用于对与之串联的电池组串来执行关断操作;
关断控制模块在收到关断命令时,停止向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行关断操作;
其中:
关断装置包括通过电力线与多个光伏组件串联连接的主开关、电感器;
电感器与具有第一端子、第二端子及控制端子的主开关串联;
电感器用于提取加载在电力线上的激励脉冲源;
被感应到的激励脉冲源则经由一控向二极管向连接在主开关的控制端子与第一端子之间的储能电容充电;
储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压则主开关被予以接通否则主开关关断;
电感器的一端耦合到主开关的第一端子以及电感器的相对另一端连接到该控向二极管的阳极,且该控向二极管的阴极耦合到主开关的控制端子。
25.根据权利要求24所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的并联电阻。
26.根据权利要求24所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
主开关的控制端子与第一端子之间还设置有与储能电容并联连接的一对反向串联连接的稳压二极管。
27.根据权利要求24所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置还用于对与之串联的电池组串来执行从关断状态恢复到重新串联连接状态的操作;
关断控制模块在收到启动命令时,再次通过电力线向关断装置输送周期性激励脉冲源以通知关断装置对与之串联的电池组串来执行重新串联连接的操作。
28.根据权利要求27所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的并联电容;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由与主开关并联连接的并联电容提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路。
29.根据权利要求27所述的用于光伏组件的串联式关断系统,其特征在于:
关断装置包括连接在主开关的第一端子和第二端子之间的常开型并联开关,常开型并联开关的控制端子连接到主开关的控制端子;
关断装置执行关断操作并关闭主开关后,由进入导通状态的常开型并联开关提供激励脉冲源在电力线上进行传播的导通通路;以及
在储能电容的电位达到主开关的导通阈值电压而接通主开关时,储能电容的电位还控制将常开型并联开关予以截止。
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