CN110417388A - 一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统，其中，该光伏组件关断器包括：N个相串联的开关管串，每个开关管串包括M个相并联的开关管，其中，N、M均为大于1的整数；用于与关断控制器相连，并用于接收关断控制器发送的控制信号的通信模块；其中，控制信号包括导通控制信号和关断控制信号；与每个开关管的控制端及通信模块相连、用于在接收到导通控制信号时控制开关管导通，在接收到关断控制信号时控制开关管关断的控制模块。本申请公开的上述技术方案，通过开关管的串并联降低光伏组件关断器的失效率，并降低光伏组件关断器在某个开关管失效之后的功耗，从而提高光伏组件关断器工作的可靠性和稳定性。

Description

一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统
技术领域
本申请涉及光伏发电系统安全保护技术领域，更具体地说，涉及一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统。
背景技术
由于太阳能的可再生性及清洁性，光伏并网发电技术得以迅猛发展。通常的光伏发电系统是多个光伏组件串联形成组串，然后接入逆变器实现直流转换为交流而并网。串联的光伏组件形成直流高压，这种高压会导致人身危险和火灾事故，现场光伏系统要求逆变器有防电弧保护，也就是在检测到电弧时要马上关断逆变器的运行。但是，即使逆变器停止运行了，光伏组件串起来以后的直流电缆还是会输出高电压，有安全风险。所以，最安全的做法是有个控制功能把每个光伏组件的电压输出关断，这样就应该完全消除直流高压，通常做法如图1所示，其示出了现有光伏发电系统的结构示意图，在光伏组件后面加入光伏组件关断器，光伏组件关断器的输出串联并连接逆变器，由关断控制器控制光伏组件关断器，实现快速关断，使直流电缆上电压很低。
如图2所示，其示出了现有光伏组件关断器的结构示意图，利用MOS管作为开关器件K，用控制模块控制MOS管的开和关，由通信模块通信采样来从关断控制器获取控制信号，并发送至控制模块，实现MOS管的开通或关断，但是，当MOS管损坏时(通常是短路)，则会造成光伏组件关断器功能的丧失，并会因损坏而产生安全问题。所以，为了解决上述问题，通常是2个MOS管串联，具体可以参见图3，其示出了现有光伏组件关断器的另一结构示意图，但是，当其中一个MOS管失效后(MOS管失效后为导通状态)，Rds为欧姆级别，此时，光伏组件关断器的功耗会大大增加，而功耗的增加会引起光伏组件关断器出现温升等问题，从而使得光伏组件关断器进入异常状态而需要售后维护，由此可知，现有光伏组件关断器存在可靠性和稳定性比较低的问题。
综上所述，如何提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的是提供一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统，以提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种光伏组件关断器，包括：
N个相串联的开关管串，每个所述开关管串包括M个相并联的开关管，其中，N、M均为大于1的整数；
用于与关断控制器相连，并用于接收所述关断控制器发送的控制信号的通信模块；其中，所述控制信号包括导通控制信号和关断控制信号；
与每个所述开关管的控制端及所述通信模块相连、用于在接收到所述导通控制信号时控制所述开关管导通，在接收到所述关断控制信号时控制所述开关管关断的控制模块。
优选的，还包括：
与所述开关管一一对应、且与所述开关管的控制端及所述控制模块相连的限流元件。
优选的，在每个所述开关管串中，M个所述开关管的控制端相连，且其中一个所述开关管的控制端与所述控制模块相连。
优选的，在每个所述开关管串中，M个所述开关管的控制端分别与所述控制模块相连。
优选的，所述限流元件位于所述控制模块中。
优选的，所述限流元件为限流电阻。
优选的，N小于等于M。
优选的，N、M均为2。
优选的，所述开关管为NMOS管，其中：
所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极用于与光伏组件关断器的正输入端相连，所述NMOS管的源极用于与所述光伏组件关断器的正输出端相连，所述光伏组件关断器的正输入端用于与光伏组件相连，正输出端用于与所述关断控制器相连。
一种光伏发电安全保护系统，包括光伏组件、与所述光伏组件相串联的如上述任一项所述的光伏组件关断器、与所述光伏组件关断器相连的关断控制器。
本申请提供了一种光伏组件关断器及光伏发电安全保护系统，其中，该光伏组件关断器包括：N个相串联的开关管串，每个开关管串包括M个相并联的开关管，其中，N、M均为大于1的整数；用于与关断控制器相连，并用于接收关断控制器发送的控制信号的通信模块；其中，控制信号包括导通控制信号和关断控制信号；与每个开关管的控制端及通信模块相连、用于在接收到导通控制信号时控制开关管导通，在接收到关断控制信号时控制开关管关断的控制模块。
本申请公开的上述技术方案，通过在光伏组件关断器中设置N个相串联的开关管串，每个开关管串包括M个并联的开关管，每个开关管的控制端均与控制模块相连，以实现导通和关断控制，并通过开关管的串并联降低光伏组件关断器的失效率，以提高其工作的可靠性和稳定性。而且当其中某一个开关管因失效而导通时，由于其电阻比较大而与之并联的开关管的电阻比较小，则电流几乎全从与失效的开关管相并联的未失效的开关管上流过，因此，则可以降低光伏组件关断器在某个开关管失效之后的功耗，从而尽量避免因功耗增加而使得光伏组件关断器进入异常状态，进而提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有光伏发电系统的结构示意图；
图2为现有光伏组件关断器的结构示意图；
图3为现有光伏组件关断器的另一结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第一结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第二结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第三结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第四结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图4，其示出了本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第一结构示意图，可以包括：
N个相串联的开关管串1，每个开关管串1可以包括M个相并联的开关管11，其中，N、M均为大于1的整数；
用于与关断控制器相连，并用于接收关断控制器发送的控制信号的通信模块2；其中，控制信号可以包括导通控制信号和关断控制信号；
与每个开关管11的控制端及通信模块2相连、用于在接收到导通控制信号时控制开关管11导通，在接收到关断控制信号时控制开关管11关断的控制模块3。
光伏组件关断器可以包括N(N为大于1的整数)个相串联的开关管串1、通信模块2及控制模块3。其中，每个开关管串1均包括M(M为大于1的整数)个相并联的开关管11；控制模块3分别与每个开关管11的控制端、通信模块2相连；通信模块2用于与关断控制器相连，并用于从关断控制器接收控制信号，且将控制信号发送至控制模块3，以使控制模块3可以根据控制信号控制开关管11导通或关断，其中，关断控制器可以通过光伏组件关断器的输出端(具体为图中的Vout+和Vout-，Vout+代表正输出端，Vout-代表负输出端)与通信模块2相连，而且控制模块3在对开关管11进行控制时具体是通过驱动电压进行控制的。具体地，当关断控制器发送关断控制信号至光伏组件关断器时，通信模块2可以接收该关断控制信号并发送至控制模块3，控制模块3在接收到关断控制信号之后则可以通过开关管11的控制端控制开关管11关断，以使得光伏组件关断器处于关断状态，此时，与光伏组件关断器的输入端(包括正输入端和负输入端，分别为图中的Vin+和Vin-，其中，Vin+为正输入端，Vin-为负输入端)相连的光伏组件则无法输出电压，因此，则可以使直流电缆上的电压很低，从而可以保证安全性；当关断控制器发送导通控制信号至光伏组件关断器时，通信模块2可以接收该导通控制信号并发送至控制模块3，控制模块3在接收到导通控制信号之后则可以通过开关管11的控制端控制开关管11导通，以使得光伏组件关断器处于导通状态，此时，与光伏组件关断器相连的光伏组件即可通过光伏组件关断器正常输出电压，从而保证光伏发电系统的正常工作。
其中，上述提及的M个开关管11并联即为M个开关管11的第一端均对应连接在一起，并且这M个开关管11的第二端也均对应连接在一起，以得到一个开关管串1；上述提及的N个开关管串1串联即为第二个开关管串1的第一端(与内部所包含的M个开关管11的第一端对应)与第一个开关管串1的第二端(与内部所包含的M个开关管11的第二端对应)相连、第二个开光管串的第二端与第三个开关管串1的第一端相连……而且第一个开关管串1的第一端与光伏组件关断器的正输入端相连，最后一个开关管串1的第二端与光伏组件关断器的正输出端相连。
在由M个并联的开关管11构成的开关管串1中，当每个开关管11的失效率均为1/n时(n为大于1的实数)，开关管串1的失效率即为(1/n)M，因此，通过M个开关管11并联构成开关管串1即可降低光伏组件关断器的失效率，从而可以提高光伏组件关断器工作的可靠性和稳定性。另外，通过N个开关管串1相串联可以避免因某个开关管11损坏短路而导致光伏组件关断器功能丧失的情况出现，即通过N个开关管串1相串联可以使得在某个开关管11因损坏而短路之后光伏组件关断器仍具有正常的导通和关断控制功能，从而提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性。
而且，当光伏组件关断器中的某个开关管11因失效而处于导通状态时，因失效开关管的导通电阻比较大，与失效开关管并联的未失效开关管的工作电阻比较小，此时，电流会几乎全从与失效开关管并联的未失效开关管流过，失效开关管上几乎无电流流过，因此，则可以降低失效开关管和光伏组件关断器的功耗，从而可以避免因功耗增加而导致的温升等问题，进而可以避免光伏组件关断器进入异常状态，即可以提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性。
本申请公开的上述技术方案，通过在光伏组件关断器中设置N个相串联的开关管串，每个开关管串包括M个并联的开关管，每个开关管的控制端均与控制模块相连，以实现导通和关断控制，并通过开关管的串并联降低光伏组件关断器的失效率，以提高其工作的可靠性和稳定性。而且当其中某一个开关管因失效而导通时，由于其电阻比较大而与之并联的开关管的电阻比较小，则电流几乎全从与失效的开关管相并联的未失效的开关管上流过，因此，则可以降低光伏组件关断器在某个开关管失效之后的功耗，从而尽量避免因功耗增加而使得光伏组件关断器进入异常状态，进而提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性。
参见图5，其示出了本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第二结构示意图。本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，还可以包括：
与开关管11一一对应、且与开关管11的控制端及控制模块3相连的限流元件4。
考虑到失效后的开关管11存在漏电流，并且开关管11的失效会导致漏电流增加，如果控制模块3输出的驱动电压的驱动能力不够，则会导致控制模块3输出的驱动电压掉到开关管11的驱动电压以下，从而未能达到让光伏组件关断器继续工作的设计需要，因此，为了在某个开关管11发生失效以后，控制模块3输出的驱动电压不会被拉低，则在光伏组件关断器中设置与开关管11一一对应且与开关管11的控制端及控制模块3相连的限流元件4，即在光伏组件关断器中设置M×N个限流元件4，每个开关管11的控制端均对应连接一个限流元件4，通过限流元件4使得失效后的开关管11的漏电流可以限制到最小，以使得控制模块3只需较小的电流就可以维持未失效开关管的驱动，从而使得光伏组件关断器能够继续正常工作，并降低未失效开关管11的功耗。
参见图5，以开关管11为MOS管、限流元件4为限流电阻、包括2个开关管串1、每个开关管串1包括2个MOS管为例，当MOS管失效后，栅源极漏电流Igss会增加，如果控制模块3输出Vgs的驱动能力不够则会导致Vgs掉到MOS管的驱动电压以下，因此，为了使Vgs不会被拉低，则在MOS管的控制端增加限流元件4，例如：当第一个开关管串1中的第一个MOS管(对应图4中的M1)正常工作时，M1的Vgs接近Vg1s1，对应关系为Vg1s1＝Vgs+Igss*R1(R1为M1所连接的限流电阻的阻值)，如果M1失效，则Igss增加非常大，此时，即使Vgs到0V，Igss＝Vg1s1/R1，因此，只要保证MOS管正常工作需要时R1取值足够大，就可以将失效M1的漏电流Igss限制到非常小，这样控制模块3的驱动只需要较小的电流就可以维持第一个开关管串1中的第二个MOS管(对应图5中的M2)的驱动。
本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，在每个开关管串1中，M个开关管11的控制端相连，且其中一个开关管11的控制端与控制模块3相连。
在每个开关管串1中，M个开关管11的控制端可以连接在一起，并且可以让这M个开关管11中的其中一个开关管11的控制端与控制模块3相连，以使得这M个开关管11均可以与控制模块3相连。也就是说，各开关管串1中的M个开关管11可以采用同一个驱动(此时，控制模块3中包含有N个控制单元，每个控制单元对应连接一个开关管串1)，以实现对开关管串1中M个开关管11的同时控制。
参见图6，其示出了本申请实施例提供一种光伏组件关断器的第三结构示意图。本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，在每个开关管串1中，M个开关管11的控制端分别与控制模块3相连。
在每个开关管串1中，M个开关管串1的控制端可以分别与控制模块3相连，以使得可以采用完全独立的驱动对对应的开关管11进行控制，即控制模块3中可以包含有M×N个控制单元，其中，控制单元与开关管11一一对应相连(每个开关管11对应一个控制单元，且开关管11与所对应的控制单元相连)，以使得每个控制单元可以对应控制一个开关管11，从而实现对开关管11的独立控制。
参见图7，其示出了本申请实施例提供的一种光伏组件关断器的第四结构示意图。本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，限流元件4位于控制模块3中。
与开关管11的控制端相连的限流元件4可以位于控制模块3中，即可以将限流元件4集成在控制模块3中，以提高限流元件4及光伏组件关断器的可靠性，并降低因额外设置限流元件4而增加的成本，从而降低光伏组件关断器的成本。
本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，限流元件4为限流电阻。
可以利用限流电阻作为限流元件4，以防止驱动电压被拉低。
当然，也可以选用电感、电容等作为限流元件4。
本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，N小于等于M。
在光伏组件关断器中，N可以小于等于M，此时，这M×N个开关管11在正常导通工作时的功率消耗为(I/M)2*R*M*N＝(N/M)*I2*R，其中，I为流经光伏组件关断器的电流，R为开关管11在正常导通时的电阻，由于N小于等于M，则相较于现有采用两个开关管串联构成的光伏组件关断器所消耗的2*I2*R功率而言，则可以降低功率消耗，相应地，则可以提高光伏发电系统的发电功率和发电量。
本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，N、M均为2。
在光伏组件关断器中，N和M均可以等于2，即可以包括2个串联的开关管串1，且每个开关管串1中可以包括2个并联的开关管11，以在保证光伏组件关断器具有较高的可靠性和稳定性的同时，降低开关管11的使用量，降低光伏组件关断器的成本和设计的复杂程度。
本申请实施例提供的一种光伏组件关断器，开关管11为NMOS管，其中：
NMOS管的栅极作为开关管11的控制端，NMOS管的漏极用于与光伏组件关断器的正输入端相连，NMOS管的源极用于与光伏组件关断器的正输出端相连，光伏组件关断器的正输入端用于与光伏组件相连，正输出端用于与关断控制器相连。
光伏组件关断器中所包含的开关管11具体可以为NMOS管。其中，NMOS管的栅极作为开关管11的控制端与控制模块3相连；NMOS管的漏极作为开关管11的第一端，与同一开关管串1中的其他NMOS管的第一端相连，并用于与光伏组件关断器的正输入端相连(直接与光伏组件关断器的正输入端相连，或者通过与其他开关管串1的相串联而与光伏组件关断器的正输入端相连)；NMOS管的源极作为开关管11的第二端，与同一开关管串1中的其他NMOS管的第二端相连，并用于与光伏组件关断器的正输出端相连(直接与光伏组件关断器的正输出端相连，或者通过与其他开关管串1的相串联而与光伏组件关断器的正输出端相连)。
当然，也可以利用NPN型三极管、PMOS管、PNP型三极管、IGBT、晶闸管、继电器等作为开关管11。
本申请实施例还提供了一种光伏发电安全保护系统，可以包括光伏组件、与光伏组件相串联的上述任一种光伏组件关断器、与光伏组件关断器相连的关断控制器。
光伏发电安全保护系统可以包括光伏组件、与光伏组件相串联的上述任一种光伏组件关断器、与光伏组件关断器相连的关断控制器。其中，关断控制器可以集成在逆变器中；光伏组件关断器通过其自身所包含的正输入端和负输入端与光伏组件相串联，并通过自身所包含的正输出端和负输出端与关断控制器相连。
由于上述任一种光伏组件关断器均可以通过开关管11的串并联来提高光伏组件关断器的可靠性和稳定性，因此，则可以提高光伏组件及光伏发电安全保护系统工作的安全性和可靠性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光伏组件关断器，其特征在于，包括：
N个相串联的开关管串，每个所述开关管串包括M个相并联的开关管，其中，N、M均为大于1的整数；
用于与关断控制器相连，并用于接收所述关断控制器发送的控制信号的通信模块；其中，所述控制信号包括导通控制信号和关断控制信号；
与每个所述开关管的控制端及所述通信模块相连、用于在接收到所述导通控制信号时控制所述开关管导通，在接收到所述关断控制信号时控制所述开关管关断的控制模块。
2.根据权利要求1所述的光伏组件关断器，其特征在于，还包括：
与所述开关管一一对应、且与所述开关管的控制端及所述控制模块相连的限流元件。
3.根据权利要求2所述的光伏组件关断器，其特征在于，在每个所述开关管串中，M个所述开关管的控制端相连，且其中一个所述开关管的控制端与所述控制模块相连。
4.根据权利要求2所述的光伏组件关断器，其特征在于，在每个所述开关管串中，M个所述开关管的控制端分别与所述控制模块相连。
5.根据权利要求4所述的光伏组件关断器，其特征在于，所述限流元件位于所述控制模块中。
6.根据权利要求2所述的光伏组件关断器，其特征在于，所述限流元件为限流电阻。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光伏组件关断器，其特征在于，N小于等于M。
8.根据权利要求7所述的光伏组件关断器，其特征在于，N、M均为2。
9.根据权利要求7所述的光伏组件关断器，其特征在于，所述开关管为NMOS管，其中：
所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极用于与光伏组件关断器的正输入端相连，所述NMOS管的源极用于与所述光伏组件关断器的正输出端相连，所述光伏组件关断器的正输入端用于与光伏组件相连，正输出端用于与所述关断控制器相连。
10.一种光伏发电安全保护系统，其特征在于，包括光伏组件、与所述光伏组件相串联的如权利要求1至9任一项所述的光伏组件关断器、与所述光伏组件关断器相连的关断控制器。
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