CN111565021A - 一种组件限压电路及其应用装置 - Google Patents

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CN111565021A CN201910114373.4A CN201910114373A CN111565021A CN 111565021 A CN111565021 A CN 111565021A CN 201910114373 A CN201910114373 A CN 201910114373A CN 111565021 A CN111565021 A CN 111565021A
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杨宗军
徐君
云平
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Abstract

本发明提供的组件限压电路及其应用装置，通过检测控制单元检测光伏电池串的参数，并根据光伏电池串的参数，控制开关单元动作；开关单元根据检测控制单元的控制，能够使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，或者，使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出；当开关单元根据检测控制单元的控制使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式时，能够降低光伏电池串的电压，进而使系统在保证最高电压不超过相应要求的同时能够增加光伏组件的串联个数，降低系统成本；而当开关单元根据检测控制单元的控制使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出时，能够提高光伏电池串的输出电压，进而提高光伏系统的直流电压利用率和DC/AC容配比。

Description

一种组件限压电路及其应用装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种组件限压电路及其应用装置。
背景技术
光伏发电系统主要由光伏组件和逆变器组成，若干光伏组件通过串联和并联后将直流电压汇入逆变器，再由逆变器将直流电压逆变成交流电压后供给电网或者负载。
随着逆变器的功率等级不断增大，系统内光伏组件接入越多，系统成本也越低。但是，当多个光伏组件串联时，要求系统的最高电压不得超过1500V，这便限制了光伏组件的串联个数。
又由于光伏组件的输出功率随电压是不断变化的，如图1所示，其最大功率点对应的输出电压Vmpp一般在其开路电压Voc的80％左右；如1500V的系统，当逆变器运行时，其直流侧电压逐步运行到1200V左右并保持。因此，实际对于光伏组件和逆变器来说，系统直流电压的有效利用率都较低，光伏发电系统的DC/AC容配比也较低。
发明内容
本发明提供一种组件限压电路及其应用装置，以解决现有技术中组件串联个数受限和系统直流电压利用率低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
本发明一方面提供一种组件限压电路，与光伏电池串相连，所述光伏电池串包括多个串联连接的光伏电池，所述光伏电池为光伏电池片、光伏子串或者光伏组件；所述组件限压电路包括：检测控制单元和开关单元；其中：
所述检测控制单元用于检测所述光伏电池串的参数，并根据所述光伏电池串的参数，控制所述开关单元动作；
所述开关单元用于根据所述检测控制单元的控制，使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，或者，使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出。
优选的，所述限压模式包括：输出电压为零的完全短路模式，以及，按照脉冲宽度调制PWM控制进行电压输出的斩波模式。
优选的，所述检测控制单元包括：检测模块和控制器；
所述控制器为带滞环反馈的比较器，用于控制所述开关单元常通或关断；或者，
所述控制器为PWM发生器或处理器，用于控制所述开关单元常通、按照PWM通断或关断。
优选的，所述光伏电池串的参数为：所述光伏电池串的电压、电流或温度，或者，至少一个光伏电池的电压、电流或温度。
优选的，所述开关单元包括：一个开关；
所述开关单元所连接的光伏电池的个数为1个时，所述开关与相应的光伏电池并联；
所述开关单元所连接的至少一个光伏电池为依次串联的多个光伏电池时，所述开关与依次串联的多个光伏电池并联。
优选的，所述开关单元所连接的光伏电池的个数为n个时，所述开关单元包括n个开关；n为大于1的正整数；
n个所述开关与n个相应的光伏电池一一对应并联。
优选的，所述组件限压电路还包括：电源模块，用于为所述检测控制单元供电；
所述电源模块从所述光伏电池串取电，或者，从部分所述光伏电池串取电，又或者，从外部取电。
本发明另一方面提供一种智能限压装置，包括如上述任一所述的组件限压电路，并且，所述组件限压电路所连接的光伏电池为光伏组件。
本发明另一方面提供一种智能限压接线盒，包括：多个二极管，和，如上述任一所述的组件限压电路；其中：
所述组件限压电路所连接的光伏电池为光伏子串；
各个所述二极管分别与相应光伏子串反向并联连接。
本发明另一方面提供一种智能组件，包括：光伏组件，和，如上述所述的智能限压接线盒。
本发明提供的组件限压电路，通过检测控制单元检测光伏电池串的参数，并根据所述光伏电池串的参数，控制开关单元动作；开关单元根据所述检测控制单元的控制，能够使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，或者，使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出；当开关单元根据所述检测控制单元的控制使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式时，能够降低光伏电池串的电压，进而使系统在保证最高电压不超过相应要求的同时能够增加光伏组件的串联个数，降低系统成本；而当开关单元根据所述检测控制单元的控制使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出时，能够提高光伏电池串的输出电压，进而提高光伏系统的直流电压利用率和DC/AC容配比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的光伏组件的输出特性曲线图；
图2至图3e分别是本发明申请实施例提供的组件限压电路的结构示意图；
图4是本发明申请实施例提供的控制器结构示意图；
图5a和图5b是本发明申请实施例提供的组件限压电路斩波模式波形示意图；
图6是本发明申请实施例提供的带独立智能限压装置的光伏发电系统结构示意图；
图7是本发明申请实施例提供的智能限压接线盒的结构示意图；
图8是本发明申请实施例提供的智能组件组成的光伏发电系统结构示意图。
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作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。
本发明提供一种组件限压电路，以解决现有技术中组件串联个数受限和系统直流电压利用率低的问题。
该组件限压电路与光伏电池串相连，具体的连接方式视其应用环境而定；该光伏电池串包括多个串联连接的光伏电池，而该光伏电池可以是指光伏电池片，也可以是指光伏子串，或者还可以是指光伏组件；其中，光伏电池片一般是指光伏发电的最小单元，单个光伏电池片可输出约0.3-0.7V；若干(比如10个、12个或者20个等)光伏电池片通过汇流带串联在一起，构成光伏子串；若干光伏子串再次串联，构成光伏组件，常规的有60片光伏组件，72片光伏组件，半片组件等。实际应用中，该组件限压电路可以连接在若干光伏电池片的两端，或者若干光伏子串的两端，又或者若干光伏组件的两端。
如图2至图3e所示，该组件限压电路包括：检测控制单元101和开关单元102。
其中，视组件限压电路与光伏电池串的具体连接方式的不同，开关单元102的具体实现形式也不同；比如，当该组件限压电路与光伏电池串中的一个光伏电池相连时，该开关单元102为一个与此光伏电池并联的开关即可，如图3a所示；而当该组件限压电路与光伏电池串中部分依次串联的光伏电池相连时，该开关单元102可以是多个与相应光伏电池一一并联的开关(如图3b所示)，也可以是与全部相应光伏电池并联的一个开关(如图3c所示)；当该组件限压电路与光伏电池串中多个互不相连的光伏电池相连时，该开关单元102包括多个与相应光伏电池一一并联的开关(如图3d所示)；当该组件限压电路与光伏电池串中全部光伏电池相连时，该开关单元102包括多个与全部光伏电池一一并联的开关(如图3e所示)。
综上所述，该开关单元102可以仅包括一个开关；如图3a所示，开关单元102所连接的光伏电池的个数为1个时，该开关与相应的光伏电池并联；如图3c所示，开关单元102所连接的至少一个光伏电池为依次串联的多个光伏电池时，该开关与依次串联的多个光伏电池并联。而开关单元102所连接的光伏电池的个数为n个时，开关单元102包括n个开关；n为大于1的正整数；此时，n个开关与n个相应的光伏电池一一对应并联，如图3b、3d和3e所示。
并且，上述几种情况还可以相互结合，此处不再一一赘述，均属于本申请的保护范围内。
实际应用中，该开关采用可控的电子开关为佳，比如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET，金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、三极管或者继电器等均可，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
检测控制单元101用于检测光伏电池串的参数，并根据光伏电池串的参数，控制开关单元102动作。视组件限压电路与光伏电池串的具体连接方式的不同，检测控制单元101所检测的参数也将不同，具体可以是整个光伏电池串的相应参数，也可以是一个具有代表意义的光伏电池的相应参数，还可以是该组件限压电路所连接的光伏电池的相应参数，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。并且，上述参数可以是电压、电流或者温度等，只要能够体现光伏电池串的输出状态即可，均在本申请的保护范围内。
该光伏电池串的输出状态包括：光伏电池串的输出电压较高，导致系统直流电压超过上限值，需要限压的状态，比如逆变器并网前的输出状态；以及，系统直流电压低于下限值，需要升压的状态，比如逆变器并网后随着MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制所导致的输出状态。
该检测控制单元101具体可以在光伏电池串的参数表征系统直流电压超过上限值，即满足限压使能条件时，控制开关单元102动作，进而使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，比如输出电压为零的完全短路模式或者按照PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制进行电压输出的斩波模式；并在光伏电池串的参数表征系统直流电压低于下限值，即满足限压解除条件时，控制开关单元102关断，进而使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出。
不论该限压模式为输出电压为零的完全短路模式，还是按照PWM控制进行电压输出的斩波模式，均能够限制相应光伏电池的输出电压，进而降低整个光伏电池串的输出电压；而工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出，能够提高整个光伏电池串的输出电压。
由上述内容可见，本实施例提供的该组件限压电路，能够在逆变器并网前系统直流电压超过上限值需要限压时，通过检测控制单元101控制开关单元102动作，进而控制自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，降低光伏电池串的电压，使系统在保证最高电压不超过相应要求的同时，能够增加光伏组件的串联个数，扩展直流侧组件的接入，降低系统成本；并在逆变器并网后系统直流电压低于下限值需要升压时，通过检测控制单元101控制开关单元102关断，进而使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出，提高光伏电池串的输出电压，使光伏系统的直流电压利用率和DC/AC容配比也得到有效提高。
本申请另一实施例还提供了一种具体的组件限压电路，在上一实施例的基础之上，优选的，如图2至图3e所示，还包括：电源模块103，用于为检测控制单元101供电。
实际应用中，该电源模块103可以从光伏电池串取电(如图2至图3e所示)，或者，也可以从部分光伏电池串取电(未进行图示)，又或者，还可以从外部取电(未进行图示)；此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
该电源模块103的电路形式可以为常用的LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器)、半桥电路或者反激电路等，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
另外，其检测控制单元101优选包括：检测模块和控制器；视该检测控制单元101对于开关单元102的工作状态的具体控制情况，其内部的控制器有两种不同的实现形式：
其一，如图4所示，该控制器为带滞环反馈的比较器，用于在检测模块输出的参数(比如电压Vs)超过相应的上限值(比如参考电压Vref)进而满足限压使能条件时控制开关单元102常通，且在检测模块输出的参数满足限压解除条件时控制开关单元102关断；这种控制器的实现成本较低。
其二，该控制器也可以为PWM发生器或处理器，用于在检测模块输出的参数满足限压使能条件时控制开关单元102常通或者按照PWM通断，且在检测模块输出的参数满足限压解除条件时控制开关单元102关断。其控制开关单元102高频通断时，能够使相应光伏电池串的输出电压波形变成一个矩形波(如图5a所示)，由于组件两端有电源模块103的电容，故输出变成了具有一定纹波的锯齿波形(如图5b所示)。进一步来说，组件相互串联后输出到逆变器侧，由于组件之间存在错相，同时逆变器侧有输入电容，故总输出也会比较平滑。因此，PWM通断模式下也同样能够起到对于输出电压的降低作用，而且其调节的程度可以更加细化，可以控制相应光伏电池以一定的占空比进行输出。对于其斩波频率，优选高于预设频率的较高频率，可以减少纹波大小。
其余结构及原理与上一实施例相同，此次不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种智能限压装置，应用于图6所示的光伏发电系统中，该光伏发电系统的一个光伏组串中包括若干依次串联连接的常规光伏组件；光伏组串中可以是部分光伏组件配备该智能限压装置，比如智能限压装置与光伏组件一一对应并联(未进行图示)，或者，多个依次串联连接的光伏组件共同与一个智能限压装置并联(如图6所示)；也可以为每个光伏组件均配备一个并联连接的智能限压装置(未进行图示)。
该智能限压装置包括如上述任一实施例所述的组件限压电路，其具体结构以及原理可以参见上述实施例，以图6所示光伏发电系统为例进行说明，由于要求光伏组串输入至逆变器直流侧的电压不超过1500V，所以在逆变器并网前，该智能限压装置限制所连接光伏组件的输出电压，使光伏组串的总输出不超过1500V；而当逆变器并网后，随着MPPT的慢慢稳定，逆变器直流侧母线电压降低到1200V左右，此时，该智能限压装置解除限压功能，电压重新恢复，但总电压仍低于1500V。
其结果是，对于1500V的逆变器，直流侧串联的光伏组件可以配置更高，如最高达到1800V，通过该智能限压装置，仍然被有效控制在1500V以内，降低了成本；且并网后还能将系统电压由现有技术中的1200V提升到1500V之内，提高了系统容配比。
本发明另一实施例还提供了一种智能限压接线盒，如图7所示，包括：多个二极管，和，如上述任一实施例所述的组件限压电路，其组件限压电路所连接的光伏电池为光伏子串，且各个二极管分别与相应光伏子串反向并联连接。
常规60片电池片的光伏组件，冬季开路电压最高约42V，其内部含有三个光伏子串，每个光伏子串的电压为14V。72片电池片的光伏组件类似。
该智能限压接线盒的电源模块103从整个光伏组件取电，给检测控制单元101供电。其中的开关单元102为一个可控的电子开关，如MOSFET、IGBT、三极管、继电器等装置，图7中以该开关并联在其中一个光伏子串的两侧为例进行展示。
当电压较高时，检测控制单元101主动控制该开关短路，理论上可减少1/3的电压；若以常通方式控制该开关限制相应光伏子串的输出电压，则光伏组件的输出电压改变为2/3V，若以PWM模式控制该开关限制相应光伏子串的输出电压，则光伏组件的输出电压改变为2/3V附近的锯齿波(参见图5a和图5b)；V为相应光伏子串被限制前的组件电压。当电压较低时,检测控制单元101恢复输出电压被限制的光伏子串。即从整体看，该智能限压接线盒中设置有组件限压电路后，使整个光伏组件的最大输出被限制下来。进一步的，如果开关单元102设置在1/6的光伏子串上，那么调节的颗粒度会更细，效果更好。
其余结构及原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种智能组件，包括：光伏组件，和，如上述任一实施例所述的智能限压接线盒。
由多个智能组件串并联后汇入逆变器直流侧，其系统结构如图8所示。当智能组件中的限压功能启动时，限制其内部的部分输出，保证整个系统直流电压不超过1500V；当逆变器运行后，系统直流电压被拉低，各个智能组件的限压功能解除，系统正常发电。
其余结构及原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种组件限压电路，其特征在于，与光伏电池串相连，所述光伏电池串包括多个串联连接的光伏电池，所述光伏电池为光伏电池片、光伏子串或者光伏组件；所述组件限压电路包括：检测控制单元和开关单元；其中：
所述检测控制单元用于检测所述光伏电池串的参数，并根据所述光伏电池串的参数，控制所述开关单元动作；
所述开关单元用于根据所述检测控制单元的控制，使自身所连接的至少一个光伏电池工作于限压模式，或者，使工作于限压模式的光伏电池恢复正常输出。
2.根据权利要求1所述的组件限压电路，其特征在于，所述限压模式包括：输出电压为零的完全短路模式，以及，按照脉冲宽度调制PWM控制进行电压输出的斩波模式。
3.根据权利要求2所述的组件限压电路，其特征在于，所述检测控制单元包括：检测模块和控制器；
所述控制器为带滞环反馈的比较器，用于控制所述开关单元常通或关断；或者，
所述控制器为PWM发生器或处理器，用于控制所述开关单元常通、按照PWM通断或关断。
4.根据权利要求1所述的组件限压电路，其特征在于，所述光伏电池串的参数为：所述光伏电池串的电压、电流或温度，或者，至少一个光伏电池的电压、电流或温度。
5.根据权利要求1-4任一所述的组件限压电路，其特征在于，所述开关单元包括：一个开关；
所述开关单元所连接的光伏电池的个数为1个时，所述开关与相应的光伏电池并联；
所述开关单元所连接的至少一个光伏电池为依次串联的多个光伏电池时，所述开关与依次串联的多个光伏电池并联。
6.根据权利要求1-4任一所述的组件限压电路，其特征在于，所述开关单元所连接的光伏电池的个数为n个时，所述开关单元包括n个开关；n为大于1的正整数；
n个所述开关与n个相应的光伏电池一一对应并联。
7.根据权利要求1-4任一所述的组件限压电路，其特征在于，还包括：电源模块，用于为所述检测控制单元供电；
所述电源模块从所述光伏电池串取电，或者，从部分所述光伏电池串取电，又或者，从外部取电。
8.一种智能限压装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的组件限压电路，并且，所述组件限压电路所连接的光伏电池为光伏组件。
9.一种智能限压接线盒，其特征在于，包括：多个二极管，和，如权利要求1-7任一所述的组件限压电路；其中：
所述组件限压电路所连接的光伏电池为光伏子串；
各个所述二极管分别与相应光伏子串反向并联连接。
10.一种智能组件，其特征在于，包括：光伏组件，和，如权利要求9所述的智能限压接线盒。
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