CN111835279A - 太阳能电池系统、其快速关闭控制电路与方法 - Google Patents

太阳能电池系统、其快速关闭控制电路与方法 Download PDF

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CN111835279A CN201910303789.0A CN201910303789A CN111835279A CN 111835279 A CN111835279 A CN 111835279A CN 201910303789 A CN201910303789 A CN 201910303789A CN 111835279 A CN111835279 A CN 111835279A
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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池系统的快速关闭控制电路，耦接至一太阳能电池模块，该太阳能电池模块更耦接至一逆变器，该快速关闭控制电路包括：一快速关闭控制器，耦接至该太阳能电池模块，该快速关闭控制器具有：一第一端，耦接至该太阳能电池模块的一第一端，以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的一第二端；一晶体管，具有：一栅极耦接至该快速关闭控制器，一源极耦接至该太阳能电池模块的该第二端，以及一漏极；以及一二极管，具有：一第一端，耦接至该晶体管的该漏极；以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的该第一端。

Description

太阳能电池系统、其快速关闭控制电路与方法
技术领域
本发明是有关于一种太阳能电池系统、其快速关闭控制电路与方法。
背景技术
太阳能电池(Photovoltaic cell)可做为洁净能源之一，已受到愈来愈多注意。随着技术进步，太阳能电池系统变得更加高效与低成本。然而，对于太阳能电 池系统的安全要求亦变得更加重要，以减少对维修人员与紧急维护人员的电击 与能量危险。在2017年，安全标准之一，美国国家电气法规(national electrical code,NEC)690.12已被提出以要求，在10秒内，将太阳能电池系统的输出电 压控制在30伏特，将其输出功率控制在240伏安(volt-ampere)之内。
故而，本案提出一种太阳能电池系统、其快速关闭控制电路与方法，以符 合对太阳能电池系统的安全要求。
发明内容
根据本案一示范性实施例，提出一种太阳能电池系统的快速关闭控制电路， 耦接至一太阳能电池模块，该太阳能电池模块更耦接至一逆变器，该快速关闭 控制电路包括：一快速关闭控制器，耦接至该太阳能电池模块，该快速关闭控 制器具有：一第一端，耦接至该太阳能电池模块的一第一端，以及一第二端， 耦接至该太阳能电池模块的一第二端；一晶体管，具有：一栅极耦接至该快速 关闭控制器，一源极耦接至该太阳能电池模块的该第二端，以及一漏极；以及 一二极管，具有：一第一端，耦接至该晶体管的该漏极；以及一第二端，耦接 至该太阳能电池模块的该第一端；其中，于一正常状态，受控于该快速关闭控 制器，该晶体管具有一第一阻抗状态，且该太阳能电池模块的一输出功率输出 至该逆变器；以及于一关闭状态，受控于该快速关闭控制器，该晶体管与该二 极管被控制为一可变阻抗，使得该太阳能电池模块的该第一端与该第二端之间 的一电压被调节为一所需电压。
根据本案另一示范性实施例，提出一种太阳能电池系统，包括：多个太阳 能电池模块；多个快速关闭控制电路，耦接至该些太阳能电池模块；一串控制 器，耦接至该些快速关闭控制电路，以送出一第一控制信号至该些快速关闭控 制电路；以及一逆变器，耦接至该些太阳能电池模块，以将从该些太阳能电池 模块所提供的一直流电压转换为一交流电压；其中，于一正常状态，受控于该 些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的多个第一端与多个第二端之间的 个别电压串联输出以致能该逆变器来输出一交流电压；以及于一关闭状态，受 控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的该些第一端与该些第二端 之间的该些个别电压被调节至一所需电压以致使该些太阳能电池模块的一总 串联输出电压低到足以失能该逆变器。
根据本案另一示范性实施例，提出一种太阳能电池系统的快速关闭控制方 法，该太阳能电池系统包括：多个太阳能电池模块，多个快速关闭控制电路， 一串控制器，一逆变器，该方法包括：于一正常状态，回应于该由串控制器所 送出的一第一控制信号，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块 的多个第一端与多个第二端之间的个别电压被稳压以串联输出致能该逆变器 来输出一交流电压；以及于一关闭状态，回应于该由串控制器所送出的该第一 控制信号，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的该些第一端 与该些第二端之间的该些个别电压被调节至一所需电压以致使该些太阳能电池模块的一总串联输出电压低到足以失能该逆变器。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合 所附图式详细说明如下。
附图说明
图1根据本案一示范性实施例的太阳能电池系统的功能方块图。
图2根据本案一示范性实施例的太阳能电池系统的快速关闭(RSD)控制电 路的功能方块图。
图3根据本案一示范性实施例的太阳能电池模块的特征曲线图。
其中，附图标记：
太阳能电池系统100 太阳能电池模块110、PV1-PVN
快速关闭控制电路120 串控制器130
闸道140 快速关闭控制开关150
逆变器160
逆变器160的两输入端DC+与DC-
逆变器160的两输出端AC+与AC-
太阳能电池模块110的正端(PV+)
太阳能电池模块110的负端(PV-)
云端服务器170
快速关闭控制器210 二极管D1
晶体管N1 电容C1、C2、C3
开关控制单元211 通讯单元213
功率管理单元215 DC/DC变压器216
端点X1、X2 定电压源VDD
太阳能电池模块的VI曲线L1
开路电压Voc 短路电流Isc
太阳能电池模块的功率曲线L2
功率Pm、Pr
电压Vm、Vr 电流Im
具体实施方式
本说明书的技术用语系参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用 语有加以说明或定义，该部分用语的解释系以本说明书的说明或定义为准。本 揭露的各个实施例分别具有一或多个技术特征。在可能实施的前提下，本技术 领域具有通常知识者可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或 者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。
图1根据本案一示范性实施例的太阳能电池系统的功能方块图。如图1 所示，本案示范性实施例的太阳能电池系统100包括：多个太阳能电池模块 110、多个快速关闭控制电路120、串控制器(string controller)130、闸道 (gateway)140、快速关闭控制开关(rapidshutdown control switch)150与逆变器 (inverter)160。
太阳能电池系统100包括至少一个太阳能电池模块110，在图1中以示例 的方式示出为太阳能电池模块PV1、PV2…PVN。每个太阳能电池模块110彼 此串联，亦可称为是一串的太阳能电池模块110。如众所周知的，每个太阳能 电池模块110可操作以将入射太阳能转换为DC电压。该些太阳能电池模块110 的总输出电压连接到逆变器160。
该些快速关闭控制电路120一对一于该些太阳能电池模块110。该些快速 关闭控制电路120电性耦合于该些太阳能电池模块110。回应于由串控制器130 或快速关闭控制开关150所输出的控制信号，该些快速关闭控制电路120可快 速关闭该些太阳能电池模块110，其细节将于底下说明之。
串控制器130电性耦合于该些快速关闭控制电路120。更进一步说，串控 制器130电性耦合于快速关闭控制电路120之一与快速关闭控制电路120的另 一之间。回应于由快速关闭控制开关150所输出的控制信号，串控制器130 可输出控制信号至该些快速关闭控制电路120，以快速关闭该些太阳能电池模 块110。
闸道140介于串控制器130与快速关闭控制开关150之间。闸道140可耦 接于云端服务器170。云端服务器170可透过闸道140与串控制器130而对该 些太阳能电池模块110进行远端关闭操作。此外，串控制器130所收集的该些 太阳能电池模块110的参数可透过闸道140而送至云端服务器170。此外，如 果太阳能电池系统100包括多个串控制器130(每个串控制器130控制一串的太 阳能电池模块110)的话，则该些串控制器130共享该闸道140，亦即，该些串 控制器130将该些串的太阳能电池模块110的个别参数透过该闸道140而传至云端服务器170。云端服务器170可透过闸道140而送出远端关闭信号至该些 串的太阳能电池模块110。
逆变器160电性耦合于该些太阳能电池模块110，以将从该些太阳能电池 模块110所提供的直流(DC)电压转换为交流(AC)电压(例如但不受限于110伏 特AC电压)。亦即，逆变器160的两输入端(DC+与DC-)分别耦接至该太阳能 电池模块110(PV1)的正端(PV+)与该太阳能电池模块110(PVN)的负端(PV-)， 并从逆变器160的输出端(AC+与AC-)输出AC电压。
在本案示范性实施例中，可以实现对太阳能系统100中的该些太阳能电池 模块110的快速切断和重新启动。
为达此，快速关闭控制开关150可以为电气、机械或图形化操作按钮或界 面。当快速关闭控制开关150处于关闭(OFF)状态时，将中断来自该些太阳能 电池模块110的输出。或者，在这方面，快速关闭控制开关150可以是使用者 操作控制，并且由诸如管理员或其他人员控制，以出于安全目的(诸如，当回 应于太阳能系统100的紧急情况或类似的情况)而快速中断来自该些太阳能电 池模块110的输出。更甚者，快速关闭控制开关150可以是软件和/或硬件， 其可检测状况并且在没有用户干预(user intervention)的情况下，以中断来自该 些太阳能电池模块110的输出。此外，快速关闭控制开关150还可操作以控制 从一个或多个太阳能电池模块110的个别输出。
在本案示范性实施例中，由串控制器130所输出给该些快速关闭控制电路 120的控制信号可以包括信息协定(message protocol)，来控制全部太阳能电池 模块110。信息协定是多位元信号(multi-bit signal)。该信息协定可以包括 FSK(频率偏移调变，Frequency-Shift Keying)等，其细节在此不赘述。甚至， 透过信息协定，可以个别独立地控制该些太阳能电池模块110的断开与启动。
图2根据本案一示范性实施例的太阳能电池系统的快速关闭(RSD)控制电 路的功能方块图。如图2所示，快速关闭控制电路120包括：快速关闭控制器 210、二极管D1、晶体管N1、AC耦合电容C1、去耦合电容C2与C3。
快速关闭控制器210回应于由串控制器130所输出的控制信号而控制晶体 管N1的栅极电压。
亦即，快速关闭控制器210回应于由串控制器130所输出的控制信号而调 节(regulate)晶体管N1的阻抗值。快速关闭控制器210包括：第一端，耦接至 该太阳能电池模块110的第一端(PV+)；以及第二端，耦接至该太阳能电池模 块110的第二端(PV-)。
快速关闭控制器210包括：开关控制单元211、通讯单元213与功率管理 单元215。快速关闭控制器210亦可视为并联于太阳能电池模块110。
功率管理单元215包括DC/DC变压器216。DC/DC变压器216用以将该 太阳能电池模块110的第一端(PV+)的电压转换成定电压源VDD，以供快速关 闭控制器210在正常状态与关闭状态下所需的电压。亦即，DC/DC变压器216 提供定电压源VDD给开关控制单元211、通讯单元213与功率管理单元215。
通讯单元213透过AC耦合电容C1而接收由串控制器130所输出的控制 信号。通讯单元213可以解调变由串控制器130所输出的控制信号，以将解调 变结果送至开关控制单元211，而由开关控制单元211控制晶体管N1的阻抗。 此外，通讯单元213亦可将太阳能电池模块110的参数(如太阳能电池模块110 的电压、电流、温度等)调变为AC信号，透过AC耦合电容C1而回送至串控 制器130，以进行更进一步的管理/控制等。
开关控制单元211可回应通讯单元213及/或功率管理单元215所传来的 信号，来控制晶体管N1的栅极电压，以调节晶体管N1的阻抗。在正常状态 下，晶体管N1的阻抗被控制为非常高，因此，晶体管N1几乎不消耗由该太 阳能电池模块110的第一端(PV+)所提供的电能。在关闭状态下，晶体管N1 的阻抗被控制，以将该太阳能电池模块110的第一端(PV+)的电压调节为所需 的低电压值，以符合安全要求。甚至，功率管理单元215的DC/DC变压器216 可将太阳能电池模块110的第一端(PV+)的电压转换成定电压源VDD，以提供 给快速关闭控制器210。功率管理单元215可检测太阳能电池模块110的第一 端(PV+)的电压，并将检测结果送至开关控制单元211，以使得开关控制单元 211来控制晶体管N1的栅极电压。
晶体管N1具有：栅极，耦接至快速关闭控制器210的开关控制单元211； 源极，耦接至太阳能电池模块110的第二端(PV-)；以及漏极，耦接至二极管 D1。
二极管D1具有一第一端(例如阴极)耦接至晶体管N1的漏极，以及第二端 (例如阳极)耦接至太阳能电池模块110的第一端(PV+)。
AC耦合电容C1耦合于快速关闭控制器210与太阳能电池模块110的第 一端(PV+)之间。
去耦合电容C2耦合于快速关闭控制器210的第一端X1与快速关闭控制 器210的第二端X2之间。
去耦合电容C3耦合于DC/DC变压器216所输出的定电压源VDD与快速 关闭控制器210的第二端X2之间。由DC/DC变压器216所输出的定电压源 VDD经过去耦合电容C3的去耦合后，以提供给快速关闭控制器210，以提供 快速关闭控制器210于正常状态与关闭状态下所需的电压。
现将说明快速关闭控制器210的操作。于正常状态下，根据所接收到的控 制信号(信息协定)(由串控制器130所送出)，开关控制单元211控制晶体管N1 具有高阻抗，因此，晶体管N1几乎不消耗由太阳能电池模块110的第一端(PV+) 所输出的电能。由太阳能电池模块110所输出的电能可以大部份送至逆变器 160。由该些太阳能电池模块110(PV1-PVN)所输出的总输出电压足够高到致能 逆变器160，以让逆变器160输出AC电压。
于关闭状态下，根据所接收到的控制信号(信息协定)(由串控制器130所送 出)，开关控制单元211控制晶体管N1(且二极管D1亦为导通)，如此一来， 晶体管N1与二极管D1可以形成可变阻抗(或者说是电流源(current sinker))， 以稳压太阳能电池模块110的第一端(PV+)与太阳能电池模块110的第二端 (PV-)之间电压为所需的低电压。因此，各太阳能电池模块110的输出电能可 以足够低，可以避免安全问题。在关闭状态下，由该些太阳能电池模块 110(PV1-PVN)所输出的总电压足够低，以失能该逆变器160以避免安全问题， 例如对维修人员与紧急维护人员的电击与能量危险。
结合图1与图2可看出，由串控制器130所送出的控制信号可以透过AC 耦合来送至所有的RSD控制电路120。
在本案示范性实施例中，为重新启动该些太阳能电池模块110，回应于快 速关闭控制开关150的操作(例如开关切换至ON状态)，串控制器130送出控 制信号(AC信号)至该些快速关闭控制电路120，该些快速关闭控制电路120 可以控制该些晶体管N1具有高阻抗。如此一来，该些太阳能电池模块110的 输出电压可以被允许输出至逆变器160，以达成重新启动该些太阳能电池模块 110。
图3根据本案一示范性实施例的太阳能电池模块的特征曲线图。如图3 所示，曲线L1代表太阳能电池模块的电压电流曲线，其中，Voc代表开路(open circuit)电压(以图3而言，约为21、22V左右)，而Isc则代表短路电流(以图3 而言，约为6.5A左右)。曲线L2代表太阳能电池模块的功率电压曲线(功率 ＝V*I)，其中，Pm代表太阳能电池模块的最大功率，而Vm与Im则代表当太 阳能电池模块输出最大功率时的电压与电流。可以透过调节负载(未示出)，以 让太阳能电池模块的输出功率达到最大功率Pm。
搭配图3可知，在本案实施例中，在关闭状态下，太阳能电池模块的输出 电压被稳定至所需的低电压Vr(或接近于0V的非常低电压)，其中，Pr＝Vr*Isc， Pr代表太阳能电池模块的输出功率)。亦即，本案实施例可以达成在10秒内， 太阳能电池系统降低该些太阳能电池模块的总输出电压低于30V(因为各太阳 能电池模块的输出电压被调节至所需的低电压，例如，低于0.8V)，使得该些 太阳能电池模块的总输出功率低于240伏特安培。可使得太阳能电池模块的功 率快速降低。本案示范性实施例中，太阳能电池系统100可符合安全要求。
此外，由上述实施例可知，本案实施例可以达成对太阳能电池模块的并联 关断，在此，并联关断是指，稳压单元(由二极管D1与晶体管N1所组成)乃是 并联于太阳能电池模块。当进行并联关断时，乃是将并联于太阳能电池模块的 稳压单元(由二极管D1与晶体管N1所组成)稳压(藉由汲取太阳能电池模块的 大部份光电流)，以使得太阳能电池模块的输出电压能非常低，以符合安全标 准。
综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。 本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当 可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所 界定者为准。

Claims (17)

1.一种太阳能电池系统的快速关闭控制电路，其特征在于，耦接至一太阳能电池模块，该太阳能电池模块更耦接至一逆变器，该快速关闭控制电路包括：
一快速关闭控制器，耦接至该太阳能电池模块，该快速关闭控制器具有：一第一端，耦接至该太阳能电池模块的一第一端，以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的一第二端；
一晶体管，具有：一栅极耦接至该快速关闭控制器，一源极耦接至该太阳能电池模块的该第二端，以及一漏极；以及
一二极管，具有：一第一端，耦接至该晶体管的该漏极；以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的该第一端；
其中，
于一正常状态，受控于该快速关闭控制器，该晶体管具有一第一阻抗状态，且该太阳能电池模块的一输出功率输出至该逆变器；以及
于一关闭状态，受控于该快速关闭控制器，该晶体管与该二极管被控制为一可变阻抗，使得该太阳能电池模块的该第一端与该第二端之间的一电压被调节为一所需电压。
2.如权利要求1所述的快速关闭控制电路，其特征在于，该快速关闭控制器并联于该太阳能电池模块，且该晶体管与该二极管并联于该太阳能电池模块。
3.如权利要求2所述的快速关闭控制电路，其特征在于，更包括：一第一电容，耦合于该快速关闭控制器与该太阳能电池模块的该第一端之间。
4.如权利要求3所述的快速关闭控制电路，其特征在于，更包括：一第二电容，耦合于该快速关闭控制器的该第一端与该第二端之间。
5.如权利要求4所述的快速关闭控制电路，其特征在于，更包括：一第三电容，耦合于该快速关闭控制器所输出的一定压电压源与该快速关闭控制器的该第二端之间。
6.如权利要求5所述的快速关闭控制电路，其特征在于，该快速关闭控制器包括：
一开关控制单元，控制施加至该晶体管的该栅极的一电压，以调节该晶体管的一阻抗值；
一通讯单元透过，透过该第一电容而接收由一串控制器所输出的一控制信号，其中，该串控制器所输出的该控制信号包括一信息协定，该信息协定包括一多位元信号，该通讯单元解调变由该串控制器所输出的该控制信号，以将一解调变结果送至该开关控制单元；以及
一功率管理单元，以检测该太阳能电池模块的该第一端的一电压，以让该开关控制单元控制该晶体管的该栅极电压而调节该太阳能电池模块的该第一端与该第二端之间的一电压，该功率管理单元包括一直流/直流变压器以转换该太阳能电池模块的该第一端的该电压成为该定电压源，以供给电能至该开关控制单元与该通讯单元。
7.如权利要求6所述的快速关闭控制电路，其特征在于，该通讯单元更将该太阳能电池模块的一参数调变成一交流信号，以透过该第一电容而回送。
8.一种太阳能电池系统，其特征在于，包括：
多个太阳能电池模块；
多个快速关闭控制电路，耦接至该些太阳能电池模块；
一串控制器，耦接至该些快速关闭控制电路，以送出一第一控制信号至该些快速关闭控制电路；以及
一逆变器，耦接至该些太阳能电池模块，以将从该些太阳能电池模块所提供的一直流电压转换为一交流电压；
其中，
于一正常状态，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的多个第一端与多个第二端之间的个别电压被稳压以串联输出致能该逆变器来输出一交流电压；以及
于一关闭状态，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的该些第一端与该些第二端之间的该些个别电压被调节至一所需电压以致使其总串联输出电压低到足以失能该逆变器。
9.如权利要求8所述的太阳能电池系统，其特征在于，更包括一快速关闭控制开关，其中，该串控制器电性耦合于该些快速关闭控制电路之一与该些快速关闭控制电路的另一之间，回应于由该快速关闭控制开关所输出的一第二控制信号，该串控制器输出该第一控制信号至该些快速关闭控制电路，以关闭该些太阳能电池模块。
10.如权利要求9所述的太阳能电池系统，其特征在于，该快速关闭控制开关为一使用者操作。
11.如权利要求10所述的太阳能电池系统，其特征在于，由该串控制器输出给该些快速关闭控制电路的该第一控制信号包括一信息协定，该信息协定包括一多位元信号。
12.如权利要求11所述的太阳能电池系统，其特征在于，该快速关闭控制电路包括：
一快速关闭控制器，耦接至该串控制器与该太阳能电池模块，该快速关闭控制器具有：一第一端，耦接至该太阳能电池模块的一第一端，以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的一第二端；
一晶体管，具有：一栅极耦接至该快速关闭控制器，一源极耦接至该太阳能电池模块的该第二端，以及一漏极；以及
一二极管，具有：一第一端，耦接至该晶体管的该漏极；以及一第二端，耦接至该太阳能电池模块的该第一端；
其中，
于一正常状态，受控于该快速关闭控制器，该晶体管具有一第一阻抗状态，该太阳能电池模块的该输出功率输出至该逆变器；以及
于一关闭状态，受控于该快速关闭控制器，该晶体管与该二极管被控制为一可变阻抗，使得该太阳能电池模块的该第一端与该第二端之间的该电压被调节至该所需电压。
13.如权利要求12所述的太阳能电池系统，其特征在于，该快速关闭控制器并联于该太阳能电池模块，且该晶体管与该二极管并联于该太阳能电池模块。
14.如权利要求12所述的太阳能电池系统，其特征在于，该快速关闭控制电路更包括：
一第一电容，耦合于该快速关闭控制器与该太阳能电池模块的该第一端之间；
一第二电容，耦合于该快速关闭控制器的该第一端与该第二端之间；以及
一第三电容，耦合于该快速关闭控制器所输出的一定电压源与该快速关闭控制器的该第二端之间。
15.如权利要求14所述的太阳能电池系统，其特征在于，该快速关闭控制器包括：
一开关控制单元，控制该晶体管的一栅极电压，以控制该晶体管的一阻抗；
一通讯单元，透过该第一电容而接收由该串控制器所输出的该第一控制信号，该通讯单元解调变由该串控制器所输出的该第一控制信号，以将一解调变结果送至该开关控制单元；以及
一功率管理单元，检测该太阳能电池模块的该第一端的一电压，以让该开关控制单元控制该晶体管的该栅极电压而调节该太阳能电池模块的该第一端与该第二端之间的该电压，该功率管理单元更具有一直流/直流变压器以将该太阳能电池模块的该第一端的该电压变压为该定电压源，以供电给该开关控制单元与该通讯单元。
16.如权利要求15所述的太阳能电池系统，其特征在于，该通讯单元更将该太阳能电池模块的一参数调变成一交流信号，以透过该第一电容而回送至该串控制器。
17.一种太阳能电池系统的快速关闭控制方法，其特征在于，该太阳能电池系统包括：多个太阳能电池模块，多个快速关闭控制电路，一串控制器，一逆变器，该方法包括：
于一正常状态，回应于该由串控制器所送出的一第一控制信号，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的多个第一端与多个第二端之间的个别电压以串联输出致能该逆变器来输出一交流电压；以及
于一关闭状态，回应于该由串控制器所送出的该第一控制信号，受控于该些快速关闭控制电路，该些太阳能电池模块的该些第一端与该些第二端之间的该些个别电压被调节至一所需电压以致使其总串联输出电压低到足以失能该逆变器。
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