CN113364413B - 一种智能光伏拓扑变换功率优化系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能光伏拓扑变换功率优化系统及控制方法，此系统包括开关控制模块、电流采集模块、中央处理模块、开关模块、多个光伏组串模块和多个MPPT模块；所述开关控制模块和电流采集模块均与所述中央处理模块相连，所述开关模块与所述开关控制模块相连；所述开关模块的两端分别连接各光伏组串模块和各MPPT模块；所述电流采集模块用于获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；所述中央处理模块用于根据各个光伏组串模块的电流大小，通过开关控制模块控制各开关模块的开关，来调整各光伏组串模块与各MPPT模块之间的连接方式。本发明具有提高阴雨天或弱光条件下MPPT模块的转换效率，降低损耗，提升发电效率等优点。

Description

一种智能光伏拓扑变换功率优化系统及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及光伏技术领域，具体涉及一种智能光伏拓扑变换功率优化系统及其控制方法。

背景技术

随着光伏产业的蓬勃发展，光伏系统应用场景也越来越广泛，如何提高光伏系统效率，优化光伏系统功率输出，系统各个环节提出了许多解决方案。例如在光伏汇流箱方面，有些厂家提出智能汇流箱，实时监测组串电流情况，及时切断故障组串，提高系统效率；在光伏组件方面，有人提出针对单块组件进行功率优化；在设计方面，行业内探索逆变器、汇流箱在光伏阵列中布局位置，以降低电缆长度，减少损耗。CN105227126A发明专利提出了一种光伏组件功率优化器及具有该优化器的光伏系统，该发明通过DC/DC单元实现单块组件的最大功率跟踪，实现功率优化。CN104660166A发明专利提出了一种基于组串MPPT功率优化及组串监控的光伏智能汇流箱，该发明针对每个组串设置了MPPT单元，针对单串进行功率优化，此外还能实现组串监控功能。CN104506132A发明专利提出了一种高效率低损耗的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路，该发明检测到光伏电池板组串电流损耗时断开组串电池板输出的电路；旁路遮荫的电池板子串的电路；输出电流采样电路。结合低压降功率MOSFET，整个电路在控制光伏电池板输出功率上表现出高效低耗的优点；对遮荫电池板的旁路和故障电池板的输出断路能保证整体电池板阵列的输出功率最大化；并且在系统故障时快速的关闭输出隔离故障，提高安全与可靠性。

对于地面大型光伏电站，光伏组件数量一般达到上万片，由于CN105227126A发明专利针对每块组件进行最大功率跟踪，功率优化器数量庞大，而且功率优化器之间需要进行通信及集中控制，会导致二次系统庞大，提高系统成本，另外若优化器出现问题容易导致整个系统出现问题。CN104660166A发明专利针对每个组串进行功率优化，同样MPPT数量随着系统规模增加而大幅增加，在弱光条件下，单个组串输出电流太小以致于MPPT无法工作，也会导致发电损失。CN104506132A发明专利只是提出了对遮荫电池板的旁路和故障电池板组串输出断路来提高效率，并没有提出在弱光条件下如何提高逆变器转换效率，进而提高系统效率。

其中光伏组件输出功率与光照和温度相关，一般情况下，组件输出电流受光照强度影响较大，光照强度越高，输出电流越大；组件输出电压受温度影响较大，温度越高，输出电压越低，而光伏逆变器转换效率受输入功率影响较大，当输入功率低于10％额定功率时，逆变器转换效率将低于95％，降低了整个光伏系统的发电效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高阴雨天或弱光条件下MPPT模块的转换效率，降低损耗，提升发电效率的智能光伏拓扑变换功率优化系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种智能光伏拓扑变换功率优化系统，包括开关控制模块、电流采集模块、中央处理模块、开关模块、多个光伏组串模块和多个MPPT模块；所述开关控制模块和电流采集模块均与所述中央处理模块相连，所述开关模块与所述开关控制模块相连；所述开关模块的两端分别连接各光伏组串模块和各MPPT模块；所述电流采集模块用于获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；所述中央处理模块用于根据各个光伏组串模块的电流大小，通过开关控制模块控制各开关模块的开关，来调整各光伏组串模块与各MPPT模块之间的连接方式。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述开关模块包括位于各MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关串联，其中第一开关的一端与MPPT模块相连，所述第二开关的一端与光伏组串模块相连，所述第一开关的另一端与第二开关的另一端相连；各所述第一开关的另一端均通过第三开关相连通；相邻两个MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关、第二开关和第三开关构成开关桥。

所述第一开关、第二开关和第三开关均为晶闸管或IGBT或场效应管。

所述开关模块包括开关矩阵，各所述MPPT模块和各光伏组串构成矩阵；所述开关矩阵的各开关位于矩阵的节点处。

所述光伏组串模块包括一串或多串由相同数量光伏组件串联的光伏组串。

本发明还公开了一种基于如上所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统的控制方法，包括步骤：

1)所述电流采集模块获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；

2)所述中央处理模块对各个光伏组串模块的电流大小进行分析，当多组光伏组串模块的电流值持续小于预设阈值一段时间，则向开关控制模块发送开关命令，控制开关模块中各开关以使对应多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述开关模块包括位于各MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关串联，其中第一开关的一端与MPPT模块相连，所述第二开关的一端与光伏组串模块相连，所述第一开关的另一端与第二开关的另一端相连；各所述第一开关的另一端均通过第三开关相连通；相邻两个MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关、第二开关和第三开关构成开关桥；在步骤2)中，控制其中一个光伏组串模块对应的第一开关闭合，其余光伏组串模块对应的第一开关断开，各第二开关和第三开关闭合以使多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块。

在电流检测模块检测到光伏组串模块的电流异常时，则控制光伏组串模块中对应的第一开关和第二开关断开以切除故障回路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明可以通过开关模块中各开关的切换，实现对各光伏组串模块的拓扑变换，改变各光伏组串模块与MPPT模块之间的连接关系，能够实现将多个MPPT模块所连接的光伏组串模块并联接入单个MPPT模块，可减少同时工作的MPPT模块个数，提高阴雨天或弱光条件下MPPT模块的转换效率，降低损耗，提升系统发电效率。另外该发明还能实时监测光伏组串工作状态及时切断故障回路，保障系统安全稳定，提高系统效率；本发明原理简单，对现有电站改造较小，实用性强。

附图说明

图1为本发明的系统在实施例的结构示意图。

图2为本发明中的开关桥在实施例的结构以及通断示意图。

图3为本发明中的开关桥在光伏组串正常工作和故障情况下的示意图。

图4为本发明中的开关矩阵在实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的智能光伏拓扑变换功率优化系统，包括开关控制模块、电流采集模块、中央处理模块、开关模块、多个光伏组串模块和多个MPPT模块；开关控制模块和电流采集模块均与中央处理模块相连，开关模块与开关控制模块相连；开关模块的两端分别连接各光伏组串模块和各MPPT模块；电流采集模块用于获取各个光伏组串模块的电流大小，并进行AD转换后输入中央处理模块；中央处理模块用于根据各个光伏组串模块的电流大小，通过开关控制模块控制各开关模块的开关，来调整各光伏组串模块与各MPPT模块之间的连接方式。例如当采集到的多个光伏组串模块的电流值持续小于某一阈值时，控制开关模块中开关的通断，使对应的多个光伏组串模块并联成为一路连接同一个MPPT模块，减少同时工作的MPPT模块个数，降低损耗，提升效率。

本发明可以通过开关模块中各开关的切换，实现对各光伏组串模块的拓扑变换，改变各光伏组串模块与MPPT模块之间的连接关系，能够实现将多个MPPT模块所连接的光伏组串模块并联接入单个MPPT模块，可减少同时工作的MPPT模块个数，提高阴雨天或弱光条件下MPPT模块的转换效率，降低损耗，提升系统发电效率。

在一具体实施例中，光伏组串模块包括一串或多串光伏组串。也就是说，单个MPPT模块可接入1个光伏组串，也可接入多个光伏组串，其中各光伏组串中的光伏组件数量相同。

在一具体实施例中，如图1所示，开关模块包括位于各MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关和第二开关，第一开关和第二开关串联，其中第一开关的一端与MPPT模块相连，第二开关的一端与光伏组串模块相连，第一开关的另一端与第二开关的另一端相连；各第一开关的另一端均通过第三开关相连通；相邻两个MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关、第二开关和第三开关构成开关桥；上述开关模块结构简单、操作简便。其中第一开关、第二开关和第三开关均为受控开关，不局限于晶闸管、IGBT、场效应管等，包括所有可以通过外界信号控制通断的开关器件。

如图2所示，以两路MPPT模块的情况为例，在检测到两路MPPT模块所连接的光伏组串1#和2#功率比较小时，达不到MPPT模块开启工作功率值，此时中央处理模块向开关控制模块发出指令，开关控制模块控制1#，2#，4#，5#开关闭合，3#开关断开，此时等效电路如图2中右图所示，光伏组串1#，2#同时并联接入MPPT1#，此时MPPT1#输入电流值为多个光伏组串电流值，输入电流增大从而使MPPT1#开始工作，避免了弱光条件下逆变器停止工作情况，而MPPT2#由于没有组串输入，因此停止工作，也避免了电能损耗。上述以两路MPPT为例进行控制流程描述，控制策略对于多路MPPT也同样适用。

在另一具体实施例中，开关模块包括开关矩阵，各MPPT模块和各光伏组串构成矩阵；开关矩阵的各开关位于矩阵的节点处。具体地，如图4所示，MPPT模块与光伏组串构成矩阵，每个圆形节点为一个受控开关，例如k11表示光伏组串1与MPPT1之间的受控开关。当k11闭合，光伏组串1#就连接在MPPT模块上，同样可实现各光伏组串与MPPT模块之间连接关系的改变。上述开关矩阵同样结构简单且控制简便。

本发明通过构造开关桥或开关矩阵的方式，实现了光伏组串与逆变器输入MPPT模块连接方式可实时变换的功能，根据各个光伏组串工作状态，能够改变逆变器同时工作的MPPT个数，降低逆变器的损耗，例如在弱光条件下，逆变器输入组串电流较小，逆变器输入功率较小，只需要部分MPPT工作即可，通过将多个MPPT输入光伏组串并联成为1路输入到单个MPPT，可提高单个MPPT转换效率，同时减少逆变器工作损耗，另外该发明还能实时监测组串工作状态及时切断故障回路，保障系统安全稳定，提高系统效率。本发明原理简单，对现有电站改造较小，实用性强；另外相应的数据均通过数据传输模块再传输至云平台，便于数据的管理以及调取等。

本发明还公开了一种基于如上所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统的控制方法，包括步骤：

1)电流采集模块获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；

2)中央处理模块对各个光伏组串模块的电流大小进行分析，当多组光伏组串模块的电流值持续小于预设阈值一段时间，则向开关控制模块发送开关命令，控制开关模块中各开关以使对应多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块，减少同时工作的MPPT模块个数，降低损耗，提升效率。

在一具体实施例中，开关模块包括位于各MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关和第二开关，第一开关和第二开关串联，其中第一开关的一端与MPPT模块相连，第二开关的一端与光伏组串模块相连，第一开关的另一端与第二开关的另一端相连；各第一开关的另一端均通过第三开关相连通；相邻两个MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关、第二开关和第三开关构成开关桥；在步骤2)中，控制其中一个光伏组串模块对应的第一开关闭合，其余光伏组串模块对应的第一开关断开，各第二开关和第三开关闭合以使多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块。

在一具体实施例中，在电流检测模块检测到光伏组串模块的电压电流异常时，则控制光伏组串模块中对应的第一开关和第二开关断开以切除故障回路。具体地，如图3所示，正常工作时，各开关(图3中的1-4#)闭合，5#开关断开，MPPT1#和MPPT2#均正常工作，当光伏组串2#出现故障或者事故时，通过电流检测模块发现问题，并迅速发送指令给开关控制模块控制3#、4#开关断开，从而起到故障回路切除，避免电能损耗。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能光伏拓扑变换功率优化系统，其特征在于，包括开关控制模块、电流采集模块、中央处理模块、开关模块、多个光伏组串模块和多个MPPT模块；所述开关控制模块和电流采集模块均与所述中央处理模块相连，所述开关模块与所述开关控制模块相连；所述开关模块的两端分别连接各光伏组串模块和各MPPT模块；所述电流采集模块用于获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；所述中央处理模块用于根据各个光伏组串模块的电流大小，通过开关控制模块控制各开关模块的开关，来调整各光伏组串模块与各MPPT模块之间的连接方式；

当采集到的多个光伏组串模块的电流值持续小于某一阈值时，控制开关模块中开关的通断，使对应的多个光伏组串模块并联成为一路连接同一个MPPT模块；

所述开关模块包括位于各MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关串联，其中第一开关的一端与MPPT模块相连，所述第二开关的一端与光伏组串模块相连，所述第一开关的另一端与第二开关的另一端相连；各所述第一开关的另一端均通过第三开关相连通；相邻两个MPPT模块与对应光伏组串模块之间的第一开关、第二开关和第三开关构成开关桥。

2.根据权利要求1所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统，其特征在于，所述第一开关、第二开关和第三开关均为晶闸管或IGBT或场效应管。

3.根据权利要求1所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统，其特征在于，所述开关模块包括开关矩阵，各所述MPPT模块和各光伏组串构成矩阵；所述开关矩阵的各开关位于矩阵的节点处。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统，其特征在于，所述光伏组串模块包括一串或多串由相同数量光伏组件串联的光伏组串。

5.一种基于权利要求1所述的智能光伏拓扑变换功率优化系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：

1)所述电流采集模块获取各个光伏组串模块的电流大小，并输入中央处理模块；

2)所述中央处理模块对各个光伏组串模块的电流大小进行分析，当多组光伏组串模块的电流值持续小于预设阈值一段时间，则向开关控制模块发送开关命令，控制开关模块中各开关以使对应多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块；

在步骤2)中，控制其中一个光伏组串模块对应的第一开关闭合，其余光伏组串模块对应的第一开关断开，各第二开关和第三开关闭合，以使多组光伏组串模块并联形成一路连接同一个MPPT模块；

在电流检测模块检测到光伏组串模块的电流异常时，则控制光伏组串模块中对应的第一开关和第二开关断开以切除故障回路。