CN113422388B - 一种光伏系统、直流电源及其模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏系统、直流电源及其模式切换方法，包括：判断是否同时满足，直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境；若直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境，则控制直流电源从所述直通状态切换为斩波状态。也即，避免了工作在直通状态且处于预设异常环境的直流电源进入持续打嗝状态，实现直流电源最大化功率输出、提高光伏功率的利用率。

Description

一种光伏系统、直流电源及其模式切换方法

技术领域

本发明属于直流变换器技术领域，更具体的说，尤其涉及一种光伏系统、直流电源及其模式切换方法。

背景技术

如图1所示，该光伏系统包括光伏组件及其对应的直流电源，以及，逆变器。直流电源工作在直通状态下，若各个光伏组件一致性差，则会导致部分光伏组件对应的直流电源由于输入欠压导致保护停机。如图2所示，直流总线上的电流为Io时，光伏组件1对应的输出电压为Upv1，光伏组件2对应的输出电压为Upv2。其中光伏组件2可能由于衰减、积灰尘或阴影遮挡导致输出的最大功率低于光伏组件1。当光伏组件2的输出电压低于直流电源的最低工作电压时，直流电源会因为输入欠压关断而停机。

当直流电源关断后，对应的光伏组件的输出电压为开路电压，直流电源的输入欠压故障消失，直流电源会再次开通。若光伏组件持续存在故障，则如图3所示，该直流电源持续开通和关断，这种持续的打嗝状态，导致该直流电源对相应的光伏组件功率无法最大化的输出。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光伏系统、直流电源及其模式切换方法，用于实现直流电源最大化功率输出、提高光伏功率的利用率。

本发明第一方面公开了一种直流电源的模式切换方法，包括：

判断是否同时满足，所述直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境；

若所述直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境，则控制所述直流电源从所述直通状态切换为斩波状态。

可选的，所述预设异常环境，包括：所述直流电源处于打嗝状态和所述直流电源的输入电压低于第一预设电压的状态中的至少一种。

可选的，所述预设异常环境，包括：在预设时间内所述直流电路持续启动次数达到预设次数。

可选的，当所述直流电源处于斩波状态时，若所述直流电源中开关管的占空比大于预设占空比，则控制所述直流电源从所述斩波状态切换为所述直通状态。

可选的，所述第一预设电压为所述直流电源所连接的光伏组件开路电压的第一比例值。

可选的，在所述斩波状态下，控制所述直流电源进行最大功率点追踪控制。

可选的，在所述斩波状态下，控制所述直流电源的输入电压为第二预设电压；

其中，所述第二预设电压足以维持所述直流电源运行。

可选的，所述第二预设电压大于所述第一预设电压。

可选的，所述第二预设电压为所述直流电源所连接的光伏组件开路电压的第二比例值；

所述第二比例值小于所述第一比例值。

本发明第二方面公开了一种直流电源，直流变换单元和控制器；

所述直流变换单元受控于所述控制器；

所述控制器用于执行如本发明第一方面任一项所述的直流电源的模式切换方法。

可选的，所述直流变换单元为具有斩波功能的Buck型DC/DC变换器。

本发明第三方面公开了一种光伏系统，包括：多个光伏组件、多个直流电源和至少一个逆变器；

各个光伏组件通过相应的直流电源连接至相应的逆变器的直流侧；

所述逆变器的交流侧作为所述光伏系统的输出端；

所述直流电源或所述逆变器中的至少一个用于执行如本发明第一方面任一项所述的直流电源的模式切换方法。

可选的，所述直流电源处于直通状态时，所述逆变器对所述直流电源与所述逆变器之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。

可选的，所述直流电源处于斩波状态时，所述直流电源对所述直流电源与所述逆变器之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。

从上述技术方案可知，本发明提供的一种直流电源的模式切换方法，包括：判断是否同时满足，直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境；若直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境，则控制直流电源从所述直通状态切换为斩波状态。也即，避免了工作在直通状态且处于预设异常环境的直流电源进入持续打嗝状态，实现直流电源最大化功率输出、提高光伏功率的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明实施例提供的一种光伏系统的示意图；

图2是现有技术提供的光伏系统中各个光伏组件的电压示意图；

图3是本发明实施例提供的一种直流电源中直流变换单元的示意图；

图4是现有技术提供的打嗝状态下直流电源的输入电压和输出电压示意图；

图5是本发明实施例提供的一种直流电源的模式切换方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的一种直流电源的模式切换方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的一种直流电源中直流变换单元的示意图；

图8是本发明实施例提供的光伏系统中各个节点的电压电流示意图；

图9是本发明实施例提供的光伏系统中各个节点的电压电流的时序图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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。

本发明实施例提供了一种直流电源的模式切换方法，用于解决现有技术中持续的打嗝状态，导致该直流电源对应的光伏组件功率无法最大化的输出的问题。

该直流电源的模式切换方法，参见图5，包括：

S101、判断是否同时满足直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境。

需要说明的是，该预设异常环境并不是该直流电源内部的硬件故障，而是其所在的系统存在故障，进而导致该直流电源处于预设异常环境。如该直流电源所在系统中的光伏组件出现异常，则说明该直流电源所接收到的输入电压处于异常状态，也即该直流电源处于预设异常环境。

在各个光伏组件的一致性较好的时候，也即，直流电源未处于预设异常环境时，该直流电源不需要进行斩波调节控制，保持直流电源的直通状态即可；此时，可以由直流电源所在系统的逆变器进行光伏组串的最大功率点跟踪。其中，斩波调节控制是指直流电源中的DC/DC电路工作在PWM状态，当输出电流固定时可以通过调节输出电压的值改变直流电源的输入和输出功率。

而若此时直流电源仍处于直通状态，则直流电源对应的光伏组件功率无法最大化的输出。

因此，若直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境，则执行步骤S102。

S102、控制直流电源从直通状态切换为斩波状态。

需要说明的是，该斩波状态下，直流电源中的相应开关管交替导通，进而实现斩波状态。

其中，可以通过向直流电源发送PWM信号，来实现对直流电源的斩波控制。该PWM信号中的占空比依据实际情况而定即可，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，当工作在直通状态下的直流电源处于预设异常环境时，通过控制直流电源的占空比，实现对光伏组件电压或电流的调节，增加光伏组件的输出功率。

在本实施例中，通过将工作状态为直通状态且处于预设异常环境的直流电源，从直通状态切换至斩波状态；从而避免了存在工作在直通状态且处于预设异常环境的直流电源进入持续打嗝状态的问题，实现直流电源最大化功率输出、提高光伏功率的利用率。

另外，参见图6，当直流电源处于斩波状态时，若直流电源中开关管的占空比大于预设占空比，则控制直流电源从斩波状态切换为直通状态。

需要说明的是，若开关管的占空比大于预设占空比，则说明该直流电源所连接的光伏组件的输出电压较大，能够满足直流电源工作在直通状态；另外，直通状态下直流电源的输出功率要大于斩波状态下直流电源的输出功率。

因此，通过将工作状态为斩波状态且开关管的占空比大于预设占空比的直流电源，从斩波状态切换至直通状态；进一步实现直流电源以最大化功率输出、提高光伏功率的利用率。

在实际应用中，在上述预设异常环境，包括：直流电源处于打嗝状态和直流电源的输入电压低于第一预设电压的状态中的至少一种。

当直流电源对应的光伏组件可以输出的最大功率值偏低，例如光伏板存在衰减或受到积灰、遮挡的影响时，光伏组件的输出电压，即直流电源的输入电压会降低，当直流电源的输入电压低于第一预设电压时，可以认为对应的光伏组件处于异常状态，也其直流电源处于预设异常环境中。

优选的，第一预设电压为直流电源所连接的光伏组件开路电压的第一比例值，如80％。例如，当检测到的光伏板开路电压为38.4V时，对应的第一预设电压为30.72V。在直流电源开通前检测光伏板的开路电压，并计算得到相应的第一预设电压。

而当处于直通状态的直流电源对应的光伏组件可以输出的最大功率值严重偏低时，例如光伏组件收到遮挡或损坏，光伏组件的输出电压，即直流电源的输入电压会迅速降低，当其输入电压低于直流电源允许的最小输入电压时，直流电源会欠压保护停机或复位。

在直流电源停机或复位后，直流电源的输出关断，直流电源所连接的光伏组件的输出电压为开路电压，直流电源的输入欠压故障消失，直流电源会再次开通。开通后由于直流电源对应的光伏组件的短路电流仍旧小于或接近直流总线上存在的电流，直流电源的开通瞬间又会导致光伏组件的电压降低，再次由于输入欠压保护进入关断状态。从而进入循环的打嗝状态，导致该直流电源对应的光伏组件功率无法输出。打嗝状态下直流电源的输入电压和输出电压示意图如图3所示。

进而，预设异常环境可以包括：在预设时间内直流电路持续启动次数达到预设次数。

也就是说，判断直流电源处于打嗝状态的具体过程可以为：在预设时间内持续预设次数的启动事件发生。例如直流电源检测到1分钟内自身出现了12次由于输入欠压导致的重新启动事件，则认为进入了打嗝状态。

该预设时间和预设次数均依据实际情况而定即可，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

在直流电源处于斩波状态时，该直流电源的工作可以是：

(1)在斩波状态下，控制直流电源进行最大功率点追踪控制。

也就是说，控制直流电源的占空比的具体过程可以为：对光伏组件的最大功率点追踪进行直流电源的斩波控制。

具体的，通过采样光伏组件的电压和电流，调节直流电源的占空比进行最大功率点追踪。

(2)在斩波状态下，控制直流电源的输入电压为第二预设电压。

也就是说，控制直流电源的占空比的具体过程也可以为：通过控制直流电源的输入电压为第二预设电压值，进而实现对直流电源的斩波控制。

具体的，在某些低成本的直流电源硬件平台上，由于采样电路受限，或MCU的运算能力受限，无法实现光伏组件的最大功率点追踪的算法，则通过控制光伏组件的输出电压为第二预设电压值。来实现对直流电源的斩波控制。

其中，第二预设电压足以维持所述直流电源运行；也就是说，第二预设电压应高于直流电源允许的最低输入电压。优选的，第二预设电压值为光伏组件开路电压的第二比例值，如85％。

该第二预设电压还应低于光伏组件开路电压。第二预设电压大于第一预设电压。

本发明另一实施例提供了一种直流电源，直流变换单元和控制器。

直流变换单元受控于控制器。

控制器用于执行直流电源的模式切换方法。

该模式切换方法的工作过程和原理，详情参见上述实施例提供的模式切换方法，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，直流变换单元为具有斩波功能的Buck型DC/DC变换器。

需要说明的是，对于硬件成本比较低，无法进行最大功率点跟踪的直流电源，可选的，通过设定第二预设电压进行DC/DC电路的斩波控制。

在实际应用中，该直流变换单元的结构可以为图4所示的结构。具体的，直流变换单元包括：电容C1、第一开关管Q1、第二开关管Q2和电感L。电容C1的一端与第一开关管Q1的一端相连，连接点作为直流变换单元的输入端正极；第一开关管Q1的另一端分别与第二开关管Q2的一端和电感L的一端相连；第二开关管Q2的另一端与电容C1的另一端相连，连接点分别作为该直流变换单元的输入端负极和输出端负极；电感L的另一端作为直流变换单元的输出端正极。

具体的，直流电源开通状态表示第一开关管Q1处于持续的开通状态，第二开关管Q2处于持续的断开状态。直流电源关断表示第一开关管Q1处于持续的断开状态，第二开关管Q2处于持续的开通状态或第二开关管Q2处于持续的断开状态。也就是说，当直流电源处于关断状态时，直流总线的电流从第二开关管Q2或其反并联二极管流过，直流电源处于旁路状态。

该直流变换单元的结构也可以为如图7所示结构。具体的，直流变换单元包括：电容C1、第一开关管Q1、第二开关管Q2和电感L。电容C1的一端与第一开关管Q1的一端相连，连接点作为直流变换单元的输入端正极；第一开关管Q1的另一端分别与二极管D1的阴极和电感L的一端相连；二极管D1的阳极与电容C1的另一端相连，连接点分别作为该直流变换单元的输入端负极和输出端负极；电感L的另一端作为直流变换单元的输出端正极。

在本实施例中，组件受遮挡时可以通过调节直流电源的占空比优化受遮挡组件的输出功率；相对于常规的优化器方案，本方案可以通过判断条件在直通和斩波状态间切换，最大程度的优化发电量。本方案实现时不需要直流电源同逆变器进行通讯，降低了通讯电路的硬件成本。

本发明另一实施例还提供了一种光伏系统，如图1所示，包括：多个光伏组件10、多个直流电源20和至少一个逆变器30；

各个光伏组件10通过相应的直流电源20连接至相应的逆变器30的直流侧；

逆变器30的交流侧作为光伏系统的输出端。

直流电源20和逆变器30中的至少一个用于执行直流电源的模式切换方法。

该模式切换方法的工作过程和原理，详情参见上述实施例提供的模式切换方法，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，在直流电源20执行直流电源的模式切换方法时，该直流电源与逆变器之间不需要通讯，进而减少通讯电路的硬件成本。

在逆变器30执行直流电源的模式切换方法时，逆变器30与直流电源20之前需要通讯。

在光伏系统中，该模式切换方法的执行者，此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，在直流电源20处于直通状态时，逆变器30对直流电源20与逆变器30之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。

在实际应用中，直流电源20处于斩波状态时，直流电源30对直流电源20与逆变器30之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。

需要说明的是，若由逆变器30执行模式切换方法，则该直流电源20受控于逆变器30，该逆变器30控制直流电源20进行最大功率点跟踪控制。若由直流电源20执行模式切换方法，则该直流电源20中的控制器控制自身的DC/DC电路进行最大功率点跟踪控制。

如图8所示，光伏系系统中存在受遮挡的光伏组件10，受遮挡光伏组件10的最大输出功率为80W，而其它正常光伏组件10的最大输出功率为100W。正常光伏组件10对应的直流电源20处在直通状态，光伏系统中的逆变器30在对直流总线进行最大功率点跟踪时，会控制直流总线上的电流为4A。正常光伏组件10的输出电压为25V，输出电流为4A，正常光伏组件10对应的直流电源20的输出电压为25V，输出电流为4A。如果受遮挡组件的直流电源20也处于直通状态，如图9所示，受遮挡光伏组件10的输出电压仅为6V，输出电流为4A，对应的输出功率为24W，在图9中对应的工作点为IV曲线上的a点。

通过使用上述模式切换方法，检测到受遮挡光伏组件10对应的直流电源20的输入电压低于第一预设电压，判断处于预设异常环境。在预设异常环境下受遮挡光伏组件10对应的直流电源20进行最大功率点跟踪控制，控制直流电源20的PWM占空比。例如，对应的DC/DC电路为图7所示的结构时，控制第一开关管Q1的占空比为80％。通过这种方法，可以将受遮挡组件的输出功率提升到80W，有利于提高系统的发电量。

当直流电源20的占空比大于预设占空比时，退出斩波状态，进入直通状态。由系统中的逆变器30负责光伏组串的最大功率点跟踪。在直通模式下，直流电源20的效率最高。

具体的，在图8所示，当光伏组件10的遮挡消失，光伏组件10的最大输出功率恢复到100W时，对应的直流电源20会调节占空比接近100％。此时对应的直流电源20退出斩波状态，进入直通状态，降低直流电源20开关损耗造成的功率损失。

本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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 (13)

1.一种直流电源的模式切换方法，其特征在于，包括：

判断是否同时满足，所述直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境；

若所述直流电源的工作状态为直通状态且处于预设异常环境，则向直流电源发送PWM信号，控制所述直流电源从所述直通状态切换为斩波状态，其中，所述预设异常环境包括：所述直流电源处于打嗝状态，且所述直流电源低于第一预设电压。

2.根据权利要求1所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，所述预设异常环境，包括：在预设时间内所述直流电路持续启动次数达到预设次数。

3.根据权利要求1所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，当所述直流电源处于斩波状态时，若所述直流电源中开关管的占空比大于预设占空比，则控制所述直流电源从所述斩波状态切换为所述直通状态。

4.根据权利要求1所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，所述第一预设电压为所述直流电源所连接的光伏组件开路电压的第一比例值。

5.根据权利要求1-4任一项所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，在所述斩波状态下，控制所述直流电源进行最大功率点追踪控制。

6.根据权利要求1-4任一项所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，在所述斩波状态下，控制所述直流电源的输入电压为第二预设电压；

其中，所述第二预设电压足以维持所述直流电源运行。

7.根据权利要求6所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，所述第二预设电压大于所述第一预设电压。

8.根据权利要求7所述的直流电源的模式切换方法，其特征在于，所述第二预设电压为所述直流电源所连接的光伏组件开路电压的第二比例值。

9.一种直流电源，其特征在于，直流变换单元和控制器；

所述直流变换单元受控于所述控制器；

所述控制器用于执行如权利要求1-8任一项所述的直流电源的模式切换方法。

10.根据权利要求9所述的直流电源，其特征在于，所述直流变换单元为具有斩波功能的Buck型DC/DC变换器。

11.一种光伏系统，其特征在于，包括：多个光伏组件、多个直流电源和至少一个逆变器；

各个光伏组件通过相应的直流电源连接至相应的逆变器的直流侧；

所述逆变器的交流侧作为所述光伏系统的输出端；

所述直流电源或所述逆变器中的至少一个用于执行如权利要求1-8任一项所述的直流电源的模式切换方法。

12.根据权利要求11所述的光伏系统，其特征在于，所述直流电源处于直通状态时，所述逆变器对所述直流电源与所述逆变器之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。

13.根据权利要求11所述的光伏系统，其特征在于，所述直流电源处于斩波状态时，所述直流电源对所述直流电源与所述逆变器之间的直流总线进行最大功率点跟踪控制。