CN113964863A - 一种可自动实现组件级关断的串联型光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光伏发电领域，旨在提供一种可自动实现组件级关断的串联型光伏系统。该系统包括若干个光伏组件，每个光伏组件的输出端连接一个关断器，各关断器的输出依次串联形成光伏组串，其输入通过逆变器接至交流电网；该系统的交流空开设于逆变器输出端与交流电网之间；关断控制器包括AC/DC电路，其交流输入端与逆变器的交流输出端并联，其直流输出端串接一个二极管后与逆变器的直流输入端并联。本发明的光伏系统不依赖于任何通讯系统，只需对关断器的输出端口特性进行检测就可以实现组件级关断与开通。本发明的关断实现无需使用MCU等昂贵的芯片，有效降低了系统成本，提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光伏发电领域，具体涉及一种应用于串联型光伏系统的组件级自动关断方法。
背景技术
随着光伏发电系统应用越来越广泛，光伏系统的安全问题也越来越受到重视。其中串联型光伏系统由多个光伏组件串联，然后接入逆变器实现直流到交流的变换，通过滤波器等接入电网。串联型光伏系统往往由几十个光伏组件串接在一起，这会形成直流高压，必然存在电击和电弧打火的风险，逆变器一般具有电弧检测功能，即在检测到直流拉弧时停止逆变器的运行，但是逆变器停止工作后直流母线仍存在直流高压，存在安全隐患。另外，当光伏系统发生火灾时，只能通过断开交流空开停止逆变器的工作，但系统仍存在直流高压，导致消防员无法及时施救。为了解决这一问题，必须在系统停止工作时消除直流高压，实现组件级的关断。
随着欧洲和北美相关标准的推出，组件级关断将成为光伏系统的标配。目前具有组件级关断功能的产品有光伏优化器、光伏智控关断器等，但这些产品都依赖于通讯系统(一般采用PLC通讯或者RF通讯)，通讯系统必然带来成本高和易受干扰等问题。
因此，成本低、且不依赖于通讯系统的组件级关断方案就成为行业的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种可自动实现组件级关断的串联型光伏系统，以降低系统成本、提高可靠性。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种可自动实现组件级关断的串联型光伏系统，包括若干个光伏组件，每个光伏组件的输出端连接一个关断器，各关断器的输出依次串联形成光伏组串，其输入通过逆变器接至交流电网；该系统还包括交流空开和关断控制器；
所述交流空开设于逆变器输出端与交流电网之间；
所述关断控制器包括AC/DC电路，其交流输入端与逆变器的交流输出端并联，其直流输出端串接一个二极管后与逆变器的直流输入端并联；
所述关断器包括辅助电源、开关管、开关驱动电路、反并二极管、电流检测电阻、电流检测电路、电压检测电路和分压电阻；其中，辅助电源、反并二极管、电压检测电路和分压电阻接在关断器的正负极之间；辅助电源的输入接光伏组件的输出，辅助电源的输出接至电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路以实现供电；反并二极管的阳极与关断器的输入负端相连；开关管接在关断器的输入正端与输出正端之间，由开关驱动电路控制其开通和关断；电流检测电阻接在关断器的输入负端与输出负端之间，由电流检测电路通过其检测光伏组件的输出电流。
作为本发明的优选方案，所述电流检测电路包括依次连接的采样滤波电路、比例放大电路、滞环比较器电路和触发器；其中，滤波电路与所述电流检测电阻的非接地端相接，触发器的输出信号送至所述开关驱动电路用于控制开关管的开通和关断。
作为本发明的优选方案，所述电压检测电路包括稳压电路、比较器、逻辑与门；其中，稳压电路包括第一电阻、第二电阻和稳压管，且第二电阻的阻值是第一电阻的至少9倍；第一电阻一端接至关断器的正极，另一端接至比较器的输入正端；第二电阻一端接至比较器的输入正端，另一端为接地端且与关断器负极相连；稳压管与第二电阻并联，其端电压接至比较器的输入正端；比较器的输入负端接阈值电压，其输出端接至逻辑与门的输入；与门另一个输入端为电流检测电路中触发器的输出引脚，与门的输出端接至电流检测电路中的触发器置位端，用于决定触发器输出是否重置。
本发明进一步提供了前述串联型光伏系统自动实现组件级关断的方法，包括：
当光伏系统处于开通状态时，流过各关断器的电流相等均为组串电流，此时电流检测电路采样后输出低电平信号；
当交流电网侧出现故障导致逆变器停止运行时，组串电流迅速减小至0，以此作为交流网侧出现故障的判断条件；此时关断器中的电流检测电路采样后输出高电平，该高电平通过开关驱动电路断开开关管，切断各光伏组件之间的连接，消除直流高压。
本发明还提供了前述串联型光伏系统自动实现组件级关断后自动重启的方法，包括：
当开关管关断后，关断器的电压检测电路开始工作；
交流网侧恢复正常后，闭合交流空开；关断控制器输出直流电压，关断器利用其分压电阻将该直流电压分压到输出端；当电压检测电路检测到输出端的分压后，重置关断器中电流检测电路的触发器的输出，由开关驱动电路控制开关管的开通，使光伏组件投入运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的光伏系统不依赖于任何通讯系统，只需对关断器的输出端口特性进行检测就可以实现组件级关断与开通。
2、本发明的关断实现无需使用MCU等昂贵的芯片，有效降低了系统成本，提高了可靠性。
附图说明
图1是本发明所述的具有组件级关断功能的串联光伏系统示意图。
图2是本发明所述的关断器的组成结构图。
图3是本发明所述的电流检测电路的原理图。
图4是本发明所述的电压检测电路的原理图。
图5是本发明所述的滞环比较器电路。
图6是本发明所述的控制逻辑流程图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施方式。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
一、可自动实现组件级关断的串联型光伏系统
如图1所示，实施例中提供的实现组件级自动关断的光伏系统包括n个光伏组件、n个关断器、逆变器、关断控制器、交流空开。
其中，每个光伏组件的输出端连接一个关断器，各关断器的输出依次串联形成光伏组串，其输入通过逆变器接至交流电网；光伏组串的输出电流即为组串电流Istr，光伏组串的输出电压即为直流母线电压Vbus。所述交流空开设于逆变器输出端与交流电网之间。
关断控制器包括AC/DC电路(可以是flyback电路)，其交流输入端与逆变器的交流输出端并联，其直流输出端串接一个二极管D2后与逆变器的直流输入端并联；关断控制器的交流端输入电压为电网电压Vg：220V交流，输出直流电压Vdc，通过二极管D2与直流母线连接。光伏组串的输出正极连接二极管D2阳极。系统正常工作时，交流空开闭合，关断控制器输入交流电压就是电网电压Vg，并输出直流电压Vdc，Vdc小于系统正常工作时的光伏组串的输出直流母线电压Vbus，所以二极管D2截止，不会影响系统的正常工作。而当交流网侧出现故障导致交流空开断开或者人为断开交流空开时，关断控制器没有直流输出。
如图2所示，关断器包括辅助电源、分压电阻Ro、二极管D1、电流检测电阻Rs、开关管MOSFET、电流检测电路、电压检测电路、开关驱动电路。
其中，辅助电源、反并二极管D1、电压检测电路和分压电阻Ro接在关断器的正负极之间；反并二极管D1的阳极与关断器的输入负端相连；开关管MOSFET接在关断器的输入正端与输出正端之间，由开关驱动电路控制其开通和关断；电流检测电阻Rs接在关断器的输入负端与输出负端之间，由电流检测电路通过其检测光伏组件的输出电流Istr。辅助电源的输入接光伏组件，为电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路供电；二极管D1的阳极与关断器输入负端相连，阴极与关断器输出正端相连，能够防止热斑效应，且有续流的作用。当某一个光伏组件配套的关断器出现故障(如MOSFET损坏)时，组串电流Istr从二极管D1续流，能保证整个串联型光伏系统的正常运行。
如图3所示，所述电流检测电路包括依次连接的滤波电路、比例放大电路、滞环比较器电路、具有置位功能的上升沿型D触发器。
其中，电流检测电阻Rs的端电压经滤波电路滤波后接入比例放大电路；滤波电路是典型的RC低通滤波器，用于滤除高频谐波和噪声；比例放大电路的作用是将电流检测电阻Rs两端的电压放大，放大倍数为A；滞环比较器电路的作用是将输入的连续电压信号转化为高低电平，其输入电压为前级比例放大电路的输出电压Vamp；D触发器的输入引脚D始终接高电平，输入引脚CLOCK接前级滞环比较器的输出端，输出引脚Q同时与开关驱动电路中的驱动芯片的Disable引脚、电压检测电路中的逻辑与门连接。
如图4所示，所述电压检测电路包括稳压电路、比较器、逻辑与门。稳压电路包括电阻、电阻、稳压管，
其中，稳压电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和稳压管Z，且第二电阻R2的阻值远大于第一电阻R1(至少是9倍)；第一电阻R1一端接至关断器的正极，另一端接至比较器的输入正端；第二电阻R2一端接至比较器的输入正端，另一端为接地端且与关断器负极相连；稳压管Z与第二电阻R2并联，其端电压接至比较器的输入正端；比较器的输入负端接阈值电压，其输出端接至逻辑与门的输入；与门另一个输入端为电流检测电路中触发器的输出引脚，与门的输出端接至电流检测电路中的触发器置位端，用于决定触发器输出是否重置。
稳压电路的作用为检测关断器输出电压：当关断器输出电压Vo大于稳压管Z的击穿电压VZ时，因为第二电阻R2的阻值远大于第一电阻R1，稳压管Z反向击穿，此时第一电阻R1起到限流保护作用。当Vo小于VZ时，稳压管Z的端电压VVz＝Vo。其端电压接比较器输入正端；比较器输入负端接阈值电压Vth，其输出接逻辑与门输入，与门另一个输入端为电流检测电路中触发器的输出引脚Q，与门输出端接触发器置位端Reset，即与门输出高电平时，触发器输出Q被重置为低电位，恢复开关管MOSFET的导通。
二、本发明的串联型光伏系统自动实现组件级关断的方法
串联型光伏系统正常工作时，光伏组串向电网传输功率，逆变器控制光伏组串的输出电压Vbus，使其基本保持恒定。因为各个关断器串联，所以流过每个关断器的电流相等，即使某个关断器意外关断或者出现故障(如MOSFET损坏)，组串电流通过该关断器的二极管D1续流，这样保证每个关断器检测到的电流均为组串电流Istr。其中，Istr＝Ptot/Vbus，Ptot为整个光伏组串的输出功率。且有
Istr＝Ptot/Vbus＝Pavg·n/Vbus
Ptot、Pavg分别为整个光伏组串的输出功率和每个光伏组件的平均输出功率。电流检测电阻Rs的端电压为VRs＝Istr·Rs，则比例放大电路的输出电压为
Vamp＝A·Istr·Rs＝A·Rs·Pavg·n/Vbus
如图5所示，滞环比较器有两个阈值电压：VH、VL，当输入电压即Vamp大于VH时，滞环比较器输山低电平，当Vamp小于VH时，输出高电平。可选取参数为
Rs＝0.002Ω，A＝250，n＝3，Pavg＝200W，Vbus＝100V，VH＝2，VL＝1
则系统正常工作时，Vamp＝3V＞VH，滞环比较器输出低电平。
而当网侧出现故障导致交流空开断开后，逆变器停止工作。光伏组件停止功率传输，光伏组件输出开路，整个光伏组串输出功率Ptot＝0。以组串电流Istr发生的上述变化(即从正常工作时的较高值减小为0)作为网侧出现故障的判断条件。当各个关断器的电流检测电路检测到电流发生这一变化时，控制开关驱动电路断开开关管MOSFET，切断光伏组件之间的连接，消除了直流高压(系统中最高电压为光伏组件的开路电压)，实现了组件级的自动关断。
具体过程为：Vamp＝0＜VL，滞环比较器输出跳变为高电平，此时D触发器CLOCK端接收到上升沿信号，Q输出高电平控制开关管MOSFET关断，所有关断器的输出电压均为0，整个系统最大电压为光伏组件的开路电压。由上述分析可知，选取的参数应满足：
其中，Ptot(min)为系统正常工作时的光伏组串最小发出功率。
三、串联型光伏系统自动实现组件级在关断后自动重启的方法
当系统处于关断状态后，各个关断器的输出电压均为0，电压检测电路中的稳压管Z的端电压Vvz＝0＜Vth，比较器输出低电平，则与门输出也为低电平，整个系统保持关断状态。当交流空开闭合时，关断控制器输出直流电压Vdc，关断控制器与二极管D2以及关断器的输出电阻Ro形成回路，二极管D2导通，关断器的分压电阻Ro均相同时，每个关断器的输出电压Vo＝Vdc/n。可选取参数为
R1＝10kΩ，R2＝470kΩ，Vdc＝9V，Vbus＝100V，n＝3，Vth＝1V，Vz＝5V
则交流空开闭合后，电压检测电路中的稳压管Z的端电压VVz＝3V＞Vth，比较器输出高电平，同时与门的另一个输入端Q也为高电平，与门输出高电平，触发器Reset端高电平有效并将Q重置为低电平，恢复开关管MOSFET的开通，实现系统的重启。由上述分析可知，选取的参数应满足：
综上，串联型光伏系统自启动、自动关断和自动开通的整个控制逻辑方案的流程图如图6所示。
上述实施例不依赖于任何通讯系统，有效降低了系统成本，提高了系统可靠性。
上述实施例中，参数设计具有较大的灵活度，对运放的性能要求不高，可以使用性能一般的运放芯片。且无需微控制器等昂贵的芯片，进一步压缩了系统成本。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可自动实现组件级关断的串联型光伏系统，包括若干个光伏组件，每个光伏组件的输出端连接一个关断器，各关断器的输出依次串联形成光伏组串，其输入通过逆变器接至交流电网；其特征在于，该系统还包括交流空开和关断控制器；
所述交流空开设于逆变器输出端与交流电网之间；
所述关断控制器包括AC/DC电路，其交流输入端与逆变器的交流输出端并联，其直流输出端串接一个二极管后与逆变器的直流输入端并联；
所述关断器包括辅助电源、开关管、开关驱动电路、反并二极管、电流检测电阻、电流检测电路、电压检测电路和分压电阻；其中，辅助电源、反并二极管、电压检测电路和分压电阻接在关断器的正负极之间；辅助电源的输入接光伏组件的输出，辅助电源的输出接至电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路以实现供电；反并二极管的阳极与关断器的输入负端相连；开关管接在关断器的输入正端与输出正端之间，由开关驱动电路控制其开通和关断；电流检测电阻接在关断器的输入负端与输出负端之间，由电流检测电路通过其检测光伏组件的输出电流。
2.根据权利要求1所述的串联型光伏系统，其特征在于，所述电流检测电路包括依次连接的采样滤波电路、比例放大电路、滞环比较器电路和触发器；其中，滤波电路与所述电流检测电阻的非接地端相接，触发器的输出信号送至所述开关驱动电路用于控制开关管的开通和关断。
3.根据权利要求1所述的串联型光伏系统，其特征在于，所述电压检测电路包括稳压电路、比较器、逻辑与门；其中，稳压电路包括第一电阻、第二电阻和稳压管，且第二电阻的阻值是第一电阻的至少9倍；第一电阻一端接至关断器的正极，另一端接至比较器的输入正端；第二电阻一端接至比较器的输入正端，另一端为接地端且与关断器负极相连；稳压管与第二电阻并联，其端电压接至比较器的输入正端；比较器的输入负端接阈值电压，其输出端接至逻辑与门的输入；与门另一个输入端为电流检测电路中触发器的输出引脚，与门的输出端接至电流检测电路中的触发器置位端，用于决定触发器输出是否重置。
4.权利要求1所述串联型光伏系统自动实现组件级关断的方法，其特征在于，包括：
当光伏系统处于开通状态时，流过各关断器的电流相等均为组串电流，此时电流检测电路采样后输出低电平信号；
当交流电网侧出现故障导致逆变器停止运行时，组串电流迅速减小至0，以此作为交流网侧出现故障的判断条件；此时关断器中的电流检测电路采样后输出高电平，该高电平通过开关驱动电路断开开关管，切断各光伏组件之间的连接，消除直流高压。
5.权利要求1所述串联型光伏系统自动实现组件级关断后自动重启的方法，其特征在于，包括：
当开关管关断后，关断器的电压检测电路开始工作；
交流网侧恢复正常后，闭合交流空开；关断控制器输出直流电压，关断器利用其分压电阻将该直流电压分压到输出端；当电压检测电路检测到输出端的分压后，重置关断器中电流检测电路的触发器的输出，由开关驱动电路控制开关管的开通，使光伏组件投入运行。
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