CN114024291B - 一种多种控制的组件级快速关断器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多种控制的组件级快速关断器，包括关断器主电路以及控制模块；所述关断器主电路包括输入接口J1、输出接口J2、N型MOS管M1、二极管D1和二极管D2；所述控制模块包括紧急按钮、紧急关断模块、辅助电源、开关K、电压/电流/温度检测模块、控制单元MCU、RS485通讯模块以及PC端。为本发明应用在分布式光伏发电系统时，每个光伏组件对应一个快速关断器；不同的快速关断器的输出进行串联后，连接逆变器，从而实现组件级别的控制；快速关断器有手动紧急关断按钮，RS485通讯控制关断，自动关断三种关断控制方式，可以根据多种判断控制关断，使得电压下降的速度及幅度符合国内外的用电法规法则。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体涉及一种多种控制的组件级快速关断器。
背景技术
目前，国内外都高度重视新能源的发展，太阳能作为最具有发展潜力的可再生能源之一，以其存在的普遍性和持续性成为关注的焦点。
从1958年我国开始研究光伏电池开始，光伏发电使得我国的电力系统有着突破性的进步。随着光伏发电系统的发展，可以分为集中式，组串式，分布式等结构，而分布式结构由于能保证每个光伏电池功率输出稳定且不互相影响的特点备受关注，并且在国内外市场中，分布式结构占比很大。
由于分布式中串联的光伏组件形成直流高压，这种高压会导致危险和火灾，所以在事故发生或工人检查的时候，需要对所有串联起来的光伏电池进行关断操作，使得整体电压迅速降至安全电压以下，以北美的安全规范NEC2017为例，要求光伏发电系统具有快速关断功能，在关断后光伏阵列内部导体之间以及导体与大地之间的电压不能超过80伏。
目前光伏发电系统存在由于单个光伏组件受损(比如光伏组件出现热斑或内部出现短路)导致整个系统的发电功率下降的情况，并且损坏的组件如果长时间不进行维修或更换，将会导致火灾等事故，所以需要实时监控整个系统，出现异常的光伏组件需要及时关断，与系统隔离。
发明内容
本发明针对分布式结构光伏发电系统的高压危险隐患，提供一种可以根据多种判断控制的组件级的快速关断器，使得电压下降的速度及幅度符合国内外的用电法规法则。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种多种控制的组件级快速关断器，包括关断器主电路以及控制模块，其中：
所述关断器主电路包括输入接口J1、输出接口J2、N型MOS管M1、二极管D1和二极管D2；所述N型MOS管M1作为开关管，M1的源极连接输入接口J1的负极，M1栅极连接至控制模块中的控制单元MCU，漏极连接二极管D2的正极以及输出接口J2的负极，二极管D2的负极连接输入接口J1的正极以及二极管D1的正极，二极管D1的负极连接输出接口J2的正极；
所述控制模块包括紧急按钮、紧急关断模块、辅助电源、开关K、电压/电流/温度检测模块、控制单元MCU、RS485通讯模块以及PC端；所述辅助电源接在输入接口J1的正极、负极之间，并通过开关K连接控制单元MCU、RS485通讯模块，为控制模块提供电源；电压/电流/温度检测模块包括电压检测单元、电流检测单元以及温度检测单元，其中电压检测电源连接光伏组件，用于检测光伏组件的电压，以判断光伏板内是否出现短路故障；电流检测单元串接在输入接口J1的正极与二极管D1之间，用于检测关断器主电路的电流，从而判断开关管是否正常开关；温度检测单元安装在关断器的电路板上，用于检测关断器的内部温度；电压/电流/温度检测模块的检测信息发送给控制单元MCU；PC端与控制单元MCU通过RS485通讯模块双向通信；紧急按钮通过所述紧急关断模块连接开关K。
进一步地，所述多种控制的组件级快速关断器应用在分布式光伏发电系统中时，每个光伏组件对应一个快速关断器；不同的快速关断器的输出进行串联后，连接逆变器，从而实现组件级别的控制。
进一步地，快速关断器有手动紧急关断按钮，RS485通讯控制关断，自动关断三种关断控制方式。
进一步地，所述自动关断控制方式为：
通过电压检测单元检测光伏组件的电压，以判断光伏板内是否出现短路情况；通过电流检测单元检测关断器主电路的电流以判断开关管M1是否正常开关，可在开关管损坏时及时进行更换；通过温度检测单元检测关断器电路板温度以判断关断器主电路及其控制电路有无故障问题；在控制单元失效之前，利用控制单元控制开关管及时进行关断操作。
进一步地，所述获知光伏板内是否出现短路情况，具体判断方法为：
当光伏板内存在短路故障时，其最大功率点电压值或开路电压值与电池短路的个数成线性关系。
进一步地，所述RS485通讯控制关断控制方式为：
通过RS485通讯模块传输控制信号，让控制单元控制开关管实现关断操作，继而利用电流检测单元，通过控制单元返回PC端关断器主电路电流值，表明是否关断成功；或通过RS485通讯模块进行传输当前的光伏组件电压值、关断器主电路电流等检测数据，从而实现异地监控操作。
进一步地，在所述分布式光伏发电系统中，PC机会对快速关断器进行轮询操作，快速关断器的控制单元会一一响应，但当关断器异常，控制单元无法工作时，将没有反馈信号，表明该快速关断器损坏，需要排查。
进一步地，所述手动紧急关断按钮控制方式为：
所述紧急按钮由家用交流电供电，通过AC转DC操作可使得按钮控制信号为直流；一个紧急按钮接通光伏发电系统中所有的快速关断器，实现一个按钮关断全部的功能。
进一步地，紧急关断模块用继电器实现，通过紧急按钮提供的交流转直流信号让继电器实现开关操作，从而通过控制开关K直接阻断辅助电源给控制模块的供电，在控制模块无供电时，开关管则会自动关断，实现紧急关断。
进一步地，辅助电源中设置DC-DC隔离转换电路，为RS485进行隔离供电。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
1.实现带有监测功能的组件级的快速关断器，满足国内外用电法规的安全要求。2.实现防倒灌功能的保护电路以及旁路电路，保证关断器的持续正常工作及发电系统的正常运作。3.实现使用器件较少的快速关断电路，可降低成本，以及上述的多种防护措施可保证电路稳定。4.实现三种关断控制方式，保证快速关断的时效性，以及提供各种紧急情况的处理方式。5.实现紧急关断电路，用单个按钮关断光伏发电系统中所有的关断器，满足火灾等紧急情况下的快速关断需求。6.实现检测电路及RS485通讯电路，可提供实时监测功能，可满足数据收集等需求。7.实现辅助电源电路，解决控制模块的供电问题，同时该供电相对稳定，可让快速关断器持续工作。
附图说明
图1为快速关断器主电路及控制模块结构示意图；
图2为快速关断器主电路图；
图3为快速关断器应用至分布式光伏发电系统的结构示意图。
具体实施方式
参见附图1和图2，本发明提供了一种多种控制的组件级快速关断器，包括关断器主电路以及控制模块，其中：
所述关断器主电路包括输入接口J1、输出接口J2、N型MOS管M1、二极管D1和二极管D2；所述N型MOS管M1作为开关管，M1的源极连接输入接口J1的负极，M1栅极连接至控制模块中的控制单元MCU，漏极连接二极管D2的正极以及输出接口J2的负极，二极管D2的负极连接输入接口J1的正极以及二极管D1的正极，二极管D1的负极连接输出接口J2的正极；
如图2所示，为关断器主电路图，本方案通过开关管可进行多次开关，利用功耗相对较小的N型MOS管作为开关管，设在快速关断器的输入接口J1与、输出接口J2之间，作为电路的开关；而D1为二极管设在输出端，D1负极与快速关断器输出接口J2的正极相接，目的是防止外部电路对内部控制等电路的反向电压；D2为旁路二极管，D2的正极与快速关断器的输出接口J2负极相接，作用是在关断器实现关断时，快速关断器输出端主电路依然能导通，使得整个光伏发电系统可以继续工作。
所述控制模块包括紧急按钮、紧急关断模块、辅助电源、开关K、电压/电流/温度检测模块、控制单元MCU、RS485通讯模块以及PC端；所述辅助电源接在输入接口J1的正极、负极之间，并通过开关K连接控制单元MCU、RS485通讯模块，为控制模块提供电源；电压/电流/温度检测模块包括电压检测单元、电流检测单元以及温度检测单元，其中电压检测电源连接光伏组件，用于检测光伏组件的电压，以判断光伏板内是否出现短路故障；电流检测单元串接在输入接口J1的正极与二极管D1之间，用于检测关断器主电路的电流，从而判断开关管是否正常开关；温度检测单元安装在关断器的电路板上，用于检测关断器的内部温度；电压/电流/温度检测模块的检测信息发送给控制单元MCU；PC端与控制单元MCU通过RS485通讯模块双向通信；紧急按钮通过所述紧急关断模块连接开关K。其中，所述紧急关断模块为继电器。
参见图3，为本发明应用在分布式光伏发电系统中的电路图。在该系统中，每个光伏组件对应一个快速关断器；不同的快速关断器的输出进行串联后，连接逆变器，从而实现组件级别的控制；快速关断器有手动紧急关断按钮，RS485通讯控制关断，自动关断三种关断控制方式，如图1所示：
一为通过检测电压、电流和温度是否超过安全范围，自动控制关断器是否开关。通过电压检测单元检测光伏组件的电压，可以清楚知道光伏板内是否出现短路情况(当组件存在短路故障时，其最大功率点电压值或开路电压值与电池短路的个数成线性关系)，及时排查可以降低损失；通过电流检测单元检测关断器主电路的电流可以准确知道关断器的开关管M1是否正常开关，可以及时进行损坏器件更换；通过温度检测单元检测关断器的电路板温度可以准确判断关断器主电路及其控制电路有无故障问题，在控制单元失效之前，利用控制单元控制开关管及时进行关断操作。
二为RS485通讯控制，通过RS485通讯模块传输控制信号，让控制单元控制开关管实现关断操作，继而利用电流检测单元，通过控制单元返回PC端关断器主电路电流值，表明是否关断成功；也能通过RS485通讯模块进行传输当前的光伏组件电压值、关断器主电路电流等检测数据，从而实现异地监控操作；由于RS485是一主多从的通讯方式，因此在大规模的光伏发电系统中，PC机会对快速关断器进行轮询操作，快速关断器的控制单元会一一响应，但当关断器异常，控制单元无法工作时，将没有反馈信号，这也能说明该快速关断器损坏，需要排查。
三为紧急关断按钮，紧急按钮由家用交流电供电，这能保证其工作稳定性，通过AC转DC操作可使得按钮控制信号为直流，与快速关断器的工作环境吻合，一个紧急按钮可接通光伏发电系统中所有的快速关断器，实现一个按钮关断全部的功能；紧急关断模块可用继电器实现，通过紧急按钮提供的交流转直流信号可以让继电器实现开关操作，从而通过控制开关K直接阻断辅助电源给控制模块的供电，在控制模块无供电时，开关管则会自动关断，实现紧急关断。
辅助电源是通过快速关断器的输入端，利用对应的光伏组件的电压实现控制模块的供电，由于快速关断器的串联会导致整个光伏发电系统的电压达到百伏以上，所以为确保RS485通讯稳定，需要在辅助电源中加入DC-DC隔离转换电路，为RS485进行隔离供电。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，包括关断器主电路以及控制模块，其中：
所述关断器主电路包括输入接口J1、输出接口J2、N型MOS管M1、二极管D1和二极管D2；所述N型MOS管M1作为开关管，M1的源极连接输入接口J1的负极，M1栅极连接至控制模块中的控制单元MCU，漏极连接二极管D2的正极以及输出接口J2的负极，二极管D2的负极连接输入接口J1的正极以及二极管D1的正极，二极管D1的负极连接输出接口J2的正极；
所述控制模块包括紧急按钮、紧急关断模块、辅助电源、开关K、电压/电流/温度检测模块、控制单元MCU、RS485通讯模块以及PC端；所述辅助电源接在输入接口J1的正极、负极之间，并通过开关K连接控制单元MCU、RS485通讯模块，为控制模块提供电源；电压/电流/温度检测模块包括电压检测单元、电流检测单元以及温度检测单元，其中电压检测电源连接光伏组件，用于检测光伏组件的电压，以判断光伏板内是否出现短路故障；电流检测单元串接在输入接口J1的正极与二极管D1之间，用于检测关断器主电路的电流，从而判断开关管是否正常开关；温度检测单元安装在关断器的电路板上，用于检测关断器的内部温度；电压/电流/温度检测模块的检测信息发送给控制单元MCU；PC端与控制单元MCU通过RS485通讯模块双向通信；紧急按钮通过所述紧急关断模块连接开关K；
快速关断器有手动紧急关断按钮，RS485通讯控制关断，自动关断三种关断控制方式；
所述自动关断的控制方式为：
通过电压检测单元检测光伏组件的电压，以判断光伏板内是否出现短路情况；通过电流检测单元检测关断器主电路的电流以判断开关管M1是否正常开关，可在开关管损坏时及时进行更换；通过温度检测单元检测关断器电路板温度以判断关断器主电路及其控制电路有无故障问题；在控制单元失效之前，利用控制单元控制开关管及时进行关断操作；
所述判断光伏板内是否出现短路情况，具体判断方法为：
当光伏板内存在短路故障时，其最大功率点电压值或开路电压值与电池短路的个数成线性关系；
所述RS485通讯控制关断的控制方式为：
通过RS485通讯模块传输控制信号，让控制单元控制开关管实现关断操作，继而利用电流检测单元，通过控制单元返回PC端关断器主电路电流值，表明是否关断成功；或通过RS485通讯模块进行传输当前的光伏组件电压值、关断器主电路电流检测数据，从而实现异地监控操作。
2.根据权利要求1所述的多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，所述多种控制的组件级快速关断器应用在分布式光伏发电系统中时，每个光伏组件对应一个快速关断器；不同的快速关断器的输出进行串联后，连接逆变器，从而实现组件级别的控制。
3.根据权利要求2所述的多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，在所述分布式光伏发电系统中，PC机会对快速关断器进行轮询操作，快速关断器的控制单元会一一响应，但当关断器异常，控制单元无法工作时，将没有反馈信号，表明该快速关断器损坏，需要排查。
4.根据权利要求1所述的多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，所述手动紧急关断按钮的控制方式为：
所述紧急按钮由家用交流电供电，通过AC转DC操作可使得按钮控制信号为直流；一个紧急按钮接通光伏发电系统中所有的快速关断器，实现一个按钮关断全部的功能。
5.根据权利要求1所述的多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，紧急关断模块用继电器实现，通过紧急按钮提供的交流转直流信号让继电器实现开关操作，从而通过控制开关K直接阻断辅助电源给控制模块的供电，在控制模块无供电时，开关管则会自动关断，实现紧急关断。
6.根据权利要求1所述的多种控制的组件级快速关断器，其特征在于，辅助电源中设置DC-DC隔离转换电路，为RS485进行隔离供电。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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