CN114865685A - 一种快速关断系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速关断系统及其控制方法，涉及光伏并网发电技术领域。本发明主要包括配置在光伏组件输出侧的短路关断电路和配置在光伏组串输出侧的直流旁路电路，通过主要包括第一开关件、第二开关件、储能元件、第一控制模块和第一辅助电源的短路关断电路，在短路时自动关断光伏组件与光伏组串的连通，并在关断后须通过短路检测才能重新连通，而通过包括第三开关件和电阻元件的直流旁路电路，对各组件的短路关断电路进行短路或降压，以实现快速关断，可满足光伏系统关于快速关断的安规要求，且成本低，可靠性和安全性高。

Description

一种快速关断系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏并网发电技术领域，特别是涉及一种光伏并网发电系统中对光伏组件的快速关断系统，以及快速关断的控制方法。

背景技术

近年来，光伏发电在全世界包括中国都获得了前所未有的快速发展，被广泛的安装在居民住宅、工商业建筑的屋顶上。光伏组件在有光照的情况下组串内存在直流高压，在建筑发生火灾时消防员无法喷水灭火，只能等组件全部烧完后才能救灾，造成财产损失或威胁人身安全。

基于安全的考虑，意大利安全告诫，消防员在建筑物带电压的情况下是绝对不允许进行灭火操作；德国也率先执行防火安全标准并且还明文规定：在光伏发电系统中逆变器与组件之间需要增加额外的直流电切断装置，此外，德国保险公司也有明确的规定，对于消防员在灭火过程中由于光伏电站带电造成的人身伤害不予赔付；美国防火协会已经修改国家电气规范，要求住宅用的光伏发电系统中：在发生紧急情况时限制光伏发电系统交流并网端口断开后，直流端的电压最大不得超过80V。

欧美国家配套安全用电的法规法已经延伸到光伏发电领域，以美国国家电工法规(National Electrical Code，简称NEC)NEC2017--690.12(B)为例，其要求安装在建筑物顶或上的光伏系统必须具备快速关断功能；对关断的速度及关断后光伏阵列内、外部导体之间及导体与大地之间的电压都提出了要求，具体要求在快速关断装置启动后30秒内，光伏阵列1米范围外：电压≤30V，光伏阵列1英尺(30.5厘米)范围内：电压≤80V。

为了满足以上NEC2017--690.12(B)条款的要求，光伏系统需要具备组件级别的快速关断功能。现有技术中，为了实现组件级别的快速关断功能，需要关断控制器持续发送心跳通讯信号，或者，需要位于直流总线上的关断控制模块发送周期性激励脉冲源；而这两种方案中，不但在光伏逆变系统中需要增加相应的发送模块，并且在光伏组件的关断器或功率优化器也需要设置额外的接收模块，由于以上快速关断装置依赖于电力载波通信(PLC)，受制于电力载波通信的信号传输的衰减问题，每套快速关断装置作用于光伏组件串的数量与串长度有限，从而不但增加了光伏系统的成本与系统自耗电，同时增加了更多的信号源发送与接收模块的故障点。

由于上述问题的存在，导致要实现光伏组件级别关断时，必然面临成本高、可靠性等问题，同时，单纯的关断功能又会产生关断器的自耗电，因此目前在国内难以商业化应用，致使我国光伏发电行业至今存在安全生产隐患。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种光伏并网发电系统中对光伏组件的快速关断系统以及快速关断的控制方法。在一方面地，本发明实现减少了光伏关断器与功率优化器中的心跳或周期性激励脉冲信号源接收模块、光伏逆变系统中的信号源发送模块，低成本、高可靠的实现对光伏系统的组件级关断，在极短的时间内把光伏阵列内、外部的电压降低到安全范围内。在另一方面地，本发明可利用步骤简单，实施可靠，在故障解除后，可以方便、快递的恢复光伏发电，且在应用于光伏功率优化器时还能为光伏系统提供遮挡发电损失挽回及防止组件热斑、直流电弧的故障点，解决了当前光伏组件级关断难以大规模商业化的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明在一方面提供了一种快速关断系统，配置于光伏电力获取系统，该光伏电力获取系统包括由诸多光伏单元串联的光伏串联体，该快速关断系统包括配置于光伏单元输出侧的短路关断电路，以及配置于光伏串联体输出侧的直流旁路电路，诸多所述短路关断电路的输出端相串联作为光伏串联体输出端；

所述短路关断电路包括第一开关件、第二开关件、储能元件、第一控制模块和第一辅助电源；所述第一开关件和第二开关件连接在光伏单元与光伏串联体的连接回路上，任一所述第一开关件和第二开关件的关断，则光伏单元与光伏串联体的连接断开；所述储能元件连接在第一开关件和第二开关件之间，第一开关件的导通可连通光伏单元与储能元件，第二开关件的导通可连通储能元件与光伏串联体；所述第一辅助电源取电连接于光伏单元的输出端并供电连接于第一控制模块，所述第一控制模块以开关信号控制连接于第一开关件和第二开关件；

所述直流旁路电路包括相串联连接的第三开关件和电阻元件，其并联连接在光伏串联体输出侧；

在第三开关件导通后，各第一辅助电源至少因电压低于运行要求而关闭，以使任一所述第一开关件和第二开关件关断，并断开光伏单元和光伏串联体的连通；

至少在因直流旁路电路而导致的第一辅助电源的重启时，所述第一控制模块分别单独控制第一开关件和第二开关件的导通，使储能元件从光伏单元取电后接入光伏串联体，获取并根据储能元件的电参量变化情况判断是否满足短路条件，在确认短路解除前，各短路关断电路保持光伏单元和光伏串联体的断开。

上述快速关断系统，可选的有，所述第三开关件为常闭型开关件，所述直流旁路电路还包括第二控制模块和第二辅助电源，所述第二辅助电源取电连接于逆变系统或直流汇流箱的输出侧，所述第二辅助电源供电连接于第二控制模块，所述第二控制模块控制连接于第三开关件。

上述快速关断系统，可选的有，所述直流旁路电路还包括手动开关件，所述手动开关件可控制第三开关件的导通。

上述快速关断系统，可选的有，所述短路关断电路配置于光伏功率优化器，该优化器包括功率变换模块、控制模块和辅助电源，所述第一控制模块作为所述优化器的控制模块，所述第一辅助电源作为所述优化器的辅助电源，所述第一开关件、第二开关件和储能元件配置于功率变换模块的正负回路上；在优化器正常运行时，所述第一控制模块将光伏单元输出端的电参量设置在最大功率点，在优化器启动时，所述第一控制模块控制第一开关件、第二开关件和储能元件进行短路检测。

上述快速关断系统，可选的有，所述功率变换模块为具有输出电容的Buck型或Boost型或Boost-Buck型直流斩波电路；所述输出电容作为短路关断电路的储能元件；

在经短路测试过程中，所述第一控制模块通过分别采集并记录输出电容导通至光伏单元而获电，及输出电容导通至电力获取系统的电压参量，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

或者，直流斩波电路还具有输入电容，所述第一控制模块通过在集输出电容导通至电力获取系统时分别采输入电容和输出电容的电压参量差异，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

所述第一开关件作为直流斩波电路中串接在正或负回路上的开关元件，所述第二开关件为串接在直流斩波电路输出端和优化器输出端之间正或负回路上的开关元件，至少其一的所述第一开关件和第二开关件为常开开关件。

上述快速关断系统，可选的有，所述功率变换模块为降压式Buck直流斩波电路，其包括输入电容、作为所述第一开关件的开关元件、电感器、作为所述储能元件的输出电容；所述第一开关件、电感器和第二开关件依次串联于直流斩波电路的正极路，所述输入电容正负回路并联连接在功率变换模块的输入端和第一开关件之间，所述输出电容正负极并联地连接在电感器和第二开关件之间。

上述快速关断系统，可选的有，所述储能元件为并接在光伏单与光伏串联体的正负连接回路上的电容元件，所述第一控制模块获取并根据电容元件的电压参量在从光伏单元取电和接入光伏串联体前后差异情况判断是否满足短路条件。

上述快速关断系统，可选的有，所述第一第一控制模块包括用于控制所述短路关断电路运行的控制单元、采集单元、运算单元、判断单元、计数单元和驱动单元；

所述控制单元用于控制第二开关件保持关断，而后控制第一开关件导通，以使储能元件从光伏单元获取电力，并控制第一开关件关断，而后控制第二开关件导通，以使储能元件接入到电力获取系统；

所述采集单元用于采集储能元件在获取电力及计入电力获取系统的电参量信息；

所述运算单元用于获取在电力状态下及在接入系统状态下的电参量信息差异；

所述判断单元用于对电参量信息参量进行判定，并驱使控制单元执行相应的操作；

所述控制单元在判定为不存在短路下，以开关量控制第一开关件和第二开关件的同时导通；在判定为确定短路下，以开关量控制第一开关件和第二开关件的关断，在判定为不确认短路下，延时设定时间后再次由控制单元执行短路检测；

所述计数单元对因不确认短路而执行的第一控制单元执行次数进行计量，在超出预设次数下，判定为确定短路；

所述驱动单元根据开关量控制命令以驱动电力控制第一开关件和第二开关的关断和导通。

本发明相适应地提供了一种上述的快速关断系统的控制方法，该方法包括：

至少在光伏电力获取系统故障停机或主动控制光伏电力获取系统停机，控制第三开关件导通，并使光伏串联体连接到电阻元件；

电阻元件使各短路关断电路的第一辅助电源运行电压低于关闭电压，而断开第一开关件和/或第二开关件；

至少在因光伏电力获取系统故障停机或主动控制光伏电力获取系统停机，而辅助电源重新启动，第一控制模块执行短路测试步骤：

控制第二开关件保持关断，而后控制第一开关件导通，以使储能元件从光伏单元获取电力；

获取储能元件在获取电力状态下的电参量信息；

控制第一开关件变为关断，而后控制第二开关件导通，以使储能元件接入到电力获取系统；

获取储能元件在接入系统状态下的电参量信息；

比较在获取储能元件在电力状态下及在接入系统状态下的电参量信息差异；

判断电参量信息差异：

若电参量信息差异在第一预设差异限值内，则确认所接入系统不存在短路情况，而同时导通第一开关件和第二开关件，而恢复优化器运行；

若电参量信息差异在第一预设差异限值和第二预设差异限值之间，则所接入系统为不确定短路的情况，而在延时设定时间后再次执行短路测试步骤；

若电参量信息差异在第二预设差异限值之外，则确认所接入系统存在短路情况，而控制第一开关件和/或第二开关件的关闭。

上述的控制方法，可选的是，该方法还包括：对电参量信息差异在第一预设差异限值和第二预设差异之间的情况进行第一计数，若第一计数满足连续短路不确定情况达到预设次数，则确认所接入系统存在短路情况，而控制第一开关件和/或第二开关件的关闭。

建立优化器和电力获取系统通讯连接，在判断确认所接入系统存在短路情况后，对电力获取系统进行报警和/或报修；

在经短路测试地尝试恢复光伏单元和电力获取系统的连通时，所述控制模块通过分别采集并记录输出电容导通至光伏单元而获电，及输出电容导通至电力获取系统的电压参量，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

或者，直流斩波电路还具有输入电容，所述控制模块通过分别采集输出电容导通至电力获取系统时输入电容和输出电容的电压参量差异，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

(1)本发明通过直流旁路电路对光伏串联体短接或并接电阻以降压，使配置有短路关断电路的光伏组件中的辅助电源至少因低于关闭电压而停止运行，同时短路关断电路的开关件自动将光伏组件与光伏串联体的连接断开，实现快速关断；同时，在断开后辅助电源的再次启动，短路关断电路的控制模块将首先维持光伏组件与光伏串联体的连接断开，并利用存在短路时储能元件将产生电参量变化的原理，进行短路检测；检测过程中光伏组件和电力获取电路维持断开，确保在短路情况解除之前，光伏组件不对外部输出电力；对于其他原因导致的短路关断电路时，经过短路检测后将自动重启，实现光伏并网系统的智能化；快速关断的过程不需要在关断器或优化器中设置用于通讯的心跳或周期激励脉冲信号，减少的接收模块和发送模块的设置，降低了成本，而又能高可靠性地实现光伏发电系统对光伏组件的快速关断，在极短的时间内将光伏阵列内、外部的电压降低到安全范围内，满足NEC2017-690.12(B)的安全法规要求；仅利用储能元件的少量电力进行测试，测量过程安全可靠，不会对系统造成负担。

(2)本发明的第三开关件为常闭型开关元件，在逆变系统正常运行时，需控制第三开关件关断，以维持运行，但在逆变系统因故障停机或主动停机，第三开关件因第二辅助电源停运而自行导通，进而配合短路关断电路而快速将各个光伏组件断开于系统，同时，电阻元件可将光伏组串的输出电压降低到安全范围内，同时快速消耗逆变器输入电容和光伏组串中各种储能件的电能，提高光伏发电系统关断后的安全性。

(3)本发明可将短路关断电路配置在光伏功率优化器当中，一方面光伏功率优化器可使光伏组件运行在最大功率点，提高发电的效率；另一方面，短路关断电路可以在关断和启动时，利用到优化器的控制模块进行采集、运算、判断和控制，也可以利用到优化器的功率变换模块中的开关件和储能元件，相比于Buck型拓扑结构的优化器，相当于在功率变换模块的输出端增设第二开关件，使得短路关断电路结构简单，易于实施，成本地的基础上极大地提供了发电的安全性和可靠性。相对于传统关断器和优化器，还减少了专用的接收模块和发送模块，降低了发电系统的制造成本。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的快速关断系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的短路关断电路的结构示意图；

图3为本发明实施例的配置有短路关断电路的光伏功率优化器的结构示意图；

图4为本发明实施例的第一控制模块短路关断控制结构示意图；

图5为本发明实施例的第一控制模块功率变换控制结构示意图；

图6为本发明实施例的配置有直流旁路电路的光伏逆变系统的结构示意图；

图7为本发明实施例的短路关断电路的控制方法流程示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不作为限制本发明的范围。

如图1所示，是根据本发明的实施例的一种快速关断系统，配置于光伏并网发电系统当中，其包括由诸多光伏单元串联的光伏串联体。所述的光伏单元在本实施例是光伏组件A，在其他实施中还可以是含有多个光伏组件A的光伏组串B，或一光伏组件A中部分光伏电池片串联体，所述光伏串联体在本实施例相对应是光伏组串B。该快速关断系统包括短路关断电路E4和直流旁路电路P。

参考图1，光伏组件A输出侧连接有短路关断电路E4，诸多短路关断电路E4的输出端相串联作为光伏组串B输出端。光伏组件A数量有多个，及图中的A-1、A-2、…、A-n；短路关断电路E4的数量相对应。图中的E-1、E-2、…、E-n是功率优化器E，各功率优化器E配置有短路关断电路E4，光伏组串B数量有多个，多个光伏组串B的输出端接入到光伏逆变系统J。在其他实施例中，光伏组串B还可以接入直流汇流箱的输入端，直流汇流箱的输出端接入到逆变系统J。直流旁路电路P配置在光伏组串B的输出侧，本实施例具体地是配置在逆变系统J中，在其他实施例还可以配置于直流汇流箱。所述短路关断电路E4可单独配置运行在光伏组件A输出端或配置于功率优化器E当中。

本实施例具体地，短路关断电路E4包括第一开关件S1、第二开关件S2、储能元件C、第一控制模块E2和第一辅助电源E3。第一开关件S1和第二开关件S2串接在光伏组件A与光伏组串B连通的正回路上，第一开关件S1和第二开关件S2的关断可断开光伏组件A的发电回路。在本实施例中，储能元件C是并联连接在连通回路上位于第一开关件S1和第二开关件S2之间的电容元件R。在其他实施例中，储能元件C还可以是电感，而通过测量电感的电流或储能情况判断外部电路是否短路。当第一开关件S1导通时，该电容元件R与光伏组件A相连通；当第二开关件S2导通时，该电容元件R于光伏组串B相连通。第一辅助电源E3并接在光伏组件A输出端的正负回路上，第一开关件S1和第二开关件S2是常开型开关件。当出现短路等情况而使得正负回路电压低于第一辅助电源E3的电压，第一控制模块E2停止运行，第一开关件S1一步第二开关件S2变为断开状态，使光伏组件A与其所接光伏组串B的连接回路断开。在第一开关件S1和第二开关件S2的关断后，第一辅助电源E3将与外部电路的短路情况隔离，而恢复从光伏组件A的取电。第一控制模块E2分别单独控制第一开关件S1和第二开关件S2的导通，使该电容从光伏组件A取电后接入电力获取系统，获取并根据电容两端电压参量差异情况判断是否满足短路条件，而仅在确定不满足短路条件后同时导通第一开关件S1和第二开关件S2，恢复光伏单元和光伏组串B的连通。本发明的短路关断电路E4，一方面利用第一开关件S1和第二开关件S2，在电力获取系统发生短路时，自动关断并进行短路保护；另一方面，利用对第一开关件S1和第二开关件S2的启闭控制，并以储能元件C测试外部电路是否短路。

参考图1和6，配合于短路关断电路E4，本发明的直流旁路电路P配置于光伏逆变系统J，其包括第三开关件S3、电阻元件、第二控制模块H、第二辅助电源Q和手动开关件K。所述光伏逆变系统J包括Boost升压式变换电路J1和逆变电路J2。变换电路J1连接于各个光伏组串B，获取光伏组串B输出端的电力并变换为另一电参量的电力输出于逆变电路J2，逆变电路J2对直流电力逆变为交流电力并相电网供应。所述第三开关件S3和电阻元件相互串联，其输出端并联连接在变换电路J1的输入端。本实施例具体有，第三开关件S3为P型常闭式场效应开关管M3，在其他实施例中还可以是常闭型继电器，或其他常闭式全控半导体开关元件。

需要说明的有，所述电阻元件为功率电阻，其电阻值较小，而可使与光伏组串B连接成回路时，不仅使各第一辅助电源E3低于关闭电压，还可使光伏组串B的输出电压降低到安全要求以内，同时可快速消耗转换电路的输入端电容器的电力，以及快速消耗光伏组串B中各输出端电容器的电力，进一步确保系统在关断后的安全性。

需要说明的有，第二辅助电源Q的输入端连接在逆变系统J的交流侧，第二辅助电源Q的输出端供电连接在第二控制模块H，第二控制模块H控制连接于第三开关件S3、变换电路J1和逆变电路J2，所述第二控制模块H输入连接有手动开关件K。所述手动开关件K是紧急关断按钮。在主动按下手动开关件K时，第二控制模块H控制逆变电路J2中的开关件关断，使逆变系统J停止运行，而逆变系统J与电网的连通被关断，第二辅助电源Q将停运，进一步使第二控制模块H停运，而第三开关件S3由于失去驱动而保持导通状态，实现紧急时的快速关断各个光伏组件A。当逆变系统J因其他原因停机，第二辅助电源Q将失去电力的获取而关闭，并使第二控制模块H关闭，进一步使第三开关件S3失去驱动而导通，实现紧急时的快速关断各个光伏组件A。

可以理解的是，配合于非直流旁路电路P的短路的其他因素，所导致的短路关断电路E4对光伏组件A的断开，其可在经过短路检测后自动启动。在第一开关件S1和第二开关件S2的关断后，第一辅助电源E3将与外部电路的短路情况隔离，而恢复从光伏组件A的取电。第一控制模块E2分别单独控制第一开关件S1和第二开关件S2的导通，使该电容从光伏组件A取电后接入电力获取系统，获取并根据电容两端电压参量差异情况判断是否满足短路条件，在确认短路解除前，各短路关断电路E4保持光伏组件A和光伏组串B的断开，而仅在确定不满足短路条件后同时导通第一开关件S1和第二开关件S2，恢复光伏单元和电力获取系统的连通。

作为本发明实施例的特点，含有短路关断电路E4和直流旁路电路P的快速关断系统，面对紧急主动停机和故障突发停机的情况，均能够满足安全法规690.12(B)的要求，并能实现光伏阵列的自动关断，并将光伏组串B的电压降低到安全要求一下，而面对非短路其他因素导致的光伏组件A关断，短路关断电路E4又能够在进行短路检测之后实现自动启动，且无需建立光伏组件A和中央控制的通讯，总体上利用简单而低成本的电路结构实现了光伏并网发电系统对光伏组件A的快速关断和安全自启动。

如图2所示，是根据本发明的实施例的一种配置有所述短路关断电路E4的光伏功率优化器E，该优化器E包括功率变换模块E1、控制模块和辅助电源。可以理解的是，当短路关断电路E4配置于光伏功率优化器E时，可与优化器E共用控制模块和辅助电源，以简化电路结构，降低硬件成本。本实施例具体有，短路关断电路E4中有，第一控制模块E2作为优化器E的控制模块，第一辅助电源E3作为优化器E的辅助电源，第一开关件S1、第二开关件S2和储能元件C配置于功率变换模块E1的正负回路上；在优化器E正常运行时，第一控制模块E2将光伏组件A输出端的电参量设置在最大功率点，在优化器E启动时，第一控制模块E2控制第一开关件S1、第二开关件S2和储能元件C进行短路检测。其中，功率变换模块E1可以是Buck型或Boost型或Boost-Buck型直流斩波电路。

如图3所示是一种具体的配置有所述短路关断电路E4的BUCK降压式光伏功率优化器E，在图2的优化器E电路结构基础上，由于直流斩波电路的结构具有开关件和电容，所述短路关断电路E4和优化器E还可以共用第一开关件S1和电容元件R。

该功率变换模块E1包括输入电容C1、第一开关管M1、电感器L、续流二极管D1、输出电容C2、第二开关管M2和旁路二极管D2。该第一开关管M1、电感器L和第二开关管M2依次串接在直流斩波电路的正极路PV+上。更具体地有，第一开关管M1和第二开关管M2是n型常开型开关场效应管，在其他实施例中，第一开关管M1和第二开关管M2还可以是其他全控开关管。第一开关管M1和第二开关管M2的源极朝向PV+的输出侧连接，第一开关管M1和第二开关管M2的漏极朝向PV+的输入侧连接，第一开关管M1和第二开关管M2的栅极分别连接于第一控制模块E2。辅助电容和输入电容C1分别并联在直流斩波电路的正极路PV+和负极路PV-之上，位于直流斩波电路的输入端和第二开关管M2之间。续流二极管D1的阳极连接在负极回路PV-上，续流二极管D1的阴极连接在正极回路PV+上，并且位于第一开关管M1和电感之间。输出电容C2并联在直流斩波电路的PV+和PV-之上，位于电感器L和第二开关管M2之间。旁路二极管D2并联在直流斩波电路的PV+和PV-之上，位于第二开关管M2和直流斩波电路的输出端之间。其中，输入电容C1和输出电容C2用于斩波电路的滤波，第一开关管M1控制光伏组件A对电感器L的斩波转换，续流二极管D1用于维持输出电平。

需要说明的是，第一开关管M1组成Buck型直流斩波电路的元件，可用于以脉冲调制信号(脉冲宽度调制PWM或脉冲频率调制PFM)控制实现直流斩波电路的功率转换，同时作为短路关断电路E4的第一开关件S1；输出电容C2作为短路关断电路E4的储能元件C；第二开关管M2增设在直流斩波电路输出侧，作为短路关断电路E4的第二开关件S2。其中，短路关断电路E4和直流斩波电路有共用的元器件，实现简化光伏功率优化器E的电路。其中，旁路二极管D2作为优化器E关断状态下，光伏组串B的电流可经旁路二极管D2导通。

需要说明的是，在储能元件C在开关件的两种控制状态下电参量差异方面有。一方面地，在两种控制状态下，分别采集并记录输出电容C2在接入光伏组件A时的电压参量，与输出电容C2在接入到光伏组串B时的电压参量进行比较，以获取在短路测试过程的输出电容C2的电压差异。在另一方面，直流斩波电路的输入端设置有滤波的输入电容C1，以防止功率转换的波动电流反向影响到光伏组件A，可在输出电容C2在接入光伏组串B时，采集并比较输入电容C1和输出电容C2的电压参量，以获取在短路测试过程的输出电容C2的电压差异。在后者的方案当中，可减少输出储存的过程，同时降低前后测量的误差。

如图4和5所示，是根据本发明的实施例的第一控制模块E2结构图。该第一控制模块E2包括控制单元21、采集单元22、运算单元23、判断单元24、计数单元25、驱动单元26和通讯单元27。其中，采集单元22可采集功率转换模块输入端的电流参量Ipv和电压参量Vpv，以及输出电容C2，也即功率转换模块输出端的电压参量Vout，采集是通过设于采集位置的传感器，经放大器放大并经处理器处理为可运算的电信号而实现。运算单元23可设置在处理器中，对所采集电参量进行运算。判断单元24可设置在处理器，根据运算的结果判断短路的情况或当前功率的情况。控制单元21可设置在处理器，包括在触发运行条件下，如获电后初始启动，进行相应的短路检测控制；也包括根据判断的结构进行相应的控制操作。计数单元25可设置在处理器中，对判断单元24的某结果进行计量，或对控制单元21的某操作进行计量，在达到设定的计数限度下输出结果，或在设定条件下清零。通讯单元27可为Zibee或WIFI或蓝牙无线通信，而在逆变系统J或直流汇流箱中配置有第二控制模块H，第二控制模块H配置有与优化器E相匹配的通讯装置，在短路故障出现时第一控制模块E2可经通讯单元27向第二控制模块H报警。

具体参照图4，在经短路测试地重启优化器E的控制过程中，具体的，控制单元21用于控制第二开关管M2保持关断，而后控制第一开关管M1导通，以使输出电容C2从光伏单元获取电力，以及控制第一开关管M1变为关断，而后控制第二开关管M2导通，以使输出电容C2接入到电力获取系统；采集单元22用于采集输出电容C2在获取电力及计入电力获取系统的电压参量信息；运算单元23用于获取在电力状态下及在接入系统状态下的电压参量信息差异；判断单元24用于对电压参量信息参量进行判定，并驱使控制单元21执行相应的操作；控制单元21在判定为不存在短路下，以开关量控制第一开关管M1和第二开关管M2的同时导通；在判定为确定短路下，以开关量控制第一开关管M1和第二开关管M2的关断，在判定为不确认短路下，延时设定时间后再次由控制单元21执行短路检测；计数单元25对因不确认短路而执行的第一控制单元21执行次数进行计量，在超出预设次数下，判定为确定短路；驱动单元26根据开关量控制命令以驱动电力控制第一开关管M1和第二开关的关断和导通；通讯单元27在判定为确认短路后对第二控制模块H进行报警。

具体参照图5，在优化器E正常运行时对功率转换的控制过程中，具体的，采集单元22用于采集光伏单元输出端的电压电流参量；运算单元23用于由电压电流参量计算出功率参量；判断单元24用于判断功率参量的变化特征，并驱使控制单元21执行相应的操作；控制单元21用于根据功率参量的变化输出脉冲调制信号；驱动单元26用于以经脉冲调制的驱动信号控制功率变换模块E1的开关元件运行，以将光伏单元输出端的电参量设置在最大功率点。

如图7所示，是根据本发明的实施例的一种快速关断系统的快速关断控制流程。该方法具体如下：

在逆变系统J的直流旁路电路P方面，如果出现逆变系统J的输出端断开，第二辅助电源Q和第二控制模块H停机，第三开关件S3失去驱动而保持导通；或者，如果手动开关件K被按下，第三开关件S3将被驱动保持导通。光伏组串B和电阻元件将连接形成回路，电阻元件使各短路关断电路E4的第一辅助电源E3运行电压低于关闭电压，而断开第一开关件S1和/或第二开关件S2。当光伏组件A断开后，第一辅助电源E3重启，第一控制模块E2保持关断，实现快速关断。

在光伏组件A的短路关断电路E4方面，在辅助电源关闭后首次获取电力，并使控制模块运行时，执行经短路情况测试的启动优化器E。该短路检测步骤包括：第一步，控制第二开关管M2保持关断，而后控制第一开关管M1导通，以使输入电容C1和输入电容C1从光伏组件A获取电力，检测并确认两者电压值接近一致。第二步，控制第一开关管M1变为关断，而后控制第二开关管M2导通，以使输出电容C2接入到光伏组串B当中，而输入电容C1与光伏组串B相阻断，采集此时输入电容C1的电压值V1，采集此时输出电容C2的电压值V2；通过|V1-V2|/V2比较在获取输出电容C2在接入光伏组串B后的电压信息差异。第四部，判断|V1-V2|/V2与第一预设差异限值10％，以及与第二预设差异限值50％的关系：

若|V1-V2|/V2≤10％，则确认所接入系统不存在短路情况，而同时导通第一开关管M1和第二开关管M2，而恢复优化器E运行；若10％＜|V1-V2|/V2＜50％，则所接入系统为不确定短路的情况，而在延时3分钟后，再次执行经短路情况测试地启动优化器E。对该情况进行第一计数，若满足在连续的短路测试过程当中不确定的情况达到3次，则确认所接入系统存在短路情况，而维持第一开关管M1和第二开关的关闭，停止功率优化器E运行；若|V1-V2|/V2≥50％，则确认所接入系统存在短路情况，而维持第一开关管M1和第二开关的关闭，停止功率优化器E运行。在判断确认所接入系统存在短路情况后，对集中控制模块进行报警和/或报修。

需要说明的是，在短路检测的过程当中，存在不确定的范围，可再次尝试短路检测，如优化器E的输出端电压由逆变器的输入电容C1确认，在输入电容C1未储能完毕前，存在电压变化的可能。综合地，对不确定范围的确认，可减少因短路检测误差所导致的优化器E关闭。同时，对不确定范围的确认，也可减少在短路时，输入电容C1接入到光伏发电系统当中造成的冲击和损害。

值得说明的是，本发明的短路关断电路E4由于具有经短路检测的重启功能，在面对直流旁路电路P处于导通状态而导致的短路关断电路E4断开，经过上述的短路检测步骤将得到优化器E关闭的结果，此情况在快速关断原因排除之后，经第二控制模块H主动发送启动指令后重新启动优化器E。在面对诸如并联电弧因素的短路故障，无需手动开关件K或交流侧断开，优化器E将自动关闭，并因无法通过短路测试而停机。在面对天黑后停机而第二天早上，辅助电源首次达到启动电压，优化器E将顺利通过短路检测而自动开启。当因过流等其他非短路故障而导致的优化器E运行中断，优化器E将通过短路检测而能重启运行。综合地，通过短路关断电路E4实现安全自启动，并在减少通讯硬件设置的基础上，实现光伏组件A的快速关断。

以上实施例主要描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种快速关断系统，配置于光伏电力获取系统，该光伏电力获取系统包括由诸多光伏单元串联的光伏串联体，其特征是，

该快速关断系统包括配置于光伏单元输出侧的短路关断电路(E4)，以及配置于光伏串联体输出侧的直流旁路电路(P)，诸多所述短路关断电路(E4)的输出端相串联作为光伏串联体输出端；

所述短路关断电路(E4)包括第一开关件(S1)、第二开关件(S2)、储能元件(C)、第一控制模块(E2)和第一辅助电源(E3)；所述第一开关件(S1)和第二开关件(S2)连接在光伏单元与光伏串联体的连接回路上，任一所述第一开关件(S1)和第二开关件(S2)的关断，则光伏单元与光伏串联体的连接断开；所述储能元件(C)连接在第一开关件(S1)和第二开关件(S2)之间，第一开关件(S1)的导通可连通光伏单元与储能元件(C)，第二开关件(S2)的导通可连通储能元件(C)与光伏串联体；所述第一辅助电源(E3)取电连接于光伏单元的输出端并供电连接于第一控制模块(E2)，所述第一控制模块(E2)以开关信号控制连接于第一开关件(S1)和第二开关件(S2)；

所述直流旁路电路(P)包括相串联连接的第三开关件(S3)和电阻元件，其并联连接在光伏串联体输出侧；

在第三开关件(S3)导通后，各第一辅助电源(E3)至少因电压低于运行要求而关闭，以使任一所述第一开关件(S1)和第二开关件(S2)关断，并断开光伏单元和光伏串联体的连通；

至少在因直流旁路电路(P)而导致的第一辅助电源(E3)的重启时，所述第一控制模块(E2)分别单独控制第一开关件(S1)和第二开关件(S2)的导通，使储能元件(C)从光伏单元取电后接入光伏串联体，获取并根据储能元件(C)的电参量变化情况判断是否满足短路条件，在确认短路解除前，各短路关断电路(E4)保持光伏单元和光伏串联体的断开。

2.如权利要求1所述的快速关断系统，其特征是，所述第三开关件(S3)为常闭型开关件，所述直流旁路电路(P)还包括第二控制模块(H)和第二辅助电源(Q)，所述第二辅助电源(Q)取电连接于逆变系统(J)或直流汇流箱的输出侧，所述第二辅助电源(Q)供电连接于第二控制模块(H)，所述第二控制模块(H)控制连接于第三开关件(S3)。

3.如权利要求1所述的快速关断系统，其特征是，所述直流旁路电路(P)还包括手动开关件(K)，所述手动开关件(K)可控制第三开关件(S3)的导通。

4.如权利要求1所述的快速关断系统，其特征是，所述短路关断电路(E4)配置于光伏功率优化器(E)，该优化器(E)包括功率变换模块(E1)、控制模块和辅助电源，所述第一控制模块(E2)作为所述优化器(E)的控制模块，所述第一辅助电源(E3)作为所述优化器(E)的辅助电源，所述第一开关件(S1)、第二开关件(S2)和储能元件(C)配置于功率变换模块(E1)的正负回路上；在优化器(E)正常运行时，所述第一控制模块(E2)将光伏单元输出端的电参量设置在最大功率点，在优化器(E)启动时，所述第一控制模块(E2)控制第一开关件、第二开关件(S2)和储能元件(C)进行短路检测。

5.如权利要求4所述的快速关断系统，其特征是，所述功率变换模块(E1)为具有输出电容(C2)的Buck型或Boost型或Boost-Buck型直流斩波电路；所述输出电容(C2)作为短路关断电路(E4)的储能元件(C)；

在经短路测试过程中，所述第一控制模块(E2)通过分别采集并记录输出电容(C2)导通至光伏单元而获电，及输出电容(C2)导通至电力获取系统的电压参量，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

或者，直流斩波电路还具有输入电容(C1)，所述第一控制模块(E2)通过在集输出电容(C2)导通至电力获取系统时分别采输入电容(C1)和输出电容(C2)的电压参量差异，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

所述第一开关件(S1)作为直流斩波电路中串接在正或负回路上的开关元件，所述第二开关件(S2)为串接在直流斩波电路输出端和优化器(E)输出端之间正或负回路上的开关元件，至少其一的所述第一开关件(S1)和第二开关件(S2)为常开开关件。

6.如权利要求4所述的快速关断系统，其特征是，所述功率变换模块(E1)为降压式Buck直流斩波电路，其包括输入电容(C1)、作为所述第一开关件(S1)的开关元件、电感器(L)、作为所述储能元件(C)的输出电容(C2)；所述第一开关件(S1)、电感器(L)和第二开关件(S2)依次串联于直流斩波电路的正极路，所述输入电容(C1)正负回路并联连接在功率变换模块(E1)的输入端和第一开关件(S1)之间，所述输出电容(C2)正负极并联地连接在电感器(L)和第二开关件(S2)之间。

7.如权利要求1所述的快速关断系统，其特征是，所述储能元件(C)为并接在光伏单与光伏串联体的正负连接回路上的电容元件(R)，所述第一控制模块(E2)获取并根据电容元件(R)的电压参量在从光伏单元取电和接入光伏串联体前后差异情况判断是否满足短路条件。

8.如权利要求1所述的快速关断系统，其特征是，所述第一第一控制模块(E2)包括用于控制所述短路关断电路(E4)运行的控制单元(21)、采集单元(22)、运算单元(23)、判断单元(24)、计数单元(25)和驱动单元(26)；

所述控制单元(21)用于控制第二开关件(S2)保持关断，而后控制第一开关件(S1)导通，以使储能元件(C)从光伏单元获取电力，并控制第一开关件(S1)关断，而后控制第二开关件(S2)导通，以使储能元件(C)接入到电力获取系统；

所述采集单元(22)用于采集储能元件(C)在获取电力及计入电力获取系统的电参量信息；

所述运算单元(23)用于获取在电力状态下及在接入系统状态下的电参量信息差异；

所述判断单元(24)用于对电参量信息参量进行判定，并驱使控制单元(21)执行相应的操作；

所述控制单元(21)在判定为不存在短路下，以开关量控制第一开关件(S1)和第二开关件(S2)的同时导通；在判定为确定短路下，以开关量控制第一开关件(S1)和第二开关件(S2)的关断，在判定为不确认短路下，延时设定时间后再次由控制单元(21)执行短路检测；

所述计数单元(25)对因不确认短路而执行的第一控制单元(21)执行次数进行计量，在超出预设次数下，判定为确定短路；

所述驱动单元(26)根据开关量控制命令以驱动电力控制第一开关件(S1)和第二开关的关断和导通。

9.一种控制方法，用于控制如1至8任一项所述的快速关断系统的运行，其特征是，该方法包括：

至少在光伏电力获取系统故障停机或主动控制光伏电力获取系统停机，控制第三开关件(S3)导通，并使光伏串联体连接到电阻元件；

电阻元件使各短路关断电路(E4)的第一辅助电源(E3)运行电压低于关闭电压，而断开第一开关件(S1)和/或第二开关件(S2)；

至少在因光伏电力获取系统故障停机或主动控制光伏电力获取系统停机，而辅助电源重新启动，第一控制模块(E2)执行短路测试步骤：

控制第二开关件(S2)保持关断，而后控制第一开关件(S1)导通，以使储能元件(C)从光伏单元获取电力；

获取储能元件(C)在获取电力状态下的电参量信息；

控制第一开关件(S1)变为关断，而后控制第二开关件(S2)导通，以使储能元件(C)接入到电力获取系统；

获取储能元件(C)在接入系统状态下的电参量信息；

比较在获取储能元件(C)在电力状态下及在接入系统状态下的电参量信息差异；

判断电参量信息差异：

若电参量信息差异在第一预设差异限值内，则确认所接入系统不存在短路情况，而同时导通第一开关件(S1)和第二开关件(S2)，而恢复优化器(E)运行；

若电参量信息差异在第一预设差异限值和第二预设差异限值之间，则所接入系统为不确定短路的情况，而在延时设定时间后再次执行短路测试步骤；

若电参量信息差异在第二预设差异限值之外，则确认所接入系统存在短路情况，而控制第一开关件(S1)和/或第二开关件(S2)的关闭。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征是，该方法还包括：对电参量信息差异在第一预设差异限值和第二预设差异之间的情况进行第一计数，若第一计数满足连续短路不确定情况达到预设次数，则确认所接入系统存在短路情况，而控制第一开关件(S1)和/或第二开关件(S2)的关闭。

建立优化器(E)和电力获取系统通讯连接，在判断确认所接入系统存在短路情况后，对电力获取系统进行报警和/或报修；

在经短路测试地尝试恢复光伏单元和电力获取系统的连通时，所述控制模块通过分别采集并记录输出电容(C2)导通至光伏单元而获电，及输出电容(C2)导通至电力获取系统的电压参量，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异；

或者，直流斩波电路还具有输入电容(C1)，所述控制模块通过分别采集输出电容(C2)导通至电力获取系统时输入电容(C1)和输出电容(C2)的电压参量差异，以获取用于判断是否满足短路条件的电压参量差异。

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