CN115065321B - 非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置及光伏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置及光伏系统，涉及光伏优化装置及其光伏并网发电系统领域。本发明利用在优化装置中本地控制模块和物联网模块，将优化装置的本地电参量是否小于阈值与是否正常接收到安全广播心跳包相结合，判断是否需要将变换电路的输出电压降低至安全电压，实现在低电参量且安全广播心跳包的异常状况下快速、准确及自动地关断优化装置对外功率输出以及确保输出电压在安全范围内，同时在低电参量而有正常的安全广播心跳包的状况下维持优化装置的正常发电。综合上，低成本及高效率地实现非看门狗式的基于物联网的安全电压控制功能。

Description

非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置及光伏系统
技术领域
本发明涉及光伏优化装置及其光伏并网发电系统，尤其涉及到一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置及光伏系统。
背景技术
目前，光伏电站在正常发电状态下，其串电压常常超过1000V，该电压已构成接触危险电压类别。在光伏项目建设、检查或维修过程中，过高的电压将造成施工和运维人员触电的风险。因此，在2019年1月1日强制生效的美国国家电工法规(NationalElectricalCode，简称NEC2017)中，明确要求光伏系统需要具备组件级别的快速关断功能。在最新版NEC2017--690.12（B）条款中规定：1）安装在建筑物顶或上的光伏系统必须具备快速关断；2）在快速关断装置启动后30秒内，光伏阵列在1英尺范围外，电压≤30V；光伏阵列在1英尺范围内：电压≤80V。
在涉及电压安全的现有技术中，专利号为US8933321B2的由TigoEnergy公司申请的美国专利，公开了一种基于看门狗技术的断开太阳能电池板的系统和方法，其包括：耦合在太阳能模块和电源总线之间的本地控制器的看门狗单元，电源总线配置为将多个太阳能模块连接到逆变器。看门狗单元具有：本地控制器，其被配置为监视来自远离太阳能模块的中央控制器的通信，并确定该通信是否已中断超过预定允许跳过次数的时间段；以及至少一个开关，其被配置为响应于由位置控制器确定来自中央控制器的通信已被中断超过预定允许跳数的时间段而从电源总线断开太阳能模块；其中，看门狗单元被配置为在通信未中断时将太阳能模块连接到电源总线。但这种方案，是基于看门狗技术，对通信的可靠性提出了很高的要求，通常采用可靠性很高的电力载波通信(PLC)作为通信方式。然而，电力载波通信还存在传输的衰减问题，使得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，且需要配置远程PLC发送与本地接收单元。此外，电力载波通信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。
因此，目前行业需要在兼顾成本和发电效率基础上实现快速将光伏组件输出电压降低至安全范围的装置及系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，以及包含该优化装置的一种光伏系统，可实现：在不使用看门狗控制方式的基础上，基于物联网技术利用光伏组件的优化装置来实现分布式安全电压的快速控制，同时实现降低电压安全控制的成本，及兼顾光伏发电效率。
基于同一发明构思，本发明的目的还在于提供了一种ASIC集成控制芯片，用于控制非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，可实现低成本及高稳定性地实现电压安全的自动控制；以及，本发明还提供了一种安全电压快速控制方法，用于控制包含上述优化装置的光伏系统。
为了实现上述目的，本发明的第一方面采用的技术方案是：一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，该装置包括直流变换电路、本地控制模块和物联网模块，所述直流变换电路用于耦合于光伏单元与光伏组串之间，所述本地控制模块控制连接于直流变换电路，所述物联网模块用于从上位设备获取安全广播心跳包并提供给本地控制模块；其中，所述本地控制模块用于检测直流变换电路的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值，当本地电参量大于或等于阈值时，所述本地控制模块将直流变换电路的输出电压限值设置为输出电压正常限值，当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包正常时，所述本地控制模块将直流变换电路的输出电压限值仍然设置为输出电压正常限值，只有当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包异常时，所述本地控制模块将直流变换电路的输出电压限值设置为安全电压值，其中，所述输出电压正常限值大于所述安全电压值；所述本地电参量为本地控制模块用于检测直流变换电路的本地的输出电流及输出电压，处理输出电流及输出电压获得输出功率作为电参量，所述阈值为本地输出功率的电参量预设有功率阈值；所述本地控制模块还用于控制直流变换电路的输出电压不超出所设置的输出电压限值。
上述优化装置优选地，所述本地控制模块包括模拟控制单元与数字控制单元；所述模拟控制单元用于根据直流变换电路的本地电参量的模拟量生成控制直流变换电路的脉宽调制信号，并且控制直流变换电路的输出电压不超出所设置的输出电压限值；所述数字控制单元用于根据检测的本地数字参量与安全广播心跳包确定输出电压限值，并通过修调电路修改模拟控制单元的输出电压限值。
上述优化装置优选地，所述本地控制模块还包括：采样电路，用于检测直流变换电路的输出电压、输出电流；电流信号发生电路，用于为模拟控制单元提供设置输出电压限值的基准电流；输出电压设定基准电阻，配置于电流信号发生电路，用于产生输出电压限值并提供给模拟控制单元；以及修调电路，包括修调安全电压电阻和修调开关，所述修调安全电压电阻借助修调开关连接于上述电流信号发生电路；所述修调安全电压电阻的阻值小于输出电压设定基准电阻的阻值；所述数字控制单元控制修调开关的断开或导通，以使得所述输出电压限值在输出电压正常限值与安全电压值之间进行切换；当断开修调开关时，所述输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻共同确定；当合上修调开关时，所述输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻与并联修调安全电压电阻共同确定；所述模拟控制单元通过比较直流变换电路的输出电压与输出电压限值，并将比较的差值信号放大后调整脉宽调制信号，以使直流变换电路的输出电压不超出输出电压限值。
上述优化装置优选地，所述数字控制单元包括：数字采样电路，用于获取直流变换电路的本地电参量的模拟量并转换为本地电参量的数字量；数据存储器，用于存储关于该本地电参量而预设的阈值；数字接口电路，用于通过物联网模块与上位设备建立通讯并获取安全广播心跳包；以及，数字处理电路，用于通过输出电流数字参量、输出电压数字参量的计算获得直流变化电路的输出功率值与阈值的比较，以及检测安全广播心跳包是否正常，生成用于改变模拟控制单元的输出电压限值的修调指令。
上述优化装置优选地，所述模拟控制单元还用于跟踪直流变换电路所接光伏单元的最大功率，以及控制直流变换电路的输出电流一致于光伏组串的串电流。
上述优化装置优选地，该装置被配置为光伏功率优化器，所述安全电压值小于等于1V；所述的本地控制模块用于检测直流变换电路的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值还包括：所述本地控制模块用于检测直流变换电路的本地输出电流且关于本地输出电流预设有电流阈值。
为了实现上述目的，本发明的第二方面采用的技术方案是：一种ASIC集成控制芯片，用于上述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其包含芯片本体，所述芯片本体用于控制直流变换电路，其中，直流变换电路耦合于光伏单元与光伏组串之间，该芯片本体可通过物联网模块从上位设备获取安全广播心跳包，其中，所述芯片本体用于检测直流变换电路的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值，当本地电参量大于或等于阈值时，所述芯片本体将直流变换电路的输出电压限值设置为大于所述安全电压值的输出电压正常限值；当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包正常时，所述芯片本体将直流变换电路的输出电压限值仍然设置为大于所述安全电压值的输出电压正常限值；只有当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包异常时，所述芯片本体将直流变换电路的输出电压限值设置为安全电压值；所述本地电参量为芯片本体用于检测直流变换电路的本地的输出电流及输出电压，处理输出电流及输出电压获得输出功率作为电参量，所述阈值为本地输出功率的电参量预设有功率阈值；所述芯片本体还用于控制直流变换电路的输出电压不超出所设置的输出电压限值。
上述ASIC集成控制芯片优选地，所述芯片本体包括模拟控制单元与数字控制单元；所述模拟控制单元用于根据直流变换电路的本地电参量的模拟量生成控制直流变换电路的脉宽调制信号，并且控制直流变换电路的输出电压不超出所设置的输出电压限值；所述数字控制单元用于根据检测的本地数字参量与安全广播心跳包确定输出电压限值，并通过修调电路修改模拟控制单元的输出电压限值。
为了实现上述目的，本发明的第三方面采用的技术方案是：一种光伏系统，包括上述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，以及配置于逆变器或汇流箱的中央控制模块；其中，所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置设置有若干个，每个所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置的输入端配置有光伏单元，各个所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置的输出端相互串联为光伏组串，所述光伏组串的输出端连接于逆变器或汇流箱，所述中央控制模块用于与各个物联网模块建立通讯，并且用于发送安全广播心跳包和停止发送所述安全广播心跳包。
上述光伏系统优选地，所述中央控制模块用于检测所述光伏组串的串功率或串电流且关于该串功率或串电流预设有阈值，当所述串功率或串电流大于或等于其预设阈值时，停止发送所述安全广播心跳包，而当所述串功率小于其预设阈值时，恢复发送所述安全广播心跳包。
为了实现上述目的，本发明的第四方面采用的技术方案是：一种用于控制上述的光伏系统的安全电压控制方法，其中，该安全电压控制方法包括：在系统正常工作情况下，所述本地控制模块检测到本地输出功率大于或等于预设本地功率阈值时，将独立控制光伏组件的优化装置以直流变换的方式优化光伏组件的功率，而不响应所述中央控制模块的安全广播心跳包；在所述光伏系统的安装场所发生紧急事故的情况下，相关人员现场关断逆变器并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关，逆变器将停机并且光伏组串的输出端将形成开路，本地输出功率亦降低到预设本地功率阈值以下，同时所述中央控制模块将因失电停机而停止发送安全广播心跳包，所述本地控制模块检测到输出功率小于本地功率阈值且检测到安全广播心跳包异常，将输出电压限值设置为安全电压值，并使本地实际输出电压小于等于安全电压值，使光伏组串的串电压降低到安全范围；其中，安全广播心跳包异常是指所述本地控制模块在单位时间内检测到的安全广播心跳包未达到预定心跳次数；在所述光伏系统的安装场所的紧急事故解除后的情况下，相关人员现场恢复逆变器并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关的连通，逆变器将恢复开机；中央控制器将获电启动，检测到串功率低于串功率阈值，并发送安全广播心跳包；本地输出功率因安全电压值的限制而仍小于本地功率阈值，所述本地控制模块检测到输出功率小于本地功率阈值且检测到安全广播心跳包正常，将直流变换电路的输出电压限值设置为大于安全电压值的输出电压正常限值，从而解除安全电压值的限制，使本地输出功率恢复正常；其中，安全广播心跳包正常是指所述本地控制模块在单位时间内检测到的安全广播心跳包达到预定心跳次数。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
（1）本发明利用在优化装置中本地控制模块和物联网模块，将优化装置的本地电参量是否小于阈值与是否正常接收到安全广播心跳包相结合，判断是否需要将变换电路的输出电压降低至安全电压，实现在低电参量且安全广播心跳包的异常状况下快速、准确及自动地关断优化装置对外功率输出以及确保输出电压在安全范围内，同时在低电参量而有正常的安全广播心跳包的状况下维持优化装置的正常发电。综合上，低成本及高效率地实现非看门狗式的基于物联网的安全电压控制功能。
（2）同时，本发明在火灾、地震、洪水、飓风等紧急情况，或检测到光伏发电系统具有电弧、漏电等故障引起光伏组串开路时等非正常状态，优化装置的输出电流及功率等电参量将降低到阈值以下，同时逆变器或汇流箱将自动关机，中央控制模块将因失去电源而停止发送广播心跳包，因此优化装置将准确稳定地将输出电压控制在安全范围内。同时，在需要进行安装和维修的阶段，可主动对逆变器或汇流箱关机，电参量将降低到阈值而广播心跳包的发送将停止，优化装置也能快速控制在安全范围内。
（3）同时，本发明在优化装置中配置安全电压功能，借助常规的物联网进行通讯，实现设备成本降低，并且维持安全电压功能所需的电力消耗极低，实现光伏发电的度电成本进一步降低。优化装置可对其所接光伏单元进行最大功率跟踪，进一步提升发电的效率。同时，本发明由于无需看门狗单元持续的检测远程的心跳信号，所采用的通信方式灵活，可选取有线或无线的通讯方式，可以采用低成本的物联网通讯方式，且光伏组串的串长度将不受影响。
（4）本发明中的本地控制模块由模拟控制单元和数字控制单元组成，模拟控制单元不仅具备输出电压限制功能，还具备最大功率跟踪、串联电流一致性功能，并且模拟控制单元利用模拟信号进行自动控制，分辨率高且控制结构简单，可采用低成本芯片和周边器件。数字控制单元具备通信接口、数字逻辑运算、数据存储等功能，并且可通过修调电路改变输出电压限值，实现安全电压功能。整体控制架构结构简单、运行可靠且成本低，综合上降低度电成本。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1本发明实施例的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置的电路结构及功能示意图。
图2本发明实施例的优化装置及ASIC集成控制芯片的具体电路结构示意图。
图3本发明实施例的光伏系统的电路结构及功能示意图。
图4本发明实施例的优化装置在运行时的输出伏瓦特性示意图。
图5本发明实施例的优化装置在运行时的输出伏安图形示意图。
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，根据本发明第一方面的实施例是一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，为光伏组件11用的功率优化器，以下简称优化器20。该优化器20包括直流变换电路21、本地控制模块30和物联网模块40。其中，直流变换电路21耦合于光伏单元10与光伏组串50之间，用于将从光伏单元10获取输入电力转换为输出电力提供给光伏组串50。本实施例具体地，直流变换电路21为Buck降压电路，在其他实施例还可以是Boost升压电路或Buck-Boost升降压电路。光伏单元10是指可将光能转换为电能的单元，本实施例具体是具有独立封装的单个光伏组件11，在其他实施例还可以是一光伏组件11中的部分电池片串，或至少两个相串联的光伏组件11。光伏组串50是指由众多光伏单元10通过各自直流变换电路21相互串联的连接线路。
本实施例具体地，本地控制模块30控制连接于直流变换电路21。可以理解，优化器20的作用是优化光伏功率，本地控制模块30能够控制直流变换电路21，执行MPPT工作，以将直流变换电路21的输入电压或输入电流配置在最大功率点（也即光伏单元10的最大功率点）。为便于理解，可示意地说明MPPT工作过程：以PWM信号控制直流变换电路21的开关，通过扰动PWM信号的占空比改变直流变换电路21的电压或电流参量，再检测输入或输出功率并判断功率是否增加，以决定是否进一步扰动占空比。可以理解，光伏单元10借助优化器20以串联方式接入光伏组串50，本地控制模块30还能够控制变换电路的输出电流一致于光伏组串50的串电流。换言之，当光伏组串50的串电压受后级设备控制而变化时，本地控制模块30将相应地调节输出电压并使其受控的直流变换电路21的输出电流一致于光伏组串50的串电流I_bus。
为实现自动控制电压安全，本实施例详细来说，物联网模块40用于从上位设备获取安全广播心跳包并提供给本地控制模块30。其中，物联网模块40可通过有线通讯或无线通讯的方式在局域网关处获取安全广播心跳包，本地控制模块30将检测安全广播心跳包是异常还是正常。具体是，当在单位时间内检测到的安全广播心跳包未达到预定心跳次数，本地控制模块30将判定为安全广播心跳包异常，当在单位时间内检测到的安全广播心跳包达到预定心跳次数，本地控制模块30将判定为安全广播心跳包正常。
为实现自动控制电压安全，本实施例详细来说，本地控制模块30用于检测直流变换电路21的本地电参量。具体地，本地电参量可以是由直流变换电路21所在位置的本地控制模块30检测其对应直流变换电路21的电参量，该电参量具体可以是直流变换电路21的输出功率P_out或输出电流I_out。本领域一般情况下，输出功率P_out可通过检测输出电流及输出电压，并经输出电流及输出电压计算处理得出，而输出电流I_out可通过电流传感器检测。本地控制模块30中关于直流变换电路21的输出电流或输出功率设有阈值，在本实施例具体地，关于输出功率P_out预设有本地功率阈值P_set1。在其他实施例还可以是，关于输出电流I_out预设有电流阈值I_set。
在自动控制电压安全方面，详细来说，本地控制模块30根据本地电参量和安全广播心跳包情况而设置基准电压U_ref，并且本地控制模块30能控制直流变换电路21的输出电压不超出所设置的基准电压U_ref。本地控制模块30的具体输出电压限值的设置逻辑有：当输出功率P_out大于或等于本地功率阈值P_set1时，本地控制模块30将不检测安全广播心跳包，同时将直流变换电路21的基准电压U_ref设置为大于安全电压值U_safe的输出电压正常限值U_lim；当输出功率P_out小于本地功率阈值P_set1且检测到安全广播心跳包正常时，本地控制模块30仍然将直流变换电路21的基准电压U_ref设置为输出电压正常限值U_lim；当输出功率P_out小于本地功率阈值P_set1且检测到安全广播心跳包异常时，本地控制模块30将直流变换电路21的基准电压U_ref设置为安全电压值U_safe。
为便于理解，本实施例的工作原理在于，预设的P_set1可将直流变换电路21的输出功率P_out划分为功率较低状态和非功率较低状态。功率较低状态的可能场景有：（1）因光伏单元10所获取的辐照较低而导致输出功率较低；（2）光伏单元10的辐照正常，但后级设备关断而导致输出功率较低。无论是场景（1）和（2），本地控制模块30都将进一步检测安全广播心跳包是正常还是异常。当处于场景（1）当中，本地控制模块30将会检测到安全广播心跳包正常，而将基准电压U_ref设置在U_lim，使优化器20能继续进行优化光伏功率的转换工作。当处于场景（2）当中，本地控制模块30将会检测到安全广播心跳包异常，而将基准电压U_ref设置在U_safe，使优化器20从较高的正常工作输出电压降低至输出电压的安全范围。另外，在非功率较低状态，优化器20能正常进行优化光伏功率的转换工作，因而无需进行安全电压控制，也无需进行安全广播心跳包的检测。同时，在故障发生时优化器20将自然地离开正常工作状态。可以理解，本实施例还可以参考将直流变换电路21的输出电流I_out划分为电流较低状态和非电流较低状态，而自动控制电压安全。
由此可见，本实施例的优化器20，能够以非看门狗式实现输出电压的安全控制，并且能降低光伏系统的设备成本和提高光伏发电效率。同时，本实施例的优化器20可使光伏组件11具备最大功率跟踪、输出电压一致性配置等功能，实现发电效率、设备成本及发电安全性的兼顾。
需要说明的是，安全电压值是根据安全法规相应设置的，当安全法规要求光伏组串50的输出电压不能超出36V，而一组串中共有30个组件，则优化器20的本地控制模块30可将安全电压值设置在1.2V以下。在本实施例的一般情况下，安全电压值将设置在小于等于1V。换言之，当触发自动控制电压安全的条件时，直流变换电路21的输出电压将小于等于1V。
继续参考图1，上述本地控制模块30包括模拟控制单元31与数字控制单元32。其中，模拟控制单元31根据直流变换电路21的本地电参量的模拟量生成控制直流变换电路21的脉宽调制信号（即PWM信号），并且控制直流变换电路21的输出电压不超出所设置的基准电压U_ref。换言之，模拟控制单元31可通过以PWM信号直接控制直流变换电路21，实现优化器20的MPPT功能、输出电流一致性功能和输出电压限制功能。本实施例在芯片本体301中配置了数字控制单元32，数字控制单元32用于根据检测的本地数字参量与安全广播心跳包确定基准电压U_ref，并通过修调电路324修改模拟控制单元31的基准电压U_ref。可以理解，数字控制单元32为实现修改模拟控制单元31的输出电压限值，具有逻辑及参数存储功能，获取物联网模块40信号的功能，采集本地电参量的功能，以及上述输出电压限值设置的逻辑处理功能。
为此，如图1中显示，模拟控制单元31包括逻辑控制与保护电路311、模拟采样电路313和驱动电路312。其中，在实现输出电压限制功能方面，模拟采样电路313可检测直流变换电路21的输出电压模拟量UA_o，并提供给逻辑控制与保护电路311；逻辑控制与保护电路311以控制输出电压模拟量UA_o不超出基准电压U_ref（即输出电压限值）为目的地生成PWM信号，经驱动电路312控制直流变换电路21的开关S1和开关S2的运行。数字控制单元32包括数字处理电路321和数字采样电路322。其中，数字处理电路321与物联网模块40连接，以获取安全广播心跳包；数字采样电路322与模拟采样电路313连接，模拟采样电路313还可获取直流变换电路21的输出电流模拟量IA_o。数字采样电路322获取模拟采样电路313的IA_o和UA_o，经模数转换为直流变换电路21的输出电流数字量ID_o和输出电压数字量UD_o，再计算为直流变换电路21的输出功率P_out。数字处理电路321根据P_out和安全广播心跳包，确定基准电压U_ref是设置为U_safe，还是设置为U_lim。
由此可见，本实施例的优化器20，由模拟控制单元31以模拟方式快速、高精度和稳定地实现输出电压的限制，由数字控制单元32以具备复杂逻辑、通讯功能的数字方式实现输出电压限值的设定，最终实现快速、安全及低成本地实现将输出电压快速控制在安全范围。
图2展示了根据本发明本实施例的一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置。其中，本地控制模块30包括根据本发明第三方面的一种ASIC集成控制芯片，以下简称芯片本体301。其中，本地控制模块30还包括模拟采样电路313、输出电压设定基准电阻R_set1、电流信号发生电路314和修调电路324。其中，芯片本体301包括模拟控制单元31和数字控制单元32。优化器20包括直流变换电路21、本地控制模块30和物联网模块40。其中，直流变换电路21为Buck降压电路。具体地，直流变换电路21包括：输入端V_i，用于耦合至光伏单元10；输出端V_o，用于耦合至光伏组串50；第一开关管M1，串联地耦合在输入端V_i和输出端V_o之间，由本地控制模块30的PWM_TG信号控制，起到直流变换的作用；电感L，起储能作用，串联地耦合在第一开关管M1和输出端V_o之间；第二开关管M2，并联地耦合在第一开关管M1和电感L之间，起到同步续流的作用。
具体地，模拟控制单元31包括逻辑控制与保护电路311和驱动电路312。模拟采样电路313包括Uis电压传感器、Iis电流传感器、Uos电压传感器和Ios电流传感器，并用于分别从直流变换电路21获取输入电压模拟量UA_i、输入电流模拟量IA_i、输出电压模拟量UA_o和输出电流模拟量IA_o。逻辑控制与保护电路311的输入端连接于模拟采样电路313，以获取UA_i、IA_i、UA_o及IA_o等模拟量，以通过模拟量生成PWM信号，并实现MPPT、输出电流一致性、输出电压限制等功能，以获取PWM信号。驱动电路312的输入端连接于逻辑控制与保护电路311，驱动电路312的输出端分别连接第一开关管M1和第二开关管M2，以根据PWM信号分别生成第一开关管M1和第二开关管M2的驱动信号PWM_TG和PWM_BG，以实现优化器的降压变换功能和同步续流功能。
具体地，数字控制单元32包括数字处理电路321、数字采样电路322、数字接口电路323和数据存储器325。数字采样电路322从模拟采样电路313中获取本地电参量的模拟量，并经模数转换为数字量，包括输出电压数字量UD_o和输出电流数字量ID_o。数据存储器325用于存储输出电压限值的设置逻辑，以及所述本地电参量预设的阈值。其中，输出电压限值的设置逻辑至少包括安全广播心跳包的是否异常检测和本地电参量是否超出阈值的判断。数字处理电路321通过数字接口电路323与物联网模块40连接，并借助物联网模块40与上位设备建立通讯以获取安全广播心跳包。数字处理电路321依照输出电压限值的设置逻辑，以根据当前安全广播心跳包和当前本地电参量的情况进行输出电压限值的设置。
为实现输出电压限制功能，具体地，输出电压设定基准电阻R_set1设置在电流信号发生电路314，输出电压设定基准电阻R_set1的输出端连接于逻辑控制与保护电路311，以提供基准电压U_ref。由输出电压设定基准电阻R_set1所提供基准电压U_ref，也即是输出电压正常限值U_lim。逻辑控制与保护电路311获取基准电压U_ref，并将U_ref与当前输出电压模拟量UA_o进行比较，并将比较的差值信号放大后调整脉宽调制信号，以使直流变换电路21的输出电压U_out不超出基准电压U_ref。修调电路324包括修调安全电压电阻R_set2和修调开关M_set。修调安全电压电阻R_set2与修调开关M_set串联连接后，再并联连接于输出电压设定基准电阻R_set1。数字处理电路321连接于修调开关M_set的控制端，并可控制修调开关M_set的导通与断开，使得输出电压限值在输出电压正常限值与安全电压值之间进行切换。
数字处理电路321所运行的输出电压限值的设置逻辑包括：当P_out≥P_set1时，数字处理电路321将不检测安全广播心跳包并断开修调开关M_set；当P_out＜P_set1时，数字处理电路321将进行安全广播心跳包的检测，若检测到安全广播心跳包正常时，数字处理电路321仍然断开修调开关M_set，若检测到安全广播心跳包异常时，数字处理电路321将合上修调开关M_set。当断开修改开关时，输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻R_set1共同确定，并且输出电压限值被设置在U_lim。当合上修调开关M_set时，输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻R_set1与并联修调安全电压电阻R_set2共同确定，并且输出电压限值被设置在U_safe。换言之，通过基准电流的调节，以及通过对输出电压设定基准电阻R_set1和安全电压电阻的阻值调节，可使输出电压正常值和安全电压值的具体值按照需求设置。
由此可见，本实施例的ASIC集成控制芯片由模拟控制单元31和数字控制单元32组成，模拟控制单元31利用模拟信号进行自动控制，实现输出电压限制、最大功率跟踪和串联电流一致性等功能，同时具有分辨率高且控制结构简单，可采用低成本芯片和周边器件等优势。数字控制单元32具备通信接口、数字逻辑运算、数据存储等功能，并且可通过修调电路324改变输出电压限值，实现安全电压功能。整体控制架构结构简单、运行可靠且成本低，综合上降低度电成本。
如图3所示，为由本实施例中优化器20所组成的一个光伏系统。该光伏系统包括至少一个光伏组串50，以及连接于光伏组串50输出端的逆变器60。其中，光伏组串50包括数量为n的光伏组件11，每个光伏组件11连接有优化器20，并由优化器20串接到光伏组串50中。逆变器60中配置有中央控制模块70。中央控制模块70连接有物联网网关71，并由供电电源72进行供电运行。为实现光伏组串50中每个光伏组件11对外输出电压的安全，本实施例中，中央控制模块70通过物联网网关71与各优化器20的物联网模块40建立通讯，并用于发送安全广播心跳包和停止发送安全广播心跳包。
本实施例具体地，中央控制模块70检测光伏组串50的串电流或串功率，且对应该串电流设置有串电流阈值，或者对应该串功率设置有串功率阈值。图中以串功率为例，在中央控制模块70运行时，关于发送和停止发送安全广播心跳包的逻辑有：当串功率P_bus大于串功率阈值P_set2，则中央控制模块70停止发送安全广播心跳包；当串功率P_bus小于或等于串功率阈值P_set2，则中央控制模块70发送发送安全广播心跳包。同时，供电电源72从逆变器60的输出侧获取电力，则逆变器60停机时，中央控制模块70及物联网网关71将同步地关断，则中央控制模块70停止发送安全广播心跳包。配合于本实施例的中央控制模块70，优化器20包括直流变换电路21、本地控制模块30和物联网模块40。本地模块模块包括模拟控制单元31和数字控制单元32。模拟控制单元31用于控制直流变换电路21的输出电压不超出输出电压限值，而数字控制单元32用于根据根据当前安全广播心跳包和当前本地电参量的情况，判断输出电压限值是设置在输出电压正常限值U_lim，还是设置在安全电压值U_safe。
本实施例的光伏系统在运行时的电压安全控制方法有：
在系统正常工作情况下，本地控制模块30检测到本地输出功率P_out大于或等于预设本地功率阈值P_set1时，将独立控制光伏组件11的优化器20以直流变换的方式优化光伏组件11的功率，而不响应中央控制模块70的安全广播心跳包。
在光伏系统的安装场所发生紧急事故的情况下，相关人员现场关断逆变器60并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关，逆变器60将停机并且光伏组串50的输出端将形成开路，本地输出功率P_out亦降低到预设本地功率阈值P_set1以下，同时中央控制模块70将因失电停机而停止发送安全广播心跳包，本地控制模块30检测到输出功率P_out小于本地功率阈值P_set1且检测到安全广播心跳包异常，将输出电压U_out限值设置为安全电压值U_safe，并使本地实际输出电压U_out小于等于安全电压值U_safe，使光伏组串50的串电压降低到安全范围。
在光伏系统的安装场所的紧急事故解除后的情况下，相关人员现场恢复逆变器60并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关的连通，逆变器60将恢复开机；中央控制器将获电启动，检测到串功率P_bus低于串功率阈值P_set2，并发送安全广播心跳包；本地输出功率P_out因安全电压值U_safe的限制而仍小于本地功率阈值P_set1，本地控制模块30检测到输出功率P_out小于本地功率阈值P_set1且检测到安全广播心跳包正常，将直流变换电路21的输出电压U_out限值设置为大于安全电压值U_safe的输出电压U_out正常限值，从而解除安全电压值U_safe的限制，使本地输出功率P_out恢复正常。
值得说明的是，本实施例一般地，串功率阈值P_set2是本地功率阈值P_set1的n倍。
如图4所示，为实施例的优化器20在运行时的输出伏瓦特征。当逆变器60停机，每个优化器20均可检测到输出功率P_out为零，即小于P_set1，可检测到安全广播心跳包为异常，优化器20将输出电压限值设置在U_safe，光伏组串50的串电压也在安全范围内。当逆变器60重启，每个优化器20均可检测到输出功率P_out不为零，但由于U_safe的限制，输出功率小于P_set1。由于逆变器60发送了安全广播心跳包，每个优化器可检测到安全广播心跳包为正常。因此，优化器20将输出电压限值从U_safe调整为U_lim。同时，由于U_lim为输出电压正常限值，优化器20可以进行MPPT工作，使光伏组件11的功率最大化。当MPPT工作而输出电压调节达到U_lim，优化器20将停止MPPT工作。
由此可见，本实施例能合理地应对各种场合的安全电压控制。在事故发生时，随着主动或被动的停机操作，每个优化器都能快速地将其输出电压限制在安全电压范围内，使光伏组串的输出电压也在安全范围内，从而保障光伏系统现场的人员安全。
如图5所示，在其他实施例中，本地控制模块30参考本地输出电流和电流阈值以设置输出电压限值。当逆变器60停机，每个优化器20均可检测输出电流I_out为零，即小于I_set，可检测到安全广播心跳包为异常，优化器20将输出电压限值设置在U_safe，光伏组串50的串电压也在安全范围内。当逆变器60重启，每个优化器20均可检测到输出电流不为零。但由于U_safe的限制，输出电流I_out小于电流阈值I_set。同时，因检测到安全广播心跳包为正常，优化器20将输出电压限值设置在U_lim。同时，由于U_lim为正常的输出电压限值，优化器20将进行MPPT工作，使光伏组件11的功率最大化。
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)

1.一种非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，该装置包括直流变换电路(21)、本地控制模块(30)和物联网模块(40)，所述直流变换电路(21)用于耦合于光伏单元(10)与光伏组串(50)之间，所述本地控制模块(30)控制连接于直流变换电路(21)，所述物联网模块(40)用于从上位设备获取安全广播心跳包并提供给本地控制模块(30)；其中，所述本地控制模块(30)用于检测直流变换电路(21)的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值，
当本地电参量大于或等于阈值时，所述本地控制模块(30)将直流变换电路(21)的输出电压限值设置为输出电压正常限值，
当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包正常时，所述本地控制模块(30)将直流变换电路(21)的输出电压限值仍然设置为输出电压正常限值，
只有当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包异常时，所述本地控制模块(30)将直流变换电路(21)的输出电压限值设置为安全电压值，
其中，所述输出电压正常限值大于所述安全电压值；
所述本地电参量为本地控制模块(30)用于检测直流变换电路(21)的本地的输出电流及输出电压，处理输出电流及输出电压获得输出功率作为电参量，所述阈值为本地输出功率的电参量预设有功率阈值；
所述本地控制模块(30)还用于控制直流变换电路(21)的输出电压不超出所设置的输出电压限值。
2.根据权利要求1所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，所述本地控制模块(30)包括模拟控制单元(31)与数字控制单元(32)；
所述模拟控制单元(31)用于根据直流变换电路(21)的本地电参量的模拟量生成控制直流变换电路(21)的脉宽调制信号，并且控制直流变换电路(21)的输出电压不超出所设置的输出电压限值；
所述数字控制单元(32)用于根据检测的本地数字参量与安全广播心跳包确定输出电压限值，并通过修调电路(324)修改模拟控制单元(31)的输出电压限值。
3.根据权利要求2所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，所述本地控制模块(30)还包括：
采样电路，用于检测直流变换电路(21)的输出电压、输出电流；
电流信号发生电路(313)，用于为模拟控制单元(31)提供设置输出电压限值的基准电流；
输出电压设定基准电阻，配置于电流信号发生电路(313)，用于产生输出电压限值并提供给模拟控制单元(31)；以及
修调电路(324)，包括修调安全电压电阻和修调开关，所述修调安全电压电阻借助修调开关连接于上述电流信号发生电路(313)；
所述修调安全电压电阻的阻值小于输出电压设定基准电阻的阻值；所述数字控制单元(32)控制修调开关的断开或导通，以使得所述输出电压限值在输出电压正常限值与安全电压值之间进行切换；
当断开修调开关时，所述输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻共同确定；
当合上修调开关时，所述输出电压限值由基准电流与输出电压设定基准电阻与并联修调安全电压电阻共同确定；
所述模拟控制单元(31)通过比较直流变换电路(21)的输出电压与输出电压限值，并将比较的差值信号放大后调整脉宽调制信号，以使直流变换电路(21)的输出电压不超出输出电压限值。
4.根据权利要求2所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，所述数字控制单元(32)包括：
数字采样电路(322)，用于获取直流变换电路(21)的本地电参量的模拟量并转换为本地电参量的数字量；
数据存储器(325)，用于存储关于该本地电参量而预设的阈值；
数字接口电路(323)，用于通过物联网模块(40)与上位设备建立通讯并获取安全广播心跳包；以及，
数字处理电路(321)，用于通过输出电流数字参量、输出电压数字参量的计算获得直流变化电路的输出功率值与阈值的比较，以及检测安全广播心跳包是否正常，生成用于改变模拟控制单元(31)的输出电压限值的修调指令。
5.根据权利要求2所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，所述模拟控制单元(31)还用于跟踪直流变换电路(21)所接光伏单元(10)的最大功率，以及控制直流变换电路(21)的输出电流一致于光伏组串(50)的串电流。
6.根据权利要求1所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其特征在于，该装置被配置为光伏功率优化器(20)，所述安全电压值小于等于1V；所述的本地控制模块(30)用于检测直流变换电路(21)的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值还包括：
所述本地控制模块(30)用于检测直流变换电路(21)的本地输出电流且关于本地输出电流预设有电流阈值。
7.一种ASIC集成控制芯片，用于权利要求1至6任一项所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，其包含芯片本体(301)，所述芯片本体(301)用于控制直流变换电路(21)，该直流变换电路(21)耦合于光伏单元(10)与光伏组串(50)之间，该芯片本体(301)可通过物联网模块(40)从上位设备获取安全广播心跳包，其特征在于，所述芯片本体(301)用于检测直流变换电路(21)的本地电参量且关于该本地电参量预设有阈值，
当本地电参量大于或等于阈值时，所述芯片本体(301)将直流变换电路(21)的输出电压限值设置为大于所述安全电压值的输出电压正常限值；
当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包正常时，所述芯片本体(301)将直流变换电路(21)的输出电压限值仍然设置为大于所述安全电压值的输出电压正常限值；
只有当本地电参量小于阈值且检测到安全广播心跳包异常时，所述芯片本体(301)将直流变换电路(21)的输出电压限值设置为安全电压值；
所述本地电参量为芯片本体(301)用于检测直流变换电路(21)的本地的输出电流及输出电压，处理输出电流及输出电压获得输出功率作为电参量，所述阈值为本地输出功率的电参量预设有功率阈值；
所述芯片本体(301)还用于控制直流变换电路(21)的输出电压不超出所设置的输出电压限值。
8.一种光伏系统，包括权利要求1至6任一项所述的非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置，以及配置于逆变器(60)或汇流箱的中央控制模块(70)；其中，所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置设置有若干个，每个所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置的输入端配置有光伏单元(10)，各个所述非看门狗式的自动控制电压安全的优化装置的输出端相互串联为光伏组串(50)，所述光伏组串(50)的输出端连接于逆变器(60)或汇流箱，其特征在于，所述中央控制模块(70)用于与各个物联网模块(40)建立通讯，并且用于发送安全广播心跳包和停止发送所述安全广播心跳包。
9.根据权利要求8所述的一种光伏系统，其特征在于，所述中央控制模块(70)用于检测所述光伏组串(50)的串功率或串电流且关于该串功率或串电流预设有阈值，当所述串功率或串电流大于或等于其预设阈值时，停止发送所述安全广播心跳包，而当所述串功率小于其预设阈值时，恢复发送所述安全广播心跳包。
10.一种用于控制权利要求8所述的光伏系统的安全电压控制方法，其特征在于，该安全电压控制方法包括：
在系统正常工作情况下，所述本地控制模块(30)检测到本地输出功率大于或等于预设本地功率阈值时，将独立控制光伏组件(11)的优化装置以直流变换的方式优化光伏组件(11)的功率，而不响应所述中央控制模块(70)的安全广播心跳包；
在所述光伏系统的安装场所发生紧急事故的情况下，相关人员现场关断逆变器(60)并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关，逆变器(60)将停机并且光伏组串(50)的输出端将形成开路，本地输出功率亦降低到预设本地功率阈值以下，同时所述中央控制模块(70)将因失电停机而停止发送安全广播心跳包，所述本地控制模块(30)检测到输出功率小于本地功率阈值且检测到安全广播心跳包异常，将输出电压限值设置为安全电压值，并使本地实际输出电压小于等于安全电压值，使光伏组串(50)的串电压降低到安全范围；其中，安全广播心跳包异常是指所述本地控制模块(30)在单位时间内检测到的安全广播心跳包未达到预定心跳次数；
在所述光伏系统的安装场所的紧急事故解除后的情况下，相关人员现场恢复逆变器(60)并网点的并网开关或住宅与电网的入户开关的连通，逆变器(60)将恢复开机；中央控制器将获电启动，检测到串功率低于串功率阈值，并发送安全广播心跳包；本地输出功率因安全电压值的限制而仍小于本地功率阈值，所述本地控制模块(30)检测到输出功率小于本地功率阈值且检测到安全广播心跳包正常，将直流变换电路(21)的输出电压限值设置为大于安全电压值的输出电压正常限值，从而解除安全电压值的限制，使本地输出功率恢复正常；其中，安全广播心跳包正常是指所述本地控制模块(30)在单位时间内检测到的安全广播心跳包达到预定心跳次数。
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