CN115663769A - 光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法，在光伏发电系统发生并联电弧故障时，故障点前级的功率优化器检测到故障，即将并联电弧故障点前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，以快速自动断开电弧故障前级的光伏组件，能够有效防止因并联电弧故障可能带来的火灾危害。在发生并联电弧故障时，首先自动快速断开故障的光伏组件，然后再定位故障点，改变了现有技术中先定位并联电弧故障点再执行故障排除的方案，提高了并联电弧故障排除的及时性，有利于降低火灾等危害发生的概率。另外，发生并联电弧故障时，仅隔断并联电弧故障区间，能够确保光伏发电系统仍能正常供电，提高了系统发电的可靠性。

Description

光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法

技术领域

本发明涉及光伏设备保护技术领域，具体涉及一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法。

背景技术

直流供电的光伏发电系统通常高达1000V甚至1500V的系统电压，若发生接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等现象，容易发生直流电弧故障（包括串联电弧和并联电弧），直流电弧故障可能引发火灾事故不仅会损坏光伏发电系统，同时还威胁到住宅建筑、工商业设施、公共设施等的安全。鉴于光伏发电系统直流电弧故障的危害性，政府要求直流电压高于80V的屋顶光伏发电系统必须配备串联直流电弧故障断路器，以在发生直流电弧时断开电路减少由于电弧故障引起的火灾危害。然而，光伏发电系统在产生串联电弧或并联电弧时电流通常达不到如直流电弧故障断路器等电弧保护装置的跳闸电流，因此电弧不能被及时熄灭。

串联电弧，又称拉弧，串联电弧通常由组件间电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或者逆变器的连接不牢靠等原因造成。并联电弧主要由线路破损引起的正负极性导体短接，或者光伏组串电缆之间短接引起的。当组串电缆被机械挤压或磨损时，在正负极之间，或者不同组串之间就会产生电弧放电，这就是并联电弧故障。还有一种情况也会导致并联电弧，当系统出现串联电弧没有及时处理时，串联电弧的热量烧坏电缆绝缘层，也会产生并联电弧。通过切断光伏发电系统直流母线或相应光伏组串可以熄灭串联故障电弧，然而却无法熄灭并联故障电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。

目前市场上很多组串式光伏逆变器供应厂家都推出了内置有AFCI（AFCI，Arc-Fault Circuit-Interrupter，电弧故障断路器）功能的光伏逆变器产品，内置AFCI电弧检测的光伏逆变器通过检测电弧噪声，来识别直流电弧故障，断开直流电路，消除电弧。AFCI即电弧故障断路器，它是通过识别电路中的电弧故障特征信号，在电弧故障发展成为火灾或电路出现短路之前断开电源电路的一种保护装置。值得注意的是，当前光伏逆变器的AFCI通常可以检测、熄灭的只是串联电弧，而并联电弧无法通过当前的AFCI功能进行检测与消除。虽然组件级快速关断技术能够断开光伏发电系统中每块组件之间的连接，从而消除光伏发电系统阵列中存在的直流高压与串、并联电弧故障，然而由于当前光伏逆变器的AFCI功能无法检测并联电弧，因此当前组件级快速关断技术亦无法快速实现并联电弧的消除，而并联电弧的破坏力往往是串联电弧的10倍及以上，安全隐患更大。

为了解决AFCI无法检测并联电弧的问题，公开号为CN102472789B的名称为“光伏系统中电弧的检测方法及其光电系统”的专利提供的方案中，通过数字低通滤波从直流通路中检测出电弧检测信号，并根据检测信号区分串联电弧和并联电弧。若检测到的为串联电弧，则改变光伏逆变器的工作状态到安全状态，光伏逆变器基本不再产生交流电，于是直流通路中流动的电流被阻断，从而将串联电弧熄灭。另一方面，若检测到的是并联电弧，则直流通路被一个开关短路，因此并联电弧电压基本变为零，从而将该电弧熄灭。然而该方法需要区分检测并联电弧与串联电弧，必须附加硬件部件，这会导致增加额外的成本，同时光伏发电系统正常运行状态下的各种噪声和干扰也会给检测带来影响，实验表明，光伏发电系统正常运行时直流回路中的各种噪声和干扰，足以造成故障电弧检测设备的误判和误动作，使得故障检测设备自身难以发挥正常作用，如若故障电弧检测设备无法保证电弧故障判断的准确性，特别是针对危害更大的并联电弧故障，若造成误判，将造成不必要的发电量损失，影响光伏电站收益，还可能引发火灾等严重后果。

因此综上，当前急需一套针对光伏发电系统的直流并联电弧保护及定位系统，特别针对并联电弧故障，降低并联电弧故障误判率，并实现并联电弧的快速切断以及对并联电弧发生位置的快速定位，以在确保光伏发电安全的前提下，在发生并联电弧后能够快速恢复光伏发电系统的运行。

发明内容

本发明以在发生并联电弧故障时能够快速实现对并联电弧的切断，以及快速定位到并联电弧发生的位置为目的，提供了一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位方法，包括步骤：

S1，光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，所述功率优化器对应的子控制模块控制故障点位的功率优化器从MPPT工作模式切换为安全工作模式，并将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给中央控制模块；

S2，所述中央控制模块解析出所述运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位。

本发明还提供了一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，可实现所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位方法，所述系统包括用于在检测到光伏发电系统的电流检测点位发生并联电弧故障时，对应控制故障点位的前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式的若干个子控制模块以及与各所述子控制模块通信连接的中央控制模块，所述子控制模块执行安全工作模式切换的控制动作后将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给所述中央控制模块，所述中央控制模块解析出所述运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位。

作为优选，所述子控制模块控制所述故障点位的前级的所述功率优化器切换为安全工作模式的方法为：

光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，安全工作模式下，所述功率优化器的子控制模块驱动所述功率优化器中的第一开关关断，并驱动第二开关导通，以控制所述功率优化器接入的光伏发电单元停止输出光伏功率，从而实现将所述功率优化器的运行状态切换到安全工作模式下，

所述功率优化器包括所述子控制模块、所述第一开关、所述第二开关、输入电容Cin、输出电容Cout和储能电感L；所述第一开关的栅极连接所述子控制模块的HD-driver管脚；所述第二开关的栅极连接所述子控制模块的LD-driver管脚；所述储能电感L的一端连接所述第一开关的源极，另一端连接所述输出电容Cout的一端，所述输出电容Cout的另一端连接至所述第二开关的源极；所述输入电容Cin并接在所述光伏发电单元的正输出端和负输出端之间。

作为优选，所述子控制模块为双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片，芯片内部包括最大功率跟踪电路、基准电压产生电路、模式控制电路、驱动控制电路、通讯接口电路和芯片内部供电电路，

所述最大功率跟踪电路包括电压电流检测单元、乘法器与最大功率跟踪处理单元，所述电压电流检测单元用于采集接入的所述光伏发电单元的输出电压和输出电流；

所述乘法器用于将所述电压电流检测单元采集到的所述输出电压和所述输出电流相乘，得到所述光伏发电单元的输出功率；

所述最大功率跟踪处理单元的输入端连接所述乘法器的输出端，用于跟踪所述光伏发电单元的最大功率点；

所述基准电压产生电路用于利用所述芯片内部供电电路的供电向所述最大功率跟踪电路提供用于确定占空比信号的基准电压以及向所述模式控制电路提供用于模式控制的基准电压，所述功率优化器运行在MPPT工作模式下时，所述子控制模块根据所述占空比信号控制所述第一开关、所述第二开关的通断，以实现对接入的所述光伏发电单元的最大功率跟踪；

所述模式控制电路的信号输出端连接所述双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片的Mode管脚，芯片外围的低电压保护及安全修调电路的第一信号输入端连接所述Mode管脚，第二信号输入端连接芯片的VDD管脚，信号输出端连接安全修调控制模块，当所述功率优化器的输出电压低于所述基准电压达到第一阈值时，所述子控制模块控制所述功率优化器运行在安全工作模式下，当所述功率优化器的输出电压高于所述基准电压达到第二阈值时，所述子控制模块控制所述功率优化器运行在MPPT工作模式；

所述驱动控制电路包括逻辑控制单元、第一驱动单元和第二驱动单元，所述逻辑控制单元的第一输入端连接所述模式控制电路的信号输出端，第二输入端连接所述最大功率跟踪处理单元的信号输出端，第一输出端和第二输出端分别连接所述第一驱动单元、第二驱动单元的信号输入端，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的信号输出端分别连接所述子控制模块的HD-driver管脚和LD-driver管脚，所述驱动控制电路用于根据预设的控制逻辑控制所述第一开关、所述第二开关的通断；

所述通讯接口电路用于提供外部设备连接所述子控制模块的通讯接口。

作为优选，所述低电压保护及安全修调电路包括调修开关件、电阻R1、电阻R2、二极管VD、电容Cx和所述安全修调控制模块，所述调修开关件为常闭的PMOS管，所述PMOS管的源极和漏极之间连接有一正向的体二极管，所述调修开关件的源极接地，漏极串接电阻R1后连接至芯片的所述Mode管脚，栅极连接所述安全修调控制模块的信号输入端；所述电阻R2的一端连接芯片的VDD管脚，另一端连接所述PMOS管的漏极且连接所述电容Cx后接地；所述二极管VD的正极连接所述PMOS管的漏极，负极连接芯片的V0管脚；

所述安全修调控制模块通过辅助电源从所述光伏发电单元中取电以获得工作电压，所述安全修调控制模块用于检测所述中央控制模块发生的心跳包通信信号是否正常，若正常，则生成修调指令以控制断开所述调修开关件并维持其处于断开状态直至判定所述心跳包通信信号异常。

作为优选，所述中央控制模块包括通讯模块和决策模块，所述通讯模块用于与布设在对应电流检测点位的各所述子控制模块建立通讯连接，以接收各所述子控制模块发送的对应的所述功率优化器的所述运行模式信息，还用于向对应的所述子控制模块发送心跳包通信信号；

所述决策模块通信连接所述通讯模块，用于根据接收到的所述运行模式信息判断所述光伏发电系统是否发生直流并联电弧故障以及对故障点位进行定位，并用于决策是否向对应的子控制模块发送所述心跳包通信信号。

作为优选，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，在每个所述光伏组串连接所述直流母线的路径中设置有智能隔离装置，每个所述智能隔离装置与所述中央控制模块通信连接，所述智能隔离装置用于监测对应的所述光伏组串的输出电流并发送给所述中央控制模块，所述中央控制模块根据所述对发生电弧故障点的光伏组串定位，生成开关控制信号发送给对应的所述智能隔离装置，所述智能隔离装置接收到所述开关控制信号后控制断开对应的所述发生电弧故障的光伏组串与所述直流母线的连接；故障解除后再恢复。

作为优选，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，每个所述光伏组串的输出端连接一正向的防逆流二极管后连接至所述光伏逆变器的所述直流母线上。

作为优选，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端分别通过BOOST升压电路后并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，每个所述光伏组串的输出端连接一所述BOOST升压电路的隔离装置后连接至所述光伏逆变器的所述直流母线上。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统针对光伏发电系统发生的并联电弧故障无需昂贵的电弧故障检测装置进行检测，光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判断电路发生并联电弧（电路短路）故障，所述功率优化器对应的子控制模块控制故障点位的前级功率优化器从MPPT工作模式切换为安全工作模式，以快速断开故障的光伏组件，以上过程由功率优化器的子控制模块自发控制，更为高效，更为安全，能够有效防止因并联电弧故障可能带来的火灾危害。

2、在判定疑似发生并联电弧时，本发明首先将电流异常点位前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，以快速断开故障的光伏组件，然后再定位故障点，改变了如公开号CN102472789B中先定位并联电弧故障点再执行故障排除的方案，提高了并联电弧故障排除的及时性，有利于降低火灾等危害发生的概率。

3、通过功率优化的安全工作模式断开并联电弧故障隐患的光伏组串后，光伏发电系统仍能正常供电。本发明能够在直流电弧故障排除前，在确保光伏发电系统运行安全的前提下，仅隔断并联电弧故障区间，将故障点前级的光伏发电单元的电压降低到不危害人身安全的安全电压以下，大大提高了光伏发电系统的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅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是功率优化器的内部结构示意图；

图2是子控制模块的内部电路结构示意图；

图3是在光伏组串连接光伏逆变器的直流母线的路径上设置智能隔离装置的示意图；

图4是在光伏组串连接光伏逆变器的直流母线的路径上设置防逆流二极管的示意图；

图5是实施例1提供的光伏发电系统的概略架构的电路图；

图6(a)是实施例1提供的光伏发电系统产生并联电弧时的状态概略图；

图6(b)是针对图6(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图7(a)是实施例1提供的组串智能隔离装置后的光伏组串内部阵列内的光伏组串内并联电弧的状态概略图；

图7(b)是针对图7(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图8(a)是实施例1提供的光伏组串的组件阵列外在组串智能隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图；

图8(b)是针对图8(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图9是实施例2提供的光伏发电系统的概略架构的电路图；

图10是实施例2提供的光伏发电系统产生并联电弧的状态概略图；

图11(a)是实施例2提供的组串防逆流二极管隔离装置后的母线上产生的并联电弧的状态概略图；

图11(b)是针对图11(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图12(a)是实施例2提供的光伏组串的组件阵列外在防逆流二极管隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图；

图12(b)是针对图12(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图13(a)是实施例2提供的光伏组串的组件阵列外在组串防逆流二极管隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图；

图13(b)是针对图13(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图14是实施例3提供的光伏发电系统的概略结构的电路图；

图15是实施例3提供的光伏发电系统产生并联电弧时的状态概略图；

图16(a)是实施例3提供的组串BOOST升压电路隔离装置后的母线上产生的并联电弧的状态概略图；

图16(b)是针对图16(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图17(a)是实施例3提供的光伏组串的组件阵列外在BOOST升压电路隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图；

图17(b)是针对图17(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图；

图18(a)是实施例3提供的组件阵列的组串内的并联电弧的状态概略图；

图18(b)是针对图18(a)的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，包括用于在检测到光伏发电系统的电流检测点位1发生并联电弧故障时（电流检测点位发生如电流值变化时判定疑似出现并联电弧故障），对应控制故障点位的前级的功率优化器2从MPPT（最大功率点跟踪）工作模式切换到安全工作模式的若干个子控制模块（图1中的附图标记“10”表示）以及与各子控制模块10通信连接的中央控制模块3，子控制模块10执行安全工作模式切换的控制动作后将对应控制的功率优化器2的运行模式信息发送给中央控制模块3，中央控制模块3解析出运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的功率优化器2的所处位置实现对故障点位的定位。

子控制模块10控制故障点位的前级的功率优化器2切换为安全工作模式的方法如图1所示：

光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，安全工作模式下，功率优化器的子控制模块驱动功率优化器2中的第一开关20关断，并驱动第二开关30导通，以控制功率优化器2所接入的光伏发电单元4停止输出光伏功率，从而实现将功率优化器2的运行状态从MPPT工作模式切换到安全工作模式下，

功率优化器2则包括图1中所示的子控制模块10、第一开关20、第二开关30、输入电容Cin、输出电容Cout和储能电感L，第一开关20和第二开关30均为在源极和漏极之间并联有体二极管的NMOS管，第一开关20的漏极连接光伏发电单元4的正输出端，源极连接第二开关30的漏极，第二开关30的源极则连接光伏发电单元的负输出端；第一开关20的栅极连接子控制模块的HD-driver管脚；第二开关30的栅极连接子控制模块的LD-driver管脚；储能电感L的一端连接第一开关20的源极，另一端连接输出电容Cout的一端，输出电容Cout的另一端连接至第二开关30的源极；输入电容Cin并接在光伏发电单元的正输出端和负输出端之间。

子控制模块10为图1中所示的具有双工作模式BUCK型功率优化功能的ASIC芯片，芯片内部如图2所示，包括最大功率跟踪电路、基准电压产生电路、模式控制电路、驱动控制电路、通讯接口电路和芯片内部供电电路，

最大功率跟踪电路包括电压电流检测单元、乘法器与最大功率跟踪处理单元，电压电流检测单元用于采集接入的光伏发电单元的输出电压和输出电流；

乘法器用于将电压电流检测单元采集到的输出电压和输出电流相乘，得到光伏发电单元的输出功率；

最大功率跟踪处理单元的输入端连接乘法器的输出端，用于跟踪光伏发电单元的最大功率点；

基准电压产生电路用于利用芯片内部供电电路的供电向最大功率跟踪电路提供用于确定占空比信号的基准电压以及向模式控制电路提供用于模式控制的基准电压，功率优化器运行在MPPT工作模式下时，子控制模块根据占空比信号控制第一开关20、第二开关30的通断，以实现对接入的光伏发电单元的最大功率跟踪；

模式控制电路的信号输出端连接双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片的Mode管脚，芯片外围的低电压保护及安全修调电路100的第一信号输入端101连接Mode管脚，第二信号输入端102连接芯片的VDD管脚，信号输出端连接安全修调控制模块，当功率优化器的输出电压低于基准电压达到第一阈值时，子控制模块控制功率优化器运行在安全工作模式下，当功率优化器的输出电压高于基准电压达到第二阈值时，子控制模块控制功率优化器运行在MPPT工作模式；

驱动控制电路包括逻辑控制单元、第一驱动单元和第二驱动单元，逻辑控制单元的第一输入端连接模式控制电路的信号输出端，第二输入端连接最大功率跟踪处理单元的信号输出端，第一输出端和第二输出端分别连接第一驱动单元、第二驱动单元的信号输入端，第一驱动单元和第二驱动单元的信号输出端分别连接子控制模块的HD-driver管脚和LD-driver管脚，驱动控制电路用于根据预设的控制逻辑控制第一开关20、第二开关30的通断；

通讯接口电路用于提供外部设备连接子控制模块的通讯接口。

请继续参照图2，低电压保护及安全修调电路100包括调修开关件103、电阻R1、R2、二极管VD、电容Cx和安全修调控制模块，调修开关件103为常闭的PMOS管，PMOS管的源极和漏极之间连接有一正向的体二极管，调修开关件103的源极接地，漏极串接电阻R1后连接至芯片的Mode管脚，栅极连接安全修调控制模块的信号输入端；电阻R2的一端连接芯片的VDD管脚，另一端连接PMOS管的漏极且连接电容Cx后接地；二极管VD的正极连接PMOS管的漏极，负极连接芯片的V0管脚；

安全修调控制模块通过辅助电源从光伏发电单元中取电以获得工作电压，安全修调控制模块用于检测中央控制模块发生的心跳包通信信号是否正常，若正常，则生成修调指令以控制断开调修开关件103并维持其处于断开状态直至判定心跳包通信信号异常。

中央控制模块3则包括通讯模块和决策模块，通讯模块用于与布设在对应电流检测点位的各子控制模块建立通讯连接，以接收各子控制模块发送的对应的功率优化器的运行模式信息，还用于向对应的子控制模块发送心跳包通信信号；

决策模块通信连接通讯模块，用于根据接收到的运行模式信息判断光伏发电系统是否发生直流并联电弧故障以及对故障点位进行定位，并用于决策是否向对应的子控制模块发送心跳包通信信号。

接下来以带光伏组串智能隔离装置的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法对本实施例进一步说明。

本实施例中，在每个光伏组串接入光伏逆变器的直流母线的路径中，设置了智能隔离装置。具体而言，如图3所示，以如图1接入光伏发电单元后的功率优化器为一个单元，若干个单元相互间串联构成图3中所示的光伏组串，若干个光伏组串的输出端并联连接于光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，在每个光伏组串连接直流母线的路径中设置有智能隔离装置5，每个智能隔离装置5与中央控制模块通信连接，智能隔离装置5用于监测对应的光伏组串的输出电流并发送给中央控制模块，中央控制模块根据发生电弧故障点的光伏组串定位，生成开关控制信号发送给对应的智能隔离装置，智能隔离装置接收到开关控制信号后控制断开对应的发生电弧故障的光伏组串与直流母线的连接；故障解除后再恢复。

图5中显示了本实施例中可能产生并联电弧的位置，包括组串智能隔离装置后的母线上产生的并联电弧、光伏组串的组件阵列外在组串智能隔离装置前的组串内的并联电弧、光伏组串内部阵列内的光伏组串内并联电弧。

如图6（a）、6（b）所示，其中11点是光伏组串的最大工作点，10点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串输出电压，此时电压值为10V-20V的电弧电压值。

参考图7（a）、7（b）， 图7（a）为本实施例组串智能隔离装置后的光伏组串内部阵列内的光伏组串内并联电弧的状态概略图，图7（b）为本实施例系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图，其中11点是光伏组串的最大工作点，12点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串的工作点，其输出电压其他未发生并联电弧的光伏组串的在其他组串发生并联电弧后的最大工作点的电压的逆电压值；13点是未发生上述位置的并联电弧后的光伏组串的工作点，其输出电压为光伏组串在发生逆电流后的最大工作点的电压值。

图8（a）为本实施例光伏组串的组件阵列外在组串智能隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图，图8（b）为其系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图，其中11点是光伏组串的最大工作点，13点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串的工作输出点，此时上述组串输出电压值为10V-20V的电弧电压值；10点是未发生发生上述位置的并联电弧后的并联的其他光伏组串工作输出点，此时上述组串输出电压值为10V-20V的电弧电压值的负值。

实施例2

本实施例与上述实施例1基本相同，区别在于：在每个光伏组串接入光伏逆变器的直流母线的路径中，设置了防逆流二极管的隔离装置（图9）。

图10中，显示了可能产生并联电弧的位置，包括组串防逆流二极管的隔离装置后的母线上产生的并联电弧、光伏组串的组件阵列外在组串防逆流二极管的隔离装置前的组串内的并联电弧、光伏组串内部阵列内的光伏组串内并联电弧。

图11(a)为本实施例的光伏组串的组件阵列外在防逆流二极管隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图，图11(b)为本实施例提供的系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图，其中11点是光伏组串的最大工作点，10点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串输出电压，此时电压值为10V-20V的电弧电压值。

图12(a)为光伏组串的组件阵列外在防逆流二极管隔离装置前的组串内的并联电弧的状态概略图，图12(b)为系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图，其中11点是光伏组串的最大工作点，15点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串的工作输出点，此时上述组串输出电压值为10V-20V的电弧电压值；未发生上述位置的并联电弧后的并联的其他光伏组串工作点仍然是在光伏组串最大工作点11，其仍然运行在最大工作功率。

如图13(b)所示，其中11点是光伏组串的最大工作点，15点是发生上述位置的并联电弧后的所有光伏组串的输出最大功率的工作输出点。

实施例3

本实施例与上述实施例1基本相同，区别在于：在每个光伏组串接入光伏逆变器的直流母线的路径中，设置了BOOST升压电路的隔离装置（图14）。

图15为本实施例中光伏发电系统产生并联电弧时状态概略图，其显示了在本实施例中可能产生并联电弧的位置，包括组串BOOST升压电路的隔离装置后的母线上产生的并联电弧、光伏组串的组件阵列外在组串BOOST升压电路的隔离装置前的组串内的并联电弧、光伏组串内部阵列内的光伏组串内并联电弧。

如图16(b)所示，其中11点是光伏组串的最大工作点，15点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串输出电压，此时电压值为10V-20V的电弧电压值；

图17(b)中，其中11点是光伏组串的最大工作点，15点是发生上述位置的并联电弧后的光伏组串的工作输出点，此时上述组串输出电压值为10V-20V的电弧电压值；未发生发生上述位置的并联电弧后的并联的其他光伏组串工作点仍然是在光伏组串最大工作点11，其仍然运行在最大工作功率。

图18(a)为本实施例光伏组串的组件阵列的组串内的并联电弧的状态概略图，图18(b)为其系统在产生并联电弧前后的每个光伏组串输出电压变化的I-V曲线图，其中11点是光伏组串的最大工作点，未发生发生上述位置的并联电弧后的并联的其他光伏组串工作点仍然是在光伏组串最大工作点11，其仍然运行在最大工作功率；发生组件阵列的组串内的并联电弧的光伏组串的通过BOOST电路升压与最大功率跟踪，其BOOST电路的输出电压与其他未发生发生上述位置的并联电弧后的并联的其他光伏组串的输出电压一致，而该光伏组串在BOOST升压电路前的工作点移动到15点。

针对本发明上述三种实施例，还提供一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位方法，包括步骤：

S1，光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，所述功率优化器对应的子控制模块控制故障点位的前级功率优化器从MPPT工作模式切换为安全工作模式，并将对应控制的功率优化器的运行模式信息发送给中央控制模块；

S2，中央控制模块解析出运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的功率优化器的所处位置实现对故障点位的定位。

综上，本发明提供的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统针对光伏发电系统发生的并联电弧故障无需昂贵的电弧故障检测装置进行检测，只要检测到光伏发电系统输出电流的异常现象符合并联电弧特征时，即将电流异常点位前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，以快速断开故障的光伏组件，能够有效防止因并联电弧故障可能带来的火灾危害。在判定疑似发生并联电弧时，本发明首先将电流异常点位前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，以快速断开故障的光伏组件，然后再定位故障点，改变了如公开号CN102472789B中先定位并联电弧故障点再执行故障排除的方案，提高了并联电弧故障排除的及时性，有利于降低火灾等危害发生的概率。旁路去掉有并联电弧故障隐患的光伏组串后，光伏发电系统仍能正常供电。本发明能够在直流电弧故障排除前，在确保光伏发电系统运行安全的前提下，仅隔断并联电弧故障区间，将故障点前级的光伏发电单元的电压降低到不危害人身安全的安全电压以下，大大提高了光伏发电系统的安全性和可靠性。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (9)

1.一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位方法，其特征在于，包括步骤：

S1，光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，所述功率优化器对应的子控制模块控制故障点位的功率优化器从MPPT工作模式切换为安全工作模式，以自动快速断开电弧故障前级的光伏组件，并将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给中央控制模块；

S2，所述中央控制模块解析出所述运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位。

2.一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，可实现如权利要求1所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位方法，其特征在于，所述系统包括用于在检测到光伏发电系统的电流检测点位发生并联电弧故障时，对应控制故障点位的前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式的若干个子控制模块以及与各所述子控制模块通信连接的中央控制模块，所述子控制模块执行安全工作模式切换的控制动作后将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给所述中央控制模块，所述中央控制模块解析出所述运行模式信息中携带的处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位。

3.根据权利要求2所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述子控制模块控制所述故障点位的前级的所述功率优化器切换为安全工作模式的方法为：

光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于一定阈值时，判定电路发生并联电弧故障，安全工作模式下，所述功率优化器的子控制模块驱动所述功率优化器中的第一开关（20）关断，并驱动第二开关（30）导通，以控制所述功率优化器接入的光伏发电单元停止输出光伏功率，从而实现将所述功率优化器的运行状态切换到安全工作模式下；

所述功率优化器包括所述子控制模块（10）、所述第一开关（20）、所述第二开关（30）、输入电容Cin、输出电容Cout和储能电感L；所述第一开关（20）的栅极连接所述子控制模块的HD-driver管脚；所述第二开关（30）的栅极连接所述子控制模块的LD-driver管脚；所述储能电感L的一端连接所述第一开关（20）的源极，另一端连接所述输出电容Cout的一端，所述输出电容Cout的另一端连接至所述第二开关（30）的源极；所述输入电容Cin并接在所述光伏发电单元的正输出端和负输出端之间。

4.根据权利要求3所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述子控制模块为双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片，芯片内部包括最大功率跟踪电路、基准电压产生电路、模式控制电路、驱动控制电路、通讯接口电路和芯片内部供电电路；

所述最大功率跟踪电路包括电压电流检测单元、乘法器与最大功率跟踪处理单元，所述电压电流检测单元用于采集接入的所述光伏发电单元的输出电压和输出电流；

所述乘法器用于将所述电压电流检测单元采集到的所述输出电压和所述输出电流相乘，得到所述光伏发电单元的输出功率；

所述最大功率跟踪处理单元的输入端连接所述乘法器的输出端，用于跟踪所述光伏发电单元的最大功率点；

所述基准电压产生电路用于利用所述芯片内部供电电路的供电向所述最大功率跟踪电路提供用于确定占空比信号的基准电压以及向所述模式控制电路提供用于模式控制的基准电压，所述功率优化器运行在MPPT工作模式下时，所述子控制模块根据所述占空比信号控制所述第一开关（20）、所述第二开关（30）的通断，以实现对接入的所述光伏发电单元的最大功率跟踪；

所述模式控制电路的信号输出端连接所述双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片的Mode管脚，芯片外围的低电压保护及安全修调电路（100）的第一信号输入端（101）连接所述Mode管脚，第二信号输入端（102）连接芯片的VDD管脚，信号输出端连接安全修调控制模块，当所述功率优化器的输出电压低于所述基准电压达到第一阈值时，所述子控制模块控制所述功率优化器运行在安全工作模式下，当所述功率优化器的输出电压高于所述基准电压达到第二阈值时，所述子控制模块控制所述功率优化器运行在MPPT工作模式；

所述驱动控制电路包括逻辑控制单元、第一驱动单元和第二驱动单元，所述逻辑控制单元的第一输入端连接所述模式控制电路的信号输出端，第二输入端连接所述最大功率跟踪处理单元的信号输出端，第一输出端和第二输出端分别连接所述第一驱动单元、第二驱动单元的信号输入端，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的信号输出端分别连接所述子控制模块的HD-driver管脚和LD-driver管脚，所述驱动控制电路用于根据预设的控制逻辑控制所述第一开关（20）、所述第二开关（30）的通断；

所述通讯接口电路用于提供外部设备连接所述子控制模块的通讯接口。

5.根据权利要求4所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述低电压保护及安全修调电路（100）包括调修开关件（103）、电阻R1、电阻R2、二极管VD、电容Cx和所述安全修调控制模块，所述调修开关件（103）为常闭的PMOS管，所述PMOS管的源极和漏极之间连接有一正向的体二极管，所述调修开关件（103）的源极接地，漏极串接电阻R1后连接至芯片的所述Mode管脚，栅极连接所述安全修调控制模块的信号输入端；所述电阻R2的一端连接芯片的VDD管脚，另一端连接所述PMOS管的漏极且连接所述电容Cx后接地；所述二极管VD的正极连接所述PMOS管的漏极，负极连接芯片的V0管脚；

所述安全修调控制模块通过辅助电源从所述光伏发电单元中取电以获得工作电压，所述安全修调控制模块用于检测所述中央控制模块发生的心跳包通信信号是否正常，若正常，则生成修调指令以控制断开所述调修开关件（103）并维持其处于断开状态直至判定所述心跳包通信信号异常。

6.根据权利要求3所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述中央控制模块包括通讯模块和决策模块，所述通讯模块用于与布设在对应电流检测点位的各所述子控制模块建立通讯连接，以接收各所述子控制模块发送的对应的所述功率优化器的所述运行模式信息，还用于向对应的所述子控制模块发送心跳包通信信号；

所述决策模块通信连接所述通讯模块，用于根据接收到的所述运行模式信息判断所述光伏发电系统是否发生直流并联电弧故障以及对故障点位进行定位，并用于决策是否向对应的子控制模块发送所述心跳包通信信号。

7.根据权利要求3-6任意一项所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，在每个所述光伏组串连接所述直流母线的路径中设置有智能隔离装置，每个所述智能隔离装置与所述中央控制模块通信连接，所述智能隔离装置用于监测对应的所述光伏组串的输出电流并发送给所述中央控制模块，所述中央控制模块根据发生电弧故障点的光伏组串定位，生成开关控制信号发送给对应的所述智能隔离装置，所述智能隔离装置接收到所述开关控制信号后控制断开对应的所述发生电弧故障的光伏组串与所述直流母线的连接；故障解除后再恢复。

8.根据权利要求3-6任意一项所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，每个所述光伏组串的输出端连接一正向的防逆流二极管后连接至所述光伏逆变器的所述直流母线上。

9.根据权利要求3-6任意一项所述的光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，若干个所述光伏组串的输出端分别通过BOOST升压电路后并联连接于光伏逆变器的直流母线上，所述光伏逆变器的交流侧并至电网后构成光伏发电系统，每个所述光伏组串的输出端连接一所述BOOST升压电路的隔离装置后连接至所述光伏逆变器的所述直流母线上。

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