CN117136482A - 一种光伏发电系统 - Google Patents

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CN117136482A CN202180097154.5A CN202180097154A CN117136482A CN 117136482 A CN117136482 A CN 117136482A CN 202180097154 A CN202180097154 A CN 202180097154A CN 117136482 A CN117136482 A CN 117136482A
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Abstract

本申请实施例提供了一种光伏发电系统，该系统包括：单级逆变器、防反灌电路和光伏组串和耦合电容；其中，防反灌电路连接于单级逆变器的一个输入端，光伏组串的一个输出端连接于单级逆变器的另一个输入端，光伏组串的另一个输出端连接于防反灌电路；光伏组串中包括降压优化器及光伏电池板。防反灌电路用于防止反灌电流倒灌至光伏组串；耦合电容并联至防反灌电路的两端，用于在光伏组串中的各降压优化器与单级逆变器之间传输信号，以在防反灌电路失效的情况下，控制反灌电流的倒灌。基于此，通过单级逆变器降低母线电压以减小反灌电流，从而减少因反灌电流对光伏电池板的损坏，且通过采用降压优化器和单级逆变器构成光伏发电系统，结构简单。

Description

一种光伏发电系统 技术领域
本申请涉及光伏发电领域，更为具体地，涉及一种光伏发电系统。
背景技术
随着科技的不断发展，光伏发电系统也得到了快速的发展。尤其随着光伏电池板的成本的降低，出现了越来越多的并网光伏发电系统。目前的光伏发电系统中通常采用升压电路、降压电路和直流(digital current，DC)/交流(alternating current，AC)逆变电路，对光伏发电池板输出的电压进行调整和控制。
然而，在有些情况下，可能出现电流反灌，进而损坏光伏电池板。如何抑制反灌电流的倒灌，从而实现对光伏电池板的有效保护，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种光伏发电系统，以期实现对光伏电池板的有效保护，延长光伏电池板的使用寿命。
第一方面，本申请公开了一种光伏发电系统，包括：单级逆变器、至少一个防反灌电路和至少一个光伏组串和耦合电容；其中，所述至少一个防反灌电路中的每个防反灌电路连接于所述单级逆变器的一个输入端，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的一个输出端连接于所述单级逆变器的另一个输入端，每个光伏组串的另一个输出端连接于一个防反灌电路；其中，每个光伏组串包括多个光伏组串单元，所述多个光伏组串单元中的每个光伏组串单元包括：降压优化器和并联至所述降压优化器的一个或多个光伏电池板，所述降压优化器用于对所连接的所述一个或多个光伏电池板的输出电压进行降压处理；所述单级逆变器连接于所述电网，用于将来自所述光伏组串的直流电压转换为交流电压，并将所述交流电压输送至所述电网；所述防反灌电路用于防止反灌电流倒灌至所述至少一个光伏组串中的一个或多个；所述反灌电流包括：母线电压大于所述至少一个光伏组串的开路电压的情况下而产生的电流，和/或，在所述光伏发电系统包括多个光伏组串的情况下，所述多个光伏组串的开路电压不同而产生的电流；所述耦合电容并联至所述防反灌电路的两端，用于在所述至少一个光伏组串中的各降压优化器与所述单级逆变器之间传输信号，以在所述防反灌电路失效的情况下，控制所述反灌电流的倒灌。
基于上述设计，采用降压优化器和单级逆变器的以及防反灌电路构成的光伏发电系统，结构较现有技术中采用升降压优化器和单级逆变器，或者降压优化器和双级逆变器的结构的光伏发电系统，少了一级DC/DC转换器，结构简单，成本较低。并且，由于防反灌电路具有一定的失效概率，耦合电容在防反灌电路失效的情况下，用于在降压优化器与单级逆变器之间传输信号，控制反灌电流倒灌，从而使反灌电流减小或者消失，从而形成 对光伏组串的双重保护，大大提高了功率控制的可靠性。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述多个光伏组串中的第一光伏组串的第一降压优化器用于在检测到大于或等于第一预设门限的反灌电流时，向所述单级逆变器发送第一电力线载波通信(power line communication，PLC)信号，所述第一PLC信号中携带反灌电流的值，所述第一光伏组串为所述至少一个光伏组串中的一个或者多个光伏组串，所述第一降压优化器为所述第一光伏组串中的任意一个降压优化器；所述单级逆变器还用于在接收到所述第一PLC信号的情况下，降低母线电压。
基于上述设计，由于防反灌电路具有一定的失效概率，通过降压优化器来检测反灌电流，在防反灌电路失效时，向单级逆变器发送PLC信号，以触发单级逆变器降低母线电压，从而使反灌电流减小或者消失，从而形成对光伏组串的双重保护，大大提高了功率控制的可靠性。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述单级逆变器还用于，在所述母线电压降低至第二预设门限，但所述反灌电流仍大于或等于所述第一预设门限时，关闭所述单级逆变器。
基于上述设计，在单级逆变器无法降低母线电压进而使反灌电流小于第一预设门限的情况下，可以使自己关机，从而使反灌电流消失，保护光伏电池板不因反灌电流而损坏。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述光伏发电系统还包括第二光伏组串，所述单级逆变器还用于，在关闭所述单级逆变器之前，在所述母线电压降低至第二预设门限，但所述反灌电流仍大于或等于所述第一预设门限时，向所述第二光伏组串中的降压优化器发送第二PLC信号，所述第二PLC信号中携带降低输出电压的指令；所述第二光伏组串中的第二降压优化器用于在接收到所述第二PLC信号的情况下，降低输出电压，或，关闭所述第二降压优化器，所述第二降压优化器是所述第二光伏组串中的任意一个降压优化器。
基于上述设计，在单级逆变器降低母线电压或者关机的情况下，反灌电流仍大于或等于第一预设门限，且光伏系统中存在两个或者两个以上的光伏组串时，单级逆变器可以通过向其他光伏组串的优化器发出PLC信号，控制其他光伏组串的优化器降低输出电压或者使自己处于关机状态，从而使反灌电流小于第一预设门限，进而保护光伏组件不因反灌电流而损坏。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述传输通路包括并联至所述防反灌电路的两端的耦合电容。
通过将耦合电容并联于防反灌电路的两端，使其作为PLC信号的信号通路。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述降压优化器还包括第一PLC控制单元和第一PLC耦合变压器；所述第一PLC控制单元用于生成通信信号，所述第一PLC耦合变压器用于将所述通信信号耦合至电力线上；或，所述第一PLC耦合变压器用于从所述电力线提取通信信号，并将所述通信信号发送至所述第一PLC控制单元。
通过采用第一PLC控制单元和第一PLC耦合变压器确保通信信号与电源信号的 兼容性，实现降压优化器和单级逆变器之间的通信。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述降压优化器还包括第二PLC控制单元和第二PLC耦合变压器；所述第二PLC控制单元用于生成通信信号，所述第二PLC耦合变压器用于将所述通信信号耦合至电力线上；或，所述第二PLC耦合变压器用于从所述电力线提取通信信号，并将所述通信信号发送至所述第二PLC控制单元。
通过采用第二PLC控制单元和第二PLC耦合变压器确保通信信号与电源信号的兼容性，实现降压优化器和单级逆变器之间的通信。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述至少一个防反灌电路中的每个防反灌电路与所述至少一个光伏组串中的一个光伏组串串联连接，形成一个支路，所述至少一个防反灌电路和所述至少一个光伏组串形成的至少一个支路并联于所述单级逆变器。
通过一个光伏组串串联一个防反灌电路形成单个支路，再与单级逆变器并联，不仅可以防止电流从单级逆变器倒灌至光伏组串，而且可以防止其他支路的光伏组串的电流倒灌至光伏组串，保护光伏组串，从而可以避免光伏组串损坏。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述至少一个防反灌电路中的第一防反灌电路连接于多个光伏组串，所述多个光伏组串并联连接，且所述多个光伏组串的一个输出端连接于所述第一防反灌电路，所述多个光伏组串的另一个输出端连接于所述单级逆变器。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的正极连接于一个防反灌电路，负极连接于所述单级逆变器；或，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的负极连接于一个防反灌电路，正极连接于所述单级逆变器。
通过在光伏组串和逆变器之间加入防反灌电路，一方面可以防止电流倒灌，保护光伏组串，从而可以避免光伏组串损坏，另一方面，简化系统的结构。
结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，所述防反灌电路包括防反二极管、熔丝或电子开关。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种含有单个光伏组串的光伏发电系统的一示意图；
图3为本申请实施例提供的降压优化器的一种结构示意图；
图4为本申请实施例提供的降压(buck)电路导通与截止时的等效电路图的示意图；
图5为本申请实施例提供的单级逆变器的一种结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种含有单个光伏组串的光伏发电系统的另一示意图；
图7为本申请实施例提供的一种含有多个光伏组串的光伏发电系统的一示意图；
图8为本申请实施例提供的一种含有多个光伏组串的光伏发电系统的另一示意图；
图9为本申请实施例提供的一种含有多个光伏组串的光伏发电系统的又一示意图；
图10为本申请实施例提供的一种含有多个光伏组串的光伏发电系统的再一示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
本申请实施例提供的光伏发电系统可以应用于分布式能源系统、微电网以及电站中。其中，分布式能源系统例如可以是分布式光储系统、分布式风储系统、分布式综合能源系统等。电站例如可以是光储电站、风储电站等新能源电站或者综合能源电站。
为便于理解本申请实施例，首先做出以下几点说明：
第一，本申请实施例中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应理解，这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
第二，下文中结合多个附图所示的光伏发电系统的电路结构仅为示例。基于相同的构思，本领域的技术人员还可以对图中的各个部分的电路结构做出简单的变化或等价的替换，以实现与本申请实施例中提供的电路结构相同或相似的功能。这些简单的变化或等价的替换均应落入本申请实施例的保护范围内。
第三，在本申请实施例中，“至少一个”可以表示一个或多个。“多个”是指两个或两个以上。
为了便于理解，首先对本文涉及的器件的结构及其功能进行说明。
1、光伏(photovoltaic，PV)电池板：也可以称为太阳能组件或光伏组件，由若干单体电池串联和/或并联连接，并严密封装成组件。
2、光伏组串：包括多个光伏组件和多个优化器。其中，每个优化器的输入端连接有一个或多个光伏电池板。也可以理解为，一个或多个光伏电池板并联于一个优化器。当并联于优化器的光伏电池板为多个时，多个光伏电池板之间可串联连接，也可以并联连接，还可以将多组串联连接的光伏电池板并联连接。本申请实施例对此不作限定。
为方便描述，这里将每个优化器及其连接的一个或多个光伏电池板称为一个光伏组串单元。换言之，光伏组串包括多个光伏组串单元。光伏组串的输出端可连接于逆变器，以向逆变器输出电压。
在本申请实施例中，连接于光伏组件的优化器可以为降压优化器。连接于光伏组串的逆变器可以为单级逆变器。
下面结合附图说明本申请提出的光伏发电系统。
图1提供了一种光伏发电系统的示意图。
如图1所示，该光伏发电系统100包括光伏组串110、防反灌电路120和单级逆变器130。其中，光伏组串110的数量可以为一个或多个。防反灌电路120的数量也可以为一个或多个。图1中仅为示例，示出了一个光伏组串110、一个防反灌电路120和一个单级逆变器130。但这不应对本申请实施例构成任何限定。
每个防反灌电路120可连接于单级逆变器130的一个输入端，每个光伏组串110的一个输出端可连接于单级逆变器的另一个输入端，每个光伏组串110的另一个输出端可连接于一个防反灌电路120，通过防反灌电路120连接至单级逆变器130的一个输入端。单级逆变器130的输出端连接至电网。
其中，每个光伏组串110包括多个光伏组串单元，每个光伏组串单元包括降压优 化器和连接于该降压优化器的一个或多个光伏电池板。关于光伏组串单元中降压优化器和电池板之间的连接关系可参看上文对光伏组串的相关说明，为了简洁，此处不再赘述。
应理解，上述图1仅示出了光伏组串的正极输出端通过串联防反灌电路连接至单级逆变器的正极输入端的形式，防反灌电路也可以串联于光伏组串的负极输出端，本申请实施例对此不作限定。
在一种可能的设计中，至少一个防反灌电路中的每个防反灌电路与至少一个光伏组串中的一个光伏组串串联连接，串联后的防反灌电路和光伏组串形成一个支路。至少一个防反灌电路和至少一个光伏组串可形成至少一个支路，该至少一个支路可并联于单级逆变器。如上设计的光伏发电系统100具体可参看图2、图6至图8所示。
在另一种可能的设计中，至少一个防反灌电路中存在一个或多个防反灌电路连接于多个并联的光伏组串。将连接于多个并联的光伏组串的防反灌电路记为第一防反灌电路。该多个并联的光伏组串的正极可连接于第一防反灌电路，该多个并联的光伏组串的负极可连接于单级逆变器。如上设计的光伏发电系统100具体可参看图9和图10所示。
可以看到，对于每个光伏组串单元来说，每个优化器的输入电压由连接于该优化器的一个或多个光伏电池板提供。对于光伏组串来说，它的输出电压可以由多个光伏组串单元来提供。
其中，每个降压优化器可用于对连接于该降压优化器的一个或多个光伏电池板的输出的电压和电流进行控制，例如进行降压处理，以将降压后的电压输入至逆变器。此外，该降压优化器还具有最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)的功能。在本申请实施例中，由于每个降压优化器都具有MPPT功能，使得每个光伏组串单元都可以实现MPPT。
应理解，MPPT的功能具体可以通过现有技术中的爬山法实现，为了简洁，此处不做详述。
输入至单级逆变器的电压为直流电压。该单级逆变器可用于将直流电压转换为交流电压，并将交流电压输入电网。
串联于降压优化器和单级逆变器之间的防反灌电路120可用于防止电流倒灌，从而保护光伏组串。
需要说明的是，目前已有的光伏发电系统中通常采用升降压优化器和单级逆变器，或者降压优化器和双级逆变器的结构。这样的电路结构通常包含了两级DC-DC变换，即降压电路、升压电路，和一级DC-AC变换。由于升压电路中含有防反灌电路，而本申请采用的降压优化器+单级逆变器的结构，不包含升压电路，因此需要额外增加一个防反灌电路，以防止大电流反灌到光伏组串，导致光伏组串损坏。
应理解，防反灌电路可以作为一个单独的器件存在于该电路中，如图1中所示；也可以集成在单级逆变器或降压优化器中，本申请实施例对此不作限定。还应理解，该防反灌电路若集成在单级逆变器或降压优化器中，与其他电路的连接方式和其作为一个单独的器件存在于该电路时的连接方式相同，均可以串联至单级逆变器或降压优化器中。因此，本申请实施例提供的光伏发电系统采用光伏电池板和降压优化器组成 的光伏组串和单级逆变器配合使用，而取消了升压电路，较现有技术中其他光伏发电系统相比，减少了一级DC/DC转换，结构简单，成本较低。同时，将光伏组件与一个具有MPPT功能的优化器连接，实现组件级的最大功率追踪，并将输入电压/电流转化为不同的输出电压/电流，最大限度提高系统效率。
之所以可以取消升压电路，一方面是因为采用足够多的光伏组件进行串联，每个光伏组件分担的电压比较小，所以当一小部分光伏电池板无法正常工作时，对整体的输出电压的影响不大；另一方面，由于降压优化器具有MPPT功能，在某些光伏组件无法正常工作时，可以调整其他光伏组件的输出电压和输出电流，从而保证光伏组串的整体电压保持稳定。因此本申请实施例提供的光伏发电系统虽未采用升压电路，但也可以输出稳定的电压，达到较好的系统效率。
此外，通过在光伏组串和单级逆变器之间加入防反灌电路，可以防止电流倒灌，使流过光伏组串的电流不超过组串允许的最大电流，从而保护光伏组串，从而可以避免光伏组串损坏。
这里，反灌电流可能由如下至少一种情况产生：母线电压大于上述至少一个光伏组串的开路电压，或，在光伏发电系统包括多个光伏组串的情况下，多个光伏组串的开路电压不同。其中，母线电压具体是指在至少一个光伏组串的公共连接点处的电压，也就是该光伏发电系统中单级逆变器的输入端的电压。
换言之，反灌电流可以包括：母线电压大于上述至少一个光伏组串的开路电压的情况下而产生的电流，和/或，在光伏发电系统包括多个光伏组串的情况下，该多个光伏组串的开路电压不同而产生的电流。
可以理解，若该光伏发电系统中的光伏组串数量为一个，则该反灌电流主要是由母线电压大于光伏组串的开路电压而产生的。
由于防反灌电路具有一定的失效概率，若防反灌电路失效，反灌电流就可能会倒灌。因此，为了保护光伏组件不受反灌电流的影响而被损坏，本申请实施例提供的光伏发电系统具有双重保护光伏组串的功能。也就是说，在防反灌电路失效的情况下，本申请实施例提供的光伏发电系统将会启动双重保护光伏组串的功能。下面对这种双重保护光伏组串的功能的具体实现过程进行描述。
为方便说明，下文首先以只包括一个光伏组串的光伏发电系统为例来说明，该光伏组串例如记为第一光伏组串。若母线电压大于开路电压，则该第一光伏组串中的任意一个降压优化器都可检测到反灌电流。为方便说明，下文中以第一光伏组串中的第一降压优化器检测到反灌电流为例来描述。该第一降压优化器可以是第一光伏组串中的任意一个降压优化器。换言之，第一光伏组串中的任意一个降压优化器都可以执行下文所述的操作。
具体地，该第一降压优化器在检测到大于或等于第一预设门限的反灌电流时，则可以向单级逆变器发送第一PLC信号，该第一PLC信号中携带反灌电流值。单级逆变器在接收到第一PLC信号的情况下，可以降低母线电压。
应理解，由于电流反灌是因母线电压大于第一光伏组串的开路电压而产生，故降低母线电压，可以使得反灌电流得以减小，甚至减小为零，从而可以抑制反灌电流，减少光伏电池板受到反灌电流的影响而带来的损坏。
还应理解，在光伏发电系统包括多个光伏组串的情况下，上述检测到反灌电流值大于或等于第一预设门限的第一光伏组串可以为一个，也可以为多个。第一光伏组串中的任意一个降压优化器都可以向单级逆变器发送携带反灌电流值的第一PLC信号，以触发单级逆变器降低母线电压。
然而，根据电网的不同，对应的单级逆变器的输入电压需被控制在预设范围内。因此，逆变器不能无限制地降低母线电压，也就是说，母线电压不能低于预设范围的最低值，为了简洁，后面将该预设范围的最低值称为第二预设门限。
如果母线电压降至第二预设门限，但反灌电流仍大于或等于第一预设门限，则可通过其他方式来进一步抑制反灌电流。
如果光伏发电系统只包括一个光伏组串，该光伏组串也即第一光伏组串。如下文中图2和图6所示的光伏发电系统中，光伏组串110为第一光伏组串的一例。如前所述，反灌电流主要是由于母线电压大于第一光伏组串的开路电压而造成，则可以在母线电压降低至第二预设门限，但反灌电流仍大于或等于第一预设门限时，关闭单级逆变器，使反灌电流减小或者消失。
如果光伏发电系统包括多个光伏组串，该多个光伏组串并联至单级逆变器。例如，光伏发电系统包括第一光伏组串和第二光伏组串，该第一光伏组串可以是检测到大于或等于第一预设门限的反灌电流的一个或多个光伏组串，该第二光伏组串可以是未检测到反灌电流或反灌电流值小于第一预设门限的一个或者多个光伏组串。如下文结合图7至图9所示的光伏发电系统，光伏组串111为第一光伏组串的一例，光伏组串112为第二光伏组串的一例。结合图10所示的光伏发电系统，例如，当光伏组串111中存在反灌电流，其他两个光伏组串1121、1122中不存在反灌电流时，光伏组串111为第一光伏组串的一例、光伏组串1121、1122为第二光伏组串的一例。基于同样的原理，光伏组串111、1121可以为第一光伏组串的另一例，光伏组串1122可以为第二光伏组串的另一例，为了简洁，此处不再一一罗列。
如前所述，该反灌电流一方面可能是由于母线电压大于第一光伏组串的开路电压而造成，另一方面可能是由于其他光伏组串(如第二光伏组串)的开路电压大于第一光伏组串的开路电压而造成。在母线电压降低至第二预设门限，但第一光伏组串中的反灌电流仍大于或等于第一预设门限时，单级逆变器可以向第二光伏组串中的降压优化器发送第二PLC信号，第二PLC信号中含有使降压优化器降低输出电压的指令，该指令例如可以包含降压优化器需要降低的电压值。第二光伏组串中的降压优化器在接收到第二PLC信号的情况下，降低输出电压，或，将自己置于关机状态。
单级逆变器可以基于闭环控制，根据从降压优化器接收到的反灌电流值I，确定降压优化器需要降低的电压值。一种可能的设计中，单级逆变器可基于比例(proportional)、积分(integral)、微分(differential)(PID)算法，得到需要降低的电压值△U与反灌电流值I的关系如下：△U＝(k p+k i/s+k ds)×I。其中，k p表示控制器比例项，k i/s表示控制器积分项，k ds表示控制器微分项，式中各参数参看现有技术中关于PID算法的相关说明，为了简洁，此处不作详述。
应理解，单级逆变器确定需要降低的电压值的方法并不限于上文所列举的公式，本申请对于单级逆变器确定需要降低的电压值的具体实现方式不作限定。
还应理解，第二光伏组串可以为一个，也可以为多个。为方便说明，将第二光伏组串中的降压优化器记为第二降压优化器。第二降压优化器在接收到第二PLC信号的情况下，可以降低输出电压，或，关闭第二降压优化器。在第二降压优化器降压的同时，第一降压优化器可以持续向单级逆变器发送第一PLC信号，以将最新检测到的反灌电流值反馈给单级逆变器。例如，第一降压优化器可以周期性地发送第一PLC信号。单级逆变器也可以基于最新接收到的第一PLC信号，调整需要第二光伏组串降低的电压值，并持续向第二降压优化器发送第二PLC信号，比如单级逆变器也可以周期性地发送第二PLC信号，直到第一降压优化器检测的反灌电流的值小于第一预设门限，第一降压优化器停止向单级逆变器发送第一PLC信号。由此，单级逆变器实时地根据第一降压优化器检测到的反灌电流值调整需要降低的电压值，形成了闭环控制。
还应理解，上述双重保护光伏组串的功能中各个电路的组成部分的连接关系与各部分的功能可参考本申请下文结合多个附图的相关描述，此处暂且不作详述。
基于上述的双重保护光伏组串的功能，在防反灌电路失效，降压优化器检测到反灌电流时，降压优化器可以通过向单级逆变器发送PLC信号，使单级逆变器降低母线电压，从而使反灌电流减小或者消失，从而形成对光伏组串的双重保护。更进一步地，在单级逆变器无法降低母线电压进而使反灌电流小于第一预设门限的情况下，可以使自己关机，从而使反灌电流消失，保护光伏电池板不因反灌电流而损坏。又进一步地，在单级逆变器降低母线电压或者关机的情况下，反灌电流仍大于或等于第一预设门限，且光伏系统中存在两个或者两个以上的光伏组串时，单级逆变器可以通过向其他光伏组串的优化器发出PLC信号，控制其他光伏组串的优化器降低输出电压或者使自己处于关机状态，从而使反灌电流小于第一预设门限，进而保护光伏组件不因反灌电流而损坏。
图2是本申请实施例提供的光伏发电系统的另一示意图。图2所示的光伏发电系统包括多个串联连接的光伏组串单元。如图2所示，多个光伏组串单元串联连接，每个光伏组串单元包括光伏电池板1101和降压优化器1102。降压优化器1102的输入端连接于该一个或多个光伏电池板1101的输出端。降压优化器1102可用于对所连接的光伏电池板1101的输出电压进行降压处理。
光伏组串110的正极输出端经过防反灌电路120连接至单级逆变器130的正极输入端。该光伏组串110和防反灌电路120形成一个支路。光伏组串110的负极输出端连接至单级逆变器130的负极输入端。单级逆变器130的输出端连接至电网。
其中，降压优化器1102可用于对光伏电池板1101输出的电压和电流进行控制，具有最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)的功能。单级逆变器130连接于电网，用于将来自光伏组串110的直流电压转化为交流电压，并输送至电网。防反灌电路120串联于光伏组串110和单级逆变器130之间，用于防止电流从单级逆变器130反灌至光伏组串110。
应理解，防反灌电路120可以为图1中的防反二极管，也可以为熔丝或电子开关等具有相同或相似功能的器件，本申请实施例对此不作限定。
可选地，该光伏发电系统还包括用于在降压优化器与单级逆变器之间传递通信信号的传输通路。换言之，降压优化器与单级逆变器之间具有通信连接关系。其中，所述通信信号例如可以是控制信号，或者数据信号等。本申请实施例包含但不限于此。
例如，降压优化器和单级逆变器之间可以通过PLC技术、控制器局域网络(controller area network，CAN)总线、标准配置(recommended standard，RS)-485总线等实现通信连接。本申请实施例包含但不限于此。
在一种可能的设计中，该通信信号为PLC信号。也就是说，降压优化器和单级逆变器之间可以通过PLC技术来实现通信连接。用于实现该通信连接的传输通路例如可以是耦合电容。
图2示出了降压优化器和单级逆变器之间采用电力线载波通信技术的示例。如图所示，在防反灌电路120的两端并联有一个耦合电容140，由于该耦合电容140对直流电压的阻抗无穷大，对电力线载波通信的高频信号阻抗很小，因此可以作为电力线载波通信的传输通路。
应理解，不管采用哪种防反灌电路，降压优化器和单级逆变器之间通过电力线载波通信技术进行通信时，防反灌电路两端都可以并联耦合电容作为电力线载波通信的信号通路。
还应理解，该耦合电容还可以替换为其他可用于实现隔直通交的器件，以实现降压优化器和单级逆变器之间PLC信号的传输。
基于上述光伏发电系统，不需要升压电路，就可以实现对输出电压的控制。一方面是因为采用足够多的光伏电池板进行串联，每个光伏电池板分担的电压比较小，所以当一小部分光伏电池板无法正常工作时，对整体的输出电压的影响不大；另一方面，降压优化器具有MPPT功能，在某些光伏电池板无法正常工作时，可以调整其他光伏电池板的输出电压和输出电流，从而保证光伏组串的整体电压保持稳定。因此本申请实施例提供的光伏发电系统虽未采用升压电路，但也可以输出稳定的电压，达到较好的系统效率。
下面详细说明，当其中的一部分的光伏组件无法正常工作时，整个光伏发电系统的工作过程。
示例性地，由于多个光伏组件串联在一起，所以流经各个光伏组件的电流相同，当光伏发电系统中有一个或多个光伏组件因被遮挡或其他原因不能正常工作时，则该光伏组件对应的输出功率可能会降低，光伏组串的整体的输出功率也随之减小，输出电压被拉低。光伏组串的输出电压连接至单级逆变器，但是单级逆变器会将输入电压控制在一个稳定的区间内，所以单级逆变器检测到电压减小，会减小并网的有功功率，从而减小电流，从而使降压优化器调整没有被遮挡的光伏组件相应的输出电压提高。
下面结合附图说明上述光伏发电系统100中的降压优化器和单级逆变器的结构及工作原理。
图3为本申请实施例提供的降压优化器1102的一种结构示意图，下面结合图3说明降压优化器的结构及原理。
如前所述，降压优化器1102的输入端可连接至该一个或多个光伏电池板1101的输出端。降压优化器1102可用于对所连接的光伏电池板1101的输出电压进行降压处理。
该降压优化器1102包括两个输入端201、202和两个输出端203、204。输入端201、202分别用于连接光伏电池板的正、负极。光伏电池板的输入电压进入降压优化器后， 降压优化器1102可通过降压电路205对输入电压进行降压处理。输出端203、204可将经降压处理后的电压输出至单级逆变器。
应理解，图3为了便于说明，仅以buck电路作为降压电路的一例示出了降压优化器的电路结构，实际应用中也可以采用其他的降压电路，例如三电平buck电路等，本申请实施例包含但不限于此。
该降压优化器1102的输入端201、202之间并联有电压表206，用于采集光伏组串单元的输入电压，也即，连接于该降压优化器1102的一个或多个光伏电池板的输入电压。该降压优化器1102的输出端203、204之间也并联有电压表207，用于采集降压优化器1102的输出电压。
此外，输出端204还串联有电流表208，用于采集降压优化器102的输出电流以及反灌电流的电流值。
该降压优化器1102还包括控制单元209。图中所示的控制单元209为微控制单元(microcontroller unit，MCU)。上述电压表206、207和电流表208均可连接至控制单元209，用于将采集到的输入电压、输出电压和输出电流反馈至控制单元209，以便于控制单元209基于采集到的数据对buck电路205进行控制。
控制单元209连接于buck电路中的开关管T，该开关管T可响应于来自控制单元209的脉冲控制信号，实现对buck电路的控制。
其中，开关管T可以为金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，简称MOS管，也可以为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，本申请实施例包含但不限于此。
应理解，buck电路的具体电路结构可以参看现有技术，为了简洁，此处不作详述。
在本申请实施例中，控制单元209可以通过向开关管T发送脉冲控制信号来控制开关管T的导通与截止，从而实现对输入电压、输出电压、输出电流、输出功率的控制。开关管T导通时，降压优化器1102的输入端201连接到A点，对应的buck电路的等效电路图可参考图4中的(a)；开关管T断开时，降压优化器1102的输入端201连接到B点，即输入端201与电感L断开，对应的buck电路的等效电路图可参考图4中的(b)。
下面，以一种脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)技术为例，说明通过脉冲控制信号来控制开关管T的导通与断开的情况。应理解，PWM信号仅为脉冲控制信号的一例，不应对本申请实施例构成任何限定。
控制单元209基于检测到的buck电路的输入电压(也即，光伏组串单元的输出电压)、输出电压、输出电流，调节PWM信号的占空比，从而控制buck电路中开关管T的导通与断开时长，控制输出电压和电流，根据输出电压和电流获得最大的输出功率点。
应理解，通过改变PWM信号的占空比，可以使buck电路的输出电压的平均值总是小于输入电压的平均值，从而实现降压功能。具体地，控制单元可以输入PWM信号到buck电路中的开关管，控制buck电路中开关管的开和关的时长，进而控制buck电路的输出电压。
示例性地，图4中的(a)示出了，当PWM信号为高电平时，开关管导通至A点 的buck电路等效电路图。结合图3，开关管导通时，缓流二极管D的阳极电压为零，阴极为光伏组件产生的电压Us，因此缓流二极管D反向截止，开关管上流过的光伏组串产生的电流i_S流经电感L向后面的单级逆变器供电；此时电感L中的电流i_L逐渐上升，在电感的两端产生左端正、右端负的自感电动势U L阻碍电流上升，电感L将电能转化为磁能存储起来。
经过一段时间后，PWM信号变为低电平，则开关管断开，图4中的(b)示出了开关管断开时的buck电路等效电路图。应理解，开关管T与A点断开，也即开关管导通至B点。图4中的(b)中，电感的两端产生右端正左端负的自感电动势阻碍电流下降，从而使缓流二极管D正向导通，于是电感L中的电流i_L流经缓流二极管D构成闭合回路，电流值逐渐下降，电感L将磁能转化为电能释放出来给后面的电网供电，对应图4中的(b)中的输出电压为U o。
经过一段时间后，PWM信号为高电平信号，重复上述过程，从而实现对buck电路输出电流和电压的控制。
此外，如前所述，该光伏发电系统还包括用于在降压优化器1102与单级逆变器130之间传递通信信号的传输通路，如上文所述的用于实现PLC的耦合电容140。与之相应，降压优化器1102还可以包括第一PLC控制单元210和第一PLC耦合变压器211。第一PLC控制单元210一端与降压优化器的控制单元209通信，另一端通过第一PLC耦合变压器211与单级逆变器140通信。
其中，第一PLC耦合变压器211可以作为PLC信号的物理载体，用于将来自第一PLC控制单元210的通信信号注入电力线，以通过PLC技术发送至单级逆变器130；或者，用于将电力线中的通信信号提取出来，进而发送给第一PLC控制单元210。
基于如上的设计，该降压优化器1102可实现与单级逆变器130之间的通信。
图5为本申请实施例提供的单级逆变器130的一种结构示意图。下面结合图5说明单级逆变器的结构及原理。
单级逆变器130包括两个输入端501、502和三个输出端503、504、505。输入端501、502分别用于连接光伏组串的正、负极。光伏组串的输入电压进入单级逆变器130后，单级逆变器130可通过DC-AC转换器506对输入电压进行直流电压转换为交流电压的处理。输出端503、504、505可将转换后的电压输出至电网。
应理解，图5中的DC-AC转换器仅为一种示例，其具体的电路结构可以参看现有技术，为了简洁，此处不作详述。
该单级逆变器130还包括第二控制单元507。图5中所示的第二控制单元507为MCU。第二控制单元507可以从DC-AC转换器506获取输入信号，也可以输出控制信号到DC-AC转换器506，实现单级逆变器130的并网功率控制。单级逆变器130还能够通过调节并网电流或者有功功率，控制输入电压稳定在一定的范围内。其中，并网功率为单级逆变器130输入到电网的功率，并网电流为流过光伏组串110的电流。
此外，如前所述，该光伏发电系统还包括用于在降压优化器1102与单级逆变器130之间传递通信信号的传输通路，如上文所述的用于实现PLC的耦合电容140。与之对应，单级逆变器130还可以包括第二PLC控制单元508和第二PLC耦合变压器509。第二PLC控制单元508一端与单级逆变器130的第二控制单元507通信，另一 端通过第二PLC耦合变压器509与降压优化器1102通信。
应理解，第二电力线载波通信耦合变压器的作用与第一电力线载波通信耦合变压器的作用相同，此处不再赘述。
基于如上的设计，该单级逆变器130可以实现与降压优化器1102之间的通信。
上述的光伏发电系统，采用降压优化器和单级逆变器以及防反灌电路构成，结构较现有技术中其他光伏发电系统少了一级DC/DC转换器，结构简单，成本较低。并且，采用电力线载波通信方式实现降压优化器和单级逆变器之间的通信，简化线路，加强信号传输的可靠性。同时，将光伏组件与一个具有MPPT功能的优化器连接，实现组件级的最大功率追踪，并将输入电压/电流转化为不同的输出电压/电流，最大限度提高系统效率。
应理解，图2提供的光伏发电系统仅示出了包含一个光伏组串的光伏发电系统，实际情况中，还可以采用包含多个光伏组串的光伏发电系统。为了便于理解，下面结合图6说明含有多个光伏组串的光伏发电系统。
图6是本申请实施例提供的光伏发电系统的另一示意图。该光伏发电系统100包括光伏组串110、防反灌电路120、单级逆变器130和耦合电容140。该图与图1的不同之处在于：该图中的防反灌电路120和耦合电容140都串联于光伏组串的负极输出端和单级逆变器的负极输入端之间，光伏组串的正极输出端连接于单级逆变器的正极输入端。其他部分的连接关系以及各部分的作用参考图1中的相关描述，此处不再赘述。
图7是本申请实施例提供的光伏发电系统的另一示意图。图7所示的光伏发电系统100包括两个光伏组串111和112，该两个光伏组串的正极输出端分别串联连接于防反灌电路121和122，形成两个支路。该两个支路并联于单级逆变器130。其中，每个光伏组串可以包括多个光伏组串单元，每个光伏组串单元包括降压优化器及其连接的一个或多个光伏电池板。关于光伏组串的相关说明可参看上文关于光伏组串的相关说明，为了简洁，此处不再赘述。
具体而言，光伏组串111与防反灌电路121串联连接，防反灌电路121既可用于防止电流从单级逆变器130倒灌至光伏组串111，也可用于防止电流从光伏组串112倒灌至光伏组串111，从而保护光伏组串111。防反灌电路121的两端可并联耦合电容141，从而通过耦合电容141实现光伏组串111中的降压优化器与单级逆变器之间的通信。
光伏组串112与防反灌电路122串联连接，防反灌电路122既可用于防止电流从单级逆变器130倒灌至光伏组串112，也可用于防止电流从光伏组串111倒灌至光伏组串112，从而保护光伏组串112。防反灌电路122的两端也可并联耦合电容142，从而通过耦合电容142实现光伏组串112中的降压优化器与单级逆变器之间的通信。
串联的光伏组串111和防反灌电路121可形成第一支路，串联的光伏组串112和防反灌电路122可形成第二支路，第一支路和第二支路均可并联至单级逆变器130。单级逆变器130的输出端连接至电网。
应理解，在图7所示的光伏发电系统中，每个支路中有一个防反灌电路，不仅用于防止电流从单级逆变器130倒灌至支路所连接的光伏组串，还用于防止电流从其他支路反灌至支路所连接的光伏组串，从而保护支路中的光伏组串。
具体地，第一支路中的防反灌电路121既可用于防止电流从单级逆变器130倒灌 至光伏组串111，也可用于防止电流从第二支路倒灌至光伏组串111，从而保护光伏组串111。同理，第二支路中的防反灌电路122既可用于防止电流从单级逆变器130倒灌至光伏组串112，也可用于防止电流从第一支路倒灌至光伏组串112，从而保护光伏组串112。还应理解，图7仅为便于理解，示出了包含两个支路的光伏发电系统的一例，但这不应对本申请实施例构成任何限定。该光伏发电系统还可以包括更多个相似的支路，各支路中的光伏组串可以包含相同数量或不同数量的光伏组串单元。本申请实施例对此不作限定。
图8是本申请实施例提供的光伏发电系统的另一示意图。图8所示的光伏发电系统与图7所示的光伏系统的不同之处在于：防反灌电路121和122分别串联连接于两个光伏组串111和112的负极输出端，相应的耦合电容141和142分别并联于防反灌电路121和122的两端。其他部分的连接关系以及各部分的作用参考图7中的相关描述，此处不再赘述。
图9是本申请实施例提供的光伏发电系统的又一示意图。与图7的含有多个光伏组串的光伏系统的不同之处在于：图9中的光伏发电系统采用多个光伏组串并联后再串联连接一个防反灌电路的形式。
图9所示的光伏发电系统100包括两个光伏组串111和112，该两个光伏组串并联，且并联后的两个光伏组串串联至防反灌电路121，并联于单级逆变器130。其中，每个光伏组串可以包括多个光伏组串单元，每个光伏组串单元包括降压优化器及其连接的一个或多个光伏电池板。关于光伏组串的相关说明可参看上文关于光伏组串的相关说明，为了简洁，此处不再赘述。
具体而言，光伏组串111与光伏组串112并联连接，两个光伏组串并联后串联连接防反灌电路121。该防反灌电路121是第一防反灌电路的一例。防反灌电路121可用于防止电流从单级逆变器130倒灌至光伏组串111和光伏组串112，从而保护光伏组串111和光伏组串112。防反灌电路121的两端可并联耦合电容141，从而通过耦合电容141实现光伏组串111和光伏组串112中的降压优化器与单级逆变器之间的通信。
串联的光伏组串111可形成第一支路，串联的光伏组串112可形成第二支路，第一支路和第二支路并联的输出串联一个防反灌电路，然后并联至单级逆变器130。单级逆变器130的输出端连接至电网。
还应理解，图9仅为便于理解，示出了包含两个支路的光伏发电系统的一例，但这不应对本申请实施例构成任何限定。该光伏发电系统还可以包括更多个相似的支路，各支路中的光伏组串可以包含相同数量或不同数量的光伏组串单元。本申请实施例对此不作限定。
图10是本申请实施例提供的光伏发电系统的再一示意图。图10为在图7和图9的基础上得到的一种含有多个光伏组串的示意图，包含了单个光伏组串串联一个防反灌电路以及多个光伏组串串联一个防反灌电路的结构。
图10所示的光伏发电系统100包括三个光伏组串111、1121和1122。其中，光伏组串111串联一个防反灌电路121形成第一支路；光伏组串1121和光伏组串1122并联后，串联连接一个防反灌电路122形成第二支路，第一支路和第二支路均可并联于单级逆变器130。其中，防反灌电路122串联了两个光伏组串1121和1122，可以视为第一防反灌电路的另一例。
应理解，图10主要是为了说明本申请实施例提供的光伏发电系统可以包含单个光伏组串串联一个防反灌电路，也可以包含多个光伏组串串联一个防反灌电路的结构。其他部分的详细内容可参考上文的相关描述，为了简洁，此处不再赘述。
因此，本申请实施例提供的光伏发电系统采用光伏电池板和降压优化器组成的光伏组串和单级逆变器配合使用，而取消了升压电路，较现有技术中其他光伏发电系统相比，减少了一级DC/DC转换，结构简单，成本较低。同时，将光伏组件与一个具有MPPT功能的优化器连接，实现组件级的最大功率追踪，并将输入电压/电流转化为不同的输出电压/电流，最大限度提高系统效率。并且，通过在光伏组串和单级逆变器之间加入防反灌电路，可以防止电流倒灌，保护光伏组串，从而可以避免光伏组串损坏。
应理解，图6至图10中光伏组串、光伏电池板、降压优化器、单级逆变器、防反灌电路以及耦合电容的具体结构和功能可参考上文的相关描述，为了简洁，此处不再赘述。
图2、图6至图10分别示出了本申请实施例的光伏发电系统均为采用降压优化器、防反灌电路和单级逆变器的光伏发电系统。需要说明的是，在图2、图6至图10给出的任一光伏发电系统中，光伏组串的个数、防反灌电路的个数均可以为至少一个。图2、图6至图10的光伏组串的个数和防反灌电路的个数仅为示例，而应对本申请实施例构成限定。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本申请实施例所提供的一种光伏发电系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。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。

Claims (10)

  1. 一种光伏发电系统，其特征在于，包括：单级逆变器、至少一个防反灌电路和至少一个光伏组串和耦合电容；其中，所述至少一个防反灌电路中的每个防反灌电路连接于所述单级逆变器的一个输入端，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的一个输出端连接于所述单级逆变器的另一个输入端，每个光伏组串的另一个输出端连接于一个防反灌电路；其中，
    每个光伏组串包括多个光伏组串单元，所述多个光伏组串单元中的每个光伏组串单元包括：降压优化器和并联至所述降压优化器的一个或多个光伏电池板，所述降压优化器用于对所连接的所述一个或多个光伏电池板的输出电压进行降压处理；
    所述单级逆变器连接于所述电网，用于将来自所述光伏组串的直流电压转换为交流电压，并将所述交流电压输送至所述电网；
    所述防反灌电路用于防止反灌电流倒灌至所述至少一个光伏组串中的一个或多个；所述反灌电流包括：母线电压大于所述至少一个光伏组串的开路电压的情况下而产生的电流，和/或，在所述光伏发电系统包括多个光伏组串的情况下，所述多个光伏组串的开路电压不同而产生的电流；
    所述耦合电容并联至所述防反灌电路的两端，用于在所述至少一个光伏组串中的各降压优化器与所述单级逆变器之间传输信号，以在所述防反灌电路失效的情况下，控制所述反灌电流的倒灌。
  2. 如权利要求1所述的光伏发电系统，其特征在于，所述多个光伏组串中的第一光伏组串的第一降压优化器用于在检测到大于或等于第一预设门限的反灌电流时，向所述单级逆变器发送第一电力线载波通信PLC信号，所述第一PLC信号中携带反灌电流的值，所述第一光伏组串为所述至少一个光伏组串中的一个或者多个光伏组串，所述第一降压优化器为所述第一光伏组串中的任意一个降压优化器；
    所述单级逆变器还用于在接收到所述第一PLC信号的情况下，降低母线电压。
  3. 如权利要求2所述的光伏发电系统，其特征在于，所述单级逆变器还用于，在所述母线电压降低至第二预设门限，但所述反灌电流仍大于或等于所述第一预设门限时，关闭所述单级逆变器。
  4. 如权利要求3所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统还包括第二光伏组串，所述单级逆变器还用于，在关闭所述单级逆变器之前，在所述母线电压降低至第二预设门限，但所述反灌电流仍大于或等于所述第一预设门限时，向所述第二光伏组串中的降压优化器发送第二PLC信号，所述第二PLC信号中携带降低输出电压的指令；
    所述第二光伏组串中的第二降压优化器用于在接收到所述第二PLC信号的情况下，降低输出电压，或，关闭所述第二降压优化器，所述第二降压优化器是所述第二光伏组串中的任意一个降压优化器。
  5. 如权利要求2至4中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，每个降压优化器包括第一PLC控制单元和第一PLC耦合变压器；所述第一PLC控制单元用于生成PLC信号，所述第一PLC耦合变压器用于将所述PLC信号耦合至电力线上；或，所 述第一PLC耦合变压器用于从所述电力线提取PLC信号，并将所述PLC信号发送至所述第一PLC控制单元。
  6. 如权利要求2至4中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述单级逆变器包括第二PLC控制单元和第二PLC耦合变压器；所述第二PLC控制单元用于生成PLC信号，所述第二PLC耦合变压器用于将所述PLC信号耦合至电力线上；或，所述第二PLC耦合变压器用于从所述电力线提取PLC信号，并将所述PLC信号发送至所述第二PLC控制单元。
  7. 如权利要求1至6中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述至少一个防反灌电路中的每个防反灌电路与所述至少一个光伏组串中的一个光伏组串串联连接，形成一个支路，所述至少一个防反灌电路和所述至少一个光伏组串形成的至少一个支路并联于所述单级逆变器。
  8. 如权利要求1至6中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述至少一个防反灌电路中的第一防反灌电路连接于多个光伏组串，所述多个光伏组串并联连接，且所述多个光伏组串的一个输出端连接于所述第一防反灌电路，所述多个光伏组串的另一个输出端连接于所述单级逆变器。
  9. 如权利要求7或8中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的正极连接于一个防反灌电路，负极连接于所述单级逆变器；或，所述至少一个光伏组串中的每个光伏组串的负极连接于一个防反灌电路，正极连接于所述单级逆变器。
  10. 如权利要求1至9中任一项所述的光伏发电系统，其特征在于，所述防反灌电路包括防反二极管、熔丝或电子开关。
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