CN203775134U - 一种分布式单芯片光伏功率优化器 - Google Patents

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崔新雨
董红海
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Abstract

本实用新型公开了一种分布式单芯片光伏功率优化器，包括单片MOS开关功率芯片，单片MOS开关功率芯片内包括四只MOS功率开关管，其中，输入电压检测单元串联电阻后连接输入端，输出电压检测单元串联电阻后连接输出端，输入电压检测单元、输出电压检测单元连接MPPT算法模块，MPPT算法模块与PWM发生器通讯，PWM发生器通过四只MOS功率开关管分别控制四路DC-DC转换电路。本实用新型由于不受相邻组件的影响，优化器可以独立增强并提高单个组件的性能，保证每个组件的最大功率输出，同时通过DC-DC升压还可以将适合逆变器正常工作的输入电压时间延长，从而使整个光伏系统能输出最多的电能，延长发电时间。

Description

一种分布式单芯片光伏功率优化器
技术领域
本实用新型涉及一种分布式单芯片光伏功率优化器。
背景技术
通常太阳能光伏并网发电系统是由多个光伏组件通过适当的串并联连接组成光伏阵列和并网逆变器构成的，由并网逆变器对所接的光伏组件阵列进行整体的最大功率跟踪（MPPT）调节，实现光伏阵列的最大功率输出。由于是多块光伏组件串联，当其中一块光伏组件出现失配现象时，将影响整串光伏组件的功率输出。在实际的光伏发电应用中，许多光伏组件安装时由于受场地和周边物体的影响，往往会出现光伏组件之间，组件与逆变器之间不匹配的问题，使光伏组件无法发挥出其应有的发电能力。如光伏组件部分被遮挡、空中的云影、附近物体的反射、光伏组件的倾斜角和方位角不同、光伏组件有灰尘、光伏组件温度不均等，此时组件的输出会因阵列光伏组件的发电效率不同而引起组件的失配问题，导致系统发电效能降低。经实测，仅仅遮挡一小部分的光伏组件就会引起25%-50%的电能损失。在今后最具发展前途的分布式光伏电站和屋顶光伏系统中，由于要与原有建筑相结合，可能无法保证太阳光始终不被遮挡，产生光伏阵列的局部阴影问题；同时还可能受建筑结构的限制，光伏组件出现不同的安装倾斜角和方位角，使光伏组件接收的太阳辐照量不同，产生组件之间的电流和电压失配，从而导致光伏系统发电量的损失。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述问题，提出了一种分布式单芯片光伏功率优化器，该优化器具有DC-DC转换和MPPT功能，安装在每块光伏组件的接线盒中，单独调节每块光伏组件的输出功率，使每块光伏组件的输出始终处于最优状态。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种分布式单芯片光伏功率优化器，包括单片MOS开关功率芯片，单片MOS开关功率芯片内包括四只MOS功率开关管、PWM发生器、输入电压检测单元、输出电压检测单元和MPPT算法模块；其中，输入电压检测单元串联电阻后连接输入端，输出电压检测单元串联电阻后连接输出端，输入电压检测单元、输出电压检测单元连接MPPT算法模块，MPPT算法模块与PWM发生器通讯，PWM发生器通过四只MOS功率开关管分别控制四路DC-DC转换电路。
所述DC-DC转换电路，包括绝缘栅场效应管和二极管，其中绝缘栅场效应管的栅极连接MOS功率开关管，绝缘栅场效应管的源极和漏极之间并联一个二极管，漏极连接输入端的负极，源极串联一个二极管后分为两路，一路连接输出端的正极，另一路串联电容后连接输出端的负极；源极串联一个电感后接入输入端的正极。
本实用新型的工作过程为：
采用高集成度专用MOS开关功率芯片将DC-DC转换和MPPT功能合二为一，通过4组开关分别控制4组DC-DC转换电路，根据光伏组件的功率输出状况开启或关闭DC-DC转换电路，提高转换效率；通过芯片内部集成MPPT算法调整PWM占空比，控制MOS管的导通时间，调节光伏组件匹配阻抗，实现光伏组件的最大功率输出。通过调整外部的采样分压电阻，芯片可以接受从6.5～40V范围的输入电压，并可根据光伏阵列电压的需要调整优化器的输出电压，以适应不同规格的光伏组件。在硬件电路中采用无电解电容设计，克服了电解电容故障率高寿命短的缺点，提高可靠性高和寿命，实现与光伏组件使用寿命的(一般为20～25年)相匹配；整个优化器采用高集成度设计，线路板体积小，可方便地安装在光伏组件接线盒中替代原有的旁路二极管。
本实用新型的有益效果为：具有DC-DC转换和MPPT功能，该优化器安装在每块光伏组件的接线盒中，单独调节每块光伏组件的输出功率，使每块光伏组件的输出始终处于最优状态。补偿太阳能由于光照强度、阴影、温度变化、电池板失匹或老化等可变因素引起的功率损耗，实现分布式MPPT功能。由于不受相邻组件的影响，优化器可以独立增强并提高单个组件的性能，保证每个组件的最大功率输出。即使一块组件失效，其他组件的输出功率仍能保证最大化。同时通过DC-DC升压还可以将适合逆变器正常工作的输入电压时间延长，从而使整个光伏系统能输出最多的电能，延长发电时间。
附图说明
图1为本实用新型光伏发电系统框图；
图2为常规光伏发电系统框图；
图3为本实用新型电路原理框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种分布式单芯片光伏功率优化器，安装在每块光伏组件上，具有DC-DC电压转换和MPPT功能，光伏组件的输出为功率优化器的输入，每个光伏优化器的输出再根据系统要求通过串联、并联的方式连接后接入逆变器，向电网并网发电。
在配置了功率优化器的光伏阵列中，每块光伏组件在功率优化器DC-DC转换和MPPT的调控下都以自身所能发出的最大功率输出，克服光伏组件在部分被遮挡、附近物体的反射、光伏组件的倾斜角和方位角不同、光伏组件有灰尘、光伏组件温度不均等情况下引起的失配问题，能最大限度地提高光伏系统的发电量。
如图2所示，常规光伏发电系统，没有使用本优化器的光伏阵列，由于为多块光伏组件串联，当其中一块光伏组件出现失配现象时，将影响整串光伏组件的功率输出。在实际的光伏发电应用中，许多光伏组件安装时由于受场地和周边物体的影响，往往会出现光伏组件之间，组件与逆变器之间不匹配的问题，使光伏组件无法发挥出其应有的发电能力。如光伏组件部分被遮挡、空中的云影、附近物体的反射、光伏组件的倾斜角和方位角不同、光伏组件有灰尘、光伏组件温度不均等，此时组件的输出会因阵列光伏组件的发电效率不同而引起组件的失配问题，导致系统发电效能降低。经实测，仅仅遮挡一小部分的光伏组件就会引起25%-50%的电能损失。在今后最具发展前途的分布式光伏电站和屋顶光伏系统中，由于要与原有建筑相结合，可能无法保证太阳光始终不被遮挡，产生光伏阵列的局部阴影问题；同时还可能受建筑结构的限制，光伏组件出现不同的安装倾斜角和方位角，使光伏组件接收的太阳辐照量不同，产生组件之间的电流和电压失配，从而导致光伏系统发电量的损失。
如图3所示，本实用新型优化器采用专用的高集成度MOS开关功率芯片，其内部集成了4只MOS功率开关管，由其内核的PWM发生器进行调节控制，典型的工作频率为100KHz，外围配以电感和电容构成4路BOOST升压电路，可以根据光伏组件输出功率的大小对4组电路进行开启或关闭，以提高不同功率下的转换效率。由于采用了4组BOOST升压电路，降低了每组电路所需的电容容量，完全可以用安全可靠的贴片电容实现，避免使用电解电容，延长了优化器的寿命，提高了可靠性。
芯片内部的最大功率跟踪算法MPPT采用扰动观察法，通过改变PWM占空比调节MOS功率管的导通和关断时间，调节光伏组件的输出电流电压，使光伏组件始终工作在最大功率点附近。
一种分布式单芯片光伏功率优化器，包括单片MOS开关功率芯片，单片MOS开关功率芯片内包括四只MOS功率开关管、PWM发生器、输入电压检测单元、输出电压检测单元和MPPT算法模块；其中，输入电压检测单元串联电阻后连接输入端，输出电压检测单元串联电阻后连接输出端，输入电压检测单元、输出电压检测单元连接MPPT算法模块，MPPT算法模块与PWM发生器通讯，PWM发生器通过四只MOS功率开关管分别控制四路DC-DC转换电路。
DC-DC转换电路，包括绝缘栅场效应管和二极管，其中绝缘栅场效应管的栅极连接MOS功率开关管，绝缘栅场效应管的源极和漏极之间并联一个二极管，漏极连接输入端的负极，源极串联一个二极管后分为两路，一路连接输出端的正极，另一路串联电容后连接输出端的负极；源极串联一个电感后接入输入端的正极。
为适应不同规格的光伏组件和逆变器输入电压的要求，优化器通过分压电阻分别对输入电压和输出电压进行采样，可以接受从6.5～40V范围的光伏输入电压。同时通过输出电压采样反馈，在采样电压超过1V时，输出反馈回路可进行调节限制输出电压的升高。当输入或输出电压超过限定电压时，芯片可立即关断MOS管进行保护。
整个硬件电路采用高集成度设计，可全部采用体积小可靠性高的表面贴元件，线路板体积小易于安装在光伏组件的接线盒中。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种分布式单芯片光伏功率优化器，其特征是：包括单片MOS开关功率芯片，单片MOS开关功率芯片内包括四只MOS功率开关管、PWM发生器、输入电压检测单元、输出电压检测单元和MPPT算法模块；其中，输入电压检测单元串联电阻后连接输入端，输出电压检测单元串联电阻后连接输出端，输入电压检测单元、输出电压检测单元连接MPPT算法模块，MPPT算法模块与PWM发生器通讯，PWM发生器通过四只MOS功率开关管分别控制四路DC-DC转换电路。
2.如权利要求1所述的一种分布式单芯片光伏功率优化器，其特征是：所述DC-DC转换电路，包括绝缘栅场效应管和二极管，其中绝缘栅场效应管的栅极连接MOS功率开关管，绝缘栅场效应管的源极和漏极之间并联一个二极管，漏极连接输入端的负极，源极串联一个二极管后分为两路，一路连接输出端的正极，另一路串联电容后连接输出端的负极；源极串联一个电感后接入输入端的正极。
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