CN204131141U - 采用虚拟接地技术的光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，包括M台并联发电的光伏逆变器，所有光伏逆变器的输出端与同一台隔离变压器的输入端连接，每台光伏逆变器的输入端分别连接有至少一块太阳能电池板，其特征在于：M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的负极与地之间连接一用于抬升当前光伏逆变器的负极对地电压的隔离直流电压源；或者M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的正极与地之间连接一用于降低当前光伏逆变器的正极对地电压的隔离直流电压源。针对于具有多台并联光伏逆变器的光伏发电系统，本实用新型提供一种解决太阳能电池板电势诱导衰减的方案，能够有效防止PID效应导致的组件性能下降问题，而且简单易行、成本较低。

Description

采用虚拟接地技术的光伏发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种能够解决电势诱导衰减的光伏发电系统，属于新能源并网发电技术领域。

背景技术

太阳能发电作为新能源的重要组成部分，获得越来越大的发展。但是随着光伏产业规模不断扩大，使用环境的差异性与不确定性，特别是一些环境条件比较恶劣的地区。随着时间的延长，出现了一系列的电站发电量降低，光伏组件功率下降的问题。作为光伏组件功率下降的主要原因之一的PID现象引起了广泛的关注。

光伏组件的潜在电势诱导衰减(PID，Potential Induced Degradation)指：当太阳能组件与地面形成高强度负电压，其所形成的电位差将导致太阳能电池或模组造成损害外，还会引起发电效率衰减的问题，影响整个系统的发电能力和总输出功率。

光伏发电系统中，当太阳能电池板组件负端对大地产生高强度负向电压时，此负向电压会造成漏电流，从而导致太阳能组件的电势诱发衰减，影响光伏发电系统的效率，使输出功率下降。研究表明，此衰减可逆，即增加相反的正向电压，衰减的特性可恢复或减缓。根据PID效应的特点，光伏发电系统级层面，常规的解决方案如下：

1、根据PID的可逆性特点，逆变器记录白天发电时间及电池板负端与大地之间的电压值，利用夜间逆变器无法发电期间，在电池负端和PE之间施加相同时间的幅值相同的正向电压，以使衰退恢复。光伏逆变器一年四季在户外工作，天气变幻莫测，光伏逆变器每天的发电时间与夜间不工作时间相差很大，这就导致反补时间存在很大的不确定性等，且此方案电路及控制比较复杂，成本也略微偏高。利用此方案的产品有德国SMA公司的PID BOX。

2、电池板的PID效应跟电池板负端与PE之间的反向电压有关，而消除此电压可以有效消除电池组件的PID效应。因此也有部分厂家采用光伏组件负端直接接地，让太阳能组件负极与大地等电势，达到消除组件的PID效应，但是此方案逆变器必须加隔离变压器，导致逆变器体积大，效率低，成本高。除此之外，根据UL1741等安规标准，还要考虑接地故障保护等。

3、专利号201310733423中提出一种PID消除方案，针对多机并联的光伏发电系统应用，将其中一台逆变器负端接地，控制此台逆变器的母线电压高于系统中其他逆变器，从而达到控制每台逆变器的太阳能负端与大地之间电压为很小值，基本消除组件PID效应。此方案缺点是实现复杂和不可靠，不仅需要每台逆变器之间都要通讯，且在物理接地的逆变器发生故障后，整个系统都无PID防护功能。将负极接地的逆变器母线电压高于其他逆变器，也意味着此台逆变器在某些状况下，无法工作在最大功率点附近，从而引起能量损失。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种简单易行、成本较低的光伏发电系统的方案，且能够解决电势诱导衰减给组件带来的性能下降的问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，包括M台并联发电的光伏逆变器，M≥2，所有光伏逆变器的输出端与同一台隔离变压器的输入端连接，每台光伏逆变器的输入端分别连接有至少一块太阳能电池板，其特征在于：M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的负极与地之间连接一用于抬升当前光伏逆变器的负极对地电压的隔离直流电压源；或者M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的正极与地之间连接一用于降低当前光伏逆变器的正极对地电压的隔离直流电压源。

优选地，当所述M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的负极与地之间串接一隔离直流电压源时，该隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板或自当前光伏逆变器的交流端取电，当前光伏逆变器的负极输入端经由开关器件连接该隔离直流电压源的正极输出端，该隔离直流电压源的负极输出端接地；

当M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的正极与地之间串接一隔离直流电压源时，该隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板或自当前光伏逆变器的交流端取电，当前光伏逆变器的正极输入端经由开关器件连接该隔离直流电压源的负极输出端，该隔离直流电压源的正极输出端接地。

优选地，当所述隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板取电时，或者所述隔离直流电压源的正极输入端及负极输入端直接与所述太阳能电池板的正极输出端及负极输出端相连，或者所述太阳能电池板的输出经BOOST电路升压后再连接所述隔离直流电压源的正极输入端及负极输入端。

优选地，所述隔离直流电压源在接入到所述光伏逆变器的负极或正极与地之间时，串联加入阻抗装置。

优选地，在M台光伏逆变器中的任意至少一台光伏逆变器的正极输入端或负极输入端与大地之间串联X个电阻，X为正整数，在X个电阻中的任意一个电阻的两端连接一采样电路，该采样电路向控制器输出检测到的电压检测值。

针对于具有多台并联光伏逆变器的光伏发电系统，本实用新型提供一种解决太阳能电池板电势诱导衰减的方案，能够有效防止PID效应导致的组件性能下降问题，而且简单易行、成本较低。

附图说明

图1为实施例1中的多台光伏逆变器并联发电的光伏发电系统；

图2为实施例1中的2台光伏逆变器并联发电的光伏发电系统；

图3为串联电阻后的光伏发电系统的局部示意图；

图4为不串入阻抗下流经隔离直流电压源的电流图，图中横坐标t为时间，单位为ms，纵坐标I为电流，单位为A；

图5为串入阻抗下流经隔离直流电压源的电流，图中横坐标t为时间，单位为us，纵坐标I为电流，单位为A；

图6为实施例1中第一逆变器的工作流程图；

图7为电压检测示意图；

图8A为隔离直流电压源自电池板直接取电示意图；

图8B为隔离直流电压源自BOOST电路输出端取电示意图；

图8C为隔离直流电压源自逆变器输出的交流端取电示意图；

图9为实施例2中的光伏发电系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

针对于具有多台并联光伏逆变器的光伏发电系统，本实用新型提供一种解决太阳能电池板电势诱导衰减的方案。该光伏逆变系统包括：光伏电池组件、光伏逆变器、隔离变压器及隔离直流电压源。光伏电池组件输出的直流电经过光伏逆变器逆变为交流电后，再经过隔离变压器反馈给电网。对其中一台光伏逆变器的输入负极与地之间增加一个隔离直流电压源，从而实现抬升光伏逆变系统的负极对大地的电压，使光伏逆变系统的负极对大地电压均为正电压，达到消减光伏组件PID效应的目的。

参考图1，M台光伏逆变器并联发电，即光伏逆变器1至光伏逆变器M，M为整数且M≥2，该光伏发电系统还包括隔离变压器，所有光伏逆变器的输出端与同一个隔离变压器的输入端连接，每一台光伏逆变器的输入端分别连接有至少一块电池板，即PV源1至PV源M，M台光伏逆变器中仅有光伏逆变器1的输入负极对地PE接有隔离直流电压源。

当M台光伏逆变器并联工作向电网馈电时，根据空间矢量调制原理可以得到，每台逆变器的母线中点N1，N2，...Nm与隔离变压器虚拟中线N’之间的平均电位差均为零，即VN1＝VN2＝...＝VNm，便于描述我们把逆变器的BUS电容中点称为逆变器内部中点，因为其平均电位相等，所以等效于连接在一起，形成一根虚拟中线N。对每一台光伏逆变器而言，内部中点对地PE的电压等于其母线电压的一半加上光伏逆变器的负极对地电压，即光伏逆变器1的内部中点对地电压VN1＝0.5*Vbus.1+Upe.1，其中Upe.1为光伏逆变器1的负极对地电压，Vbus.1为光伏逆变器1的母线电压。光伏逆变器M的内部中点对地电压VNm＝0.5*Vbus.m+Upe.m，其中Upe.m为光伏逆变器M的负极对地电压，Vbus.m为光伏逆变器M的母线电压。根据前面所述的各台光伏逆变器内部中点平均电位相等，可以得到0.5*Vbus.1+Upe.1＝0.5*Vbus.m+Upe.m，可推出Upe.m＝Upe.1-0.5*(Vbus.m-Vbus.1)。光伏逆变器并联工作时，隔离直流电压源也工作，输出电压为U，当开关S闭合时，光伏逆变器1的输入负极对地电压等于隔离直流电压源的输出电压，即Upe.1＝U；也可进一步推出光伏逆变器M的输入负极对地电压Upe.m＝U-0.5*(Vbus.m-Vbus.1)。

由于电池板配置及光照影响等，M台光伏逆变器的母线电压Vbus.1、Vbus.2、...Vbus.m会有所不同，但又有一个范围，记其最大值为Vbus.max，最小为Vbus.min，显而易见，系统中任意两台光伏逆变器的母线电压差值必定小于(Vbus.max-Vbus.min)，即：(Vbus.m-Vbus.1)＜(Vbus.max-Vbus.min)，设计时，使得直流隔离电压源的输出电压U＞0.5*(Vbus.max-Vbus.min)，则光伏逆变器1的输入负极对地电压为Upe.1＝U＞0，光伏逆变器M的输入负极对地电压Upe.m＝U-0.5*(Vbus.m-Vbus.1)＞0，可见系统中所有光伏逆变器的输入负极对地电压均大于零，可有效防止PID效应导致的光伏组件性能下降问题。

参考图2，为便于描述与分析，下面以M＝2为例对本申请实施例用于多机并联电路时进行详细说明。光伏逆变器1与光伏逆变器2输出端并联接入同一个隔离变压器的输入端，通过隔离变压器向电网供电，其中，光伏逆变器1的负极对地接有一隔离直流电压源，输出电压为U。白天时，光伏逆变器正常并网工作，光伏逆变器的内部中点电位对大地电位等于其母线电压Vbus的一半加上光伏逆变器的负极电压，即VN1＝0.5*Vbus.1+Upe.1；VN2＝0.5*Vbus.2+Upe.2，由于光伏逆变器1与光伏逆变器2并联工作，接入同一个隔离变压器向电网供电，所以两个光伏逆变器的内部中点等电位，即VN1＝VN2，则有0.5*Vbus.1+Upe.1＝0.5*Vbus.2+Upe.2，由于第一光伏逆变器负极对地接有一隔离直流电压源，输出电压为U，当开关S闭合时可推出：

Upe.1＝U＞0；Upe.2＝Upe.1-0.5*(Vbus.2-Vbus.1)＝U-0.5*(Vbus.2-Vbus.1)。设计时，使得U＞0.5*(Vbus.max-Vbus.min)，其中Vbus.max、Vbus.min分别为系统所允许的最高母线电压和最低母线电压，显而易见0.5*(Vbus.2-Vbus.1)＜0.5*(Vbus.max-Vbus.min)，因此有Upe.2＝U-0.5*(Vbus.2-Vbus.1)＞0，可见两台光伏逆变器的负极电位对地电压Upe.1和Upe.2均大于零，避免了光伏电池板对地形成高强度负电压，达到消减光伏组件PID效应的目的，提高整个系统的发电能力。

参考图3，在具体实施过程中，附加的隔离直流电压源在接入到光伏逆变器负极与大地之间时，可串联加入电阻或其它阻抗装置，以限定流经隔离直流电压源的电流。原因如下：因PV源、光伏逆变器等对地的寄生电容C的存在，在光伏逆变器工作时，PV源电压的波动，会通过寄生电容C、隔离电压源U，开关等形成电流回路。由于隔离直流电压源为电压源，内阻很小，开关S闭合时，内阻也可忽略，所以无附加阻抗RF时，回路的阻抗非常低，逆变器工作时，PV源电压的波动，可能形成很大的电流波动，导致系统中逆变器容易出现漏电流超限而关机。为防止此电流波动太大，加入阻抗RF，以限定此漏电电流。

通过软件对多台逆变器并联运行状态进行仿真分析，其中图4为不串入阻抗(即RF＝0)下流经隔离直流电压源的电流波形，其峰值达到10A；图5为串入阻抗(RF＝5Ω)下流经隔离直流电压源的电流波形，其幅值被抑制到0.5A。

参考图6，本实施例在光伏逆变器1工作过程中，同时还执行如下步骤：

步骤S101：系统上电开始工作，并进行开机自检。

步骤S102：光伏逆变器自检完毕，一切正常，开始正常发电。

步骤S103：光伏逆变器1的控制器下命令，闭合可控开关S，让隔离直流电压源输出的电压反馈给光伏逆变器1的负极，抬升光伏逆变器1的负极对地电压到U。

步骤S104：实时检测光伏逆变器的负极对地电压，判断此电压值是否在预先设定的阀值范围内，若是，则继续检测下一刻的负极对地电压值，若否，则执行步骤S105：发出告警信号，并在显示器上闪烁显示负极对地电压值等，以提示维护人员来排除故障，保证了相关电路的可靠性。

系统中除光伏逆变器1外的其它逆变器也执行这一工作流程(步骤S103不执行)，因其它逆变器不接隔离直流电压源，所以不执行步骤S103，但是所有逆变器都并联接入同一个隔离变压器工作，所以其它台的逆变器负极对地电压也间接抬升了，则有Upe.m＝U-1/2(Vbus.m-Vbus.1)，其中Upe.m为光伏逆变器C的负极对地电压，所以其它台逆变器执行步骤S104时，设定的阀值范围与光伏逆变器1可以相同，也可以不同，示系统技术要求而定。通过上述步骤，进一步保证了系统中相关电路的可靠性。

如成本许可，还可将系统中所有逆变信息汇总入一个总控制器，实时侦测与控制每一台逆变器，使人机通信更完美，方便，舒适，快捷等。

参考图7，在具体实施过程中，负极对地电压检测，光逆变器中负极与大地之间串联有X个电阻，其中X为正整数，在X个电阻中的某一个电阻的两端，例如R3的两端连接有一采样电路，采样电路向控制器输出检测到的电压检测值，控制器根据该电压检测值判断逆变的相关电路是否正常？是否应该发出告警信号？控制器在获得电压检测值时，可以根据公式Upe＝V3*(R1+R2+--+RX)/R3，其中Upe表示逆变器输入负极PV-对地PE的电压、RX表示负极与大地之间连接的第X个电阻、V3表示采样电路检测电阻R3上的电压。

参考图8A至图8C，在具体实施过程中，隔离直流电压源取电方式灵活多变：可以在PV源的输入端直接取电，也可从BUS端取电，即PV源经过BOOST电路升压后取电；还可从光伏逆变器输出的交流端取电。本领域的技术人员，可根据光伏逆变系统的实际情况做出合适的选择。

实施例2

参考图9，本实用新型提供的方案还可用于光伏逆变器正极接隔离电压源，因太阳能电池板材料的差异，采用某些太阳能电池板的光伏发电系统要防止PID效应导致的光伏组件性能下降问题，需要太阳能组件对大地的电势为负，即需要光伏逆变器的正极电位对大地电压均小于零，当光伏系统正极接隔离电压源时，隔离电压源的正极接大地，负极通过可控开关接光伏逆变器正极，这样白天时，光伏发电系统正常并网工作，隔离电压源也工作，当隔离电压源电压大于某一阀值时，就可以保证光伏系统的正极对大地电压均为负电压，以防止PID效应导致的光伏组件性能下降问题，本技术领域的普通技术人员都可参考上面所述的光伏发电系统负极接隔离电压源的描述，清楚的获知光伏发电系统正极接隔离电压源的原理，此处不再累述。

以上所述，仅是描述了本实用新型的较佳实施例而己，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型己以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的各种修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，包括M台并联发电的光伏逆变器，M≥2，所有光伏逆变器的输出端与同一台隔离变压器的输入端连接，每台光伏逆变器的输入端分别连接有至少一块太阳能电池板，其特征在于：M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的负极与地(PE)之间连接一用于抬升当前光伏逆变器的负极对地电压的隔离直流电压源；或者M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的正极与地(PE)之间连接一用于降低当前光伏逆变器的正极对地电压的隔离直流电压源。

2.如权利要求1所述的一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，其特征在于：当所述M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的负极与地之间串接一隔离直流电压源时，该隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板或自当前光伏逆变器的交流端取电，当前光伏逆变器的负极输入端经由开关器件(S)连接该隔离直流电压源的正极输出端，该隔离直流电压源的负极输出端接地(PE)；

当M台光伏逆变器中仅有一台光伏逆变器的正极与地之间串接一隔离直流电压源时，该隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板或自当前光伏逆变器的交流端取电，当前光伏逆变器的正极输入端经由开关器件(S)连接该隔离直流电压源的负极输出端，该隔离直流电压源的正极输出端接地(PE)。

3.如权利要求2所述的一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，其特征在于：当所述隔离直流电压源自与当前光伏逆变器对应的太阳能电池板取电时，或者所述隔离直流电压源的正极输入端及负极输入端直接与所述太阳能电池板的正极输出端及负极输出端相连，或者所述太阳能电池板的输出经BOOST电路升压后再连接所述隔离直流电压源的正极输入端及负极输入端。

4.如权利要求1所述的一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，其特征在于：所述隔离直流电压源在接入到所述光伏逆变器的负极或正极与地(PE)之间时，串联加入阻抗装置。

5.如权利要求1所述的一种采用虚拟接地技术的光伏发电系统，其特征在于：在M台光伏逆变器中的任意至少一台光伏逆变器的正极输入端或负极输入端与大地之间串联X个电阻，X为正整数，在X个电阻中的任意一个电阻的两端连接一采样电路，该采样电路向控制器输出检测到的电压检测值。