CN204465412U - 一种光伏发电系统智能化控制整机装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏发电系统智能化控制整机装置,包括光伏电池组件保护电路、光伏电池检测和故障判断、光伏电池监控三个方面。本系统选取一块ARM控制芯片STM32当作中央数据处理器，该处理器通过无线通讯实现对各个光伏阵列的工作的状态数据采集，实现基于数据融合的组件故障判断等功能。中央数据处理器根据无线通讯的ID号和相关的故障类型及时进行整个光伏阵列的运行监控，实现老化或故障光伏组件的快速定位。本实用新型的优点是：在实现光伏组件智能化及其故障快速定位的基础上进一步设计了基于无线智能通讯技术的光伏发电监控系统，相比传统光伏发电控制产品提高系统整体的智能化程度。

Description

一种光伏发电系统智能化控制整机装置

技术领域

本实用新型涉及一种光伏发电系统智能化控制整机装置，尤其是集光伏组件智能化、故障快速定位及光伏电池监控为一体的光伏发电系统智能化控制整机装置。

背景技术

随着世界能源危机的到来，太阳能光伏发电技术的应用越来越广泛。而光伏组件是光伏发电最重要的装置,所以光伏组件的质量与可靠性直接决定了整个光伏发电系统的可靠性、安全性与稳定性。光伏电池阵列一般为串并联方式，因此，如果一块电池组件受到阴影、灰尘等遮挡或老化等原因而导致功率降低时，所有串联在链路中的电池组件都将因电流强度下降而受到影响，这就是长期困扰PV产业的失配问题。目前，普通光伏组件的电路主要是安装一个续流二极管并联在每串光伏组件两端，起到平衡电流的作用，但是这种方法会消耗比较大的功率，降低系统的发电效率，并且二极管的散热问题是整个光伏组件的安全隐患。在太阳能光伏发电系统中，保证光伏阵列工作的安全性和可靠性，充分发挥每一片光伏电池组件的最大发电效率和正常工作是十分重要的。而光伏阵列的实际发电量远低于理论设计要求，主要是太阳能发电所受的制约因数较多。其内部原因是每块电池组件自身特性差异引起的联接组合效率损失，单块电池组件损坏、电池组件老化等等，而外因则包括电池阵列的的安装、电池组件的阴影遮挡、组合规则等。要充分提高光伏发电效率，就必须对光伏电站的每一块光伏组件进行检测和控制，但是目前国内外对光伏发电的检测只侧重于整体电池方阵的研究，只是关注光伏电站整个的输出电压、电流和功率等，而对于每一块的光伏电池组件运行状态、运行效率没有采集和控制。另一方面，由于目前人们只关注的是整个太阳能发电装置,而不是单个光伏电池组件,因此,当某个或某些电池组件出现故障时则很难监测和定位。特别是某些在野外由数十万个光伏电池组件组成的大型发电站,要查找哪些电池组件不能正常工作则更加困难,一般只有当问题非常严重后到现场逐个检测,才能定位故障阵列所在位置。因此，为了使光伏发电系统达到最大发电效率状态，必须对解决失配问题的方法进行改进，并对光伏电站的每一块电池组件发电参数和状态进行检测，为电站监控装置提供实时数据，且对每一个故障或老化的组件进行快速定位并进行及时修复。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种光伏发电系统智能化控制整机装置，克服目前光伏发电系统的失配问题、国内对光伏发电的检测只侧重于整体检测所带来发电效率低以及难以定位故障组件的难题。

一种光伏发电系统智能化控制整机装置，主要包括光伏电池组件保护电路模块、光伏电池检测和故障判断模块、光伏电池监控模块三个方面；其特征在于：光伏电池组件保护电路模块主要由多个光伏电池组件和负载串联而成，所述每个光伏电池组件内置并联有旁路原件，旁路原件采用MOS场效应管；光伏电池检测和故障判断模块主要由ADUC814单片机内置的智能组件来完成，ADUC814单片机的智能组件主要包括：光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号模块、信号调节电路、控制器组件故障判断处理模块、无线通信模块和中央数据处理器组成；光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号模块连接电流以及工作温度信号模块，电流以及工作温度信号模块连接信号调节电路，信号调节电路连接控制器组件故障判断处理模块，控制器组件故障判断处理模块连接无线通信模块，无线通信模块连接中央数据处理器；所述控制器组件故障判断处理模块接收光伏电池组件保护电路模块中的MOS场效应管驱动电路控制信号；光伏电池监控模块通过检测由ADUC814单片机内置的智能组件，控制器组件故障判断处理模块不停对元件进行检测，中央数据处理器接收来自故障元件所属单片机发送的信号启动光伏组件保护电路模块，最后传输到室内监控计算器，所述中央数据处理器为一块ARM控制芯片STM32。

本实用新型的有益效果是: 光伏发电系统智能化控制整机装置相比传统光伏发电控制产品在光伏电池组件保护电路、智能化、光伏组件运行状态监测控制和保护等功能方面进行了研究和开发，解决了目前光伏发电装置保护电路安全可靠性低、只能监控光伏电站整体而无法检测每块电池组件工作状态、以及故障组件难以定位的弊端，进一步提高系统整体的智能化程度，从而研制出具有国内领先国际先进的光伏发电系统智能控制整机装置系统。

附图说明

图1是本实用新型装置的保护电路结构框图,可以看出多个光伏电池串联组成阵列，因单个单元出现问题势必影响整个光伏阵列，而光伏电池两端并联旁路元件就是为了保护电池组件。

图2是本实用新型装置的光伏组件监测框图，采集光伏阵列的工作信号，智能组件自身立即进行判断故障及处理，同时经无线通讯向中央处理器报送位置。

图3是本实用新型装置的智能光伏组件的监控系统框图，中央数据处理器通过无线通讯对各个光伏阵列的工作的状态数据进行采集，进一步实现基于数据融合的组件故障判断和快速定位。

图4是本实用新型装置的智能化整机控制装置整体设计图，由分布在各光伏单元智能组件、无线通讯模块、中央数据处理器（STM32）和IPC显示系统组成。

在图中，1为光伏电池组件，2、MOS场效应管，3、负载，4、光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号模块,5、信号调节电路,6、控制器组件故障判断处理模块,7、无线通信模块,8、中央数据处理器，9、室内监控计算器。

具体实施方式

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光伏发电系统智能化控制整机装置，主要包括光伏电池组件保护电路模块、光伏电池检测及故障判断模块及光伏电池监控模块；其结构和功能说明如下：

1、光伏电池组件保护电路模块，光伏阵列是由光伏组件1串并联而组成的，如果在光伏组件1中某电池单元由于老化、失配、遮挡阴影等形成热斑效应问题，那么该电池就不发电，该部分的电阻变大，此时串联连接回路（组件串）的全部电压加在这个电池单元上，电流流过该高电阻单元会使其发热，产生高温，导致此单元以及其周围的填充树脂变色，引起里面保护膜的膨胀。如果单元的温度继续升高，那么此单元甚至整个光伏组件将破损。为防止组件因不平衡电流而损坏，必须增加保护电路模块以保护电池组件。目的是让高电抗的电池单元或者电池组件中流过的电流分流。一般在构成光伏阵列的每一个光伏组件上都安装旁路元件构成保护电路模块。多数场合，使用二极管作旁路元件。保护电路结构如附图1所示，一般在安装在光伏电池组件内端子箱或负载3的输出端子正、负之间。多个串联连接的每一个光伏电池组件用同样的方法连接旁路元件，从而构成保护电路模块，保护原理如下：组件工作电流正常时，旁路元件关闭，当组件发生故障时，旁路元件导通将不平衡电流释放，即电流跨过故障元件，从而避免故障扩大化。

因此采用光伏组件两端并联二极管的技术并不能很好地解决热斑效应问题。本装置在光伏电路中采用MOS场效应管2取代当前的整流二极管或肖特基二极管，因为MOS场效应管2的导通电阻一般为5-10mΩ，流过10A的电流时只有50-100mV 的压降，0.5-1W的功率损失，功率损耗只有二极管或肖特基二极管的1/10，并且MOS场效应管自带散热片，反向漏电流达到微安级。因此无论从安全性还是减小功率损耗，MOS场效应管都是一个不错的选择。

综合各方面参数的要求和性价比，本装置选择贝能科技电子公司生产的IRFB4410型N沟道MOS场效应管。耐压值是100V，足够满足光伏组件电压不大于50V的要求，并留有相当余量。导通电阻一般是8mΩ-10mΩ，完全满足光伏组件保护和控制要求。并且MOS场效应管是个压控元件，为了能正常工作，必须在其栅极加上电压控制信号。在光伏组件正常工作的情况下，控制器检测各路信号正常，旁路是关闭的，而当系统检测到组件发生失配现象时，单片机控制打开MOS场效应管释放由此产生的不平衡电流，从而实现对光伏组件的保护作用。

2.光伏电池检测和故障判断模块

光伏组件工作状态的检测以及旁路MOS场效应管的开关控制由ADUC814单片机组成的智能组件来完成，主要实现光伏组件智能化检测和无线通讯功能。光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号4由传感器采集，经信号调理电路5后送入单片机内，单片机内故障判断程序对检测的数据模块6进行融合和分析，当判断组件发生失配现象时，组件控制器控制场效应管2的驱动电路，意即单片机控制保护电路模块的工作，场效应管2的导通使得电流得以绕过故障元件从而保护光伏电路组件。

本系统还选取一块ARM控制芯片STM32当作中央数据处理器8，该处理器通过无线通讯7接收各个光伏阵列工作的状态数据，进一步实现基于数据融合的组件故障判断及快速定位，为故障检修提供依据。

无线通讯模块7拥有4个字节的地址，因此整个无线网拥有2³²节点地址，完全满足光伏电站的光伏电池的智能监控的要求。由于每一块光伏组件都单独匹配控制器，能独立处理、控制和判断本组件的运行状态，且每个智能组件都只有唯一的节点地址ID号。因此中央数据处理器可以根据无线通讯的ID号和相关的故障类型及时进行整个光伏阵列的运行监控，实现老化或故障光伏组件的快速定位。

3.光伏电池监控模块

为了实时地检测每一块光伏电池组件的工作状况，包括对温度、输出电压、输出电流进行监测并对异常情况及时处理和报警。也为了避免热斑效应，减少其带来的损失，本装置在实现光伏组件智能化及其故障快速定位的基础上设计了一套针对光伏电池组件的无线监控智能系统，将各单元的智能组件与中央数据处理器进行通讯，以解决目前光伏发电监控装置只监控整个光伏电站的电流、电压、功率等，而无法检测每块电池组件工作状态的弊端。中央数据处理器接收来自故障元件所属单片机发送的信号，内部处理从而快速得出故障元件的准确位置，为检修提供支持。由此可看出各模块间的联系：在整个系统工作过程中光伏电池检测和故障判断模块要不停对元件进行检测，当判断热斑及失效故障时，首先启动光伏组件保护电路模块，及时保护元件及电路，同时，经无线通讯报送故障信息和位置ID号，而光伏电池监控模块接受信息分析后快速定位，利于检修。

通过本监控装置能实现故障光伏组件快速判断和快速定位, 并在实现光伏组件智能化的基础上，进一步设计了基于无线智能通讯技术的光伏发电监控系统。

现结合附图2、3、4对本装置作进一步说明：

如图2所示：首先，各个单位的智能组件对采集的对应组件的工作电压、电流以及工作温度信号进行实时在线监测，当判断组件发生失配现象等故障时，立即输出控制信号打开MOS场效应管释放由此产生的不平衡电流，实现对光伏组件的保护作用，同时提高整个光伏阵列的发电效率。同时，如附图3，智能组件经无线通讯模块和中央数据收集器进行通讯，发送本组件电池的运行参数、工作状态和故障信息等，室外的中央数据处理器对收集来的数据进行适当的处理后可以通过室内IPC液晶进行实时显示，并对故障进行报警便于系统快速定位故障组件。

附图4中系统进行组网时，按智能光伏组件的地址将其加入到某个网路中，中央数据处理器只处理属于网内的组件发来的数据。一个网内组件有多个，每个智能组件有唯一的ID地址，通过多点对一点的通讯方式与中央数据处理器通讯。由STM32构成的中央数据处理器作为无线通讯网的主站，有一固定的地址，其功能是顺序召唤每个智能化光伏组件，接收、存储及转发组件发来的数据。为了提高传输效率，确保通信的可靠性，制定了相应的无线通信协议。通信的协调完全由中央数据处理器按照通讯协议控制。智能组件本身每1秒采集一次数据，并进行处理判断后进行本组件的控制并把相关的数据存于自带存储器中，组件在发现自身发生故障或收到中央数据处理器的召唤命令时，才向中央数据处理器发送数据。正常情况下，中央数据处理器顺序召唤每个智能光伏组件，让其发送运行参数，也可以设置和改变智能组件的运行控制参数。

为了增大无线网络覆盖的距离，中央数据处理器放在室外，其对收集来的数据进行适当的处理后可以通过本地液晶进行实时显示，并对故障进行报警。PC机放在中控室，其与中央数据处理器之间采用RS485通讯。PC机功能是显示、报警、打印、历史数据记录和再现报表等功能。系统软件可以在显示器上开多个显示窗口，各窗口中同时显示不同的实时更新的内容。

对于本实用新型而言，只要是涉及单个光伏组件智能化保护和检测以及利用无线通信ID号快递定位故障组件均在本实用新型专利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光伏发电系统智能化控制整机装置，主要包括光伏电池组件保护电路模块、光伏电池检测和故障判断模块、光伏电池监控模块三个方面；其特征在于：光伏电池组件保护电路模块主要由多个光伏电池组件和负载串联而成，所述每个光伏电池组件内置并联有旁路原件，旁路原件采用MOS场效应管；光伏电池检测和故障判断模块主要由ADUC814单片机内置的智能组件来完成，ADUC814单片机的智能组件主要包括：光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号模块、信号调节电路、控制器组件故障判断处理模块、无线通信模块和中央数据处理器组成；光伏组件的工作电压、电流以及工作温度信号模块连接电流以及工作温度信号模块，电流以及工作温度信号模块连接信号调节电路，信号调节电路连接控制器组件故障判断处理模块，控制器组件故障判断处理模块连接无线通信模块，无线通信模块连接中央数据处理器；所述控制器组件故障判断处理模块接收光伏电池组件保护电路模块中的MOS场效应管驱动电路控制信号；光伏电池监控模块通过检测由ADUC814单片机内置的智能组件，控制器组件故障判断处理模块不停对元件进行检测，中央数据处理器接收来自故障元件所属单片机发送的信号启动光伏组件保护电路模块，最后传输到室内监控计算器。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统智能化控制整机装置，其特征在于：所述中央数据处理器为一块ARM控制芯片STM32。