CN206820748U - 用于光伏组件间单导线载波通信的载波信号耦合电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种用于在光伏组件间的直流单导线上进行载波通信的载波信号耦合电路。来自光伏组件上的监测模块的发送支路的载波信号通过耦合电路耦合到光伏组件上，并经过光伏组件之间的直流单导线以及光伏组件组成的组件串列进行传送,其中耦合电路由构成高通电路的双侧RC耦合电路组成；来自直流单导线的载波信号通过耦合电路来接收，然后送到监测模块的接收支路,其中该耦合电路由双侧RC耦合电路构成的二级RC高通电路与一级RC低通电路组成。这种载波信号耦合电路能保证载波信号在光伏组件间的直流单导线上进行正常传输，而不会改变或基本不会改变组件等效电路特性，还可以对系统中的噪声干扰有滤波作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及光伏电站中光伏组件间的通信，具体涉及一种用于光伏组件间的直流单导线载波通信中的载波信号耦合电路。
背景技术
为了实现对光伏组件的实时监测，需要将光伏组件的监测模块所采集的数据变成载波信号在组件之间传送。具体地，每个光伏组件上的监测模块将其采集到的数据，如光伏电压、电流、温度、水寝等参数，以帧的形式通过监测模块中的发送支路发送，然后通过耦合电路耦合到光伏组件上，并经过光伏组件之间的单导线以及组件串列进行传送，最后通过接收光伏组件两端的耦合电路来接收，并送到该接收光伏组件的监测模块的接收支路，实现对各组件的监测功能。
由于光伏组件构成的组件串间的连接结构比较特殊，输电导线正负极直接接到汇流箱，因此载波信号在组件串列上实际是以单导线传输。现有的电力线载波通信方案多采用电压互感器并联在双线电力线上进行信号耦合，并不适用于光伏组件间的直流单导线传输场景，为此需设计适合于直流单导线载波通信中传输载波信号的耦合电路。
要在直流单导线上实现载波通信，设计的耦合电路需要满足以下几个要求：
（1）耦合电路应能将载波信号耦合到单线串联的组件间的输电导线上；
（2）设计的耦合电路应不改变或基本不改变组件等效电路特性；
（3）由于实际光伏组件串列一般串联有二十个左右的光伏组件，所以设计的耦合电路应能保证大部分的载波信号电流流经光伏组件串列主回路，少部分的载波信号电流经耦合电路分流作为输出信号，保证载波通信的正常进行；
（4）设计的耦合电路不仅要能实现载波信号的耦合，还应对光伏发电系统中产生的噪声干扰信号，主要是逆变器的脉冲噪声，有一定的滤波作用。
常见的耦合方式有电感耦合及阻容耦合。若采用电感耦合，则需将组件间的直流导线穿过环形电感的孔心，然后从电感线圈绕线上耦合出载波信号，其优点是对载波信号的衰减小，但环形电感体积大，而且价格昂贵。相对于电感耦合而言，阻容耦合具有成本低、电路结构简单、安装方便等特点。
为了在光伏组件间的单一直流导线上实现载波通信，本实用新型提出了一种用于光伏组件间通信的载波信号耦合电路，采用阻容耦合方式,成本低、现场安装方便，并且可以满足上述设计要求，即：该耦合电路既能对光伏组件输出的直流电力信号做到无衰减或衰减几乎为零，又能保证大部分的载波信号流过光伏组件串列主回路，少部分的交流载波信号经耦合电路分流作为输出信号；载波信号耦合到单一直流导线串联的组件之间，并可以通过组件进行传输；保证了载波通信的正常进行而不会改变或基本不会改变组件等效电路特性；还可以对光伏发电系统中产生的噪声干扰信号有一定的滤波作用。
发明内容
为了在光伏组件间实现单导线载波通信，使得光伏组件的监测模块所采集到的电压、电流、温度、水寝等参数能够在光伏组件串列之间传输，本实用新型提供了一种用于光伏组件间单导线载波通信的载波信号耦合电路,在光伏组件串列两端并联带有一定滤波功能的双侧RC耦合，以实现光伏组件间单导线载波通信的载波信号耦合。
为此，本实用新型提供如下技术方案：一种载波信号耦合电路, 用于在光伏组件间的直流单导线上进行载波通信的载波信号的耦合,其中：来自光伏组件上的监测模块所采集的数据，以载波信号的形式通过监测模块的发送支路发送，然后通过在该光伏组件两端的耦合电路耦合到光伏组件上，并经过光伏组件之间的直流单导线以及光伏组件组成的组件串列进行传送,其中用于发送载波信号的所述耦合电路由构成高通电路的双侧RC耦合电路组成；来自直流单导线以及组件串列的载波信号通过光伏组件两端的耦合电路来接收，然后送到该光伏组件的监测模块的接收支路,其中该耦合电路由双侧RC耦合电路构成的二级RC高通电路与一级RC低通电路并联组成,构成带外不平衡衰减的带通滤波电路。
进一步地，所述双侧RC耦合电路由两个并联在光伏组件两侧的RC高通电路组成，两个RC高通电路分别由电阻R1和电容C1串联而成以及由电阻R2和电容C2串联而成，送往接收支路的载波信号和来自发送支路的载波信号分别加载在所述两个RC高通电路的电阻上R1和R2上；所述RC低通电路并联在电阻R1两端, 由并联的电阻R3和电容C3组成。
进一步地，用于接收载波信号的所述耦合电路包括用于滤波的电容C4,所述RC低通电路与电容C4连接并且通过电容C4并联在电阻R1两端。
该载波信号耦合电路既能不影响光伏组件输出的直流信号的传输，又能实现载波信号通过组件及其组件之间的单导线进行传输，还可以对光伏发电系统中产生的噪声干扰信号有一定的滤波作用。
附图说明
图1是本实用新型实施例所提供在光伏组件间进行单导线载波通信的系统结构示意图。
图2是图1所示的光伏组件1的阻抗等效电路。
图3是图1所示的用于光伏组件间进行单导线载波通信的载波信号耦合电路2的一种结构示意图。
图4是图1所示的用于光伏组件间进行单导线载波通信的载波信号耦合电路2的另一种结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型实施例的方案，下面结合附图对本实用新型实施例作进一步的详细说明。
图1是本实用新型实施例所提供在光伏组件间进行单导线载波通信的系统结构示意图。如图1所示，为了传输光伏组件1的监测模块所采集的数据，需要将携带上述数据的载波信号通过光伏组件1监测模块的发送支路送到光伏组件1两端的载波信号耦合电路2，然后发送出去，之后通过光伏组件之间的单导线以及组件串列进行传送；反之，来自单导线以及组件串列的载波信号也将通过光伏组件1两端的载波信号耦合电路2来接收，然后送到该光伏组件1的监测模块的接收支路，由监测模块进行接收。在本实用新型的实施例中，所提供的载波信号耦合电路2为双侧RC耦合电路，其具体结构将如图3和图4所示，后面将结合图3和图4对其进行详细说明。
为了设计适合载波信号传输的载波信号耦合电路，下面将结合图2对图1中所示的光伏组件1的阻抗特性进行分析。图2是图1所示的光伏组件1的阻抗等效电路。其中，RS 11和RP 12分别为光伏组件1的等效串联阻抗和等效并联阻抗；Cj 13为等效结电容；L 14为等效电感；Cp1 15和Cp2 16为光伏组件1的对地等效电容。
计算其串臂等效阻抗Z串1为：
（公式1）
光伏组件1的等效阻抗左边ZPV1左为Z串1与Cp2 16串联再与Cp1 15并联：
（公式2）
光伏组件1的等效阻抗右边ZPV1右为Z串1与Cp1 15串联再与Cp2 16并联：
（公式3）
由于Cp1 15和Cp2 16的实测值相差不大，因此Zpv1和Zpv2也相差不大，可认为这两者近似相等，即有Zpv1=Zpv2=Zpv。
通过分析图1所示的单个光伏组件1的阻抗等效电路可知,由于光伏组件1等效电路中的并联电容Cj 13的大小与光照及温度的变化相关，当光照增强或温度升高时光伏电池的正偏电压增大，PN结变窄，等效结电容增加，使得Cj 13的值也变大。并联电容Cj13的大小还跟频率有关，频率越高Cj 13容抗值越小，有利于载波信号的传输。而串联电感L 14的大小同样受到光照和温度变化的影响，但其影响比Cj 13的要小，L 14的大小也与频率有一定关系但变化不大，频率越高时L 14感抗值越大，对载波信号会产生一定的衰减。Cp1 15和Cp216是光伏组件的对地等效电容，其大小与组件的架设方式、土壤、环境等因素有关，因其数值较小，对载波信号传输基本没有影响。综合考虑Cj13和L 14的作用，可知要使载波信号在组件上传输时受到的衰耗最小，那么载波信号频率既不能太大也不能太小，应在一个合适的范围内。本实用新型实施例中载波信号频率取值为200kHz，故设计的阻容耦合电路应为带通型。
图3是图1所示的用于光伏组件间进行单导线载波通信的载波信号耦合电路2的一种结构示意图。在该实施例中,载波信号频率取值为200kHz，光伏组件1的耦合电路由C121、R1 22、C2 23、R2 24、组成双侧RC耦合电路，直接并联在光伏组件1两端，进行高通型阻容耦合。因光伏组件1的等效阻抗很小，与耦合电路相比可忽略，可认为组件两侧的耦合电路耦合了同样大小的电压信号，而信号输出仅来自组件一侧耦合电路的电阻R1 22上。这种耦合方式属于高通型共模耦合、差模输出方式，可称为“双侧RC耦合方式”。这样，发送支路发送的载波信号不会再经过本光伏组件1直接回到发送支路，而形成多回路、多相位、多幅度信号的叠加，这样便消除了光伏组件等效电路中串联寄生电感L 14的存在所导致的耦合电路输出信号波形的振荡，同时还弥补了发送端是单侧RC耦合电路时由于组件等效阻抗小，发送支路发出的载波信号绝大部分经耦合电路及本组件返回发送支路的不足。
在图3中,光伏组件1的载波信号耦合电路2直接并联在该组件两端，载波信号收发分别加载在电阻R1 22和R2 24上，来自光伏组件的监测模块的发送支路的载波信号通过双侧RC耦合电路，耦合到光伏组件之间的单导线上，并且通过光伏组件以及它们之间的单导线传输；同样地，来自光伏组件之间的单导线的载波信号通过该双侧RC耦合电路耦合到该光伏组件1的监测模块的接收支路。这里，优选地，取C1=C2=1μF，R1=R2=1kΩ。由于载波信号耦合电路2的电阻取值远大于光伏组件1的等效电阻，因此将载波信号耦合电路2并联到光伏组件1两端时，载波信号在载波信号耦合电路2上的分流很小。
但是，这种耦合电路在光伏组件1的收发端均采用双侧RC耦合的方式，仅适合无噪声干扰的纯阻性负载。在对有噪声干扰的情况时，在得到耦合输出信号的同时，也将高于截至频率的噪声干扰信号也耦合输出了，不利于载波信号的提取，会增加传输误码，降低系统的可靠性。
图4是图1所示的用于光伏组件间进行单导线载波通信的载波信号耦合电路2的另一种结构示意图。该载波信号耦合电路2的发端同样采用双侧RC耦合电路进行高通型阻容耦合，收端的耦合输出则是采用两级RC高通滤波及一级RC低通滤波电路，其中由C1 31、R132、C2 33、R2 34组成的双侧RC耦合电路也构成了二级高通电路，由R3 36、C3 37构成一级RC低通电路。优选地，取C1=1.5nF、R1=R2=1kΩ，C2=1uF、R3=10kΩ，C3=51pF，则双侧RC耦合电路构成高通滤波，其截止频率为106.16kHz。此外，电容C3 37与电阻R3 36构成低通滤波电路，其高端截止频率为312.2kHz，同时电容C4 35串接在RC低通电路和由R1与C1组成的RC高通电路之间,RC低通电路通过C4 35并联在电阻R1两端，对接收信号波形的小尖刺有很好的吸收效果，使得杂波减少，波形更加清晰。
这样一来，发送支路的耦合电路为高于106.16kHz的高通滤波电路；接收支路耦合电路为106.16kHz～312.2kHz的带通滤波电路，是一种二级RC高通电路与一级RC低通电路组成，构成带外不平衡衰减的带通滤波器，其对100kHz以下及300kHz以上干扰信号得到有效的衰减作用，很好地改善了图3的收发都双侧RC耦合电路的不足之处。这里，其截止频率为f以及其中电容C的选取应使：，且。
以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本实用新型进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型所发明的耦合方式；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。
Claims (5)
1.一种载波信号耦合电路，用于在光伏组件间的直流单导线上进行载波通信的载波信号的耦合，其中：
来自光伏组件上的监测模块所采集的数据，以载波信号的形式通过监测模块的发送支路发送，然后通过在该光伏组件两端的耦合电路耦合到光伏组件上，并经过光伏组件之间的直流单导线以及光伏组件组成的组件串列进行传送，其中用于发送载波信号的所述耦合电路由构成高通电路的双侧RC耦合电路组成；
来自直流单导线以及组件串列的载波信号通过光伏组件两端的耦合电路来接收，然后送到该光伏组件的监测模块的接收支路，其中该耦合电路由双侧RC耦合电路构成的二级RC高通电路与一级RC低通电路并联组成，构成带外不平衡衰减的带通滤波电路。
2.根据权利要求1所述的载波信号耦合电路，其特征是所述双侧RC耦合电路由两个并联在光伏组件两侧的RC高通电路组成，两个RC高通电路分别由电阻R1和电容C1串联而成以及由电阻R2和电容C2串联而成，送往接收支路的载波信号和来自发送支路的载波信号分别加载在所述两个RC高通电路的电阻上R1和R2上；所述RC低通电路并联在电阻R1两端, 由并联的电阻R3和电容C3组成。
3.根据权利要求2所述的载波信号耦合电路，其特征是用于接收载波信号的耦合电路进一步包括用于滤波的电容C4，所述RC低通电路与电容C4连接并且通过电容C4并联在电阻R1两端。
4.根据权利要求2或3所述的载波信号耦合电路，其特征是双侧RC耦合电路中，构成RC高通电路的电阻和电容的取值分别为R1=R2=1kΩ和C1=C2=1uF。
5.根据权利要求2或3所述的载波信号耦合电路，其特征是双侧RC耦合电路采取高通型共模耦合和差模输出方式。
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