CN216720889U - 一种用于光伏组件的关断装置及应用其的光伏系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于光伏组件的关断装置及应用其的光伏系统。关断装置包括开关单元和控制单元；所述开关单元包括第一开关、第二开关、电压传感器、电流传感器；所述第一开关、电流传感器串联在光伏组件的负极回路上，所述第二开关串联在光伏组件的正极回路上，所述电压传感器并联在光伏组件的正、负极回路之间；所述控制单元与所述开关单元电性连接，所述控制单元对所述开关单元的第一开关、第二开关进行通断控制。本实用新型的关断装置能使光伏组件的正负极同时断开，完全切断组件输出，同时通过能够实现电气隔离作用，极大地降低了光伏系统的安全风险。

Description

一种用于光伏组件的关断装置及应用其的光伏系统

技术领域

本实用新型涉及光伏发电技术领域，特别是涉及一种用于光伏组件的关断装置及应用其的光伏系统。

背景技术

光伏发电是一种清洁能源，用之不竭，随着相关政策的扶持和降本技术的提升下，光伏发电得以迅猛发展，在光伏发电系统中一般将多个光伏组件串联形成组串，然后接入光伏并网逆变器将直流电转换为符合电网的交流电。多个组件串联后的组串会形成直流高压，这种直流高压会导致人身安全和火灾事故，尤其在电缆破损、熔丝故障、MC4头接触不良的情况下发生拉弧情况，风险程度进一步增加，一般光伏系统配置的并网逆变器具有拉弧检测功能，一旦直流侧产生拉弧时并网逆变器会切断与直流侧的连接并停止运行，但是，即使逆变器关断后停止运行，直流侧光伏组串电缆端直流高压依然持续存在，仍然存在安全风险，因此最安全的做法是关断每个组件的输出电压，这样就可以实现完全关断组串电缆端的直流高压。

一般常规做法是单个光伏组件输出端增加关断器，关断器主要通过MOSFET管实现关断功能，一般采用一个或多个MOSFET管，将MOSFET管安装于光伏组件输出端正极或负极回路实现关断功能。但现有的光伏组件关断器采用一个或多个MOSFET管元器件，将开关放置于光伏组件的输出负端，组件的正极输出端没有开关，不能完全切断组件正负极输出，另外MOSFET管故障状态为击穿短路，无法及时实现断开和电气隔离功能，仍然存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于光伏组件的关断装置及应用其的光伏系统，本实用新型的关断装置能使光伏组件的正负极同时断开，完全切断组件输出，同时通过能够实现电气隔离作用，极大地降低了光伏系统的安全风险。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于光伏组件的关断装置，包括开关单元和控制单元；

所述开关单元包括第一开关、第二开关、电压传感器、电流传感器；所述第一开关、电流传感器串联在光伏组件的负极回路上，所述第二开关串联在光伏组件的正极回路上，所述电压传感器并联在光伏组件的正、负极回路之间；

所述控制单元与所述开关单元电性连接，所述控制单元对所述开关单元的第一开关、第二开关进行通断控制。

第一开关实现光伏组件的输出负极回路的关断与接通；第二开关实现光伏组件正极输出端回路的关断与接通；电压传感器位于开关单元的输入端，并联于光伏组件的正负极之间，用于检测光伏组件的输出端电压。

本实用新型的关断装置中的电压传感器、电流传感器用于实时监测与之对应的光伏组件的输出电压和回路电流情况，当电压电流发生异常或某些原因需对光伏组件进行关断或接通时，对控制单元发出控制指令，使控制单元对开关单元的两个开关的通断进行控制，以使光伏组件的正负极两端被关断或接通。

进一步，所述控制单元包括电源电路、处理器、及与处理器电性连接的第一开关驱动电路、第二开关驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、通信接口电路；

所述处理器通过第一开关驱动电路与所述第一开关连接，所述处理器通过所述第二开关驱动电路与所述第二开关连接，所述处理器通过所述电压检测电路与所述电压传感器连接，所述处理器通过所述电流检测电路与所述电流传感器连接，所述处理器通过所述通信接口电路接收后端的控制指令，所述电源电路的输入电源取自所述光伏组件的正负极，所述电源电路为整个所述控制单元进行供电。

处理器主要作用为实现整个关断装置的控制功能，通过电压检测电路、电流检测电路实现关断装置电压和回路电流的检测及处理，通过第一开关驱动电路、第二开关驱动电路及控制指令实现第一开关和第二开关的接通或关断控制，通过通信接口电路实现通信数据交换及处理。

通信接口电路主要实现处理器与外部设备的通信转换功能，本电路将外部设备通信数据转换后输入到处理器，本电路主要由通信芯片、隔离电路、端口浪涌保护电路组成，能实现可靠通信。

电源电路主要功能为各单元电路提供电源，电源电路的输入电源取自光伏组件的正负极，输出电压根据各单元电路的电压等级设置，完成给处理器、通信接口电路、第一开关驱动电路、第二开关驱动电路及电压检测电路、电流检测电路供电。

进一步，所述第一开关驱动电路、第二开关驱动电路均采用MOSFET管驱动电路。

第一开关驱动电路主要完成第一开关的关断或接通控制，第二开关驱动电路主要完成第二开关的关断或接通控制，该两个电路均采用专门的MOSFET管驱动电路，由电阻和三极管组件及稳压二极管组成，根据处理器的控制指令能实现第一开关和第二开关的关断和接通。

进一步，所述电压检测电路从所述电压传感器采集的电压值通过滤波电路滤波后输入所述处理器。

进一步，所述电流检测电路从所述电流传感器采集的电流值通过滤波电路滤波后输入所述处理器。

电压检测电路主要实现关断装置的正负极端口电压检测功能，电流检测电路主要实现关断装置回路电流的检测功能。

进一步，所述控制单元还设有与所述处理器电性连接的状态指示电路，所述状态指示电路用于对关断装置进行状态指示，所述状态指示电路包括LED灯驱动电路及由其进行驱动的LED灯。

处理器根据关断装置运行情况驱动指示灯，显示关断装置的运行状态。

进一步，所述第一开关由两个S极相串联的N型MOSFET管组成，所述第二开关由一个直流继电器组成。

其中第二开关采用直流继电器实现具有明显断点的电气隔离，提高电气关断的可靠性。

本实用新型还提供一种光伏系统，包括上述的关断装置、光伏组件、逆变器、数据采集器和集控中心；

所述光伏组件设有多个，多个所述光伏组件串联连接形成电池组串，且电池组串的正负极与所述逆变器连接，所述逆变器将电压输出到光伏电站；

所述关断装置设有至少两个，在电池组串首尾的两个所述光伏组件上均配置有所述关断装置；

所述关断装置、逆变器通过所述数据采集器与所述集控中心进行有线或无线通信；

所述数据采集器采集所述逆变器、关断装置的数据输送给所述集控中心，所述集控中心发出控制指令通过所述数据采集器的转换后输送给所述关断装置，以使所述关断装置将与之对应的所述光伏组件进行关断或接通，实现电池组串的正负极端关断或接通。

通过切断装置可实现单块光伏组件或电池组串的关断功能，关断装置启动关断的指令主要来自于逆变器和集控中心的人工指令；当逆变器检测到直流侧产生绝缘降低、拉弧等故障时会产生告警，数据采集器将告警传送给关断装置后，关断装置的两个开关进行关断，完成断开光伏组件和光伏组串输出，当告警解除后，关断装置的两个开关接通，恢复光伏组件和光伏组串的正常输出；同样当关断装置接受到集控中心的人工关断指令后，数据采集器将指令转换并输出到关断装置，关断装置的两个开关进行关断，完成断开光伏组件和光伏组串输出，当再次接收到集控中心的人工接通指令后，关断装置的两个开关接通，恢复光伏组件和光伏组串的正常输出。

进一步，每个所述光伏组件均配置有一个所述关断装置，以实现对电池组串中的每一个所述光伏组件进行关断或接通。

关断装置在实际工程应用中根据组串中光伏组件的数量设置，根据系统安全要求，至少在第一个和末端第n个的两块光伏组件配置本关断装置(n为单个光伏组串中光伏组件的最大数量)，这样可以实现单个光伏组串的正负极端关断；如果需要实现组串中每个光伏组件的关断，则需要在第一个光伏组件到第n个光伏组件的每一块光伏组件配置本关断装置(n为单个光伏组串中光伏组件的最大数量)，这样可以实现单个组串中每块光伏组件的关断。

进一步，在对所述关断装置进行关断时，先关断第一开关，再关断第二开关；在对所述关断装置进行接通时，先接通第二开关，再接通第一开关。

通过第一开关和第二开关不同的先后关断和接通顺序避免拉弧现象，提高光伏系统的运行可靠性。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型的关断装置在光伏组件的正负极两端同时设置有开关，提高了关断的可靠性，大幅度降低光伏组件输出电缆接地故障的概率。且增设的第二开关实现可靠的电气隔离关断，提高电气安全，极大地降低了光伏系统的安全风险。

附图说明

图1为本实用新型关断装置的开关单元的原理框图；

图2为本实用新型关断装置的控制单元的原理框图；

图3为应用关断装置的光伏系统的原理框图；

图4为关断装置进行关断的原理示意图；

图5为关断装置进行接通的原理示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1和图2所示，一种用于光伏组件的关断装置，包括开关单元和控制单元；

开关单元包括第一开关、第二开关、电压传感器、电流传感器；第一开关、电流传感器串联在光伏组件的负极回路上，第二开关串联在光伏组件的正极回路上，电压传感器并联在光伏组件的正、负极回路之间；

控制单元包括电源电路、处理器、及与处理器电性连接的第一开关驱动电路、第二开关驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、通信接口电路；处理器通过第一开关驱动电路与第一开关连接，处理器通过第二开关驱动电路与第二开关连接，处理器通过电压检测电路与电压传感器连接，处理器通过电流检测电路与电流传感器连接，处理器通过通信接口电路接收后端的控制指令，电源电路的输入电源取自光伏组件的正负极，并为整个控制单元进行供电；

控制单元的处理器通过通信接口电路接收外界的控制指令，并通过第一开关驱动电路、第二开关驱动电路对开关单元的第一开关、第二开关进行通断控制。

本实用新型的关断装置中的电压传感器、电流传感器用于实时监测与之对应的光伏组件的输出电压和回路电流情况，当电压电流发生异常或某些原因需对光伏组件进行关断或接通时，对控制单元发出控制指令，使控制单元对开关单元的两个开关的通断进行控制，以使光伏组件的正负极两端被关断或接通。

在本实施例中，第一开关由两个S极相串联的N型MOSFET管组成，实现光伏组件输出负极回路的关断与接通；第二开关由一个直流继电器组成，实现光伏组件正极输出端回路的关断与接通，直流继电器实现具有明显断点的电气隔离，可提高电气关断的可靠性。

在本实施例中，处理器主要作用为实现整个关断装置的控制功能，通过电压检测电路、电流检测电路实现关断装置电压和回路电流的检测及处理，通过第一开关驱动电路、第二开关驱动电路及控制指令实现第一开关和第二开关的接通或关断控制，通过通信接口电路实现通信数据交换及处理。

在本实施例中，通信接口电路主要实现处理器与外部设备的通信转换功能，本电路将外部设备通信数据转换后输入到处理器，本电路主要由通信芯片、隔离电路、端口浪涌保护电路组成，能实现可靠通信。

在本实施例中，电源电路主要功能为各单元电路提供电源，电源电路的输入电源取自光伏组件的正负极，输出电压根据各单元电路的电压等级设置，完成给处理器、通信接口电路、第一开关驱动电路、第二开关驱动电路及电压检测电路、电流检测电路供电。

在本实施例中，第一开关驱动电路主要完成第一开关的关断或接通控制，第二开关驱动电路主要完成第二开关的关断或接通控制，该两个电路均采用专门的MOSFET管驱动电路，由电阻和三极管组件及稳压二极管组成，根据处理器的控制指令能实现第一开关和第二开关的关断和接通。

在本实施例中，电压检测电路从电压传感器采集的电压值通过滤波电路滤波后输入处理器，电流检测电路从电流传感器采集的电流值通过滤波电路滤波后输入所述处理器。电压检测电路主要实现关断装置的正负极端口电压检测功能，电流检测电路主要实现关断装置回路电流的检测功能。

参阅图2，在本实施例中，控制单元还设有与处理器电性连接的状态指示电路，状态指示电路用于对关断装置进行状态指示，状态指示电路包括LED灯驱动电路及由其进行驱动的LED灯。处理器根据关断装置运行情况驱动指示灯，显示关断装置的运行状态。

本实用新型的关断装置在光伏组件的正负极两端同时设置有开关，提高了关断的可靠性，大幅度降低光伏组件输出电缆接地故障的概率。且增设的第二开关实现可靠的电气隔离关断，提高电气安全，极大地降低了光伏系统的安全风险。

实施例2：

如图3所述，本实施例提供一种光伏系统，包括上述实施例1中的关断装置，还包括光伏组件、逆变器、数据采集器和集控中心；

光伏组件设有多个，多个光伏组件串联连接形成电池组串，且电池组串的正负极与逆变器连接，逆变器将电压输出到光伏电站；

关断装置设有至少两个，在电池组串首尾的两个光伏组件上均配置有关断装置；

关断装置、逆变器通过数据采集器与集控中心进行有线或无线通信；

数据采集器采集逆变器、关断装置的数据输送给集控中心，集控中心发出控制指令通过数据采集器的转换后输送给关断装置，以使关断装置将与之对应的光伏组件进行关断或接通，实现电池组串的正负极端关断或接通。

通过切断装置可实现单块光伏组件或电池组串的关断功能，关断装置启动关断的指令主要来自于逆变器和集控中心的人工指令；当逆变器检测到直流侧产生绝缘降低、拉弧等故障时会产生告警，数据采集器将告警传送给关断装置后，关断装置的两个开关进行关断，完成断开光伏组件和光伏组串输出，当告警解除后，关断装置的两个开关接通，恢复光伏组件和光伏组串的正常输出；同样当关断装置接受到集控中心的人工关断指令后，数据采集器将指令转换并输出到关断装置，关断装置的两个开关进行关断，完成断开光伏组件和光伏组串输出，当再次接收到集控中心的人工接通指令后，关断装置的两个开关接通，恢复光伏组件和光伏组串的正常输出。

如图4和图5所示，在本实施例中，在对关断装置进行关断时，先关断第一开关，再关断第二开关；在对关断装置进行接通时，先接通第二开关，再接通第一开关。通过第一开关和第二开关不同的先后关断和接通顺序避免拉弧现象，提高光伏系统的运行可靠性。

实施例3：

参阅图3，本实施例与实施例2相似，所不同之处在于，本实施例在每个光伏组件均配置有一个关断装置，以实现对电池组串中的每一个光伏组件进行关断或接通。

关断装置在实际工程应用中根据组串中光伏组件的数量设置，根据系统安全要求，至少在第一个和末端第n个的两块光伏组件配置本关断装置(n为单个光伏组串中光伏组件的最大数量)，这样可以实现单个光伏组串的正负极端关断；如果需要实现组串中每个光伏组件的关断，则需要在第一个光伏组件到第n个光伏组件的每一块光伏组件配置本关断装置(n为单个光伏组串中光伏组件的最大数量)，这样可以实现单个组串中每块光伏组件的关断。

显然，本实用新型的上述实施例仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光伏组件的关断装置，其特征在于，包括开关单元和控制单元；所述开关单元包括第一开关、第二开关、电压传感器、电流传感器；所述第一开关、电流传感器串联在光伏组件的负极回路上，所述第二开关串联在光伏组件的正极回路上，所述电压传感器并联在光伏组件的正、负极回路之间；

所述控制单元与所述开关单元电性连接，所述控制单元对所述开关单元的第一开关、第二开关进行通断控制。

2.根据权利要求1所述的关断装置，其特征在于，所述控制单元包括电源电路、处理器、及与处理器电性连接的第一开关驱动电路、第二开关驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、通信接口电路；

所述处理器通过第一开关驱动电路与所述第一开关连接，所述处理器通过所述第二开关驱动电路与所述第二开关连接，所述处理器通过所述电压检测电路与所述电压传感器连接，所述处理器通过所述电流检测电路与所述电流传感器连接，所述处理器通过所述通信接口电路接收后端的控制指令，所述电源电路的输入电源取自所述光伏组件的正负极，所述电源电路为整个所述控制单元进行供电。

3.根据权利要求2所述的关断装置，其特征在于，所述第一开关驱动电路、第二开关驱动电路均采用MOSFET管驱动电路。

4.根据权利要求2所述的关断装置，其特征在于，所述电压检测电路从所述电压传感器采集的电压值通过滤波电路滤波后输入所述处理器。

5.根据权利要求2所述的关断装置，其特征在于，所述电流检测电路从所述电流传感器采集的电流值通过滤波电路滤波后输入所述处理器。

6.根据权利要求2所述的关断装置，其特征在于，所述控制单元还设有与所述处理器电性连接的状态指示电路，所述状态指示电路用于对关断装置进行状态指示，所述状态指示电路包括LED灯驱动电路及由其进行驱动的LED灯。

7.根据权利要求1所述的关断装置，其特征在于，所述第一开关由两个S极相串联的N型MOSFET管组成，所述第二开关由一个直流继电器组成。

8.一种光伏系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的关断装置、光伏组件、逆变器、数据采集器和集控中心；

所述光伏组件设有多个，多个所述光伏组件串联连接形成电池组串，且电池组串的正负极与所述逆变器连接，所述逆变器将电压输出到光伏电站；

所述关断装置设有至少两个，在电池组串首尾的两个所述光伏组件上均配置有所述关断装置；

所述关断装置、逆变器通过所述数据采集器与所述集控中心进行有线或无线通信；

所述数据采集器采集所述逆变器、关断装置的数据输送给所述集控中心，所述集控中心发出控制指令通过所述数据采集器的转换后输送给所述关断装置，以使所述关断装置将与之对应的所述光伏组件进行关断或接通，实现电池组串的正负极端关断或接通。

9.根据权利要求8所述的光伏系统，其特征在于，每个所述光伏组件均配置有一个所述关断装置，以实现对电池组串中的每一个所述光伏组件进行关断或接通。

10.根据权利要求8所述的光伏系统，其特征在于，在对所述关断装置进行关断时，先关断第一开关，再关断第二开关；在对所述关断装置进行接通时，先接通第二开关，再接通第一开关。

Images