CN218772026U - 一种用于光伏组件级通讯的耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，包括微控制单元、信号接收单元和至少一个谐振耦合器；所述谐振耦合器并联在光伏组件供电输出线路的正负极，所述谐振耦合器包括谐振电容器和耦合变压器，所述谐振电容器与所述耦合变压器的初级线圈串联，构成用于获取载波信号的LC串联谐振器。所述耦合变压器的次级线圈通过所述信号接收单元与所述微控制单元的输入端电性连接，用于接收并处理所述载波信号，完成相应的通讯任务。整个装置能够耦合不同频率的载波信号，体积小，抗磁饱和，成本低，可靠性高，应用前景广泛。

Description

一种用于光伏组件级通讯的耦合装置

技术领域

本实用新型涉及光伏发电领域，具体涉及一种用于光伏组件级通讯的耦合装置。

背景技术

近年来，绿色环保的太阳能光伏发电越来越受到重视，光伏发电规模和投资逐年扩大。一般情况下，多个太阳能光伏模组串并联后，能够组成一个数百成千伏的直流高压并网发电。但是高压电会危及作业人员和消防人员的安全，基于电气和消防安全考虑，太阳能光伏发电系统必须配备光伏板组件电源输出快速关断系统，其连接在光伏板和逆变器之间，使得在发生紧急或特定的情况下，可以用来断开光伏组件供电输出线路，保证人员和财产安全。

传统的光伏板组件电源输出关断系统，一般采用分立式磁通耦合变压器的信号耦合方式将母线交流信号（电力线载波信号）耦合下来，再输出至快速关断器的微控制单元进行信号处理，由微控制单元发出控制指令给开关驱动器，由开关驱动器控制供电线路上的开关断开，以此断开光伏组件供电输出线路。

而利用传统的分立式磁通耦合变压器/耦合电感进行信号耦合的方式存在以下不足：

1、采用环形变压器/耦合电感的磁芯串联在电力载波的母线上，通过变压器/耦合电感的次级线圈将信号耦合。此种应用在大功率、高电流的光伏供电系统中，容易发生磁饱和现象；

2、制造大电流变压器/耦合电感需要消耗更多的的金属铜和磁性材料，体积大，价格贵。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本实用新型所要研究解决的课题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于光伏组件级通讯的耦合装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，包括微控制单元、信号接收单元和至少一个谐振耦合器；

所述谐振耦合器并联在光伏组件供电输出线路的正负极；

所述谐振耦合器包括谐振电容器和耦合变压器，所述谐振电容器与所述耦合变压器的初级线圈串联，构成用于耦合载波信号的串联谐振器。所述耦合变压器的次级线圈通过所述信号接收单元与所述微控制单元的输入端电性连接，用于接收并处理所述载波信号，得到相应的通讯数据并处理或存储在微控制单元内。基于该通讯数据能够进行后续的智能控制、信号传输，完成通讯任务。

该方案中谐振耦合器可以设置一个或多个，各谐振耦合器都通过不同参数的谐振电容器和耦合变压器的初级线圈组成LC串联谐振选频网络，从光伏组件供电输出线路（电力载波母线）上耦合出不同频率的载波信号，载波信号通过该谐振耦合网络，可以获得较高的信号增益且具有选频特性，再从次级线圈输出至信号接收单元，最后发送至微控制单元进行解调，完成通信及其相关的操作等。

且整个方案中耦合变压器的初级线圈与所述的谐振电容器构成串联谐振器，再通过电磁感应效应，将信号耦合到次级线圈上输出。当串联谐振器处于谐振状态时，其输入端具有很低的交流阻抗，能够在并联电路拓扑中分流和吸取更多的信号电流（能量）。串联谐振器具有较强的选频特性，只允许谐振频率及谐振频率附近的信号通过，故本电路也具有很好滤波作用。由于谐振电容器串联在谐振电路中，故本电路隔直流通交流，从而避免了光伏电路中大电流环境下的磁饱和现象，发热低，体积小，成本低。

1．进一步的技术方案，所述信号接收单元包括信号接收机，信号接收机可以由硬件接收电路构成，也可以省去，直接用带有信号接收功能的微控制单元实现，以进一步降低成本。

2．进一步的技术方案，该耦合装置还包括滤波器，所述滤波器输入端与所述次级线圈的两端电性连接，输出端与所述信号接收机的输入端电性连接，通过滤波器的设置，能够将载波信号进行滤波，抑制或消除噪声。

3．进一步的技术方案，该耦合装置还包括DC-DC电源模块和光伏板，所述DC-DC电源模块与所述光伏板的正负极并联，所述微控制单元与DC-DC电源模块电性连接，所述DC-DC电源模块为所述微控制单元的供电电源且其为所述光伏板的负载，用于将光伏组件供电输出线路上的高电压（可达四十伏以上）转换为低电压（几伏到十几伏）以供所述微控制单元和相关的电路作为电源使用。

4．进一步的技术方案，所述微控制单元输出端通过开关管驱动器与光伏组件供电输出线路上的开关管电性连接，微控制单元在接收并处理载波信号时，能够控制开关管驱动器开启和关闭，进而开关管驱动器再控制开关管的关断，实现光伏组件供电线路的快速关断功能。除此之外，亦可采用微控制单元进行其他任务操作。

5．进一步的技术方案，所述开关管连接于所述光伏组件供电输出线路的正极（VOUT+）或负极（VOUT-），开关管连接在光伏组件供电输出线路的正极时，可将该耦合方式用在光伏关断器的共阴极(High-Side)关断输出方案中；开关管连接在光伏组件供电输出线路的负极时，可将该耦合方式用在光伏关断器的共阳极(Low-Side)关断输出方案中。

本实用新型的工作原理及优点如下：

1. 各谐振耦合器均通过谐振电容器和耦合变压器的初级线圈组成LC串联谐振选频网络，当串联谐振器处于谐振状态时，其输入侧具有很低的交流阻抗，能够在并联电路拓扑中分流和吸取更多的信号电流，以耦合出载波信号，并在该频率下获得较高的信号增益；若设置多组不同参数的LC谐振耦合器，可分别获得多组的信号输出。

2. 整个谐振耦合电路具有较强的选频特性，只允许谐振频率及谐振频率附近的信号通过，故具有很好的滤波作用。

3. 由于谐振电容器串联在谐振电路中，故本电路隔直流通交流，从而避免了光伏电路中大电流环境下的磁饱和现象，稳定可靠。

4. 整个装置耦合效率高，发热低，体积小，成本低。

附图说明

附图1为本实用新型实施例的包含一个谐振耦合器的耦合装置电路示意图；

附图2为本实用新型实施例的包含两个谐振耦合器的耦合装置电路示意图。

附图3为本实用新型实施例的包含一个谐振耦合器的光伏快速关断系统示意图；

附图4为本实用新型实施例的包含两个谐振耦合器的光伏快速关断系统示意图。

以上附图中：1.微控制单元；2.光伏板；3.DC-DC电源模块；4.信号接收单元；5.谐振耦合器；501.谐振电容器；502.耦合变压器；503.滤波器；6.开关管；7.开关管驱动器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。

本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。单数形式如“一”、“这”、“此”、“本”以及“该”，如本文所用，同样也包含复数形式。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

参见附图1-2所示，一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，包括微控制单元1、DC-DC电源模块3、光伏板2、信号接收单元4和至少一个谐振耦合器5。

所述谐振耦合器5并联在光伏组件供电输出线路的正负极，所述谐振耦合器5由谐振电容器501和耦合变压器502串联而成，所述谐振电容器501的一端与光伏组件供电输出线路的正极连接，所述谐振电容器501的另一端与所述耦合变压器502的初级线圈串联，初级线圈的一端与光伏组件供电输出线路的负极连接。

当谐振电容器501和耦合变压器502组成的串联谐振器处于谐振状态时，该侧线路阻抗趋近于0。因此，在跟其处于并联拓扑关系的电路中，大部分的交流信号就从该串联谐振线路流过，从而达到了尽可能耦合更多信号能量的目的，也提高了弱信号通信的可靠性。由于谐振电容器501隔直通交效应，避免了光伏电路中大电流环境下的磁饱和现象。

所述谐振耦合器5还包括滤波器503，所述耦合变压器502的一个次级线圈依次通过滤波器503和所述信号接收单元4与所述微控制单元1的解码输入端电性连接。所述滤波器503输入端与所述次级线圈的两端电性连接，输出端与所述信号接收单元4的输入端电性连接。通过滤波器503的设置，能够将载波信号进行滤波，抑制或消除噪声。所述信号接收单元4包括信号接收机，能够将载波信号解码处理，从而得到相应的控制和通信数据，信号接收机可以由硬件接收电路构成，也可以省去专用硬件编解码电路，直接用带有信号编解码电路功能的微控制单元1（例如MCU、ARM，DSP，FPGA, RSIC, CSIC, ASIC等）实现，以进一步降低成本。

所述DC-DC电源模块3与所述光伏板2的正负极并联，所述微控制单元1与DC-DC电源模块3电性连接，用于将光伏组件供电输出线路上的高能高压电转换为低能低压电以供微控制单元1和其他电路使用。

整个技术方案中谐振耦合器5可以设置一个或多个，以实现多频点通信。

附图1展示了一个谐振耦合器5载波信号的耦合方式，该谐振选频网络能够选择与其谐振频率接近或一致的载波通信信号，此时耦合器的效率最高。当输入载波的频率跟谐振选频网格一致或者相近时，谐振选频网络处于谐振状态，此时初级线圈L1将获得较大的能量，通过电磁感应效应，次级线圈L2可以获得跟初级线圈L1近似属性的信号，并通过滤波器F1滤波后输出。

另外，该谐振选频网络也能够耦合部分在其谐振频率附近的载波信号，此时的耦合效率相对差一些，与谐振频率相差较大的信号将会被衰减或滤掉。

附图2展示了两个谐振耦合器5进行双频点载波信号耦合方式，两个谐振选频网络的谐振频率可以不同，从而能够耦合不同谐振频率的载波通信信号。当两个谐振选频网络处于谐振状态，此时初级线圈L1和L3将获得较大的能量，通过电磁感应效应，次级线圈L2和L4可以获得跟初级线圈L1和L3近似属性的信号，并通过滤波器 F1和滤波器F2输出。

显然，可以增加多组不同频点的谐振耦合器5并联使用，组成多频点耦合接收器来接收不同频点的信号，用于多频点通信。

各谐振耦合器5都通过谐振电容器501和耦合变压器502的初级线圈组成LC串联谐振选频耦合网络，从电力载波母线上耦合不同频率的载波信号，均可以获得较高的信号增益，再从次级线圈输出至信号接收单元4，最后发送至微控制单元1进行处理和应用，完成通信及相关的操作等。

另外，整个方案中耦合变压器502的输入线圈与所述的谐振电容器501构成串联谐振器。当串联谐振器处于谐振状态时，其输入侧具有很低的交流阻抗，能够在并联电路拓扑中分流和吸取更多的信号电流。串联谐振器还具有较强的选频特性，只允许谐振频率及谐振频率附近的信号通过，故本电路也具有很好滤波作用。由于谐振电容器501串联在谐振电路中，故该串联谐振器隔直流通交流，从而避免了光伏电路中大电流环境下的磁性材料的磁饱和现象，发热低，体积小，成本低，可SMT贴装。

参见附图3-4所示，将上述耦合装置应用在光伏关断系统中使用时，所述微控制单元1输出端可以通过开关管驱动器7与光伏组件供电输出线路正极或负极上的所述开关管6电性连接。

当微控制单元1接收到上述耦合装置耦合下来的载波信号后，进行调制解调，最后完成相应的控制和通信工作，比如可以发送开启指令至开关管驱动器7，通过开关管驱动器7控制和驱动开关管6断开，实现光伏组件供电线路的快速关断功能。此外，亦可采用微控制单元1进行其他操作工作。

微控制单元1的控制原理、控制方法以及通信等为现有技术，为本领域技术人员所能够掌握的成熟技术，由于并非本案发明点，故本案不作赘述。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：包括微控制单元（1）、信号接收单元（4）和至少一个谐振耦合器（5）；

所述谐振耦合器（5）并联在光伏组件的供电输出线路的正负极；

所述谐振耦合器（5）包括谐振电容器（501）和耦合变压器（502），所述谐振电容器（501）与所述耦合变压器（502）的初级线圈串联，所述耦合变压器（502）的次级线圈通过所述信号接收单元（4）与所述微控制单元（1）的输入端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：所述信号接收单元（4）包括信号接收机。

3.根据权利要求2所述的一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：所述谐振耦合器（5）还包括滤波器（503），所述滤波器（503）输入端与所述次级线圈的两端电性连接，输出端与所述信号接收机的输入端电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：还包括DC-DC电源模块（3）和光伏板（2），所述DC-DC电源模块（3）为所述微控制单元（1）的供电电源，且其为所述光伏板（2）的负载。

5.根据权利要求1所述的一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：所述微控制单元（1）输出端通过开关管驱动器（7）与光伏组件供电输出线路上的开关管（6）电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于光伏组件级通讯的耦合装置，其特征在于：所述开关管（6）连接于所述光伏组件供电输出线路的正极或负极。

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