专利名称：已安装光伏串、子串及模块的有源和无源监视系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及用于测试和监视PV设施的特性与性能的装置与方法。
背景技术：
光伏(PV)设施的输出取决于维护好构成该设施的PV模块的健康。多种因素影响PV模块的健康。这些因素包括渗透、污染、遮蔽、电离辐射、互连完整性、静电放电、温差应力、涂层老化、偷窃、旁路二极管故障和制造差异。PV设施监视提供与设施健康有关的信息，进而支持其维护与修理。传统上监视PV串的有源输出电流的方法提供了有关串级别健康状况的有用信息，但是不能区分是电气问题还是照明问题，不能测量子串和模块级别的健康状况，并且不能测量旁路二极管的健康状况。与传统方法不同，本发明提供了一种用于监视构成PV设施的PV串的有源(active)特性和无源(passive)特性两者的系统和方法，从而更好地区分由照明问题引起的健康问题和由电力问题引起的健康问题。与传统方法不同，本发明还提供了一种用于监视子串和模块健康的系统与方法，从而更好地隔离有健康问题的位置。此前用于监视PV串和旁路二极管的系统与方法要求安装昂贵的设备或昂贵的配线。与此前的系统与方法不同的是，本发明能够以较低的设备成本和配线成本监视子串和旁路二极管。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括一个或多个单元的系统，能够监视并报告构成PV设施的串、子串和模块的有源和无源电学特性。本发明的另一目的是提供一种通过监视PV设施的串、子串和模块的有源和无源特性来确定并报告PV设施健康状况的方法。本发明的另一目的是提供一种用于改变PV设施的拓扑结构的系统与方法。
图1示出了本发明的PV电路监视单元的第一实施例。图2示出了本发明的PV电路监视单元的第二实施例。图3示出了本发明的PV多电路监视单元的实施例。图4示出了本发明的PV合路器监视单元的实施例。图5示出了图1的测试模块的实施例。图6示出了图2-3的测试模块的实施例。
图7示出了本发明集成到PV接线盒中的PV串联监视单元的第一实施例。图8示出了本发明集成到PV接线盒中的PV串联监视单元的第二实施例。图9示出了本发明的PV串联监视单元的第三实施例。图10示出了本发明集成到PV接线盒中的PV串联监视单元的第四实施例。图11示出了本发明集成到PV接线盒中的PV并联监视单元的实施例。图12示出了本发明包括一个电路监视单元的示意性PV设施。图13示出了本发明包括一个电路监视单元和多个串联监视单元的第一示意性PV设施。图14示出了本发明包括一个电路监视单元和多个串联监视单元的第二示意性PV设施。图15示出了本发明包括一个多电路监视单元和多个串联监视单元的示意性PV设施。图16示出了本发明包括一个电路监视单元、两个合路器监视单元和多个串联监视单元的示意性PV设施。图17示出了本发明包括电路监视单元和两个并联监视单元的示意性PV设施。图18示出了示意性PV模块的示意性IV曲线和示意性电路模块。
具体实施例方式本发明的监视系统包括本发明公开的一个或多个现场监视单元，并且可选地包括本领域公知的联网和通用计算资源。在本说明书和权利要求中，“串”是指以阳极对阴极的方式全部串联在一起的多个PV模块，其中仅有一个阳极不与任何阴极相连，并且仅有一个阴极不与任何阳极相连。“子串”是构成串的一个或多个连续的PV模块。“端模块”是指串中具有不与任何阴极相连的阳极的那个模块以及该串中具有不与任何阳极相连的阴极的那个模块。“端子串”是指包括任意多个模块以及至少一个端模块的子串。“串端”或“串的端部”是指串中不与任何阴极相连的阳极以及串中不与任何阳极相连的阴极。“子串端”或“子串的端部”是指子串中不与该子串中的任何阴极相连的阳极以及子串中不与该子串中的任何阳极相连的阴极。“分立子串”是指不共享模块的子串。“拓扑结构”是指构成PV设施的PV模块和组件互连的网络。“测试开关系列”是指一个或多个开关，每个开关具有三个或更多个终端，这些开关以第一终端对第三终端的方式串联连接，其中该开关系列中的每个第一终端都恰连接到该系列中的一个第三终端(该系列中的一个开关除外)，该系列中的每个第三终端都恰连接到该系列中的一个第一终端(该系列中的一个开关除外)，并且该系列中每个开关的第二终端连接到PV串的唯一电极上。测试开关系列中的“根开关”是该系列中未连接该系列中任何一个第三终端的那个开关。测试开关系列中的“终端开关”是该系列中未连接该系列中任何一个第一终端的那个开关。测试开关系列中的“下一开关”是指连接到预定开关的第三终端的开关。测试开关系列中的“根测试点”是指连接到该系列的根开关的第一终端的导体。“接线盒”是用于电气连接的容器，它可以包括连接导线的终端并且可以包括旁路二极管。“连接”一般用来指代直接或间接的电气耦合，而“断开连接” 一般用来指代直接去耦合。本发明的监视系统包括对构成PV发电电路的模块上的有源和无源测试进行管理和测量的电路或多电路监视单元。与本领域公知的无源监视单元不同，本发明的电路或多电路监视单元包含非PV激励电路，该非PV激励电路能够通过暗PV电路驱动能源。与本领域公知的串级别监视单元不同，本发明中可选的串联或并联监视单元可以嵌入设施中，以提供用于测试个体模块、面板或子串的部件。串联和并联监视单元包括能够暂时改变所安装阵列拓扑结构的一个或多个开关，从而电路或多电路监视单元可以管理并测量在常规发电电路的子电路上运行的测试。全配置的电路或多电路监视单元包括用于优选地使用最少的额外布线来控制串联和并联监视单元的部件。当设施的拓扑结构要求在发电电路中间的电流整合时，也可安装本发明可选的合路器监视单元。图1示出了本发明的PV电路监视单元的第一实施例。电路监视单元整合PV电路两端的PV电流，使用电子手段通过有源和无源测试监视电路的健康，并且可以控制能够暂时更改设施拓扑结构的可选单元，从而可以评估子串健康。为了图示方便，图1整合了四个PV串的正端(101-104)和负端(105-108)，但是实施例可以扩展到支持任意数量的串。终端(134和135)将PV生成电流(P0S和NEG)传输到本领域公知的外部电源模块，例如充电控制器或换流器。电流传感器(117-124)如需要可以被处理器(132)使能并测验，以测量流入和流出电路监视单元的电流。在一些配置中，一些所示出的电流传感器(117-124)可以是不必要的，并且可以被去除，因为它们测量的是被其它传感器测量的电流。注意如所图示的，被感测的电流可以被测量和减除，以检测阵列中的故障电流。当使能时，电流传感器(117-124)将测量的电流转换为数字数据，并将数据转发至处理器(132)用于存储、分析以及发送(133)至其他设备。在本实施例中，电流传感器(117-124)和A/D转换器(132)包括能够测量每个测试电路的有源和无源特性的传感器电路。保险丝(125-128)提供发生串故障的保护。电源电路(130)提供本领域公知的电力能源和能源管理功能，可以包括但不限于主电源、电池电源、电力变换、睡眠管理、电气隔离、电压管理和电池充电。测试模块(131)提供实现下述功能的部件:a)在测试状态下测量串、子串或二极管的无源或暗电气特性，同时在测试状态下对模块施加非PV激励以及可选的断路、短路或负载；b)在测试状态下测量串、子串或二极管的有源或明PV特性，同时在测试状态下对模块施加可选的断路、短路、非PV激励或负载；以及c)通过施加非PV激励或PPV工作电流以便打开或关闭阵列中的开关，更改测试电路的拓扑结构。测试模块(131)产生的非PV激励可以包括脉动电流、AC电流、多DC电流、可变电流、脉冲式DC电流、或者任意能够通过正被测试的模块或二极管来驱动一个或多个电流值或切换更改测试拓扑结构的开关的电气激励。如图1所示，图1中的电路监视单元可以用于使用单导体布线安装的串联或并联监视单元实施例(图7-8)。处理器(132)设施被照明时启动有源测试，在设施暗或微光时启动无源测试。有源电流测试是通过在每个串或子串中抽样PV生成电流而进行的，以评估它们的相对电阻率。有源IV测试是通过在每个串或子串中抽样电路电压和PV电流而进行的，从而计算它们的绝对电阻值和二极管参数。无源电流测试是通过在串或子串上施加非PV激励的同时对同时期的电流抽样而进行的。无源IV测试是通过在试驾非PV激励的同时测量电流和电压两者而进行的，从而计算每个串或子串的绝对电阻值和二极管参数。有源和无源IV测试都可用来计算串、子串和模块的IV曲线(图18)，从而评估它们的非照明健康状况和照明健康状况。当测试电路中的模块产生有源PV电流时，电压和电流可以被记录并被用于表征每个测试串的照明曲线。当在与正常光伏电流相对的方向驱动无源测试电流时，每个串上的电影和电流可以被用来表征每个测试串的非照明曲线。当在与正常光伏电流相同的方向驱动无源测试电流时，每个串上的电影和电流可以被用来计算测试中的每个旁路串的曲线。在数据收集之后，本领域公知的曲线拟合算法可以被用来进行非线性参数预测，以确定所监视模块和旁路二极管的分流电阻、串联电阻、二极管饱和电流、以及非理想二极管品质因子(图18)。图18图示了 PV模块或串的一个模型。其它电气模块将产生不同但同样有帮助的参数集，这些参数集可以基于无源或有源测试算出。图2示出了本发明的电路监视单元的另一实施例。图2中，每个正终端(201-204)和负终端(205-208)分别与测试终端(209-216)配对。正终端(201-204)整合来自PV模块的并联串的正电流，负终端(205-208)整合来自相同串的相对端的负电流，并且测试终端(209-216)是用于线接到PV阵列的双导体串联或并联监视单元的测试用接线。如所示，图
2的实施例可以用于每个PV导体具有一个测试导体的串联或并联监视单元实施例(图9)，也可以扩展用于每个PV导体具有不只一个测试导体的串联或并联监视单元实施例(图10)图2中的一些电流传感器(217-224)可以是多余的，并且在一些配置中，电流传感器可以放置在包括或者除了所示终端(201-204或205-208)的其他终端(209-212或213-216)处。在该实施例中，电流传感器(217-224)和A/D转换器(232)包括能够测量每个测试电路的无源和有源特性的传感器电路。测试模块(231)提供实现以下功能部件:a)在测试状态下测量串、子串或二极管的无源或暗电气特性，同时在测试状态下对模块施加非PV激励以及可选的断路、短路或负载；b)在测试状态下测量串、子串或二极管的有源或明PV特性，同时在测试状态下对模块施加可选的断路、短路、非PV激励或负载；以及c)通过施加非PV激励或PPV工作电流以便打开或关闭开关，更改测试电路的拓扑结构。图1和图2均质性PV串、子串和二极管的有源和无源测试；并且可以切换阵列中的可选开关以便执行更好的测试。图1图示了在每个串具有单导体布线的设施中使用的实施例，而图2图示了在每个串具有多导体布线的设施中使用的实施例。图3示出了本发明的多电路监视单元的一个实施例。多电路监视单元使用一个监视单元监视多个独立PV电路的健康状况。为方便图示，图3示出了能够监视四个分立PV电路的多电路监视单元，但是该实施例可以扩展支持任意数量的分立PV电路。终端(334-337和338-341)将生成的PV电流(P0S1-P0S4和NEG1-NEG4)传输到本领域公知的外部电源模块，例如合路器箱或最大功率点跟踪器。为方便图示，图3中一个测试导体与一个PV导体配对，然而，每个PV导体的测试导体的实际数目是由所使用的串联或并联监视单元确定的，并且图3实施例可以扩展到容纳每个PV导体对应多个测试导体。在一些配置中，所示出的一些电流传感器(317-324)可以是多余的，而在一些配置中，电流传感器可以放置在包括或者除了所示终端(301-304或305-308)的其他终端(309-312或313-316)处。在该实施例中，电流传感器(317-324)和A/D转换器(332)包括能够测量每个测试电路的无源和有源特性的传感器电路。图4示出了本发明的合路器监视单元的一个实施例。当PV设施拓扑结构要求电流整合时，合路器监视单元监视PV电路中间的PV电流(以及可选的，电压)。注意图4的实施例可以扩展到每个串具有更多或更少导体甚或更多或更少并联串的设施。电源电路(430)提供本领域公知的电力能源和能源管理功能，可以包括但不限于主电源、电池电源、电力变换、睡眠管理、电气隔离、电压管理和电池充电。在该实施例中，子串监视是由阵列的电路监视单元启动的，在此期间合路器监视单元的处理器(432)使能电流传感器(417-424)记录来自子串进出合路器监视单元的电流或IV数据对。在一些配置中，一些所图示的电流传感器(417-424)可以是多余的，并且可以被去除，因为它们测量的是由其他传感器测量的电流。当使能时，电流传感器(417-424)将测量的电流转换为数字数据，并将数据转发至处理器(432)用于存储、分析以及发送(433)至其他设备。在有源和无源电流测试期间，合路器监视单元的处理器(432)使能电流传感器(417-424)记录来自并联串进出单元的同时期电流值。在该实施例中，电流传感器(417-424)和A/D转换器(432)包括能够测量每个测试电路的无源和有源特性的传感器电路。在无源和有源IV测试期间，合路器监视单元的处理器(432)在电流测量同时记录电压值(PVl和Tl之间)。图5示出了图1中的测试模块的一个实施例。一个全配置的测试模块:在有源和无源测试期间使用一个或多个激励电路来控制串联和并联监视单元中的开关，在有源和无源测试期间测量电压，以及在需要时施加非PV激励。图5的导体(PV1-PV2、P0S、NEG)连接到图1中相同名称的导体。在PV阵列的常规操作期间，两个开关(502-503)都处常规位置(“a”)，从而导体(PVl和PV2)通过终端(P0S和NEG)将生成的电力传输至外部设备。在有源或无源测试期间，开关(502-503)可以切换至测试位置(“b”)，从而非PV激励(501)可以通过发电电路被传送。激励电路(501)产生的非PV激励可以包括负载，并且可以包括脉动电流、AC电流、多DC电流、可变电流、脉冲式DC电流、或者任意能够通过正被测试的模块来驱动一个或多个测试电流或切换安装在阵列中的任意拓扑结构开关的电气激励。激励电路可以可选地产生同步信号，从而当激励电路处于预期值时，电流和电压测量可以同步发生。图6示出了图2-3中的测试模块的一个实施例。图6中的信号(T2、T4、T6、T8、PV1-PV8)连接到图2-3替代实施例的相同名字的信号处。例如，图6中的信号“PV1“(611)连接到图2中的信号’TV1 “(201)或图3中的信号’TV1 “(301).图2-3中的一些信号(Tl、T3、T5、T7)并未在图6种使用。图6是出了具有四个PV电路(PV1-PV8，即611-614,627)和四个对应的测试导体(T2、T4、T6、T8，即615-618)的测试模块，但是该实施例可以扩展到支持任意数目的PV电路以及对每个串任意数目的测试导体。每个开关(603-610)都由处理器分别控制，以便创建有源和无源测试电路。注意图6中的一些开关(604-606)和信号名称(PV3-PV8)并未在图2种使用。当图6用于图2时，未使用的开关将被去除，并且未使用的信号将视情况(与PV1、PV2)整合。在PV阵列的常规操作期间，图6中的激励开关(603-610)都处常规位置(“a”)，从而第一 PV电路(PVl和PV2)通过第一组终端(P0S1和NEGl)将生成的电力传输至外部设备；第二 PV电路(PV3和PV4)通过第二组终端(P0S2和NEG2)将生成的电力传输至外部设备；等等。在有源或无源测试期间，激励开关(603-606)之一可以被切换至它们的测试位置(“b”)，从而非PV激励(601)能够被输入发电电路(611-614)之一。在有源或无源测试期间，电压可以被测量(T2、T4、T6、T8至共模，即615-618至627)，以便收集与测试中的模块特性有关的数据。测试开关(607-610)还可以切换至它们的测试位置(“13”或“(:”)，以便引导并测量通过测试电路(12、14、16、18)的有源或无源电流，或者切换使用有缘或无源电流的拓扑结构开关。例如，当图6用于图9电路监视单元时，引导电流通过图6中的测试电路(T2、T4、T6、T8)通过使得电流在图9中流动(通过TEST)，启动拓扑结构开关(905)，从而改变PV电路的拓扑结构并使能子串测试。尽管图6中未示出，但可以在其他地方测量电压(PV1、PV3、PV5、PV7至共模)，以便在不增加额外监视单元的情况下在串级别下表征PV串。激励电路(601)产生的非PV激励可以包括脉动电流、AC电流、多DC电流、可变电流、脉冲式DC电流、或者任意能够通过正被测试的模块来驱动一个或多个电流值或切换安装在阵列中的任意拓扑结构开关的电气激励。注意，全配置的激励电路(601)必须能够从双向获得电流，以便支持PV模块和旁路二极管两者的无源测试。激励电路(601)的部分或全部可以位于其他PV系统组件中，例如在充电控制器单元或换流器中。激励电路可选地可以产生同步信号，从而当激励电路处于预期值时电流和电压测量可以同步发生。图2-3中的测试模块可以多种实施例方式实现，取决于其是与串联还是并联监视单元一起使用、其他监视单元是如何实现的、电流和电压传感器放置在哪、以及支持何种测试。例如，图11中的并联监视单元可以与能够实现下述功能的测试模块配对:a)通过PV测试电路(PV+和PV-)驱动信号足以启动N个开关(其中N是AC模块的容许深度);b)通过PV测试电路(PV+和PV-)驱动信号足以在无源测试期间启动I个开关；以及c)在施加预期的激励、断路、负载和短路时，测量电压、电流和IV数据对(PV+和PV-之间)。在另一示例中，图10中的并联监视单元可以与能够实现下述功能的测试模块配对:a)在常规操作期间断开测试导体(1003、1006);b)输入一个或多个无源测试(1003、1006) ;c)引导一个或多个有源测试(1003、1006);以及切换拓扑结构开关(1011)。还可以设想其他测试模块。图7示出了本发明的单导体串联监视单元的一个实施例。串联监视单元暂时改变所安装的PV串的拓扑结构，从而所得的子串能够被表征。为便于图示，串联监视单元(700)集成了一个PV模块(705 )，但是该模块可以替换成任意数量的PV模块，或者串联监视单元可以独立应用而无集成的PV模块。在图13中，具有集成串联监视单元(1301-1309)的若干PV模块被图示在示意性PV阵列的上下文中。在PV阵列的常规DC操作期间，该串联监视单元(700)的每个实例工作在其继电器(relay，703)在常规位置(“A”)处，从而产生的PV电流传输通过终端(701-702)，并且继电器(703)和滤波器(704)对PV模块(705)呈现为小串联阻抗。在该实施例中，当足够的非DC激励施加在终端(701-702)上时继电器切换到测试位置(“B”)，并且当激励去除时切换回(“A”)。当本实施例的若干串联监视单元串联连接，并且滤波器(704)被选择过滤施加的非DC激励时，每个串联监视单元将以级联的次序从第一个到最后一个切换。继电器(703)被选择具有足够的切换延迟，以允许在切换序列中的每个位置处测量有源或无源电流和电压。在图13中，通过控制串(ADG)的串联监视单元(1301、1304、1307)，可以预估每个子串序列(ADG、DG、G)的有源和无源特性。注意可以将两个子串的特性相减来计算互补子串的特性。滤波器(704)被选择用来弱化操作开关(703)的非DC激励，并且继电器(703)被选择用来当该特定非DC激励被施加时进行启动。例如，激励可以是特定带宽的AC电流，滤波器可以是带阻滤波器，并且继电器可以是感应式继电器。注意继电器703可以替换为如703A所示的双掷接断感应式继电器。设备的方向性也可以反转。图8示出了本发明的另一单导体串联监视单元。为便于图示，串联监视单元(800)集成了一个PV模块(805 )，但是该模块可以替换成任意数量的PV模块，或者串联监视单元可以独立应用而无集成的PV模块。在图13中，具有集成串联监视单元(1301-1309)的若干PV模块被图示在示意性PV阵列的上下文中。在PV阵列的常规DC操作期间，该串联监视单元(800)的每个实例工作在其继电器(803)在常规位置(“A”)处，从而产生的PV电流传输通过终端(801-802)，电容器(804)和电阻器(807)对PV模块(805)呈现为大DC分流电阻，滤波器(806)对对PV模块(805)呈现为小串联阻抗。当足够的非DC激励施加在终端(801-802)上时继电器切换到测试位置(“B”)，并且当激励去除时切换回(“A”)。当本实施例的若干串联监视单元串联连接，并且在该串联体上施加了足够的非DC激励时，每个串联监视单元将以级联的次序从第一个到最后一个切换。滤波器(806)被选择用来弱化操作开关(803)的非DC激励，并且继电器(703)被选择用来当该特定非DC激励被施加时进行启动。例如，激励可以是特定带宽的AC电流，滤波器可以是带阻滤波器，并且继电器可以是吸式电枢继电器。电容器804按大小分类存储非DC激励的能量，并且电阻器按大小分类确保继电器(803)的可靠操作。设备的方向性也可以反转。图9示出了本发明的双导体串联监视单元的一个实施例。在PV阵列的常规操作期间，继电器(905)在常规位置(“A”)处，从而产生的PV电流传输通过PV终端(901-902)，并且没有电流流经继电器(905)。在该实施例中，通过提取通过继电器(905)的测试终端(903)的电流并且测量所得的电流、电压或IV数据对，可以运行子串测试。可选地可以在继电器(905)的线圈上连接精密二极管，以便增加线圈上的电压降的一致性，进而增加测试的准确性。当有足够电流流经测试终端(903)时，继电器(905)被切换到其测试位置(“B”)，并且当流经测试终端(903)的电流停止时切换回常规位置(“A”)。在该实施例中，继电器(905)被选择具有切换延迟，使得当若干串联监视单元(900)串联连接时(图14)，它们可以以级联次序全部切换到测试位置(“B”)。继电器(905)还可被选择为接断(make-then-break)转变,从而流经测试终端(903)的电流未实质上被中断。通过测量开关创建的每个电路拓扑结构的电流、电压或IV数据对，可以收集数据，并且数据被用来表征该电路拓扑结构。在图14中，通过控制子串(ADGJ)的串联监视单元(1401、1404、1407)可以预估每个子串序列(A、AD、ADG、ADGJ)的有源和无源特性。注意两个子串的特性可以相减以计算互补子串特性。本实施例还可以使用继电器(905)的多种变体(905A、905B、905C)和其他开关配置与类型来实现。一种单向替换方式是闭锁继电器，其中当足够的电流脉冲在一个方向上流经连接到常规接触点(“A”)的线圈时，继电器向测试接触点(“B”)闭合，反之亦然。图10示出了本发明的三导体(PV、TEST1、TEST2)串联监视单元的一个实施例。为便于图示，串联监视单元(1000)集成了一个PV模块(1010)，但是该模块可以替换成任意数量的以串联方式连接的PV模块，或者串联监视单元可以独立应用而无集成的PV模块。在图10中，继电器(1011)的两柱(1008-1009)通常在位置(“A”)处，从而产生的PV电流传输通过PV终端(1001-1002)，并且没有电流流经继电器(1011)。当有足够电流流经测试终端(1003)时，继电器(1011)的两柱(1008-1009)都被切换到其测试位置(“B”)，并且当电流停止时两柱(1008-1009)切换回它们的常规位置(“A”)。可选地可以在继电器(1011)的线圈上连接精密二极管，以便增加线圈上的电压降的一致性，进而增加通过线圈(1005)进行的测试的准确性。继电器(1011)可被选择为两柱(1008-1009)的接断(make-then-break)转变(A至B)，从而流经测试终端(1003)的电流未实质上被中断。继电器(1011)还可以被选中具有切换延迟，从而当若干监视单元(1000)以串联安装时，它们可以在依次设置的同时测量每个稳定电流、电压或IV数据对。如果在每个模块接线处的PV串中安装，本实施例允许电路监视单元独立评估串中的每个PV模块的有源和无源特性。因此，如果图14中的2导体布线被替换为3导体布线，本实施例允许通过控制串(ADGJ)的串联监视单元(1401、1404,1407)分别预估串CA、D、G、J)中的每个模块的有源和无源特性。设备的方向性可以反转。可以设想其他的单导体、双导体和三导体串联监视单元，例如使用固体继电器的动力单元。图11示出了本发明的并联监视单元(1100)的一个实施例。并联监视单元隔离并列安装的PV模块或面板，从而它们可以由电路监视单元表征。为便于图示，并联监视单元(1100 )集成了一个PV模块(1106 )，但是该模块可以替换成任意数量的PV模块，或者并联监视单元可以独立应用而无集成的PV模块。为便于图示，并联监视单元(1100)还集成了微换流器(1105)，但并联监视单元还可以独立应用而无集成的微换流器。图17示出了在示意性PV阵列的上下文中的两个并联监视单元(1100)。在PV阵列的常规操作期间，每个并联监视单元的两柱(1112-1113)向常规位置(“A”)闭合，从而产生的AC电力流经AC终端(1101-1104)。为使用并联监视单元，电路监视单元在PV电路(1110、1108)上施加脉冲，其流经每个并联监视单元(1701-1702)并流经阵列端部的回送固定装置(1703)。脉冲对阵列中的每个并联监视单元的线圈(1111)赋能。作为结果，每个并联监视单元中的两柱(1112-1113)切换并向测试位置(“B”)处闭合，将PV模块彼此隔离并与他们的微换流器隔离。为执行无源测试，电路监视单元随后可以在PV电路(1108-1110)上施加测试激励，以便记录第一模块(1701)的无源特性。为执行有源测试，电路监视单元可以在PV电路(1108-1110)上施加断路、短路、负载或可选信号，以便记录第一模块(1701)的有源特性。当电路监视单元检测到足够的电流流经线圈(1114)时，第一模块(1701)中的两个开关(1112-1113)都切换回常规操作位置(“A”)。电路监视单元随后可以从下一并联监视单元(1702)收集数据，并且测试可以依此方式继续，直至每个模块或模块组被测试并且所有并联监视单元中的所有开关被重置回他们的常规操作位置(“A”)。注意用来切换开关的有源或无源电流可以被测量以便帮助表征测试状态下的一个或多个模块。在该实施例中，闭锁继电器(1111-1114 )被选择具有切换延迟，从而若干并联监视单元(1100 )可以一起被设置并且以级联次序被重置。可以在线圈(1114)上连接精密二极管，以便增加测试测量的准确性。本实施例中还可以设计自动回送固定装置(1703)，从而每个并联监视单元被构建成在下一单元终端(1107、1109)之间具有短路电路，当安装下一单元时，该短路电路自动断开。可以使用其他开关类型、其他开关配置和其他布线方案实现该并联监视单元。在一个替代性实施例中，通过引入单独的微换流器失能信号，可以去除一个柱(1112)，并且其他的继电器(1111-1114)替换为非闭锁继电器(905、905A、905B、905C或等同物)。可以设计其他并联监视单元实施例。图12示出了 PV阵列设施，其中电路监视单元(1200)在上下文中呈现。图12中的电路监视单元通过测量承载PV生成电流的阵列布线上的电流或IV数据对，执行有源和无源测试。在电流测试中，处理器从每个并联串收集同时期的电流值，并且寻找外侧值。在IV测试中，处理器同时记录来自并联串的电压和电流数据对，并且进而能够为每个串计算绝对电阻值和二极管参数。图13示出了 PV设施，其中若干单导体串联监视单元(1301-1309)在上下文中呈现并且电路监视单元(1300)在上下文中呈现。图13中的串联监视单元可以单独安装或者可以集成到PV模块、接线盒、安装设备、换流器、或其他PV设备中。在PV阵列的常规操作期间，串联监视单元(1301-1309)的每个实例处于使得生成的PV电流流经PV模块(A-1)和串联监视单元(1301-1309)的状态。在常规操作期间，电路监视单元(1300)可以收集有源和无源的串级别上的电流和IV测量，而无需使用串联监视单元。为使用串联监视单元，电路监视单元(1300)施加或去除阵列布线上的非PV激励。作为结果，串联监视单元使一个或多个PV模块脱机以允许表征一个或多个剩余的模块。为返回到常规操作，电路监视单元(1300)在并联PV电路上施加或去除非PV激励。图14示出了 PV设施，其中若干双导体串联监视单元(1401-1409)在上下文中呈现并且电路监视单元(1400)在上下文中呈现。图14中的串联监视单元可以单独安装或者可以集成到PV模块、接线盒、安装设备、换流器、或其他PV设备中。在PV阵列的常规操作期间，串联监视单元(1401-1409)的每个实例处于使得生成的PV电流流经PV模块(A-L)和串联监视单元(1401-1409)的状态。在常规操作期间，电路监视单元(1400)可以收集有源和无源的串级别上的电流和IV测量，而无需使用串联监视单元。为使用串联监视单元，电路监视单元(1400)施加或去除一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ;T1-T2)上的PV电流或非PV激励，引起串联监视单元更改一个或多个PV电路的拓扑结构，并且允许一个或多个子串由电路监视单元(1400)表征。为返回到常规操作，电路监视单元(1400)在一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ；T1-T2)上施加或去除PV电流或非PV激励。图15示出了 PV设施，其中若干双导体串联监视单元(1501-1509)在上下文中呈现并且多电路监视单元(1500)在上下文中呈现。图15中的串联监视单元可以单独安装或者可以集成到PV模块、接线盒、安装设备、换流器、或其他PV设备中。在PV阵列的常规操作期间，串联监视单元(1501-1509)的每个实例处于使得生成的PV电流流经PV模块(A-L)和串联监视单元(1501-1509)的状态。在常规操作期间，多电路监视单元(1500)可以收集有源和无源的串级别上的电流和IV测量，而无需使用串联监视单元。为使用串联监视单元，电路监视单元(1500)施加或去除一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ；T1-T2 ;PV3_PV4 ;T3_T4 ；PV5-PV6 ;T5-T6)上的PV电流或非PV激励，引起串联监视单元更改一个或多个PV电路的拓扑结构，并且允许一个或多个子串由电路监视单元(1500)表征。为返回到常规操作，电路监视单元(1500)在一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ；T1-T2 ;PV3_PV4 ;T3_T4 ;PV5_PV6 ;T5_T6)上施加或去除PV电流或非PV激励。图16示出了 PV设施，其中若干双导体串联监视单元(1603-1611)在上下文中呈现并且电路监视单元(1600)在上下文中呈现，并且两个合路器监视单元(1601-1602)在上下文中呈现。图16中的串联监视单元可以单独安装或者可以集成到PV模块、接线盒、安装设备、换流器、或其他PV设备中。在PV阵列的常规操作期间，串联监视单元(1603-1611)的每个实例处于使得生成的PV电流流经PV模块(A-R)和串联监视单元(1603-1611)的状态。在常规操作期间，电路监视单元(1600)和合路器监视单元(1601-1602)可以合作收集有源和无源的串级别上的电流和IV测量，而无需使用串联监视单元。为使用串联监视单元，电路监视单元(1600)施加或去除一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ;T1-T2)上的PV电流或非PV激励，引起串联监视单元更改一个或多个PV电路的拓扑结构，并且允许一个或多个子串由电路监视单元(1600)表征。为返回到常规操作，电路监视单元(1600)在一个或多个阵列电路(PV1-PV2 ；T1-T2)上施加或去除PV电流或非PV激励。图17示出了 PV设施，其中具有集成并联监视单元的两个AC PV模块(1701-1702)在上下文中呈现并且电路监视单元(1700)在上下文中呈现。图17中的并联监视单元可以单独安装或者可以集成到PV模块、接线盒、安装设备、换流器、或其他PV设备中。在PV阵列的常规操作期间，每个并联监视单元(1701-1702)处于使得AC电力是由其关联的PV模块和微合路器产生的状态。为收集有源或无源IV测量，电路监视单元(1700)施加或去除在PV电路(PV+和PV-)或AC电路(AC+和AC-)上的PV电流或非PV激励，引起并联监视单元隔离一个或多个PV模块，并且允许电路监视单元(1700)表征隔离的模块。为了返回到常规操作，电路监视单元(1700)在PV电路(PV+和PV-)或AC电路(AC+和AC-)上施加或去除PV电流或非PV激励。本发明的监视系统收集的数据可以由监视系统或网络处理器处理，以确定构成PV设施的串、子串和模块的有源和无源特性，并做出维护建议。在设施生命周期早期进行的串、子串和模块级别上的有源和无源测试可以用来为将来的测试设置基线。串、子串或模块之间的早期变化，当处于允许限值内时，代表常规制造、安装和测量差异。在新设施中，明显的失衡可能表示安装者需要解决设计、设备、安装或热方面的问题。随着设施老化，电阻或相对电流可以依时间进行比较以标记一个或多个串、子串或模块的特性的不寻常变化。这些变化可能代表:串联电阻增加、例如腐蚀；分流电阻减小、例如金属迁移或偷盗；并且可以建议替换或维护一个或多个模块。当串、子串或模块的有源测试异常而无源测试正常时，可能存在遮蔽或污染问题需要解决。如果排除遮蔽和污染问题的可能，那么可能代表涂层或密封老化。通过将测量参数与其他测量参数比较、比较不同时间的测量参数、将测量参数与公开出版的规范比较、将测量参数与理论模型比较、或者其他参数比较方法，可以确定PV串、子串或模块中的异常。无源IV测试可以用来规范化从有源IV测试收集的数据，S卩，使用无源测试可以测量PV模块、子串或串的一些固有差异，并从有源测试中减除以增加他们对照明问题的灵敏度。注意夜空产生很小的背景电压，其可以在设施新安装或重新刷新时通过在非常黑的夜晚执行基线测试进行规范化。监视系统收集的阵列、子阵列、串或模块的有源和无源参数可以供决策者使用，决策者还可以设置软件或硬件信号标志，从而数据、数据变化、异常、信息通知、维护建议以及其他变化在其超出定制的阈值时被自动报告。本发明的开关可以通过多种方式实现，包括但不限于本领域公知的电子、机电、电磁、声电或光电开关。监视系统可以包括雷电冲击捕获防护。监视系统的一些组件可以实现为与PV电源电路电气隔离。本发明的监视单元可以集成到另一 PV系统组件中，例如电路合路器、变压器、分离单元、充电控制器、保险丝盒、电涌保护器、断路器、转换开关、负载中心、接地保护单元、服务面板或换流器。本发明不限于说明书里公开的示例和图表，而是可以包括设计PV监视系统或测量光伏模块特性参数领域的普通技术人员容易想到的所有修改和变体。
权利要求
1.一种用于现场监视PV设施的装置，所述装置包括: 激励电路，用于施加非PV电气激励通过一个或多个安装的PV模块； 传感器电路，用于测量所述模块对所述激励的至少一个无源响应；以及 用于从所述测量计算所述模块的一个或多个无源电气参数的部件。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电气激励包括多个电流强度。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述参数包括一个或多个相对或绝对电阻值。
4.如权利要求1所述的装置，还包括用于识别所述参数中的异常的部件。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述激励电路包括至少一个DC电源或至少一个AC电源。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述测量包括一个或多个电流数据点、一个或多个电压数据点、或者一个或多个电流-电压数据点。
7.如权利要求1所述的装置，还包括一个或多个开关，所述一个或多个开关更改所述模块的拓扑结构。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述开关由通过所述安装的PV模块的电极传送的电流全部或部分控制。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述开关被集成到PV接线盒、PV模块、PV换流器或PV系统组件中。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述装置的部分或全部被集成到电路合路器、变压器、分离单元、充电 控制器、保险丝盒、电涌保护器、断路器、换流器或PV系统组件中。
11.一种使用如权利要求1所述的装置监视PV设施的方法，包括以下步骤: 选择一个或多个安装的PV模块进行测试； 在现场施加至少一个非PV电气激励通过所述模块的同时，进行一个或多个电流、电压或IV测量； 计算所述模块的一个或多个无源电气参数。
12.如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤:通过所选模块切换至少一个开关以创建测试电路。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述激励包括多个电流强度。
14.一种用于更改PV设施的拓扑结构的开关配置，所述配置包括: 开关，具有第一、第二和第三终端以及第一和第二位置；以及 用于启动所述开关的部件；其中: 所述第二终端连接到安装的PV串的电极； 在所述第一位置处，所述第一终端直接或间接连接到所述第二终端，并且所述第三终端与所述第一终端和所述第二终端断开； 在所述第二位置处，所述第一终端直接或间接连接到所述第三终端；所述用于启动所述开关的部件由所述第一、第二或第三终端中至少一个的电流变化触发。
15.如权利要求14所述的配置，其中所述用于启动所述开关的部件是电磁部件。
16.如权利要求14所述的配置，其中所述配置被集成到PV接线盒、PV模块、PV换流器或PV系统组件中。
17.如权利要求14所述的配置，其中所述第三终端直接或间接连接到所述串中的第二电极，使得所述第二位置在所述串的子串上施加分流器。
18.如权利要求17所述的配置，其中所述分流器包括短路、负载或电压钳位。
19.如权利要求17所述的配置，还包括连接到所述子串的信号滤波器，其中所述第二位置在所述滤波器和所述子串上施加所述分流器。
20.如权利要求19所述的配置，其中所述信号滤波器是AC带阻滤波器。
21.—种在PV设施中使用如权利要求19所述的配置的方法，所述方法包括下述步骤: 选择已安装的PV串，所述已安装的PV串具有如权利要求19所述连接和配置的一个或多个开关，其中每个所述子串是分立的； 通过在所述串的端部上传送特定非DC信号，依次切换所述开关。
22.—种在PV设施中使用如权利要求17所述的配置的方法，所述方法包括以下步骤: 将开关如权利要求17所述进行配置； 通过在所述串的端部上传送特定非DC信号，切换所述开关。
23.—种在PV设施中使用如权利要求14所述的配置的方法，所述方法包括以下步骤: 选择已安装的PV串，所述已安装的PV串具有如权利要求14所述连接和配置的一个或多个开关，其中所述开关以测试开关系列的方式连接到所述串；使所述系列中的每个开关处于所述第一位置； 通过传送电流通过所述系列的根测试点，切换所述系列中的至少一个开关；重复所述切换步骤直至所述系列中的每个开关都处于所述第二位置。
24.如权利要求23所述的方法，还包括:在所述系列中的至少一个开关处于所述第一位置的同时，测量所述串端部或所述根测试点上的至少一个电流、电压或IV值。
全文摘要
一种光伏监视系统通过测量、计算以及报告构成PV设施的PV串、子串和模块的无源(暗)和有源(明)电气特性，测量该PV设施的健康状况。
文档编号G01R19/165GK103154758SQ201180040849
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月24日
发明者大卫·E·克里茨 申请人:大卫·E ·克里茨