一种防PID汇流箱系统及其实现方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种防PID汇流箱系统及其实现方法。

背景技术：

如图1所示，目前的大功率光伏发电系统直流侧通常是将多个光伏基板组串（如图所示，基板组1、基板组2……基板组n）的输出通过电缆连接到汇流箱，多个汇流箱通过电缆连接到总汇流箱（也称直流柜），而总汇流箱通常放置在逆变器附近，通过逆变器连接电网。当白天光伏基板发电时，光伏基板产生的电能通过电缆传递到汇流箱，汇流箱再通过电缆将电能传递到总汇流箱，总汇流箱将电能传递到逆变器，逆变器将电能变换后传递到电网上。

为防止因PID(potential Induced Degradation，电势诱导衰减 )效应造成的基板性能下降，通常需要采用防PID设备。目前通常有两种形式：采用单独的防PID设备或采用与汇流箱集成在一起PID设备，但这两种方式都存在一个问题，防PID设备通常是在夜间工作，光伏基板在夜间不发电，防PID设备无法从光伏基板取电。为此，需要为每个汇流箱连接交流线缆用于供电。另外，由于汇流箱数量多，且布置比较分散，特别是原有光伏电站增设防PID设备，新增布线非常困难，同时增加交流线缆也增加了电站初始投资和维护费用。

有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种防PID汇流箱系统及其实现方法，无须增加交流线缆，在检测到光伏基板不发电时，在总汇流箱将交流电加载到直流电缆上，通过直流电缆为防PID设备供电。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种防PID汇流箱系统，用于防止光伏发电系统因PID效应造成性能下降；其中，所述防PID汇流箱系统包括：一总汇流箱；所述总汇流箱内部设置有用于接入单相交流电的单相交流电输入端口、用于连接汇流箱输出的直流电缆的正汇流排、负汇流排、用于控制单相交流电的供电状态的第一开关器件、用于检测光伏组件的发电状态，并根据发电状态控制第一开关器件的导通状态的检测控制模块；

所述正汇流排、负汇流排通过电缆连接所述光伏发电系统的逆变器的输入端，所述正汇流排、负汇流排还连接检测控制模块，也通过第一开关器件连接单相交流电输入端口，所述检测控制模块连接第一开关器件；

所述检测控制模块检测光伏组件未发电时，控制第一开关器件导通，使单相交流电输入端口中输入单相交流电，并将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱；所述检测控制模块检测光伏组件发电时，控制第一开关器件关断，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

所述的防PID汇流箱系统，其中，还包括第二开关器件，所述第二开关器件设置在正汇流排、负汇流排与连接逆变器电缆的接线端之间。

所述的防PID汇流箱系统，其中，所述检测控制模块包括用于检测光伏组件的发电状态的电压采样单元和用于根据光伏组件的发电状态控制第一开关器件和第二开关器件的导通状态的控制单元；由电压采样单元检测直流电、交流电及叠加直流电的交流电，并将电压信号转换为数字信号输出给控制单元，所述控制单元根据电压采样单元根检测结果控制第一开关器件导通、第二开关器件关断，使单相交流电输入正汇流排、负汇流排上，或者控制第二开关器件导通、第一开关器件关断，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

所述的防PID汇流箱系统，其中，所述检测控制模块还包括用于采样交流输出电流的电流采样单元，所述电流采样单元设置在第一开关器件和控制单元之间。

所述的防PID汇流箱系统，其中，所述控制单元包括控制芯片、第一电阻、第二电阻、第一三极管和第二三极管；所述控制芯片的第一IO口通过第一电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的集电极连接第一开关器件，第一三极管的发射极接地；所述控制芯片的第二IO口通过第二电阻连接第二三极管的基极，所述第二三极管的集电极连接第二开关器件，第二三极管的发射极接地。

所述的防PID汇流箱系统，其中，所述电压采样单元包括运放芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第一电容，所述运放芯片的第5脚通过第三电阻连接第一开关器件、第二开关器件和正汇流排，也通过第四电阻接地，运放芯片的第6脚通过第五电阻连接第一开关器件、第二开关器件和负汇流排，也通过第六电阻连接运放芯片的第7脚和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接运放芯片的第3脚，也通过第八电阻+3.3V供电端，所述运放芯片的第2脚连接运放芯片的第1脚，所述运放芯片的第1脚通过第九电阻连接控制芯片的AD1管脚，也通过第一电容接地。

一种上述的防PID汇流箱系统的实现方法，其中，所述方法包括以下步骤：

通过闭合第一开关器件将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱，从而为防PID设备进行供电；

当直流电缆有直流电压信号时，断开第一开关器件关闭交流电供电，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

所述的防PID汇流箱系统的实现方法，其中，还包括：通过电压采样单元对正、负汇流排电压信号的进行采样，并将采样结果发送至控制芯片，由控制芯片根据采样结果来控制第一、第二开关器件的关断。

所述的防PID汇流箱系统的实现方法，其中，所述电压采样单元对正、负汇流排电压信号的进行采样具体包括：

当采样不过零点，第一开关器件处于断开状态，则无交流电加载到正、负汇流排上；

当采样过零点时，在正半周期内，在距离过零点的n个时刻分别采样汇流排电压V_m，可以获得n个值，标记为V_+m；同样在负半周期内，在距离过零点的n个时刻分别采样汇流排电压V_m，也可以获得n个值，标记为V_-m；则交流分量Vac和直流分量Vdc通过下列公式计算得到：

Vac=V_+m- V_-m

Vdc= (V_+m+ V_-m)/2。

优选的，所述的防PID汇流箱系统的实现方法，其中，所述控制芯片根据采样结果来控制第一、第二开关器件的关断具体包括：

当直流分量Vdc大于预先设定的第一阈值电压时，基板处于发电状态，则控制芯片令第一开关器件断开，第二开关器件闭合；

当直流分量Vdc小于预先设定的第一阈值电压时，则延迟一定时间后，再判断直流分量Vdc与第二阈值电压的大小：若直流分量Vdc小于第二阈值电压，光伏基板处于非发电状态，则控制芯片令第一开关器件闭合，第二开关器件断开。

相较于现有技术，本发明提供的防PID汇流箱系统及其实现方法，无须增加交流线缆，在检测到光伏基板不发电时，在总汇流箱将交流电加载到直流电缆上，通过直流电缆为防PID设备供电，同时采样线缆电压，当检测到线缆上叠加有直流电压时关闭交流供电，不影响光伏系统正常发电。本方案使交流电和直流电分时段使用现有电缆，减少了交流线缆投产，降低了电站建设成本。

附图说明

图1为现有技术中光伏发电系统直流侧的示意图。

图2为本发明防PID汇流箱系统的较佳实施例的电路示意图。

图3为本发明防PID汇流箱系统实现方法中控制芯片根据采样电压来控制第一、第二开关器件的关断的流程图。

图4为叠加直流电压后的交流电压的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种防PID汇流箱系统及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的防PID汇流箱系统用于防止光伏发电系统因PID效应造成性能下降；其中，所述防PID汇流箱系统包括：一总汇流箱和防PID设备；如图2所示，所述总汇流箱内部设置有用于接入单相交流电的单相交流电输入端口J1、用于连接汇流箱输出的直流电缆的正负汇流排100、负汇流排200和用于控制单相交流电的供电状态的第一开关器件K1、用于检测光伏组件的发电状态，并根据发电状态控制第一开关器件的导通状态的检测控制模块（图中未标号）。

所述正、负汇流排分别由正、负输入端口PV+、PV-通过电缆连接所述光伏发电系统的逆变器的输入端，单相交流电输入端口通过第一开关器件连接正、负汇流排，用于通过闭合第一开关器件将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱。即当光伏基板不发电时，单相交流电输入端口在总汇流箱将交流电通过正、负汇流排加载到直流电缆上，通过直流电缆为防PID设备供电，当直流线缆上叠加有直流电压时，第一开关器件断开，关闭交流供电，不影响光伏系统正常发电。

具体来说，所述正汇流排、负汇流排通过电缆连接所述光伏发电系统的逆变器的输入端，所述正汇流排、负汇流排还连接检测控制模块，也通过第一开关器件连接单相交流电输入端口，所述检测控制模块连接第一开关器件。

所述检测控制模块检测光伏组件未发电时，控制第一开关器件导通，使单相交流电输入端口中输入单相交流电，并将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱；所述检测控制模块检测光伏组件发电时，控制第一开关器件关断，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

下面通过一具体的实施例来说明本发明的防PID汇流箱系统是如何实现的。

请参阅图2，其为本发明防PID汇流箱系统的较佳实施例的电路示意图。如图所示，总汇流箱的正输入端口PV+和负输入端口PV-外接逆变器的输入端，并在总汇流箱内通过第二开关器件K2(在本实施例中，所述第二开关器件K2为双刀双掷开关、继电器等)连分别接到正汇流排100和负汇流排200上，正、负汇流排连接各汇流箱输出的直流电缆。单相交流电输入端口J1（如图所示，交流电源U4通过L、N脚位输入单相交流电）通过第一开关器件K1(在本实施例中，所述第一开关器件K1为继电器等)连接到正、负汇流排上；用于当光伏基板不发电时，闭合第一开关器件将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱，从而为防PID设备进行供电。

在本实施例中，所述第二开关器件K2为可选器件，也可以采用其他接触器等器件来实现。

进一步的，在本实施例中，所述检测控制模块包括用于检测光伏组件的发电状态的电压采样单元10和用于根据光伏组件的发电状态控制第一开关器件和第二开关器件的导通状态的控制单元30。电压采样单元10的作用是能检测直流电、交流电及叠加直流电的交流电等电压信号，并将电压信号转换为控制芯片U1能够识别的信号。

具体实施时，由电压采样单元10检测直流电、交流电及叠加直流电的交流电，并将电压信号转换为数字信号输出给控制单元30，所述控制单元30根据电压采样单元根检测结果控制第一开关器件K1导通、第二开关器件K2关断，使单相交流电输入正汇流排100、负汇流排200上，或者控制第二开关器件K2导通、第一开关器件K1关断，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

请继续参阅图1，所述控制单元包括控制芯片U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1和第二三极管Q2；所述控制芯片的第一IO口通过第一电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的集电极连接第一开关器件，第一三极管的发射极接地；所述控制芯片的第二IO口通过第二电阻连接第二三极管的基极，所述第二三极管的集电极连接第二开关器件，第二三极管的发射极接地。当第一IO口输出高电平时，第一三极管开启，使第一开关器件K1导通，当第二IO口输出高电平时，第二三极管开启，使第二开关器件K2导通，当第一IO口、第二IO口输出低电平时，相应的三极管截止。

控制芯片U1可以采用MCU或DSP，在本实施例中采用STM32F107芯片。所述控制芯片U1分别连接第一开关器件K1和第二开关器件K2（如图所示，U1的CON1脚连接K1，U1的CON2脚连接K2）。通过控制芯片发送的高低电平信号来控制K1和K2的关断。

请继续参阅图2，所述电压采样单元包括运放芯片（运放芯片由图2中的U1A和U1B集成，如型号为：LM258运放芯片）、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一电容C1。

所述运放芯片的第5脚通过第三电阻连接第一开关器件、第二开关器件和正汇流排，也通过第四电阻接地，运放芯片的第6脚通过第五电阻连接第一开关器件、第二开关器件和负汇流排，也通过第六电阻连接运放芯片的第7脚和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接运放芯片的第3脚，也通过第八电阻+3.3V供电端，所述运放芯片的第2脚连接运放芯片的第1脚，所述运放芯片的第1脚通过第九电阻连接控制芯片的AD1管脚，也通过第一电容接地。由第三电阻和第五电阻采样直流电、交流电及叠加直流电的交流电，并将电流直转换为相应的电压，由运放芯片转换为数字信号，经控制芯片处理通过I0控制相应的三极管导通。

同样的，所所述检测控制模块还包括用于采样交流输出电流的电流采样单元，所述电流采样单元设置在第一开关器件和控制单元之间，作用是采样交流输出电流，用于过流保护。由于电流采样单元的电路结构和工作原理与电压采样单元相同，此处不再赘述。

本发明还提供了一种防PID汇流箱系统的实现方法，所述方法包括以下步骤：

通过闭合第一开关器件将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱，从而为防PID设备进行供电；

当直流电缆有直流电压信号时，断开第一开关器件关闭交流电供电，使光伏组件输出的直流电输入逆变器中。

进一步的，所述的防PID汇流箱系统的实现方法中，还包括：通过电压采样单元对正、负汇流排电压信号的进行采样，并将采样结果发送至控制芯片，由控制芯片根据采样结果来控制第一、第二开关器件的关断。

具体来说，所述的防PID汇流箱系统的实现方法中，所述电压采样单元对正、负汇流排电压信号的进行采样具体包括：

当采样不过零点，第一开关器件处于断开状态，则无交流电加载到正、负汇流排上；

当采样过零点时，在正半周期内，在距离过零点的n个时刻分别采样汇流排电压V_m，可以获得n个值，标记为V_+m；同样在负半周期内，在距离过零点的n个时刻分别采样汇流排电压V_m，也可以获得n个值，标记为V_-m；则交流分量Vac和直流分量Vdc通过下列公式计算得到：

Vac=V_+m- V_-m

Vdc= (V_+m+ V_-m)/2。

另外请参见图3，所述控制芯片根据采样结果来控制第一、第二开关器件的关断具体包括：

当直流分量Vdc大于预先设定的第一阈值电压Vset1时，基板处于发电状态，则控制芯片令第一开关器件K1断开，第二开关器件K2闭合（即CON1输出低电平，CON2输出高电平）；

当直流分量Vdc小于预先设定的第一阈值电压Vset1时，则延迟一定时间（图中用延迟t秒表示）后，再判断直流分量Vdc与第二阈值电压Vset2的大小：若直流分量Vdc小于第二阈值电压，光伏基板处于非发电状态，则控制芯片令第一开关器件K1闭合，第二开关器件K2断开（即CON1输出高电平，CON2输出低电平）。

综上所述，本发明提供的防PID汇流箱系统及其实现方法，其中，所述防PID汇流箱系统包括：一总汇流箱；所述总汇流箱内部设置有用于连接汇流箱输出的直流电缆的正、负汇流排和第一开关器件；所述正、负汇流排分别通过正、负输入端口连接到逆变器的输入端，单相交流电输入端口通过第一开关器件连接正、负汇流排，用于通过闭合第一开关器件将交流电加载到总汇流箱的正、负汇流排上，再通过直流电缆将交流电传递到各汇流箱。本方案使交流电和直流电分时段使用现有电缆，减少了交流线缆投产，降低了电站建设成本。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。