光伏组件故障监测装置的制作方法

本实用新型涉及故障监测领域，具体而言，涉及一种光伏组件故障监测装置。

背景技术：

一个标准光伏组件通常由60个光伏电池片组成，如图1所示，每个光伏电池片相当于一个独立的输出电源，其IV(电流-电压)特性曲线如图2所示。所有60个电池片串联起来对外输出，输出电流约为10～15A，输出电压约为30～40V。当一块光伏电池片发生故障时，该电池片的电流大大降低，就会出现如图2中第II象限的情况，成为一个压降很大的负载，压降可达30V，大压降会导致电池片迅速升温引发火灾。

现有技术中，为了防止电池片出现故障带来的安全隐患，通常在若干个电池片，例如，如图1中所示，在20个电池片中并联一个二极管，如果这20个电池片中的任意一片电池片故障，二极管可以将这20个电池片全部短路。这种方式一定程度上避免了热斑效应，降低了故障对于发电的损失，但是电站的巡视人员并无法在现场或者从后台数据发现有组件发生故障，也无法确定是哪个组件发生了故障，故障将持续存在，不仅影响了整个光伏组的功率，使之偏离最大功率点，而且具有非常危险的安全隐患。

针对相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种光伏组件故障监测装置，以解决相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光伏组件故障检测装置。该装置包括：电压传感器，与光伏组件相连接，用于监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；处理器，与电压传感器相连接，用于根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障。

进一步地，该装置还包括：数据传输模块，与电压传感器和处理器相连接，用于将模拟电压信号传输至处理器。

进一步地，电压传感器包括：降压器，与光伏组件相连接，用于对端电压进行降压，得到第一电压；分档电路，与降压器和处理器相连接，用于根据第一电压的电压值所处的电压值范围确定第一电压的档位。

进一步地，分档电路包括：多个档位回路，其中，每个档位回路均与降压器和处理器相连接。

进一步地，多个档位回路包括目标档位回路，目标档位回路中串联有发光二极管或发光三极管。

进一步地，分档电路包括：第一电阻，第一端与降压器的正输出端相连接；第一二极管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与降压器的负输出端相连接；第二二极管，正极与第一电阻的第一端相连接；第二电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第三电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第四电阻，第一端与第二电阻的第二端相连接；第一三极管，基极与第二电阻的第二端相连接，集电极与第三电阻的第二端相连接；第五电阻，第一端与第一三极管的发射极相连接，第二端与第四电阻的第二端相连接。

进一步地，分档电路还包括：第三二极管，正极与第一三极管的集电极相连接；第六电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第二三极管，基极与第三二极管的负极相连接，集电极与第六电阻的第二端相连接；第七电阻，第一端与第二三极管的发射极相连接，第二端与第四电阻的第二端相连接。

进一步地，分档电路还包括：第一发光管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与第一二极管的负极相连接；第二发光管，正极与第二三极管的发射极相连接，负极与第七电阻的第一端相连接。

进一步地，电压传感器还包括：滤波电路，连接在降压器与分档电路之间，用于对第一电压进行滤波。

进一步地，滤波电路包括：第八电阻，串联在降压器的正输出端与分档电路之间；电容，与分档电路并联。

本实用新型通过监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障，解决了相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，进而达到了准确地监测光伏组件是否故障的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的一种标准光伏组件的示意图；

图2是光伏电池片的IV特性曲线的示意图；

图3是根据本实用新型第一实施例的光伏组件故障监测装置的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的在不同光照度下的光伏电池片的IV特性曲线的示意图；

图5是根据本实用新型实施例的光伏组件中一组电池片被二极管短路的IV曲线示意图；

图6是根据本实用新型实施例的光伏组件中一片电池片发生短路的IV曲线示意图；

图7是根据本实用新型第二实施例的光伏组件故障监测装置的示意图；

图8是根据本实用新型第四实施例的光伏组件故障监测装置的示意框图；

图9是根据本实用新型实施例的模拟电压信号分档的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本实用新型的实施例提供了一种光伏组件故障监测装置。

图3是根据本实用新型第一实施例的光伏组件故障监测装置的示意图。如图3所示，该装置包括电压传感器10和处理器20。

电压传感器10与光伏组件相连接，可以监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；处理器20与电压传感器10相连接，可以根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障。

正常的光伏电池在低光照条件下短路电流大幅降低，但开路电压减小幅度不大，整个IV曲线被“压扁”，如图4所示，I为电流，U为电压，图中的光照度是指光照强度，单位1000W/m2。因此在无故障状态下，光伏组件的工作电压，或逆变器不启动时的开路电压变化幅度不大。因此，端电压如果降低了一定的幅度，则可以判断出光伏组件故障。

光伏组件中通常在若干个电池片中并联一个二极管，如果一块电池片故障，这几个电池片会被全部短路。当某个组件出现电池片损坏(短路)或发生永久遮挡故障时，如图5所示，串联干路的电流极有可能大于其短路电流IS，Us为断路电压，导致电池片成为负载，从而引发旁路保护二极管的导通，该组电池被短路，输出电压骤降到0左右，总输出电压降至U1。当一个组件有至少一组电池片被二极管旁路时，其输出电压将大大低于其它组件。当组件出现某个电池片内部局部短路故障时，如图6所示，IS为短路电流，Us为断路电压，由于该电池片的并联电阻降低，导致组件填充因子降低，从而在相同的干路电流情况下，其输出电压也将大大低于其它正常组件，总输出电压降至U2。

因此，如果光伏组件中的电池片发生故障，则光伏组件的端电压会降低，可以根据模拟电压信号判断出光伏组件是否发生故障。

该装置还可以包括数据传输模块，数据传输模块与电压传感器和处理器相连接，用于将模拟电压信号传输至处理器。

电压传感器可以包括：降压器，与光伏组件相连接，用于对端电压进行降压，得到第一电压；分档电路，与降压器和处理器相连接，用于根据第一电压的电压值所处的电压值范围确定第一电压的档位，其中，处理器用于根据档位判断光伏组件是否故障。

分档电路可以包括：多个档位回路，其中，每个档位回路均与降压器和处理器相连接，每个档位回路用于在第一电压的电压值在自身对应的预设电压值范围时导通，并在第一电压的电压值不在自身对应的预设电压值范围时截止，各个档位回路对应的预设电压值范围互相不重叠。

设多个档位回路包括目标档位回路，目标档位回路中串联有发光二极管或发光三极管，用于在第一电压的电压值在目标档位回路对应的预设电压值范围时导通并发光。

优选地，当档位为三档时，分档电路的具体电路连接方式可以是：第一电阻，第一端与降压器的正输出端相连接；第一二极管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与降压器的负输出端相连接；第二二极管，正极与第一电阻的第一端相连接；第二电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第三电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第四电阻，第一端与第二电阻的第二端相连接；第一三极管，基极与第二电阻的第二端相连接，集电极与第三电阻的第二端相连接；第五电阻，第一端与第一三极管的发射极相连接，第二端与第四电阻的第二端相连接。

优选地，分档电路的档位为三档时，分档电路的具体电路连接还可以包括：第三二极管，正极与第一三极管的集电极相连接；第六电阻，第一端与第二二极管的负极相连接；第二三极管，基极与第三二极管的负极相连接，集电极与第六电阻的第二端相连接；第七电阻，第一端与第二三极管的发射极相连接，第二端与第四电阻的第二端相连接。

分档电路的档位为三档时，分档电路的具体电路连接还可以包括：第一发光管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与第一二极管的负极相连接；第二发光管，正极与第二三极管的发射极相连接，负极与第七电阻的第一端相连接。

在电压传感器中，还可以包括滤波电路，滤波电路连接在降压器与分档电路之间，可以用于对第一电压进行滤波。滤波电路可以采用通用的电阻-电容滤波电路，具体地，滤波电路可以包括：第八电阻，串联在降压器的正输出端与分档电路之间；电容，与分档电路并联。

图7是根据本实用新型第二实施例的光伏组件故障监测装置的示意图。如图7所示，该实施例提供的光伏组件故障监测装置可以将模拟电压信号分为三个档位。

电阻R1的第一端与降压器的正输出端V+相连接，第二端与电容C1的第一端连接；电容C1的第二端与降压器的负输出端V-相连接；电阻R2的第一端与电阻R1的第二端相连接，第二端与二极管D8的负极相连接；二极管D8的正极与二极管D4的负极相连接，二极管D4的正极与降压器的负输出端相连接；二极管D1的正极与第一电阻的第二端相连接，负极与电阻R3的第一端相连接；电阻R3的第二端与电阻R6的第一端相连接；电阻R6的第二端与降压器的负输出端相连接；电阻R4的第一端与电阻R3的第一端相连接；三极管Q2的基极与电阻R3的第二端相连接，集电极与电阻R4第二端相连，发射极与电阻R7第一端相连；电阻R7第二端与电阻R8第一端相连；电阻R8第二端与电阻R6第二端相连接；二极管D5正极连至R8第一端；二极管D6正极连接二极管D5负极，负极连接电阻R8第二端；电阻R5第一端连接电阻R4第一端；二极管D2正极连接电阻R4第二端；二极管D3正极连接二极管D2负极；三极管Q1基极连接二极管D3负极，集电极连接电阻R5第二端，发射极连接二极管D7正极；二极管D7负极连接电阻R9第一端，第二端连接电阻R6第二端。

二极管D7和二极管D8可以是发光二极管。R1和C1组成低通滤波电路，时间常数为ms级，可以滤掉光伏电池片瞬时短路形成的反向电压的时间常数。以监测输出电压为30V的光伏电池组件为例，光伏电池组中的电池片分为三组，每组并联一个二极管，当光电池组件工作正常时，输出电压为30V，三极管Q2导通，Q1截止，发光二极管D7和D8均不工作；当出现一组电池片故障导致一个二极管反向导通或两组电池片故障导致两个二极管反向导通时，光伏电池组件输出电压降为20V或者10V，此时设计Q2截止，Q1导通，发光二极管D7工作，指示电路故障，当三组电池片均发生故障导致二极管均反向导通时，三极管Q1，Q2均截止，发光二极管D8工作，指示电路故障。也即，可以利用发光二极管D7、D8的状态判断光伏电池组的工作状态。

图8是根据本实用新型第四实施例的光伏组件故障监测装置的示意框图。如图8所示，光伏电池组输出的电压经滤波电路滤波，产生DC-DC模块的输入电压，同时产生参考电压Vref。DC-DC模块对输入的电压执行降压转换，可在较大的输入电压范围，例如，6V～40V的条件下，输出稳定的4V电压Vw。Vw通过电阻分压等分或不等分为若干档，图8中所示为八档分压，然后与Vref一起输入八路比较模块，也即八路电压比较器，进行比较，获得八路高低电平，通过8-3编码器进行编码后送给指示电路，指示电路对电压状态和故障进行指示。

图9是根据本实用新型实施例的模拟电压信号分档的示意图。如图9所示，该实施例中将模拟电压信号分为8档。第1和2档分别在0～1/3Um和1/3Um～2/3Um处，其中，Um为光伏组件在额定功率工作时候的输出电压，剩余的6档在2/3Um～Um的范围内进行等分。1和2档分别代表组件中有3路或2路的旁路二极管已发生短路保护，剩余的6个细分档用来判断是发生1路旁路二极管短路，还是由于光伏电池片老化等原因发生的功率衰退，且可以判断出衰退的程度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。