一种汇流箱保护装置的制作方法

本实用新型涉及光伏发电领域，具体涉及一种汇流箱保护装置。

背景技术：

汇流箱是一种应用在光伏发电系统的电气设备，其负责将光伏组件产生的直流电，经过其一次汇流后，传送到光伏逆变器。为了保证发电的可靠性、安全性，汇流箱配有防雷、过电流和过负荷等保护。但是，与汇流箱连接的光伏电缆出现故障率最高的是单极接地故障(正极接地或负极接地)，此类故障引发非故障极的电压升高，汇流箱内部的器件在高压的情况下被击穿，从而引发火灾。由于传统汇流箱的电流检测精度仅为3％～5％，无法精确检测到组串支路，而且电流的大小受周围光照和环境温度影响比较大。因此这是汇流箱设计中的一类缺陷。

本发明人曾就此问题申请过专利文件，申请号为“CN201521132948.9”、专利号为“CN205509468U”，名为汇流箱保护装置的实用新型。该实用新型提出了采集单元、逻辑单元及执行单元的结构，逻辑单元与采集单元电连接从而接收从采集单元传来的电压信号，然后将该电信号与比较电压进行比较，当该电压信号与比较电压的差的绝对值大于或等于设定值时逻辑单元向执行单元发送指令；以及执行单元与逻辑单元电连接并根据从逻辑单元传来的指令控制断路器分闸。该发明解决了短路检测保护问题。但是，原有专利提及的汇流箱是通过继电器控制接触器通断来实现直流断路器合分闸功能。它的机械动作频繁，故障率高，使用寿命短。在光伏应用过程中，汇流箱通常采用16进1和10进1两种形式。由于每汇流箱分别串接16或10支路的光伏组件，因此，汇流箱保护有多支路同时检测的要求。传统汇流箱的光伏支路采用熔丝相当于增加了直流节点，由于昼夜温差的影响，加速熔丝的热疲劳效应，当熔丝节点接触不良时，其熔断时间变长。在这种“将断未断”的情况下，会破坏线缆和熔丝盒的绝缘，最终引发着火事故。汇流箱内部螺栓松动，与其情况类似。

当直流电缆发生接地故障时，正常电缆上流经的电流会经过光伏逆变器直流柜上母线出汇流后“反灌”到故障电缆。故障电缆上连接光伏逆变器的断路器由于电流过大而跳闸。但是，汇流箱中断路器的电流并没有增大，此时，汇流箱设备出现接地极电压低，非接地极电压抬高。这是光伏发电系统本身存在的一种隐患，应予以考虑可以采取措施加以控制。鉴于上述的缺陷，本发明人积极研究创新，提出一种适应于光伏发电系统的汇流箱保护装置，能够有效地防止故障进一步扩大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够多线、多点保护的汇流箱保护装置，有效排查、检测、控制汇流箱可能出现的各种电路问题。

为了达到上述目的，提供一种汇流箱保护装置，所述汇流箱包括光伏电缆、直流电缆和断路器，所述汇流箱保护装置包括采集单元、逻辑单元以及执行单元；和

所述采集单元采集直流电缆的电压信号及至少一条光伏电缆支路上的电压信号；和

所述的逻辑单元包括至少两个并联的比较模块，比较模块与所述采集单元电连接，其中一个比较模块接收所述直流电缆上的电压信号，其他比较模块接收所述光伏电缆支路的电压信号，比较模块均包括窗口比较器，窗口比较器接入电压信号以及比较电压，逻辑单元还包括与门电路和非门电路，所述的比较模块的输出端接入与门电路，与门电路的输出端接入非门电路，非门电路的输出端接入执行单元，任一比较模块的电压信号与比较电压差的绝对值大于或等于设定值时向所述执行单元发送断路器跳闸指令；和

所述执行单元与所述逻辑单元电连接并根据所述逻辑单元传来的指令控制所述断路器分闸。

本实用新型中对针对逻辑单元进行改进，主要对比较模块进行并联，即模块的输入端分别接入采集的电压，但输出端合流。采集单元采集多个电压值，这个电压值包括直流电缆上的电压信号和光伏电缆上的电压信号，其中一个比较模块接入直流电缆上的电压信号，其余比较模块接入光伏电缆上的电压信号进行逻辑判断，当任一比较模块的电压信号与比较电压的差的绝对值大于或等于设定值时，说明电缆发生短路故障，向执行单元发送指令从而控制断路器。

可认为，至少有一个用于直流电缆监控的比较模块和一个用于光伏电缆监控的比较模块，在本实用新型中，实际上可以是多个用于光伏电缆监控的比较模块，其连接形式仍然是并联，这样是可实现多路线的监控。

优选的，还包括导引线；所述采集单元还采集光伏逆变器侧的电压信号；和所述的逻辑单元还包括直流电缆故障识别模块，直流电缆识别模块与比较模块并联，所述的逻辑单元还包括直流电缆故障识别模块，直流电缆识别模块与比较模块并联，所述直流电缆故障识别模块接收光伏逆变器侧的电压信号、直流电缆上电压信号和比较电压，光伏逆变器侧的电压信号与直流电缆上电压信号的差的绝对值大于比较电压的阈值时，输出汇流箱跳闸信号，汇流箱跳闸信号通过导引线传送至光伏逆变器，控制光伏逆变器侧的直流断路器跳闸。

本实用新型中直流电缆识别模块与比较模块并联表示两者的输出端接入与门电路。

由于直流电缆上电压差值绝对值大于或等于设定值的情况存在两种可能，即直流电缆故障和光伏逆变器直流侧故障，为了识别故障，本实用新型增设了直流电缆故障识别模块，取光伏逆变器侧的电压信号、直流电缆上的信号做差与比较电压进行比较，从而判断是否是直流电缆故障。当属于直流电缆故障时，输出汇流箱跳闸信号，汇流箱跳闸信号通过导引线传送至光伏逆变器，控制光伏逆变器侧的直流断路器跳闸。

优选的，所述逻辑单元还包括三极管T₃，接收直流电缆电压信号的比较模块中的窗口比较器的输出端接入所述三极管T₃的集电极，所述直流电缆故障识别模块的输出端接入所述三极管T₃的基极，所述三极管T₃的发射极与导引线相连,当光伏逆变器的电压信号与直流电缆上电压信号的差大于比较器电压的阈值，且接收直流电缆的比较模块的电压信号与比较电压差的绝对值大于或等于设定值时向执行单元发送指令。

进一步地，所述逻辑单元还包括三极管T₂，并联的比较模块输出的信号所述三极管T₂的集电极，三极管T₃的发射极接入三极管T₂的基极，所述三极管T₂的发射极连接导引线。

优选的，所述的导引线为RS485导引线。

优选的，所述的直流电缆故障识别模块包括运算放大器和比较器，所述运算放大器接入光伏逆变器侧的电压信号和直流电缆上的电压信号，比较器的输入端分别接入运算放大器的输出端和比较电压。

进一步地，所述的直流电缆故障识别模块包括并联的正极直流电缆识别模块和负极直流电缆识别模块，所述的正极直流电缆识别模块接入光伏逆变器侧和直流电缆上的正电压，正极直流电缆识别模块中的比较器输出端接入二极管；和所述的负极直流电缆识别模块接入光伏逆变器侧和直流电缆上的负电压，负极直流电缆识别模块的比较器输出端接入二极管，任一识别模块中的光伏逆变器侧的电压信号与直流电缆上电压信号的差大于比较电压的阈值时，输出汇流箱跳闸信号。

优选的，所述逻辑单元还包括熔丝识别模块，熔丝识别模块与比较模块并联，所述熔丝识别模块接收直流电缆的电压信号、光伏电缆的电压信号和比较电压，当直流电缆的电压信号与光伏电缆的电压信号的差大于比较电压，向所述执行单元发送指令。

本实用新型中熔丝识别模块与比较模块并联表示两者的输出端接入与门电路。

熔丝识别模块又可作为螺栓松动识别模块。

优选的，所述的熔丝识别模块包括运算放大器、比较器和二极管，所述运算放大器分别接入光伏逆变器的电压信号和直流电缆的电压信号，所述比较器分别接入运算放大器的输出端和比较电压。

进一步地，所述的熔丝识别模块包括并联的正极熔丝识别模块和负极熔丝识别模块，所述的正极熔丝识别模块接入光伏电缆和直流电缆的正电压，所述的负极熔丝识别模块接入光伏电缆和直流电缆的负电压，任一识别模块的直流的电缆电压信号与光伏电缆的差大于比较电压，向所述执行单元发送指令。

优选的，所述采集单元采集直流电缆的电压信号及至少两条光伏电缆支路上的电压信号；和

所述的逻辑单元包括至少三个并联的比较模块，其中一个比较模块接收所述直流电缆上的电压信号，另有至少两个比较模块接收所述光伏电缆支路的电压信号，接收光缆支路电压信号的每个比较模块接收分别不同的光伏电缆支路上的电压信号。

进一步地，所述逻辑单元还包括熔丝识别模块，所述熔丝识别模块接收直流电缆的电压信号、比较电压和采集单元采集的至少两个光伏电缆的电压信号，多个光伏电缆的电压信号串联二极管后接入运算放大器和比较器，当直流电缆的电压信号与光伏电缆的电压信号的差大于比较电压，向所述执行单元发送指令。

进一步地，所述的逻辑单元还包括保护模块，并联的比较模块的输出信号接入保护模块连接，保护模块输出信号至执行单元。

优选的，所述的执行单元包括门极可开断晶闸管。

优选的，所述的采集单元包括依次连接的分压电路、滤波器、电压跟随器、光电耦合器和稳压管。

本实用新型公开了一种最有选的方案，一种汇流箱保护装置，所述汇流箱包括光伏电缆、直流电缆和断路器，所述汇流箱保护装置包括采集单元、逻辑单元以及执行单元；和

所述采集单元采集直流电缆的电压信号及至少一条光伏电缆支路上的电压信号、光伏逆电器侧电压信号；和

所述的逻辑单元包括至少两个比较模块、直流电缆故障识别模块，熔丝识别模块，其中一个比较模块接收所述直流电缆上的电压信号，其他比较模块接收所述光伏电缆支路的电压信号，所述直流电缆故障识别模块接收直流电缆上的电压信号以及光伏逆变器侧的电压信号，所述熔丝识别模块接收直流电缆上的电压信号以及光伏电缆上的电压信号，直流电缆故障识别模块中直流光伏逆变器侧的电压信号与直流电缆上的电压信号的差大于比较器电压的阈值，且接收直流电缆的比较模块中，电压信号与比较电压的差的绝对值大于或等于设定值时，输出高电平信号，其余比较器中电压信号与比较电压的差的绝对值大于或等于设定值，输出高电平信号，熔丝识别模块中直流电缆的电压信号大于光伏电缆电压信号时，输出高电平信号；三者之一为高电平信号时将传送至执行单元发送指令，所述的绝对值运算采用窗口比较器；和

所述执行单元与所述逻辑单元电连接并根据所述逻辑单元传来的指令控制所述断路器分闸。

一种汇流箱保护方法，包括如下步骤：

用采集单元采集直流电缆电压信号U_z、至少一条光伏电缆电压信号U_i、光伏逆变侧电压信号U_m；

逻辑单元接收采集单元采集的对电压信号U_z、U_i、U_m以及比较电压U_ε1、U_ε2、U_ε3进行逻辑运算：

当满足((|U_Z+-U_Z-|>U_ε1)and(U_m-U_z>U_ε3))or(|U_i+-U_i-|>U_ε1)or(U_i-U_z＞U_ε2)时向执行单元发送执行信号；

执行单元根据所述逻辑单元传来的指令控制所述断路器分闸。

其中，|U_Z+-U_Z-|>U_ε1的运算和|U_i+-U_i-|>U_ε1的运算采用窗口比较器执行，or运算通过与门电路串联非门电路执行，and运算通过三极管执行。

本实用新型对逻辑单元内部进行了改进和补充，对比较模块进行了并联处理，比较模块分别接收光伏电缆和直流电缆的电压信号，通过窗口比较器进行逻辑运算，当符合差值大于等于比较电压绝对值时输出信号，输出的信号通过与门电路将多路的比较器进行并联，达到了任一一路上有信号输出，则发送至执行单元，借由执行单元控制断路器的合闸、分闸。

本实用新型中的逻辑单元还设有熔丝识别模块和直流电缆故障识别模块，均采用采集电压值进行逻辑运算的方式，在逻辑单元内部形成了多类别的识别监控逻辑运算单元，可对故障进行及时处理及分析，具有较好的效率。

本实用新型的有益效果为：够识别出多组串光伏电缆故障、直流电缆故障、熔丝或螺栓松动故障。避免了传统汇流箱保护中因方法缺陷而产生的误差，同时保护装置不受周围光照和环境温度的影响。因此，在实际运行维护中更能够以安全为主，在故障时保护装置动作灵敏，为系统安全稳定性提供了有力的保障。而且，这也减少了人为排查故障的可能，降低了实际运维人员的工作量。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施方式)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本实用新型汇流箱低电压保护系统结构示意图；

图2是本实用新型中采集单元的原理图；

图3是本实用新型中逻辑单元的原理图；

图4是本实用新型窗口比较器输出示意图；

图5是本实用新型直流电缆故障示意图；

图6是本实用新型中熔丝故障的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。

术语说明

汇流箱：汇流箱主要作用就是把光伏阵列的输入进行一级汇流，用来减少光伏阵列接入到逆变器的连线，同时提供防雷功能，检测光伏板的运行状态、直流量状态采集及断路器状态等。

光伏逆变器：光伏逆变器是通过电力电子器件(MOSFET、IGBT等)连接电阻电容，以脉冲宽度调制的方式控制器件的通断，把汇流箱传输来的直流电转变成交流电，同时完成光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)，保证智能控制及反孤岛效应等。

断路器：所设计的分合装置，能够关合、通断和承载正常状态的电流；并且能在非正常运行状态下，也能够进行关合、分断以及一定时间内的导通与通断。

门极可关断晶闸管(GTO)：门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件，可以通过在门极施加脉冲电流控制其通断；由于该器件的电压，电流容量较大，与普通晶闸管接近，因此可以在大功率场合有较多应用。

一种汇流箱保护装置，如图1所示，所述汇流箱包括光伏电缆41、42，直流电缆43、44，断路器60，采集单元10、逻辑单元20以及执行单元30。

采集单元10用于采集直流电缆和光伏电缆支路上的电压信号，其原理如图2所示，采集单元10串联分压电路11、滤波电路12、电压跟随器13、光电耦合器14和稳压管15。U_dc为待检测直流电压，霍尔电压传感器采集到的电压信号经过分压电路11使其电压限制在合适的范围；RC滤波器12滤除采集信号中的噪声；电压跟随器13可以确保输出信号不受输入电路的电阻的干扰，起到防止电压冲击的作用；光电耦合器14有效地实现阻断电路之间的电联系，而且不切断他们之间的信号传递，隔离性能好，不受电磁波干扰，工作稳定可靠；稳压管15将输出电压U_pot限制在一定范围，起到保护电路的作用。

逻辑单元20如图3所示，包括多个比较模块21、直流电缆故障识别模块22、熔丝识别模块23和保护模块24。各比较模块21、直流电缆故障识别模块22和熔丝识别模块23并联，尽管输入端接收的信号不同，单输出端合流接入执行单元。各比较模块21由运算放大电路和窗口比较器组成。各个比较模块21的区别在于接入的电压值不同，其中一个比较模块21接入直流电缆的电压U_z+和U_z-，其余的比较模块的分别接入U₁₊、U_1-，U₂₊、U_2-……U_n+、U_n-。其中，运算放大电路由两个运算放大器串联，其中一运算放大器输入信号是电缆正极和接地，以接入光伏电缆的比较器为例，电缆正极为U₁₊，该运算放大器的输出信号输入至另一运算放大器中，另一运算放大器的另一连接端与电缆负极U_1-连接。运算放大器工作在线性区，运算放大器输出的电压U_a。窗口比较器由两个比较器并联组成，并联的两个比较器工作在非线性区域，输出信号只有高电平和低电平，窗口比较器分别接入U_ε1、-U_ε1和U_a。当信号U_a大于U_ε1时，比较器A₁的输出电压U_o1＝U_OH，比较器A₂的输出电压U₀₂＝-U_oH。使得二极管D₁导通，D₂截止，输出电压U_b＝U_OH；当信号-U_ε1<U_a<U_ε1时，比较器A₁的输出电压U_o1＝-U_OH，比较器A₂的输出电压U₀₂＝-U_oH。使得二极管D₁和D₂截止，输出电压U_b＝0；信号U_a小于-U_ε1时，比较器A₁的输出电压U_o1＝-U_OH，比较器A2的输出电压U₀₂＝U_oH。使得二极管D₁截止，D₂导通，输出电压U_b＝U_OH其特性曲线如图4所示。

本实用新型的模块并联通过与门电路和非门电路组成，各比较模块接入与门电路的输入端，与门电路输出端与非门电路输入端连接。窗口比较器对电压信号与比较电压的差做出绝对值判断，当绝对值大于或等于设定值时输出汇流箱短路器切断信号。与门电路表示当所有光伏电缆支路正常运行时，所串接的二极管均处于截止状态，输出信号U_c为高电平信号；当任一光伏电缆支路出现故障时，信号U_b为低电平信号，与其相连接的二极管导通，输出信号U_c为低电平信号。而非门电路则表示当输入信号U_c为低电平信号时，电压Ud为高电平信号；U_c为高电平信号时，电压U_d为低电平信号。比较电压等于

380V-400V，以及设定值等于190V-320V。对于接收直流电缆电压U_z+和U_z-的比较模块21，其结构也是相同的，多个比较模块21之间的并联关系主要通过与门电路的输出端合流输出信号，只要任一个比较模块的输出高电平信号，则均将高电平信号输出到执行单元。

逻辑单元20还包括直流电缆故障识别模块22，其包含正极直流电缆识别模块和负极直流电缆识别模块，正极直流电缆识别模块和负极直流电缆识别模块的区别在于，所述的正极直流电缆识别模块接入光伏逆变器侧和直流电缆上的正电压，和所述的负极直流电缆识别模块接入光伏逆变器侧和直流电缆上的负电压。两个直流电缆识别模块均包括运算放大器、比较器和二极管，运算放大器接入直流电缆的电压信号和光伏逆变器侧的电压信号，以正极直流电缆识别模块为例，运算放大器接入U_m+和U_z+，运算放大器输出信号接入比较器中，比较器另一入口端接入比较的阈值U_ε3，比较器的输出端接入与门电路，任一识别模块中的光伏逆变器侧的电压信号与直流电缆上电压信号的差大于比较电压的阈值时，输出汇流箱跳闸信号。

直流电缆故障识别模块22的逻辑示意图如图5所示，当采集单元采集的直流电缆电压U_Z+、U_Z-通过比较器比较两者的大小，满足不等式|U_Z+-U_Z-|>U_ε1时，可以判定为直流电缆故障，如故障点f₁，或光伏逆变器直流侧故障，如故障点f₂。l₁为故障点f₁到汇流l₁箱的距离，l₂为故障点f₁到光伏逆变器的距离，l为汇流箱与光伏逆变器之间直流电缆的总长。本实用新型通过比较器比较汇流箱侧的直流电缆电压和光伏逆变器侧的直流电缆电压来识别出直流电缆故障和光伏逆变器直流侧故障。

当光伏逆变器直流侧故障下，直流电缆上流经的电流为I。由于光伏组件光电转换的特殊性，该电流值的大小与正常运行状态下的值相差不大。汇流箱侧和光伏逆变器侧电缆电压分别为U_m、U_z的函数关系满足表达式(1)：

U_m-U_z＝lIR (1)

式中R为单元长度直流电缆的电阻。

由于电缆长度l不大，因此表达式U_m-U_z很小，会小于阀值电压U_ε3。

|U_m-U_z|<U_ε3 (2)

当直流电缆发生接地故障时，正常的直流电缆上所有流经的电流会经过直流柜上母线出汇流后“反灌”到故障电缆。

汇流箱侧和光伏逆变器侧电缆电压分别为U_m、U_n的函数关系满足表达式(2)

U_m-U_z＝l₁I₁R-l₂I₂R (3)

此时，反灌电流值I₂的大小为方阵中其它所并联汇流箱的流经电流的总和。

|U_m-U_z|>U_ε3 (4)

依据式(2)和式(4)来识别出直流电缆故障和光伏逆变器直流侧故障。当直流电缆故障时，汇流箱断路器跳闸，并通过RS485通讯线传递给汇流箱跳闸信号。本实用新型的重点在于研究一种光伏汇流箱的保护系统，光伏逆变器直流侧故障不属于本实用新型研究的内容，不在此说明。

直流电缆识别模块22通过三极管T₃与直流电缆的比较模块连接，接收直流电缆电压信号的比较模块中的窗口比较器的输出端接入所述三极管T₃的集电极，所述直流电缆故障识别模块的输出端接入所述三极管T₃的基极，T3发射极连接与门电路的输入端。

施工及设备质量也是影响光伏电站发电的重要因素。熔丝和螺栓的使用增加了直流节点，为电站的运维安全埋下隐患。熔丝盒和螺栓对电缆施工质量要求高，经常出现接触不良的现象，引起汇流箱拉弧或烧毁现象。由于接触不良时，相当于在节点处串接了一电阻，如图6示。因此在逻辑单元内设置熔丝识别模块，熔丝识别模块与螺栓松动识别模块是相同含义。熔丝识别模块23包括并联的正极熔丝识别模块和负极熔丝识别模块，正极熔丝识别模块与负极熔丝识别模块的区别在于，正极熔丝识别模块接入光伏电缆和直流电缆的正电压，负极熔丝识别模块接入光伏电缆和直流电缆的负电压，所述的熔丝识别模块包括运算放大器、比较器和二极管，以正极熔丝识别模块为例，U₁₊、U₂₊……U_n串联二极管后并联入运算放大器，运算放大器的输出端接入比较器，比较器还接入比较电压U_ε2，比较器的输出端接入二极管，实现正极或负极识别模块的直流的电缆电压信号与光伏电缆的差大于比较电压，向所述执行单元发送指令。原理如图6，U_k为光伏电缆的电压，U_l为直流电缆电压。其中，U_k与U_l的关系表达式为：

U_k-U_l＝IR (5)

通过比较器比较光伏电缆和直流电缆电压差满足不等式U_k-U_l>U_ε2，来识别出熔丝或螺栓的松动，从而控制直流断路器跳闸。

所述的直流电缆识别模块22、比较模块21和熔丝识别模块23的各输出端接入与门电路合流输出，连接非门电路后连接保护电路24，保护电路24与执行单元连接。

其中，逻辑单元还包括三极管T₂，并联的比较模块输出的信号所述三极管T₂的集电极，三极管T₃的发射极接入三极管T₂的基极，所述三极管T₂的发射极连接导引线。导引线70为RS485导引线。

执行单元包括控制门极可开断晶闸管。

现有技术中电压保护系统是通过继电器控制接触器通断来实现直流断路器合分闸功能。本实用新型利用门极可开断晶闸管，使直流电流从零开始平稳上升，不仅能够实现电路的无触点控制，而且能够防止断路器内的弹簧线圈中的电流和电压在控制过程中引起的过电压。因此，本实用新型的控制系统动作灵敏、稳定性强。

逻辑单元输出信号合闸信号001、分闸信号002时，各自的门极可开断晶闸管注入门极电流I_g，门极可开断晶闸管处于正向偏置，阳极电流随I_G的增大而逐渐增大，直至门极可开断晶闸管进入导通状态。传统上使用继电器控制接触器通断来实现直流断路器合分闸过程中，继电器中的线圈由于冲击电流过大而损坏，继电器与接触器之间需存在电连接，故障率高。本实用新型克服了继电器的缺点，在直流断路器合分闸过程中，直流电流从零开始平稳上升，不仅能够实现电路的无触点控制，而且能够防止断路器内的弹簧线圈中的电流和电压在控制过程中引起的过电压。

以上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，但应理解到，在阅读了解本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。