一种串联式组件级光伏关断系统的制作方法

本发明属于涉及光伏并网/离网发电技术领域，具体涉及一种串联式组件级光伏关断系统。

背景技术：

随着光伏发电系统应用越来越广泛，光伏系统的安全问题也越来越受到重视，光伏系统存在直流高压，必然存在电击和电弧打火的风险，特别是当光伏系统发生火灾时，因为系统直流高压的存在，消防员无法及时施救。为了解决这一问题，业内已普遍认识到组件级关断的必要性。

目前业内的组件级关断功能产品有光伏优化器、光伏监控器、智能接线盒等，一方面，这些方案都依赖于通讯系统(rf或者plc)，通讯系统必然带来成本高和易受干扰等问题。另一方面，这些方案都是并联方案，有两个输入端口，两个输出端口，输入并接到组件的接线盒输出端口，输出端口再依次串联，接线安装相对复杂。

授权公告号为cn207150526u的实用新型公开了一种光伏系统中用来控制光伏组件串的多组件级快速关断装置，光伏组件串包括多个串联在一起的光伏组件，多组件级快速关断装置包括微控制器、通信单元、驱动电路、辅助电源、开关单元和输出旁路二极管；微控制器与通信单元进行通信并控制驱动电路，通信单元用于传输指令给微控制器，驱动电路根据微控制器的指令驱动开关单元，辅助电源由光伏组件供电，开关单元包括多个开关，开关与光伏组件对应并且连接在光伏组件组成的串联电路中，驱动电路与开关分别连接以控制开关的关断与开通。

授权公告号为cn207543063u的实用新型公开了一种多组件级快速关断装置，用在光伏系统中控制与其连接的光伏组件串，所述光伏组件串包括多个串联在一起的光伏组件；所述多组件级快速关断装置包括微控制器、通信单元、驱动电路、辅助电源、开关单元和输出旁路二极管；微控制器与通信单元进行通信并控制驱动电路，通信单元用于传输关断与开通指令，驱动电路接收微控制器指令从而驱动开关单元关断与开通光伏组件串，开通时光伏组件串中的所有光伏组件均为辅助电源供电，从而平衡所有光伏组件对辅助电源的供电，提高发电量。

上述两个实用新型公开的多组件级快速关断装置的微控制器均受通信单元传输的指令控制，以控制驱动电路工作，即均依赖于通讯系统，该通讯系统的引入增加了成本，且由于通讯系统易受干扰造成多组件级快速关断装置工作不稳定，此外，两个多组件级快速关断装置均有两个输入端口，两个输出端口，输入并接到组件的接线盒输出端口，输出端口再依次串联，接线安装相对复杂。

因此，寻找一种低成本、不依赖于通讯系统，且可以简便安装的组件级关断方案就成为行业亟需。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种串联式组件级光伏关断系统，该系统不依赖于通讯系统、且安装简便，大大降低了系统成本，提高系统效率和可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种串联式组件级光伏关断系统，包括并联成阵列的多个光伏组串，依次串联的关断控制器、光伏逆变器以及电网，其中，关断控制器的输入端连接光伏组串阵列的输出端，其特征在于：

每个光伏组串包括交替串联连接的m个光伏组件和m-1个串联光伏关断器；

所述串联光伏关断器包括正端口、负端口、开关管、高频阻断电感、高频通路电容、第一放电电阻、驱动电容、第二放电电阻、二极管，其中，高频通路电容与第一放电电阻并联后，跨接到正端口与负端口两端，形成串联光伏关断器的高频通路部分；驱动电容与第二放电电阻并联后跨接到开关管的s极和g极之间；开关管的s极连接正端口，d极经高频阻断电感连接负端口，形成直流通路部分；二极管的阳极连接负端口，阴极连接开关管g极，用于将高频通路电容上高频电压尖峰传递到驱动电容。

通过关断控制器开通时，产生高频振荡电压，该高频振荡电压通过串联光伏关断器的高频通路和二极管控制驱动电容两端的电压，进而控制驱动电容驱使开关管导通，以使串联式组件级光伏关断系统处于开通状态，当关断控制器关断时，串联光伏关断器的驱动电容的能量通过其对应的放电电阻逐渐释放掉，使得开关管接入截止状态，即实现串联式组件级光伏关断系统的关断。

为了维持系统中双向高频通路的畅通，每个光伏组串的一端还串联有防反二极管，防反二极管两端并联有用于维持双向高频通路的电容。

具体地，所述关断控制器包括辅助电源、mcu、高频阻断电感、直流稳压电容、限流电阻、高频通路电容、放电电阻、开关管，其中，高频阻断电感串联在关断控制器的输入正端口和输出正端口之间，用于阻断高频通路；限流电阻和高频通路电容串联，限流电阻一端连接关断控制器的输入正端口，高频通路电容连接开关管d极，开关管s极连接关断控制器的输入负端口；放电电阻并联在高频通路电容两端；辅助电源的输入连接关断控制器的输入正、负端口，用于为mcu供电；mcu连接开关管g极，控制开关管的断开或导通；关断控制器的输入负端口和输出负端口直接连接，直流稳压电容跨接关断控制器的输出正端口和输出负端口，用于稳定直流输出电压。

该关断控制器的mcu发出占空比很小的周期性驱动信号驱动开关管在周期内开通和关断，开关管周期内的开通和关断控制驱动电容的充放电，使得高频通路会产生高频振荡电流，该高频振荡电流会维持串联光伏关断器的开关管开通，以使系统处于开通状态。

优选地，所述串联光伏关断器集成到接线盒中，所述关断控制器集成到光伏逆变器中。这样系统架构可以进一步简化，成本进一步降低。

所述串联式组件级光伏关断系统的控制过程为：

当串联式组件级光伏关断系统处于开通状态时，关断控制器的mcu会发出占空比为0.5％～2％的周期性驱动信号以驱动开关管导通和关断，开关管导通时，光伏组串阵列通过限流电阻给高频通路电容充电，周期内开关管截止时，高频通路电容通过其对应的放电电阻放电，开关管的导通和截止过程，会在组件与关断控制器、串联光伏关断器的高频通路中形成高频振荡电流；

该高频振荡电流从串联光伏关断器的高频通路流过，给串联光伏关断器的高频通路电容充放电，在串联光伏关断器的高频通路电容上形成高频振荡电压，该高频振荡电压的尖峰通过二极管传递给驱动电容，该驱动电容的电压驱动开关管导通；

周期内，关断控制器的开关管截止后，关断控制器的高频通路电容会通过其对应的放电电阻放电，串联光伏关断器的高频通路电容会通过其对应的放电电阻放电，但关断控制器的直流稳压电容的电压和串联光伏关断器的驱动电容的电压在周期内会维持，以维持串联光伏关断器的开关管导通。

当串联式组件级光伏关断系统需要进入关断状态时，关断控制器的mcu不再发出周期性驱动信号，串联光伏关断器的驱动电容的能量通过其对应的放电电阻逐渐释放掉，使得开关管接入截止状态。

为了实现上述控制，关断控制器的高频通路电容和其对应的放电电阻的时间常数为mcu发送驱动信号的周期值的1/200～3/200；

串联光伏关断器的高频通路电容和其对应的第一放电电阻的时间常数为mcu发送驱动信号的周期值的1/20～3/20；

串联光伏关断器的驱动电容和其对应的第二放电电阻的时间常数为mcu发送驱动信号的周期值的15～30倍。

时间常数是指通过电阻给电容充放电所需的时间，一般简单可用r*c来计算，本发明是通过这种充放电脉冲来实现的，所以会考虑时间关系。

本发明具有的有益效果为：

该串联式组件级光伏关断系统的架构简单可靠，串联光伏关断器中无需数字芯片，通过纯模拟电路和关断控制器的控制即可以实现对光伏组件的开通和断开的控制，避免了依赖通讯系统进行控制，有效地降低系统成本，提高了系统可靠性，此外，串联光伏关断器仅有两个端口，串联在相邻的两个组件之间，安装简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是一实施例提供的串联式组件级光伏关断系统的结构示意图；

图2是图1中的串联光伏关断器的结构示意图；

图3是图1中的关断控制器的结构示意图；

图4是图1中高频通路电容c1、驱动电容c2、高频通路电容c3的多个周期内的电压波形图；

图5是图1中高频通路电容c1、驱动电容c2、高频通路电容c3的单个周期内的电压波形图；

图6是另一实施例提供的串联式组件级光伏关断系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的串联式组件级光伏关断系统包括光伏组件10111～101mn，串联光伏关断器10211～102(m-1)n，关断控制器103、光伏逆变器104，电网105，其中：

光伏组件10111～101m1和串联光伏关断器10211～102(m-1)1以交替串联的方式形成一个光伏组串，即串联光伏关断器10211连接在光伏组件10111和光伏组件10112之间，串联光伏关断器10212连接在光伏组件10112和光伏组件10113之间，按此规律依次连接形成一个光伏组串，n个上述光伏组串并联形成光伏组串阵列；关断控制器103的输入+和输入﹣连接光伏组串阵列两端，关断控制器103的输出+和输出﹣与光伏逆变器104的输入+和输入﹣对应连接，光伏逆变器104的输出并入电网105。

图1中的串联光伏关断器10211～102(m-1)n的结构相同，如图2所示，包括开关管q1、高频阻断电感l1、高频通路电容c1、第一放电电阻r1、驱动电容c2、第二放电电阻r2、二极管d1。

其中，高频通路电容c1、第一放电电阻r1并联跨接在串联光伏关断器的+端口和﹣端口之间，形成高频通路；开关管q1与高频阻断电感l1串联后跨接在串联光伏关断器的+端口和﹣端口之间，形成直流通路(电感阻断高频)，驱动电容c2与其对应的第二放电电阻r2并联，跨接在开关管q1的s、g极之间；二极管d1的阳极连接串联光伏关断器的﹣端口，二极管d1的阴极接开关管q1的g极，二极管d1可以将高频通路电容c1上的电压峰值传递到驱动电容c2，形成驱动电压，以驱动开关管q1的导通。

如图3所示，关断控制器103的结构为：其输入有两个端口“输入+”和“输入-”，关断控制器的输出有两个端口“输出+”和“输出-”，“输入+”与“输出+”之间串联高频阻断电感l2，l2的作用是阻断高频通路，“输入-”与“输出-”直接连接，“输入+”连接限流电阻r4的一端，r4的另一端连接高频通路电容c3与对应的放电电阻r3并联支路的一端，高频通路电容c3与放电电阻r3并联支路的另一端连接开关管q2的d极，q2的s极接“输入-”，限流电阻r4与高频通路电容c3、放电电阻r3的并联支路及开关管q2串联后形成该关断控制器的高频通路。辅助电源的输入并接到“输入+”、“输入-”两个端口，辅助电源的输出给mcu供电，mcu发出占空比非常小的周期性驱动给开关管q2。“输出+”与“输出-”之间跨接直流稳压电容c4，用于稳定直流电压。

上述串联式组件级光伏关断系统的具体工作过程为：

当串联式组件级光伏关断系统处于开通状态时，关断控制器的mcu会发出占空比极小的周期性驱动信号，周期性驱动开关管q2开通和关断，比如周期为1ms，占空比为1％，即驱动时间为10us。驱动送出时，开关管q2导通，光伏组串阵列通过限流电阻r4给高频通路电容c3充电，周期内开关管q2截止，高频通路电容c3通过其对应的放电电阻r3放电，q2的开通和关断过程，会在系统的高频通路中形成高频振荡电流，这个高频振荡电流也会流经串联光伏关断器的高频通路，在串联光伏关断器的高频通路电容c1上形成高频振荡电压，这个高频振荡电压的尖峰经过二极管d1传递到驱动电容c2，在驱动电容c2上形成一个相对稳定的电压，用于驱动开关管q1开通。

周期内，当关断控制器的mcu驱动截止时，开关管q2关断，高频通路电容c3通过对应的放电电阻r3放电，在周期内恢复到初始状态，串联光伏关断器的高频通路电容c1通过其对应的放电电阻r1放电，在周期内恢复到初始状态，但因为二极管d1的单向导通性，驱动电容c2的电压不会随c1变小，而是会维持电压基本稳定，即维持开关管q1的导通。

为了实现稳定控制，同时又避免增加损耗，驱动电压需要能维持稳定，而高频电流的频率要尽量小，因此，关断控制器的高频通路电容c3及其对应的放电电阻r3的时间常数要远小于周期值，比如c3为2.2μf，r3为5ω；串联光伏关断器的高频通路电容c1与其对应的放电电阻r1的时间常数也要远小于周期值，比如c1为0.22μf，r1为500ω；而串联光伏关断器的驱动电容c2及其对应的放电电阻r2的时间常数要远大于周期值，比如c2为0.22μf，r2为100kω。

上述串联式组件级光伏关断系统中，串联光伏关断器的高频阻断电感l1和关断控制器的高频阻断电感l2都是为了阻断高频通路(直流不受影响)，例如感值为30μh，关断控制器的限流电阻r4用来限制充电电流，例如r4为100ω，可以通过调节限流电阻r4、周期及占空比、串联光伏关断器的高频通路电容c1的容值、驱动电容c2的容值，来调节驱动电容c2上驱动电压的幅值，以适用不同的应用情况，关断控制器的直流稳压电容c4用于稳定直流电压，例如取值10μf。按前面举例参数可得到c1、c2、c3电压波形如图5、图6所示。

需要系统进入关断状态时，关断控制器的mcu停止周期性驱动送出，则系统高频通路中无电流流过，串联光伏关断器的高频通路电容c1上的电压很快会释放掉，串联光伏关断器的驱动电容c2上的电压也会逐渐释放掉，当驱动电容c2上的电压低于开关管q1的驱动电压的阈值后，串联光伏关断器进入截止状态。

在另外一个实施例中，如图6所示，提供的系统还包括防反二极管1061～106n，每个防反二极管串联在一个光伏组串的输出端，如防反二极管1061串联在第一光伏组串的输出正极，防反二极管106n串联在第n光伏组串的输出正极，为了维持双向高频通路的畅通，提供的系统还包括电容1071-107n，每个电容并联在防反二极管的两端，如电容1071并联在防反二极管1061两端，电容取值可以为0.22μf。

上述实施例中，开关管q1和开关管q2可以为反并联二极管的功率开关管，具体可以为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。

上述实施例中，辅助电源可以为buck电路或者线性稳压器ldo，mcu可以采用st的stm32f030f4p6，mcu内烧入实现上述控制方法的程序。

上述组件级关断设备和关断控制器均是独立产品，这种独立产品适用于老电站改造以及电站的二次开发。在另外一个实施例中，上述串联光伏关断器可以集成到接线盒中，上述关断控制器可以集成到逆变器中，若集成到逆变器中，则控制逻辑可以通过逆变器的主控ic来使能，这样充分利用逆变器的各种检测电路，使得系统更高效，成本更低。

上述串联式组件级光伏关断系统的架构简单可靠，串联光伏关断器中无需数字芯片，通过纯模拟电路和关断控制器的控制即可以实现对光伏组件的开通和断开的控制，避免了依赖通讯系统进行控制，有效地降低系统成本，提高了系统可靠性，此外，串联光伏关断器仅有两个端口，串联在相邻的两个组件之间，安装简便。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。