光伏组件串关断装置及光伏系统的制作方法

本实用新型涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏组件串关断装置及光伏系统。

背景技术：

太阳能作为一种低碳可再生能源，不但资源丰富、对环境无污染，而且是人类能够自由利用的能源，因此太阳能以其独有的优势成为人们重视的焦点。光伏发电作为太阳能最广泛的应用在现今社会中得到大力推广，安装量逐年增长。分布式光伏发电系统是指在用电现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统通常安装在建筑屋顶上，由于光伏发电系统作为一种带电设备，其内部及电路中始终有电流存在。当建筑发生火灾时，电流的存在会影响消防人员及时施救。随着光伏产业的不断扩大，发生事故的概率也在不断增加。与此同时，如何对光伏发电系统进行智能的监控、控制接入和断开等智能化操作也是目前行业发展的一个方向和趋势。因此为了提高光伏系统的安全，NEC2017(美国电工法案2017)中对光伏系统提出快速关断(RS，Rapid Shutdown)的要求。

现有的关断方式是在每个光伏组件上都接入一个快速关断装置，成本较高；此外在正常发电时，多个光伏组件对应的多个快速关断装置的开关会形成串联，产生较大的导通损耗，继而影响光伏组件的发电效率。

有鉴于此，确有必要提出一种高性价比、满足NEC2017标准要求的快速关断解决方案，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光伏组件串关断装置及光伏系统，该光伏组件串关断装置及光伏系统可有效提高光伏组件的发电效率并减少能量消耗，同时具有高性价比。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种光伏组件串关断装置，用于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至少两个串联在一起的光伏组件；所述光伏组件串关断装置包括开关单元、电压检测单元和电压比较单元；所述开关单元与所述电压检测单元并联设置，所述开关单元用于关断与开通对应的光伏组件串，所述电压检测单元用于检测光伏组件串的母线电压，所述电压比较单元用于将检测到的母线电压与基准电压进行比较并输出反馈信号。

作为本实用新型的进一步改进，所述开关单元包括相互并联设置的至少两个第一开关，所述第一开关的一端连接所述光伏组件串正端第一个光伏组件的正端、另一端连接所述光伏组件串负端第一个光伏组件的负端。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一开关为MOSFET、IGBT、继电器或可控硅中的一种。

作为本实用新型的进一步改进，所述电压检测单元通过分压电阻对光伏组件串的母线电压进行检测；所述电压比较单元为比较器或NPN三极管。

作为本实用新型的进一步改进，所述光伏组件串关断装置还包括隔离转换模块，所述隔离转换模块用于给所述开关单元提供隔离电源。

本实用新型还提供了一种光伏系统，所述光伏系统包括至少一个前述光伏组件串关断装置、与光伏组件串关断装置对应的至少一个光伏组件串、控制装置和至少一个逆变器，所述光伏组件串、光伏组件串关断装置及逆变器通过一组母线相连，且所述光伏组件串关断装置并联设置在光伏组件串与逆变器之间，所述控制装置用于向所述光伏组件串关断装置发出指令，所述光伏组件串关断装置根据指令关断与开通对应的光伏组件串。

作为本实用新型的进一步改进，所述光伏系统包括一个逆变器，该一个逆变器与至少一个光伏组件串及对应至少一个光伏组件串关断装置连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述光伏系统包括至少两个逆变器、至少两个光伏组件串及对应的至少两个光伏组件串关断装置，每个逆变器均与至少一个光伏组件串及对应至少一个光伏组件串关断装置连接，光伏组件串关断装置之间通过总线串联连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述控制装置包括输入电源、与输入电源相连的第二开关及指示单元，所述输入电源用于为指令供电，所述指示单元用于在关断光伏组件串时接收所述光伏组件串关断装置发出的反馈信号并进行指示。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二开关包括手动开关和电动开关，所述手动开关与所述电动开关并联设置，所述控制装置还包括驱动模块，所述驱动模块的一端与输入电源相连、另一端与电动开关相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述电动开关为继电器或PMOS管。

作为本实用新型的进一步改进，所述驱动模块为旁路二极管或由电阻与NPN三极管组成。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的光伏组件串关断装置可以同时控制一个光伏组件串中多个光伏组件的关断，避免了现有技术中的每个光伏组件均需要对应一个关断装置，从而减少了关断装置的数量，降低了光伏组件串的控制成本，并进一步降低了光伏系统的能量损耗。

附图说明

图1是本实用新型的光伏系统实施例一的示意图。

图2是图1中光伏组件串关断装置的具体结构示意图。

图3是图1中控制装置的实施例一的示意图。

图4是图1中控制装置的实施例二的示意图。

图5是图1中控制装置的实施例三的示意图。

图6是图1中控制装置的实施例四的示意图。

图7是图1中控制装置的实施例五的示意图。

图8是图1中控制装置的实施例六的示意图。

图9是本实用新型的光伏系统实施例二的示意图。

图10是本实用新型的光伏系统实施例三的示意图。

图11是本实用新型的光伏系统实施例四的示意图。

图12是本实用新型的光伏系统实施例五的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种光伏组件串关断装置及应用该光伏组件串关断装置的光伏系统，所述光伏组件串关断装置可应用于屋顶类光伏电站，特别是商业屋顶和无遮挡家用屋顶光伏电站。所述光伏系统主要包括：光伏组件串、光伏组件串关断装置、控制装置和逆变器，且该光伏系统具有五种实施方式，以下说明书部分将对该五种实施方式进行详细描述。

请参阅图1所示，为本实用新型提供的光伏系统的实施例一的示意图。所述光伏系统包括一个光伏组件串关断装置10、与光伏组件串关断装置10对应的一个光伏组件串(未标号)、一个控制装置20和一个逆变器30，适用于单组串单阵列光伏系统。所述光伏组件串关断装置10用于控制与其相连接的光伏组件串开通或关断。所述控制装置20与光伏组件串关断装置10相连，用于向光伏组件串关断装置10发出指令；所述光伏组件串关断装置10根据指令关断与开通对应的光伏组件串，并在光伏组件串关断后输出反馈信号给控制装置20。

所述光伏组件串包括至少两个串联在一起的光伏组件。所述光伏组件串、光伏组件串关断装置10及逆变器30通过一组母线(LN1、LN2)相连，且所述光伏组件串关断装置10并联设置在光伏组件串与逆变器30之间；即：光伏组件串的正极通过母线LN1与逆变器30相连、光伏组件串的负极通过母线LN2与逆变器30相连，光伏组件串关断装置10位于光伏组件串与逆变器30之间，且光伏组件串关断装置10的两端分别与母线LN1和母线LN2相连接。

请参考图2并结合图1所示，所述光伏组件串关断装置10包括开关单元、电压检测单元和电压比较单元；所述开关单元与所述电压检测单元并联设置。所述电压检测单元用于检测光伏组件串的母线电压，且具体是通过分压电阻对光伏组件串的母线LN1与LN2之间的电压进行检测。所述电压比较单元用于将检测到的母线电压与基准电压进行比较并输出反馈信号给控制装置20；优选的，所述电压比较单元为比较器或NPN三极管。

所述开关单元包括相互并联设置的至少两个第一开关，所述第一开关的一端连接光伏组件串正端第一个光伏组件的正极、第一开关的另一端连接光伏组件串负端第一个光伏组件的负极。将至少两个第一开关设计成并联的方式，主要是考虑到美国标准UL1741中对单一故障的要求，并联后即使其中一个第一开关断开失效，光伏组件串关断装置10依然能通过另一个第一开关短路使光伏系统处于安全状态。

以图2所示的两个第一开关为例，进行举例说明：两个第一开关分别为开关S1和开关S2，开关S1和开关S2可以为MOSFET、IGBT、继电器或可控硅中的任意一种；电压检测单元通过2个电阻分压后对光伏组件串的母线LN1与LN2之间的电压进行检测，随后将检测到的母线电压发送给电压比较单元进行比较；电压比较单元为比较器11，比较器11将母线电压与基准电压Vref(如30V)进行比较，并将比较结果以反馈信号的方式发送给控制装置20；当母线电压高于30V时，反馈信号为低电平，当母线电压低于30V时，反馈信号为高电平。

当然，也可将比较器11替换成NPN三极管，此时电压检测单元将检测到的母线电压发送给NPN三极管的基极，当母线电压高于30V时，反馈信号为低电平，当母线电压低于30V时，反馈信号为高电平。

对于单组串关断系统而言，所述光伏组件串关断装置10仅通过上述开关单元、电压检测单元及电压比较单元，即可控制与其相连接的光伏组件串开通或关断。

当光伏组件串具有多个时，光伏组件串关断装置10也对应设置多个，此时即构成了多组串关断系统(如图9)。对于多组串关断系统而言，由于多个光伏组件串关断装置10不共地，因此需要利用隔离电源来驱动对应的开关S1和S2，此时所述光伏组件串关断装置10还应包括隔离转换模块，所述隔离转换模块用于给开关S1和开关S2提供隔离电源，具体如图2所示。

请参阅图3所示，所述控制装置20包括输入电源、与输入电源相连的第二开关及指示单元。所述输入电源用于为指令供电(即触发驱动电源信号VCC-1和VCC-2)；所述第二开关用于控制指令的发出；所述指示单元用于在关断光伏组件串时接收所述光伏组件串关断装置10发出的反馈信号并进行指示。所述输入电源包括直流电源(DC1和DC2)和电池电源。所述指示单元为LED指示灯，根据光伏组件串关断装置10发出的反馈信号选择性亮起。

因控制装置20的触发方式包括急停开关手动触发方式和交流断电自动触发方式，故所述第二开关包括手动开关K和电动开关，所述手动开关K与所述电动开关并联设置，以方便自主选择手动触发还是自动触发。所述电动开关为继电器或PMOS。所述控制装置20还包括驱动模块，所述驱动模块的一端与直流电源相连、另一端与电动开关相连。所述驱动模块可以为旁路二极管，也可以由电阻与NPN三极管组成。

图3所示为控制装置20的实施例一示意图，本实施例中，电动开关为常闭型的继电器，驱动模块为旁路二极管。当选择手动触发控制装置20时，初始状态下，直流电源DC1和DC2正常输入，手动开关K断开，光伏系统正常发电；紧急状况下，手动开关K闭合，控制装置20发出指令给光伏组件串关断装置10；紧急状况解除后，手动开关K断开，光伏系统可正常工作。

当选择自动触发控制装置20时，可采用继电器直接触发方式，直流电源DC1和DC2为继电器的输入绕组提供驱动电源，当继电器初级有电时，继电器次级断开，光伏系统正常发电；当继电器初级无电时，继电器次级导通，控制装置20即可发出指令给光伏组件串关断装置10。

图4所示为控制装置20的实施例二示意图。与图3所示的实施例一相比，区别仅在于：本实施例中，直流电源由交流电源AC1和AC2经交/直流转换模块(AC/DC)转换而成。其他结构与实施例一全部相同，故不再赘述。

图5所示为控制装置20的实施例三示意图。与图3所示的实施例一相比，区别在于：1、本实施例三采用的自动触发方式为继电器间接触发方式；2、驱动模块由电阻和NPN三极管组成。此时，继电器的初级驱动电源为电池电源(12V电池)，直流电源DC1和DC2用于触发驱动电源信号VCC-1和VCC-2。

具体来讲，当继电器初级有电时，继电器次级断开，光伏系统正常发电；当继电器初级无电时，继电器次级导通，直流电源DC1和DC2触发NPN三极管导通，进而控制继电器导通，控制装置20即可发出指令给光伏组件串关断装置10。

其他结构与实施例一基本相同，故不再赘述。

图6所示为控制装置20的实施例四示意图。与图5所示的实施例三相比，区别仅在于：本实施例中，直流电源由交流电源AC1和AC2经交/直流转换模块(AC/DC)转换而成。其他结构与实施例三全部相同，故不再赘述。

图7所示为控制装置20的实施例五示意图。与图3所示的实施例一相比，区别在于：1、本实施例五的电动开关为PMOS；2、本实施例五采用的自动触发方式为PMOS间接触发方式；3、驱动模块可以任意选择，并不限定于旁路二极管，只要能够实现驱动功能即可。此时，PMOS的驱动电源为电池电源，直流电源DC1和DC2用于触发驱动电源信号VCC-1和VCC-2。

具体来讲，当有电池电源存在时，PMOS断开，光伏系统正常发电；当电池电源不存在时，PMOS导通，直流电源DC1和DC2触发驱动电路使PMOS导通，控制装置20即可发出指令给光伏组件串关断装置10。

其他结构与实施例一基本相同，故不再描述。

图8所示为控制装置20的实施例六示意图。与图7所示的实施例五相比，区别仅在于：本实施例中，直流电源由交流电源AC1和AC2经交/直流转换模块(AC/DC)转换而成。其他结构与实施例五全部相同，故不再赘述。

结合图1至图8所示，光伏系统的关断原理为：初始时，控制装置20未发出指令(即未触发驱动电源信号VCC-1和VCC-2)，光伏组件串关断装置10内的开关S1和开关S2保持开路状态，母线电压正常输出，逆变器30正常发电；当出现紧急状况(如火灾)时，控制装置20发出指令(即触发驱动电源信号VCC-1和VCC-2)，光伏组件串关断装置10接收指令后，开关S1和开关S2闭合短路，此时电压检测单元对母线电压进行检测并将检测到的母线电压发送给比较器11(或NPN三极管)进行比较，若母线电压低于30V，则比较器11(或NPN三极管)发出高电平信号给控制装置20，若母线电压高于30V，则比较器11(或NPN三极管)发出低电平信号给控制装置20；控制装置20接收到高电平信号后，LED指示灯亮起代表光伏系统成功关断&安全(即图1虚线边界外任何两条导线之间和对地之间电压小于30V，外部电流小于8A和240VA，虚线边界内任何两条导线之间和对地之间电压小于80V，符合美国标准NEC2017的要求)；紧急状况解除后，控制装置20停止发送指令，光伏组件串关断装置10内的开关S1和开关S2断开，母线电压恢复，逆变器30重新工作。

需要说明的是：控制装置20接收到低电平信号后，LED指示灯不会亮起，代表光伏系统不安全，以此来提醒工作人员，避免因误操作而发生意外。

请参阅图9所示，为本实用新型提供的光伏系统实施例二的示意图。与图1所示的光伏系统实施例一相比，本实施例提供的光伏系统包括至少两个光伏组件串关断装置10、至少两个光伏组件串、一个控制装置20和一个逆变器30，每个光伏组件串关断装置10均对应一个光伏组件串，该一个逆变器30与至少两个光伏组件串及对应至少两个光伏组件串关断装置10连接，适用于多组串单阵列单逆变器光伏系统。

本实施例的光伏系统的关断原理与光伏系统实施例一的关断原理基本相同，都是通过控制装置20发出指令来控制光伏组件串关断装置10内的开关S1和S2断开或闭合，以此来控制相应的光伏组件串开通或关断。

需要注意的是：本实施例中，光伏组件串关断装置10之间通过总线以手拉手的方式串联连接，控制装置20与光伏组件串关断装置10之间也通过总线相连。以图9为例：假设关断设置10设置有三个，分别为第一光伏组件串关断装置101、第二光伏组件串关断装置102和第三光伏组件串关断装置103，其中第一光伏组件串关断装置101靠近控制装置20设置、第三光伏组件串关断装置103远离控制装置20设置、第二光伏组件串关断装置102位于第一光伏组件串关断装置101与第三光伏组件串关断装置103之间。每个光伏组件串关断装置10均设有两个接口，分别为第一接口和第二接口；此时，第一光伏组件串关断装置101的第一接口通过总线与控制装置20相连，第一光伏组件串关断装置101的第二接口通过总线与第二光伏组件串关断装置102的第一接口相连、第二光伏组件串关断装置102的第二接口通过总线与第三光伏组件串关断装置103的第一接口相连；如此，形成了相邻两个光伏组件串关断装置10之间通过总线以手拉手的方式串联连接。所述总线内可进行驱动电源信号VCC-1和VCC-2、接地信号GND及光伏组件串关断装置10发出的反馈信号的传输，也就是说手拉手的信号分别为VCC-1、VCC-2、GND和反馈信号。

因光伏组件串关断装置10之间通过总线以手拉手的方式串联连接，从而通过一个控制装置20即可同时控制多个光伏组件串关断装置10的导通与关断，继而控制相应的光伏组件串开通或关断，结构简单、便于控制。

请参阅图10所示，为本实用新型提供的光伏系统实施例三的示意图。与图9所示的光伏系统实施例二相比，主要区别在于：增加了逆变器30的数量，使得集中式控制的方式同样适用于多组串单阵列多逆变器光伏系统。具体的，所述光伏系统包括至少两个逆变器30、至少两个光伏组件串及对应的至少两个光伏组件串关断装置10，每个逆变器30均与至少一个光伏组件串及对应至少一个光伏组件串关断装置10连接，光伏组件串关断装置10之间通过总线串联连接。

请参阅图11所示，为本实用新型提供的光伏系统实施例四的示意图。与图9所示的光伏系统实施例二相比，主要区别在于：将由一个光伏组件串与一个光伏组件串关断装置10组成的一个长组串分成几个短组分别进行串短路控制，适用于多组串多阵列单逆变器光伏系统，满足美国标准NEC2017的要求。具体的，所述光伏系统包括一个逆变器30、至少四个光伏组件串及对应的至少四个光伏组件串关断装置10，该一个逆变器30与至少四个光伏组件串及对应至少四个光伏组件串关断装置10连接，光伏组件串关断装置10之间通过总线串联连接。

请参阅图12所示，为本实用新型提供的光伏系统实施例五的示意图。与图11所示的光伏系统实施例四相比，主要区别在于：增加了逆变器30的数量，以适用于多组串多阵列多逆变器光伏系统。具体的，所述光伏系统包括至少两个逆变器30、至少四个光伏组件串及对应的至少四个光伏组件串关断装置10，每个逆变器30均与至少两个光伏组件串及对应至少两个光伏组件串关断装置10连接，光伏组件串关断装置10之间通过总线串联连接。

当然，采用多组串单阵列光伏系统还是采用多组串多阵列光伏系统，主要是根据实际情况而定的。例如，中国建筑多采用多组串单阵列光伏系统，而欧式建筑多采用多组串多阵列光伏系统。

综上所述，本实用新型的光伏系统，只用一个光伏组件串关断装置10就可以同时控制多个光伏组件的关断，不必像现有技术中的每个光伏组件均需要对应一个光伏组件串关断装置，因此，减少了光伏组件串关断装置的数量，降低了光伏组件串的控制成本；并且在一定程度上降低了光伏系统正常工作时的能量消耗，适合已建电站和新建电站。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。