用于光伏组件或电源系统的保护检测装置及其控制方法
【专利说明】用于光伏组件或电源系统的保护检测装置及其控制方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及光伏组件及电源系统技术领域，具体涉及一种用于光伏组件或电源系统的保护检测装置及其控制方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]交流电源系统或直流电源系统发生电弧或过流等异常故障时，最有效的方式是及时切断电源回路。低插入损耗与高可靠性的保护开关显得尤为重要。机械式开关的开关电弧问题始终无法解决，在没有电压过零点的直流电源系统中更为严重。电子开关因导通损耗大与反向耐压问题，难以替代机械式开关。
[0005]随着光伏发电和直流储能装置的普及，特别是建筑光伏与电动汽车的发展，高压直流电弧的检测与保护问题，日益突出。如何有效的检测出直流系统的串联电弧与并联电弧及过流和过压，并自动切断保护？如何方便消防救援与维修维护需要而切断与闭合高压直流电源？如何检测每个直流单元的电压与电流和温度信息及异常自动保护？目前，针对直流线路的灭弧与过流保护，市面上只有手动的直流断路产品，无法满足故障自动保护与智能控制的需求。急需一款用电子开关器件，替代体积大、寿命短、成本高、开关电弧严重的机械开关，又具有故障自动保护及智能控制的产品。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种用于光伏组件或电源系统的保护检测装置及其控制方法，该装置及其控制方法不仅能够在光伏组件或电源系统发生电弧、过流、过压或漏电等故障时，对光伏组件和电源系统进行保护，具有无导通损耗、无开关电弧等特点，还能够对光伏组件或电源系统的电流、电压、功率及温度进行检测，且能够与外部装置进行通信。
[0008]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
一种用于光伏组件或电源系统的保护检测装置，包括电流传感器、电子开关、旁路开关、信号检测处理单元和驱动电源；所述电子开关与旁路开关先并联连接，并联连接的电子开关和旁路开关再与电流传感器、光伏组件或电源系统串联连接。该装置还包括电压传感器，电压传感器并联在光伏组件或电源系统的两端，电压传感器的输出端与信号检测处理单元的输入端相连。电流传感器与信号检测处理单元连接。信号检测处理单元的输出端分别与电子开关、旁路开关的控制端相连；驱动电源为信号检测处理单元供电。还包括通信信号耦合器，所述通信信号耦合器并联在电子开关及旁路开关的两端。
[0009]具体地说，所述的光伏组件或电源系统、电流传感器、电子开关依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且电流传感器接光伏组件或电源系统的负极。
[0010]所述的电流传感器、光伏组件或电源系统、电子开关依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且电流传感器接光伏组件或电源系统的正极，电子开关接光伏组件或电源系统的负极。
[0011]所述的光伏组件或电源系统、电子开关、电流传感器依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且电子开关接光伏组件或电源系统的负极。
[0012]所述的电子开关、光伏组件或电源系统、电流传感器依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且光伏组件或电源系统的正极接电子开关，负极接电流传感器。
[0013]所述的电子开关、电流传感器、光伏组件或电源系统依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且电流传感器接光伏组件或电源系统的正极。
[0014]所述的电流传感器、电子开关、光伏组件或电源系统依次串联，旁路开关并联在电子开关的两端，且电子开关接光伏组件或电源系统的正极。
[0015]所述的光伏组件或电源系统与电流传感器串联连接后与电子开关以及旁路开关并联连接。
[0016]在交流电源中，该装置还包括第一整流器和第二整流器。所述的电子开关包括第一电子开关和第二电子开关；第一电子开关与第一整流器串联连接，旁路开关并联在相串联的第一电子开关与第一整流器的两端；第二整流器与第二电子开关串联连接，该两组串联的电子开关和整流器反向并联，再与旁路开关并联。除上述方式外，在交流电源中，还可采用双向电子开关来实现上述两组电子开关与整流器的功能，该双向电子开关为晶闸管。
[0017]所述的电子开关采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力晶体管(GTR)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)、智能功率模块(IPM)、功率集成电路(PIC)、晶闸管中的任意一种；
所述的旁路开关采用继电器、接触器等机械式开关。由于电子开关导通时，其两端会产生伏特级的压降，具有较大的导通损耗。采用继电器或接触器等机械式旁路开关，能够进一步降低电子开关的导通损耗。电子开关优先导通和滞后断开，旁路开关滞后闭合和优先断开。机械式旁路开关的导通损耗极低，而触点因没有高电压也不会产生电弧。优选的，旁路开关的常闭触点与电子开关并联连接，这样，在有故障时，信号检测处理单元驱动旁路开关的常闭触点断开，能够降低损耗。
[0018]所述的电子开关、旁路开关、信号检测处理单元和驱动电源封装成独立的装置；或者封装成专用芯片；或者与其它装置及设备集成，共享其它装置及设备的硬件和软件资源。
[0019]所述的电子开关、旁路开关、信号检测处理单元、驱动电源与光伏组件接线盒一体化封装；发热器件的散热面与光伏组件边框或散热部件接触安装，所述散热部件采用导热性能良好的材料。
[0020]所述信号检测处理单元的温度传感器与光伏组件背板接触安装。
[0021]本发明还涉及一种上述保护检测装置的控制方法，该方法包括以下步骤:
该方法包括以下步骤:
(1)装置上电时或每隔时间周期T，信号检测处理单元发送控制信号，先闭合电子开关，再断开旁路开关，后闭合旁路开关；
(2)利用电流传感器实时采集光伏组件或电源系统的电流信号，并将采集到的电流信号发送至信号检测处理单元； (3)信号检测处理单元根据接收到的电流信号对光伏组件或电源系统的工作状态进行分析判断，并根据分析判断结果驱动电子开关与旁路开关的通断；若光伏组件或电源系统工作异常，则执行步骤(4);若光伏组件或电源系统需要与外部装置进行通信，则执行步骤
(5);若光伏组件或电源系统从异常状态恢复，则执行步骤(6);
(4)信号检测处理单元向电子开关和旁路开关发送控制信号，先断开旁路开关，再断开电子开关;
(5)先断开旁路开关，再通过控制电子开关的通与断，向外部装置发送通信信号；
或者，先断开旁路开关与电子开关，再利用并联在电子开关及旁路开关两端的通信信号耦合器，向外部装置发送通信信号；
先断开旁路开关和电子开关，再利用电子开关两端的电压信号，接收外部装置的通信信号;
或者，先闭合旁路开关及电子开关，再利用与电子开关串联的电流传感器，接收外部装置的通信信号；
(6)信号检测处理单元向电子开关和旁路开关发送控制信号，先闭合电子开关，再闭合旁路开关。
[0022]由以上技术方案可知，本发明采用电流传感器和电压传感器，能够对光伏组件或电源系统的异常故障波形信号进行检测；采用信号检测处理单元对电流传感器和电压传感器采集的信号进行处理，通过控制电子开关及旁路开关来实现故障保护。本发明适合与光伏组件、逆变器、汇流箱、电动汽车及蓄电池组、以及各类交流和直流电源系统及设备组合使用。
[0023]
【附图说明】
[0024]图1是本发明的系统原理图；
图2是实施例1中的主电路拓扑图；
图3是实施例2中的主电路拓扑图；
图4是实施例3中的主电路拓扑图；
图5是实施例4中的主电路拓扑图；
图6是实施例5中的主电路拓扑图；
图7是实施例6中的主电路拓扑图；
图8是实施例7中的主电路拓扑图；
图9是实施例8中的主电路拓扑图；
图10是实施例9中的主电路拓扑图；
图11是保护检测装置的结构示意图一；
图12是保护检测装置的结构示意图二。
[0025]其中:
1、电子开关，2、旁路开关，3、电流传感器，4、信号检测处理单元，5、驱动电源，6、通信信号耦合器，7、整流器，8、光伏组件或电源系统，9、边框，10、接线盒，11、发热器件，12、背板，13、温度传感器，14、光伏组件或光伏组件串。
[0026]
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明做进一步说明:
实施例1
如图1所示的一种用于光伏组件或电源系统的保护检测装置，包括电流传感器3、电子开关1、旁路开关2、信号检测处理单元4和驱动电源5。所述电子开关I与旁路开关2先并联连接，再与电流传感器3串联连接。该装置还包括电压传感器，电压传感器并联在光伏组件或电源系统8的两端，电压传感器的输出端与信号检测处理单元4的输入端相连。所述电流传感器3与信号检测处理单元连接。所述信号检测处理单元4的输出端分别与电子开关1、旁路开关2的控制端相连。所述的驱动电源5为信号检测处理单元4供电。所述电子开关1、旁路开关2、信号检测处理单元4和驱动电源5封装成独立的装置，也可部分或全部封装成专用芯片；或与其它装置及设备集成，部分或全部共享其他装置及设备的硬件及软件资源。如图11所示，电子开关1、旁路开关2、信号检测处理单元4、驱动电源5和光伏组件接线盒10 —体化封装，发热器件11的散热面与光伏组件边框9或者其他导热性能良好的材料接触安装。如图12所示，该装置还包括背板12和安装在背板12上的温度传感器13。信号检测处理单元4，用于检测光伏组件或电源系统的电流及电压的异常波动信号，处理异常波动信号并控制旁路开关、电子开关的导通或断开。
[0028]如图2所示，本发明所述的用于光伏组件或电源系统的保护检测装置的主电路拓扑包括电子开关1、旁路开关2、电流传感器3。电流传感器3串联在电子开关I及光伏组件或电源系统8负极之间，旁路开关2与电子开关I并联连接。
[0029]当本发明所述的用于光伏组件或电源系统的保护检测装置应用在光伏汇流箱或逆变器上时，是串联或并联在电源回路中，通过断开电源回路或短路电源来实现故障保护。当本发明