一种高效率的光伏组件功率优化器及使用该优化器的光伏阵列的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种高效率的光伏组件功率优化器 及使用该优化器的光伏阵列。
【背景技术】
[0002] 光伏发电系统大部分是通过将光伏电池组件串联/并联组成光伏阵列，光伏阵列 输出经汇流箱、直流配电柜汇流到光伏并网逆变器的直流母线，逆变器将直流转换成交流 经变压器输出到电网。
[0003] 光伏发电系统最大发电效率是由逆变器对整个光伏阵列进行最大功率点跟踪 MPPT (maximum power point tracking)控制来实现。光伏电池组件参数的离散性，光伏电 池板安装角度的不一致性，阴影、遮挡、灰尘、温度及老化等诸多因素都会导致光伏电池组 件输出不匹配，限制了光伏发电系统发挥最大发电效率。
[0004] 为了获得最大的输出功率，目前通常在集中式的逆变器中设置最大功率点跟踪 MPPT控制，但逆变器多路输入使用同一个MPPT，无法识别串、并联支路中各光伏组件的差 异，更不可能对光伏组件之间的差异进行平衡，出现串、并联失配所致严重的功率损耗。
[0005] 另一种途径是使用分布式光伏功率优化控制系统。例如采用光伏功率优化器直接 附加于每个光伏组件后，包括中央控制器、通信模块、光伏组件，所述光伏组件采用多路串 联、并联，每个所述光伏组件与对应功率优化器相连，光伏组件输出经功率优化器变换后再 串、并联连接输出。所述中央控制器连接所述通信模块，与光伏功率优化器通信，实现光伏 系统总体协调、分布式控制。其能够最大限度提高系统的能源输出，并且通过通信模块能够 同中央控制器进行数据通信。直接针对单个组件做最大功率追踪，使光伏组件输出最大功 率，并将结果传给中央控制器。中央控制器接收每个优化器发出的光伏组件的工作参数，并 监测到受遮蔽光伏组件的电压、电流状况，在运算和综合的基础上，按照系统功率最优化的 策略，来协调各光伏组件的输出电压和电流，并使每串光伏组件的直流母线电压相等。该控 制方法可以保证每个光伏模块工作在最佳工作点，但是无法避免由于单个组件失效导致的 相应组串无法工作的问题。
[0006] CN201420219519公开了一种带有太阳能功率优化器的光伏发电阵列，如图1所 示，包括N个光伏电池组件，光伏电池组件串并联构成阵列，每个光伏电池组件的输出端和 一个功率优化器并联，m个光伏电池组件所并联的m个功率优化器的正负端依序相连串接， 构成一个光伏电池组件串。N/m个光伏电池组件串的串接的功率优化器首尾端并联相接组 成带有太阳能功率优化器的光伏发电阵列。其中功率优化器由信号采集模块、MPPT模块、 驱动电路模块以及DC/DC电路模块组成。本申请中每个光伏电池组件都接有一个功率优化 器，独立进行最大功率追踪，减少集中式MPPT太阳能光伏发电系统中部分阴影遮挡造成的 功率损失，大幅提高光伏阵列发电效率，但是无法避免由于单个组件失效导致的相应组串 无法工作的问题。 【实用新型内容】
[0007] 为了克服光伏组件输出不匹配导致发电量降低以及单个组件失效导致相应组串 无法工作的问题，本实用新型提供了一种保证每个光伏电池组件最大限度输出功率，并且 能够智能旁路故障组件的光伏组件功率优化器。
[0008] 本实用新型的技术方案：光伏组件功率优化器在光伏系统的安装位置如图2所 示，优化器的输入为光伏组件的三个子串（也适用于其它数量子串的光伏组件），多个优化 器输出串联构成一个组串，连接到汇流箱的输入端，构成光伏阵列。
[0009] 本实用新型的光伏组件功率优化器，包括采样单元、控制判断单元、旁路光伏子串 单元、旁路光伏组件单元，其中：
[0010] 采样单元，采样光伏组件及优化器中DC/DC变换器的输出电流、电压数据；
[0011] 控制判断单元，根据采样单元采样的电压和电流数据实时计算光伏组件最大输出 功率，最终发出PWM信号驱动优化器中的DC/DC变换器进行能量转换，还根据采样单元采样 的电压和电流数据判断光伏子串、光伏组件是否发生故障；
[0012] 旁路光伏子串单元，光伏子串发生故障时旁路掉故障光伏子串；
[0013] 旁路光伏组件单元，光伏组件发生故障时旁路掉故障光伏组件。
[0014] 采样单元包括电流传感器01'1、(^2、电压传感器￥1'1、￥12、￥13、￥14;控制判断单元 包括控制器；旁路光伏子串单元和旁路光伏组件单元包括多个半导体电子开关。
[0015]光伏组件包括三个光伏子串，各子串电压分别为Us 1、Us2、Us3，三个子串分别对应 子串短路的半导体电子开关1(1、1(2、1(3，半导体电子开关1(1、1(2、1(3与控制器输入端相连，控 制器一输出端与半导体电子开关K4相连，光伏组件与DC/DC变换器输入端相连，半导体开 关K4与DC/DC变换器两输出端相连。
[0016] 图3为光伏组件优化器的原理框图，主要部件包括控制器、DC/DC变换器，电流传 感器CT1、CT2,电压传感器VT1、VT2、VT3、VT4,半导体电子开关Kl、K2、K3和K4,通讯接口 等。
[0017] 采样单元采样光伏组件输出电压Ui和电流Ii的数据，并采样DC/DC变换器输出 电压Uo和电流1〇的数据，控制器根据采样的数据实时计算组件最大输出功率，计算方法可 以是任意一种MPPT算法，最后控制器发出PWM信号驱动DC/DC变换器进行能量转换。
[0018] 控制器根据采样的组件子串电压Usl、Us2、Us3和电流Ii的数据，判断光伏组件的 子串是否存在异常，当子串出现故障时，相应子串短路开关（K1、K2、K3)闭合，故障子串被 芳路。
[0019] 控制器根据采样的光伏组件子串电压化1、化2、化3、电流11，0(：/1)(：变换器输出电 压Uo、输出电流1〇等数据，判断光伏组件是否存在异常，如果控制器确认组件故障，K4闭 合，同时DC/DC变换器停止工作，故障光伏组件被旁路。
[0020] DC/DC变换器的电路拓扑可以是LLC谐振变换器、BUCK变换器、BOOST变换器、 BUCK-BOOST变换器、反激变换器、正激变换器等各种高效率DC/DC变换器。
[0021] DC/DC变换器工作时，模拟光伏电池输出特性，因此输出为电流源模式。
[0022] 通讯接口为RS485、CAN、RS232、ZIGBEE或以太网等，通讯内容包括光伏组件运行 状态、优化器工作状态，以及上位机对优化器进行调度和控制。
[0023] 本实用新型的光伏组件功率优化器充分优化每个光伏组件输出