一种光伏发电控制系统及光伏发电系统的制作方法

本实用新型主要涉及光伏技术领域，特指一种光伏发电控制系统及光伏发电系统。

背景技术：

通常太阳能光伏并网发电系统是由多个光伏组件通过适当的串并联连接组成的光伏阵列和并网逆变器构成的，由并网逆变器对所接的光伏组件阵列进行整体的最大功率跟踪（MPPT）调节，实现光伏阵列的最大功率输出。由于是多块光伏组件串联，当其中一块光伏组件出现失配现象时，将影响整串光伏组件的功率输出。在实际的光伏发电应用中，许多光伏组件安装时由于受场地和周边物体的影响，往往会出现光伏组件之间，组件与逆变器之间不匹配的问题，使光伏组件无法发挥出其应有的发电能力。如光伏组件部分被遮挡、空中的云影、附近物体的反射、光伏组件的倾斜角和方位角不同、光伏组件有灰尘、光伏组件温度不均等，此时组件的输出会因阵列光伏组件的发电效率不同而引起组件的失配问题，导致系统发电效能降低。经实测，仅仅遮挡小部分的光伏组件就会引起25%-50%的电能损失。在今后最具发展前途的分布式光伏电站和屋顶光伏系统中，由于要与原有建筑相结合，可能无法保证太阳光始终不被遮挡，产生光伏阵列的局部阴影问题；同时还可能受建筑结构的限制，光伏组件出现不同的安装倾斜角和方位角，使光伏组件接收的太阳辐照量不同，产生组件之间的电流和电压失配，从而导致光伏系统发电量的损失。

由以上分析可以看出，只有对单个组件进行最大功率点跟踪调节，才能解决光伏组串失配问题，尽量降低光伏系统的发电量损失。现有对单个组件进行最大功率点跟踪的方案有微型逆变器和效率优化单元，但体积和发热均较大，不便于与光伏组件集成在一起，现均采用在光伏组件后端再连接相应设备的方式组成系统。

目前光伏组件采用的接线盒，均不具备对单个光伏组件进行最大功率点跟踪的功能，多数仅仅具有热斑防护功能，且是采用旁路二极管方案，具有较高的导通功耗和较大的反向漏电流。在组件正常工作时，较大的反向漏电流消耗了部分功率，降低了光伏组件的效率；而在发生热斑二极管导通时，又由于较高的导通压降而造成较大的导通损耗，引起二极管发热，存在安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单、功能丰富、可靠性高的光伏发电控制系统，并相应提供一种结构简单、功能丰富、可靠性高的光伏发电系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种光伏发电控制系统，包括控制单元、MPPT效率优化单元和通讯接口单元，所述MPPT效率优化单元的输入端与光伏发电系统中的光伏组件的输出端相连、用于实现光伏组件输出功率的功率变换；所述控制单元与所述MPPT效率优化单元和通讯接口单元相连，用于采集MPPT效率优化单元的运行信息并对MPPT效率优化单元的启闭进行控制、以及与外部设备的通信控制。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述MPPT效率优化单元包括依次相连的信号采集模块、MPPT模块、PWM驱动模块和功率模块；所述信号采集模块与所述光伏组件相连、用于采集光伏组件的输出电压、输出电流以及功率模块的输出电压并发送给MPPT模块，所述MPPT模块用于根据采集信号生成PWM信号并发送给PWM驱动模块，所述PWM驱动模块用于生成PWM驱动信号控制功率模块的通断以实现功率变换。

所述MPPT效率优化单元还包括逻辑控制模块，所述逻辑控制模块分别与信号采集模块和PWM驱动模块相连，所述逻辑控制模块用于根据信号采集模块采集的MPPT效率优化单元温度以实现各模块的保护控制。

所述功率模块包括四个并联的第一MOSFET功率管，四个第一MOSFET功率管的导通角依次相差90度。

所述MPPT效率优化单元的输出端并联有用于在MPPT效率优化单元不工作时闭合的第一旁路开关。

所述控制单元通过SPI接口与所述MPPT效率优化单元相连。

所述控制单元通过SCI接口与所述通讯接口单元相连。

本实用新型还公开了一种光伏发电系统，包括多个相互串联的光伏组件，每个光伏组件并联有一个第二旁路开关，还包括如上所述的光伏发电控制系统，所述光伏组件的输出端与所述MPPT效率优化单元的输入端相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二旁路开关包括第三MOSFET功率管、驱动电路、电荷泵以及储能电容，所述电荷泵与所述储能电容相连，所述电荷泵与所述驱动电路相连，所述驱动电路与所述第三MOSFET功率管相连。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于

本实用新型的光伏发电控制系统，具有最大功率点追踪功能（MPPT功能），集成度以及可靠性高，以及具有通信功能，外部设备可通过通讯接口单元对MPPT效率优化单元进行遥控遥测。本实用新型的光伏发电系统同样具有如上所述的优点，而且功能丰富、可靠性高。另外通过旁路开关（功率管及配套电路）替代二极管，大大低于传统二极管旁路电路的损耗，有利于降低设备的工作温度，延长其使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型中光伏发电系统的方框结构图。

图2为本实用新型中MPPT效率优化单元的方框结构图。

图3为本实用新型中旁路开关的方框结构图。

图中标号表示：1、光伏组件；2、控制单元；3、MPPT效率优化单元；31、信号采集模块；32、MPPT模块；33、PWM驱动模块；34、功率模块；35、逻辑控制模块；4、通讯接口单元；5、第一旁路开关；6、第二旁路开关；61、第三MOSFET功率管；62、电荷泵；63、储能电容；64、驱动电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的光伏发电控制系统，包括控制单元2、MPPT效率优化单元3和通讯接口单元4（其中MPPT为最大功率点跟踪），MPPT效率优化单元3的输入端与光伏发电系统中的光伏组件1的输出端相连、用于实现光伏组件1输出功率的功率变换；控制单元2与MPPT效率优化单元3和通讯接口单元4相连，用于采集MPPT效率优化单元3的运行信息并对MPPT效率优化单元3的启闭进行控制、以及与外部设备的通信控制。本实用新型的光伏发电控制系统，MPPT效率优化单元3通过对光伏组件1的输出功率进行最大功率追踪，实现最大功率输出；另外控制单元2还与通讯接口单元4相连，外部设备可通过通讯接口单元4对MPPT效率优化单元3进行开关控制。

如图2所示，本实施例中，MPPT效率优化单元3采用单芯片集成方案，包括依次相连的信号采集模块31、MPPT模块32、PWM驱动模块33和功率模块34，另外还包括逻辑控制模块35；信号采集模块31与光伏组件1相连、用于采集光伏组件1的输出电压、输出电流以及功率模块34的输出电压并发送给MPPT模块32，具体通过外接采样电阻对相应电压进行分压而得到；MPPT模块32用于根据采集信号执行振动观测MPPT算法，计算得到当前控制的PWM信号并发送给PWM驱动模块33，PWM驱动模块33用于生成PWM驱动信号控制功率模块34的通断以实现功率变换；另外逻辑控制模块35收集MPPT效率优化单元3的温度信号，用于保护控制，可实现过流过压、过温以及低电压关断等保护。MPPT效率优化单元3结构简单、集成度高，大大降低了电路的体积，同时具有较高的可靠性。控制单元2采用低功耗方案，最大限度减少自身损耗，提高了工作效率。在实际工作中，控制单元2采集MPPT效率优化单元3的运行信息，包括：光伏组件1的输入电压电流，PWM波占空比，运行状态；也可根据需要对MPPT效率优化单元3进行关闭、启动操作。通讯接口单元4连接外部设备，接收到数据报文后传输给控制单元2，控制单元2按照设定的通信协议对数据报文进行协议解析后，根据数据内容执行相应的遥测或遥控操作，即，按照通信协议将遥测信息装订成报文后发送到通讯接口单元4，或对MPPT效率优化单元3进行关闭、启动操作。通讯接口单元4可采用RS485、ZigBee或者PLC。

本实施例中，功率模块34包括四个并联的第一MOSFET功率管（图中未示出），四个第一MOSFET功率管的导通角依次相差90度，可以获得4倍于单个MOSFET功率管开关频率的整体开关频率，有利于减少输出纹波，降低开关损耗，降低对输出滤波电容的容量要求，从而可以采用陶瓷电容，延长电路使用寿命。另外MPPT效率优化单元3的输出端并联有用于在MPPT效率优化单元3不工作时闭合的第一旁路开关5，可在整个控制系统不工作时将其旁路，避免对其它组件产生影响。

本实施例中，控制单元2通过SPI接口与MPPT效率优化单元3相连；控制单元2通过SCI接口与通讯接口单元4相连，控制单元2负责采集MPPT效率优化单元3的运行参数，进行分析计算，并根据相应通信协议生成通信报文，发送到通讯接口单元4；通讯接口单元4与外部通信设备相连，负责发送报文并接收外部报文。本实用新型的控制系统集成度高，分立元器件较少，可布置在一小块电路板上，且电路损耗低、发热少。

本实用新型还公开了一种光伏发电系统，如图1所示，包括光伏阵列，光伏阵列由多个光伏组件1串联而成，每个光伏组件1并联有一个第二旁路开关6，还包括如上所述的光伏发电控制系统，光伏组件1的输出端与MPPT效率优化单元3的输入端相连。

如图3所示，本实施例中，第二旁路开关6包括第三MOSFET功率管61、驱动电路64、电荷泵62以及储能电容63（图3中的C1），电荷泵62与储能电容63相连，电荷泵62与驱动电路64相连，驱动电路64与第三MOSFET功率管61相连。其内部结构如图2所示，其中电荷泵62用于在第三MOSFET功率管61关断的时间段向C1充电；C1中储存的电能用于在MOSFET导通的时间段为控制驱动电路64提供能量以驱动MOSFET的门极。正常工作时，a、b点电势差为正，MOSFET关断，C1中储存电能；当控制电路检测到a、b点电势差为负时，驱动电路64生成PWM波驱动MOSFET门极，C1在PWM波为ON时放电，为驱动电路64提供能量，在PWM波为OFF时通过电荷泵62充电。PWM波的占空比是预先设定的，以期达到最低的导通损耗，一般在75%~95%之间。通过MOSFET功率管以及配套电路替代原有的旁路二极管（其对外电路特性与传统二极管相同，表现为冷旁路开关），不仅防止电池串发生热斑，而且因MOSFET功率管具有导通压降低、反向漏电流很小的特点，在旁路电路导通（25℃，9A）的情况下，其导通损耗约为1W，大大低于传统二极管的损耗，有利于降低器件工作温度，延长其使用寿命；而在旁路电路关断（25℃，30V）的情况下，其反向漏电流仅为1uA，大大低于传统二极管，能最大限度降低功率损耗。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。