专利名称：光伏阵列汇流箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种带最大功率跟踪的光伏阵列汇流箱。
背景技术：
随着光伏并网发电的大规模兴起，对于较大规模的光伏发电系统，为了减少光伏组件与逆变器之间的连接线，方便维护，需在光伏组件与逆变器之间增加光伏阵列直流汇流装置(即，汇流箱)，该装置就是将一定数量的电池阵列汇流成一路直流输出。目前从事太阳能产品研发的公司所生产的汇流箱大部分只有汇流的基本功能，较好的产品也只有防雷、防短路、过流过压保护的功能。此外，为了提高光伏发电系统对太阳能的利用率，大多数厂家的并网逆变器都具有最大功率跟踪(MPPT)功能，主要是对并网逆 变器的输入功率进行最大功率跟踪。但是，对于目前的光伏发电系统，并网逆变器的输入电压是由光伏汇流箱的汇流输出提供的，所以并网逆变器中的最大功率跟踪(MPPT)是对多路光伏阵列汇流后的电压和电流的跟踪，是一种总的跟踪，跟踪到的最大功率点是一个平均值，这种跟踪方法对提高太阳能的利用率的确具有一定的效果，但是对于输入的各支路的光伏阵列来说，每个支路中光伏阵列的最大输出功率点是不一样的，如果各支路光伏阵列的最大输出功率都按跟踪到的平均最大功率工作，则会使有些支路并没有工作在该支路的最大功率点处，所以光伏发电系统中的太阳能的利用率没有达到最大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有光伏阵列汇流箱中存在的太阳能利用率不够高的问题，提供一种能够对各支路的光伏阵列单独进行最大输出功率跟踪的光伏阵列汇流箱，以提高光伏发电系统中太阳能的利用率。为了实现以上目的，本发明提供的光伏阵列汇流箱包括多路直流输入支路，每个直流输入支路的正负输入端分别连接至该支路的光伏阵列的正负输出端，每个直流输入支路的正负输出端分别通过正负汇流母排汇流成一路正极输出和负极输出，连接至逆变器的正负输入端，并且每个直流输入支路包括用于跟踪该支路的光伏阵列的最大输出功率的最大功率跟踪单元；控制单元，其用于确定每个直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率，并控制每个直流输入支路跟踪所确定的相应的最大输出功率。优选的是，所述每个最大功率跟踪单元包括升压电路，所述控制单元用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压对该直流输入支路的升压电路进行控制，直到该升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。优选的是，所述升压电路为BOOST升压电路。优选的是，所述控制单元用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流，如果检测的输出电压大于所述逆变器的额定输入电压，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管处于截止状态，否则根据检测的输出电压和输出电流控制该BOOST升压电路中的开关管以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。优选的是，所述控制单元包括电压电流采样单元，其用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流；乘法器，其用于将检测的每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压与输出电流相乘，以得到该直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值，并将该当前输出功率值和该当前输出功率值所对应的当前参考电压值传送给比较器，所述参考电压值为该直流输入支路的光伏阵列的电压参考值，初始值为该直流输入支路的光伏阵列中的电池串列的开路电压值；比较器，其用于将每个直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值和当前参考电压值与上一次跟踪的输出功率值和参考电压值进行比较，得到该直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差和参考电压之差；调节器，其用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差和参考电压之差对当前参考电压值进行调节，以确定该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的参考电压值；恒电压跟踪器，其用于使跟踪到的最大输出功率所对应的电压值保持为调节器所确定的参考电压值；开关管控制单元，其用于判断检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压是否大于所述逆变器的额定输入电压，如果是，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管处于截止状态， 否则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到恒电压跟踪器所保持的参考电压值。优选的是，所述每个直流输入支路的正负输入端与所述最大功率跟踪单元的正负输入端之间分别串联有用于短路保护的熔断器，和/或所述每个直流输入支路的正负输出端与所述正负汇流母排之间分别串联有用于过流、过压保护的直流断路器，和/或所述每个直流输入支路中最大功率跟踪单元的前端接有用于防雷击的光伏避雷器。优选的是，所述汇流箱还包括通讯单元，其用于将所述每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流以及所述汇流箱的输出电压和输出电流传送给监控中心或者上位机。本发明的有益效果是通过为各支路光伏阵列添加最大功率跟踪模块，用以跟踪各支路的光伏阵列的最大输出功率，使得各支路的光伏阵列始终能以最大功率给后级的逆变器供电，从而提高光伏发电系统中太阳能的利用率。
图I是本发明光伏阵列汇流箱的原理框图；图2是本发明光伏阵列汇流箱中的最大功率跟踪单元的示例性电路图；图3是本发明光伏阵列汇流箱中的控制单元的原理框图；图4是示出各支路电压与输出功率之间的关系的曲线图；图5是本发明光伏阵列汇流箱中的控制单元的控制流程图。
具体实施例方式以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。本发明汇流箱的技术构思在于为各支路的光伏阵列提供最大输出功率跟踪功能。为了实现这个构思，本发明汇流箱包括多路光伏阵列的正负极并联接入的多路直流输入支路和控制单元，其中，每个直流输入支路的正负输入端分别连接至该支路的光伏阵列的正负输出端，每个直流输入支路的正负输出端分别通过正负汇流母排汇流成一路正极输出和负极输出，连接至逆变器的正负输入端，并且每个直流输入支路包括用于跟踪该支路的光伏阵列的最大输出功率的最大功率跟踪单元；控制单元用于确定每个直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率，并控制每个直流输入支路跟踪所确定的相应的最大输出功率。图I是本发明光伏阵列汇流箱的原理框图。在图I中，每个直流输入电路上除了示出MPPT单元之外，还示出了用于对每个直流输入电路进行电路保护的单元，包括用于短路保护的熔断器、用于过流、过压保护的直流断路器和用于防雷击的光伏避雷器。这些电路保护单元可根据实际情况选择使用。具体地讲，多路光伏阵列(即图I中所示太阳电池串列)的正、负极并联接入光伏阵列汇流箱，各并联支路的正输入端和负输入端先分别串接PV专用熔断器，防止各支路发生短路时，对系统造成损害。然后各并联支路的正输入端和负输入端分别与最大功率跟踪 (MPPT)单元的正输入端和负输入端相接。通过最大功率跟踪(MPPT)单元后，各直流输入支路中最大功率跟踪(MPPT)单元的输出正极通过一个汇流母排汇流成一路正极输出，各直流输入支路中最大功率跟踪(MPPT)单元的输出负极通过另一个汇流母排汇流成一路负极输出。最后汇流箱的正、负输出端通过直流断路器与汇流箱的正、负输出端相连接。另外各直流输入支路的最大功率跟踪(MPPT)单元的前端均接有专用的光伏阵列避雷器，各光伏避雷器的正接线端与光伏阵列支路的正极相连接，各光伏避雷器的负接线端与光伏阵列支路的负极相连接，各光伏避雷器的接地端均接到汇流箱内部的接地母排上，在汇流箱的外部引出一个接地端子与外部地相连接。此外，本发明汇流箱还可具有远程通讯能力，即可在本发明汇流箱中集成通讯单元，其用于(例如，采用RS485的通讯方式)将所述每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和电流以及所述汇流箱的输出电压和输出电流等数据传送给监控中心或者上位机，实现远程监控。为了实现最大功率跟踪，每个最大功率跟踪(MPPT)单元可包括一个升压电路。在这种情况下，控制单元可用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压对该直流输入支路的升压电路进行控制，直到该升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。这里，升压电路可以是BOOST升压电路(即，开关直流升压电路)。在这种情况下，控制单元可用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流，如果检测的输出电压大于所述逆变器的额定输入电压，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管处于截止状态，否则根据检测的输出电压和电流控制该BOOST升压电路中的开关管以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。图2是本发明光伏阵列汇流箱中的最大功率跟踪(MPPT)单元的示例性电路图。在图2中，最大功率跟踪(MPPT)单元为BOOST升压电路。具体地讲，MPPT单元的正、负输入端之间并联有输入电容Cl，用于MPPT单元的输入滤波，然后MPPT单元的正输入端串接一电感L，电感L的输出端与二极管D的阳极相连接，二极管D的阴极与MPPT单元正输出端相连接，电感L和二极管D的连接点与MPPT单元的负输入端之间接有开关管Kl，最后MPPT单元的正、负输出端之间接有电容C2，用于MPPT单元的输出滤波。图2所示MPPT单元的具体工作方式如下当汇流箱各直流输入支路的太阳电池串列的输出电压Upv大于或等于汇流箱后级所接逆变器的额定输入电压Uin时，即Upv彡Uin,MPPT单元中的开关管Kl处于截止状态，电池串列的输出电压Upv直接通过电感L和二极管D，输出到MPPT单元的输出端，此时MPPT单元无最大功率跟踪功能，此时各支路光伏阵列的输出功率P = Uin*Ipv，其中，Ipv为各支路光伏阵列的输出电流，这是因为此时汇流箱的输出端接在逆变器的输入端，当汇流箱的输出电压大于逆变器的输入电压时，逆变器设定的输入直流母线电压将汇流箱的输出电压拉至逆变器的输入电压Uin;当汇流箱各直流输入支路的太阳电池串列的输出电压Upv小于汇流箱后级所接逆变器的额定输入电压Uin时，即Upv < Uin, MPPT单元中的开关管Kl以高频方式进行脉冲宽度调制(PWM)，对相应光伏阵列的输出电压进行升压控制，直到MPPT单元的输出电压达到 相应光伏阵列的最大输出功率所对应的电压，此时相应光伏阵列的输出功率达到最大。图3是本发明光伏阵列汇流箱中的控制单元的原理框图。如图3所示，本发明光伏阵列汇流箱中的控制单元可包括电压电流采样单元、乘法器、比较器、调节器、恒电压跟踪器(CVT)和开关管控制单元。其中，电压电流采样单元用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压仏和输出电流In。乘法器用于将检测的每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压Un与输出电流In相乘，以得到该直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值Pn = UnX In，并将该当前输出功率值Pn和该当前输出功率值所对应的当前参考电压值UMf(η)传送给比较器，所述参考电压值Uref为该直流输入支路的光伏阵列的电压参考值，最初为该直流输入支路的光伏阵列中的电池串列的开路电压值。比较器用于将每个直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值Pn和当前参考电压值UMf (η)与上一次跟踪的输出功率值(也可称为记忆功率)Plri和参考电压值UMf(n-l)进行比较，得到该直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差ΛΡ = Pn-Plri和参考电压之差AU = Uref (n) -Uref (η-l)。调节器用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差Λ P和参考电压之差AU对当前参考电压值UMf (η)进行调节，以确定该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的参考电压值Uref。恒电压跟踪器用于使跟踪到的最大输出功率所对应的电压值保持为调节器所确定的参考电压值Uref0开关管控制单元用于判断检测的每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压Upv是否大于所述逆变器的额定输入电压Uin，如果是，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管Kl处于截止状态，否则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管Kl以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到CVT所保持的参
考电压值Uref0这里，如上所述，各个支路的光伏阵列的电压参考值Uref最初是各支路电池串列的开路电压，后来通过MPPT单元的控制单元进行实时调节，最终达到最大输出功率点所对应的电压值。图4示出了固定温度、不同光照条件下，各支路光伏阵列的电压与输出功率之间的关系曲线图。应该理解，本发明控制单元的结构划分或者其控制操作的功能划分并不限于图3所示划分结构，而是可根据实际情况进行相应调整。图5是本发明光伏阵列汇流箱中的控制单元的控制流程图。如图5所示，首先，在进行MPPT跟踪前，在步骤S501中，开关管控制单元判断各支路光伏阵列的输出电压Upv是否小于逆变器的额定输入电压uin。如果Upv彡Uin( S卩“否”)，则汇流箱就不进行MPPT跟踪，此时，进入到步骤S502，在步骤S502中，开关管控制单元控制开关管Kl处于截止状态，并进入到步骤S515中。如果Upv < Uin(即“是”)，则汇流箱将进入MPPT跟踪，此时，进入到步骤S503。 在步骤S503中，电压电流采样单元检测各支路中光伏阵列的输出电压Un和输出电流In，然后将检测的输出电压Un和输出电流In送入乘法器。接着，在步骤S504中，乘法器经过进行乘法运算获得当前的功率值Pn = UnX In,并将Pn及其相对应的UMf (η)值(如图4所示)送入比较器与上一次跟踪的功率值Plri (记忆功率)和电压值UMf(n-l)进行比较，得到ΛΡ = Pn-Plri和AU = Uref (n)-Uref (η-1)，比较器将ΛΡ和Λ U送入调节器。接着，在步骤S505-S513中，由调节器对各支路光伏阵列的电压值进行加减调节，以确定各支路光伏阵列的最大输出功率所对应的参考电压值UMf。具体地讲，首先，在步骤S505中，判断ΛΡ是否等于O。如果在步骤S505中判断Λ P = 0，则无需调整参考电压值，此时进入到步骤S509，在步骤S509中，仍保持当前的U,ef(n)值，并进入到步骤S514。如果在步骤S505中判断八？不等于0，则进入到步骤5506，在步骤5506中，判断Λ P是否大于O。如果在步骤S506中判断ΛΡ>0，则需根据AU的值对各支路光伏阵列的电压值进行相应的调整。此时，首先在步骤S508中判断AU是否大于O。当ΛU>0时，在步骤S513中增加参考电压值，使UMf = UMf+Λ U，当AU< O时，在步骤S512中减小参考电压值，使Uref=Uref- Δ U。如果在步骤S506中判断Λ P < 0，则需根据Λ U的值对各支路的电压值进行相应的调整。此时，首先在步骤S507中判断Λ U是否大于O。当ΛU>0时，在步骤S510中减小参考电压值，使UMf = UMf-Λ U，当AU< O时，在步骤S511中增加参考电压值，使Uref=Uref+Δ U。接着，在步骤S514中，调节器判断是否找到最大输出功率点，即，判断AU是否小于或等于2V，此处的AU为在步骤S509-S513中的任何一个中得到的U,ef与步骤S504中得到的UMf(n)之差。如果是，则进入到步骤S516，否则进入到步骤S515，在步骤S515中，等待时间AT时间(例如，等待3秒钟)，进入下次循环中，即跳转到步骤S501。需要等待AT时间的原因是因为控制单元执行运算需要一定的时间，为了保证计算准确运行，再进行下次循环时最好停留几秒钟。也就是说，当AUS 2V时，则MPPT最大功率跟踪循环结束，当AU >2V时，说明还没找到最大功率点，还需要继续循环，直到AU的电压值满足条件。在步骤S516中，CVT使跟踪到的最大输出功率所对应的电压值保持为调节器所确定的参考电压值Uref0在步骤S517中，开关管控制单元计算开关管Kl的导通占空比D ( 一个周期内开关管Kl的导通时间Ton与开关周期时间T的比值)，具体计算方式如下
将所确定的最大输出功率点所对应的电压Uref值作为BOOST升压电路的输出电压值，实时检测各支路光伏阵列的电池串列的输出电压Upv然后将Upv与确定的Uref值代入下式计算出开关管Kl的导通占空比D :D = l-UPV/Uref(I)接着，在步骤S518中，开关管控制单元根据计算出的开关管Kl的占空比D，发出相应的控制信号来控制开关管Kl的导通时间，此时，开关管Kl的导通时间Tw = TXD0通过这种方式，即可控制开关管Kl以高频方式进行PWM调制，直到各支路光伏阵列的电压值为最大输出功率所对应的参考电压值Uref的大小。通过以上流程，即可通过多次循环寻找各支路光伏阵列的最大输出功率，最终实现各支路光伏阵列的最大功率跟踪，这样就使汇流箱的输入各支路始终能以最大功率给后级的逆变器供电。在进行最大功率跟踪过程中，各支路光伏阵列的电池板(具体地，电池串列)的最大输出功率是不确定的，它是通过最大功率跟踪过程，最后才能确定出电池板输 出最大功率点所对应的参考电压值，然后由升压电路将电池板的输出电压升压至MPPT所确定的最大功率点所对应的电压值，即认为此时电池板的输出功率达到最大。以上以BOOST升压电路作为示例对本发明进行了示例性说明。但是，应该理解，本发明还可采用其它类型或结构的升压电路，然后按照以上控制原理对所采用的升压电路进行控制，直到该升压电路的输出电压为各支路光伏阵列的最大输出功率所对应的参考电压值为止。此外，各支路光伏阵列的最大输出功率的调节方法不限于图5所示的加减调节方法，还可采用其它迭代方法或搜索方法来获得各支路光伏阵列的最大输出功率。以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的示例性实施例。应该给予权利要求以最广泛的解释，以涵盖所公开的示例性实施例的所有变型、等同结构和功能。
权利要求
1.一种光伏阵列汇流箱，包括 多路直流输入支路，每个直流输入支路的正负输入端分别连接至该支路的光伏阵列的正负输出端，每个直流输入支路的正负输出端分别通过正负汇流母排汇流成一路正极输出和负极输出，连接至逆变器的正负输入端，并且每个直流输入支路包括用于跟踪该支路的光伏阵列的最大输出功率的最大功率跟踪单元； 控制单元，其用于确定每个直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率，并控制每个直流输入支路跟踪所确定的相应的最大输出功率。
2.根据权利要求I所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，所述每个最大功率跟踪单元包括升压电路，所述控制单元用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压对该直流输入支路的升压电路进行控制，直到该升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。
3.根据权利要求2所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，所述升压电路为BOOST升压电路。
4.根据权利要求3所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，所述控制单元用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流，如果检测的输出电压大于所述逆变器的额定输入电压，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管处于截止状态，否则根据检测的输出电压和输出电流控制该BOOST升压电路中的开关管以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的电压。
5.根据权利要求4所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，所述控制单元包括 电压电流采样单元，其用于检测每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流； 乘法器，其用于将检测的每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压与输出电流相乘，以得到该直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值，并将该当前输出功率值和该当前输出功率值所对应的当前参考电压值传送给比较器，所述参考电压值为该直流输入支路的光伏阵列的电压参考值，其初始值为该直流输入支路的光伏阵列中的电池串列的开路电压值； 比较器，其用于将每个直流输入支路的光伏阵列的当前输出功率值和当前参考电压值与上一次跟踪的输出功率值和参考电压值进行比较，得到该直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差和参考电压之差； 调节器，其用于根据每个直流输入支路的光伏阵列的输出功率之差和参考电压之差对当前参考电压值进行调节，以确定该直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率所对应的参考电压值； 恒电压跟踪器，其用于使跟踪到的最大输出功率所对应的电压值保持为调节器所确定的参考电压值； 开关管控制单元，其用于判断检测的每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压是否大于所述逆变器的额定输入电压，如果是，则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管处于截止状态，否则控制该直流输入支路中的BOOST升压电路中的开关管以高频方式进行脉冲宽度调制，直到该BOOST升压电路的输出电压达到恒电压跟踪器所保持的参考电压值。
6.根据权利要求5所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，所述每个直流输入支路的正负输入端与所述最大功率跟踪单元的正负输入端之间分别串联有用于短路保护的熔断器，和/或 所述每个直流输入支路的正负输出端与所述正负汇流母排之间分别串联有用于过流、过压保护的直流断路器，和/或 所述每个直流输入支路中最大功率跟踪单元的前端接有用于防雷击的光伏避雷器。
7.根据权利要求I所述的光伏阵列汇流箱，其特征在于，还包括通讯单元，其用于将所述每个直流输入支路的光伏阵列的输出电压和输出电流以及所述汇流箱的输出电压和输出电流传送给监控中心或者上位机。
全文摘要
本发明提供一种光伏阵列汇流箱，包括多路直流输入支路，每个直流输入支路的正负输入端分别连接至该支路的光伏阵列的正负输出端，每个直流输入支路的正负输出端分别通过正负汇流母排汇流成一路正极输出和负极输出，连接至逆变器的正负输入端，并且每个直流输入支路包括用于跟踪该支路的光伏阵列的最大输出功率的最大功率跟踪单元；控制单元，其用于确定每个直流输入支路的光伏阵列的最大输出功率，并控制每个直流输入支路跟踪所确定的相应的最大输出功率。本发明汇流箱通过跟踪各支路的光伏阵列的最大输出功率，使得各支路的光伏阵列始终能以最大功率给后级的逆变器供电，从而提高光伏发电系统中太阳能的利用率。
文档编号H02N6/00GK102820808SQ20111016246
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘伟增, 张新涛, 郭磊, 熊俊峰, 杨凯, 羊睦汉 申请人:特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安电气科技有限公司