一种高效率低损耗的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种高效率低损耗的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路，包括：最大化单个光伏电池板组串输出功率的电路；在检测到光伏电池板组串电流损耗时断开组串电池板输出的电路；旁路遮荫的电池板子串的电路；输出电流采样电路。结合低压降功率MOSFET，整个电路在控制光伏电池板输出功率上表现出高效低耗的优点；对遮荫电池板的旁路和故障电池板的输出断路能保证整体电池板阵列的输出功率最大化；并且在系统故障时快速的关闭输出隔离故障，提高安全与可靠性。
【专利说明】一种高效率低损耗的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高效率低损耗(功耗)的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路，属于直流功率电路领域。
【背景技术】
[0002]光伏电池板阵列的任何部分不能被遮荫，如果有电池片被遮荫，则它们便不会产生电流且会形成反向偏压，这就意味着被遮荫的组件会消耗功率发热，久而久之，形成故障。这就是所谓的热岛效应。
[0003]防止热岛效应，一般将太阳能电池板倾斜放置，使表面不能被附着遮挡物。但偶然遮挡不可避免，故常用旁路二极管来起到保护作用，旁路二极管可以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。每个二极管压降0.4?0.7V，由此在电池板组串上的二极管产生的损耗可达10?30W。
[0004]中国专利CN201210118068公开了一种基于MPPT升压的二次升压电路。如图1所示，该发明公开了一种基于MPPT升压的二次升压电路及分布式太阳能电池组。基于MPPT升压的二次升压电路，利用超级电容和充电均衡模块，使得二次升压后的输出功率在一定时间内稳定，并且进一步利用超级电容祈祷稳定输出功率的作用；分布式太阳能电池组由N个单个的太阳能电池板11?In并联而成的电池组、该太阳能电池组的每一太阳能电池板上并联的一个基于MPPT升压的二次升压电路的前端电路21?2η、逆变器3、电力网络模块4，外部连接器5和通讯总线组成。与旁路二极管相比，该发明能够消除太阳电池组原有的由于热岛效应而引起的击穿，但是该电路基于二次升压，本身产生的能量损耗不可忽视，而且不具备因任何原因导致故障后的隔离保护功能。
[0005]中国专利CN201220479308公开了一种光伏MPPT控制器的DC/DC电源电路，该电源电路应用了 34063集成电路，扩展了输入电压范围，满足了宽范围太阳能电池板输入模块要求。并且当电池电力充足时，只需给此电路提供5?6W的输入，而无需电池给此系统供电，从而减小了电池损耗，极大地提高了系统的应用范围。此外，该电源电路给收音机模块供电采用了 PWM开关电源模块设计，极大地减少了外围电路，并能保证收音机有效运行。该系统仅仅提供MPPT功能，不能消除故障电池板的热岛效应；而且也不具备因任何原因导致故障后的隔离保护功能。
【发明内容】
[0006]为了解决故障电池板的热岛效应和保证电池板或者发电系统其他环节发生故障后的隔离保护以及输出功率的最大化(MPPT)，本发明提供了一种高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器的硬件电路。
[0007]为达到上述目的，本发明采用的方案为:
[0008]一种高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，包括最大化单个光伏电池板组串输出功率的电路；在检测到光伏电池板组串电流损耗时断开组串电池板输出的电路；旁路遮荫的电池板子串的电路；输出电流采样电路。该硬件电路具有受控电子开关、二极管、电感、储能电容、采样电阻。光伏电池板组串从PV+、PV-接入，子串接入PVS1、PVS2 ；优化器从OUT+、OUT-输出，与其他光伏电池板组串适配的输出功率优化器的输出串联。整个硬件电路构成最大化单个光伏电池板组串输出功率的电路；串行回路上的受控电子开关S4是断开光伏电池板组串输出的电路；输入侧三级串联的受控电子开关S1、S2、S3是旁路遮荫或故障电池板子串的电路；并行回路上受控电子开关S5和二极管D5提供旁路光伏电池板组串的功能；高精度电阻采集优化器输出电流；储能电容吸收电荷提供短时间的电流输出。
[0009]所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，所有受控电子开关均为电子机械开关或半导体开关。
[0010]所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，串行受控电子开关S4和并行受控电子开关S5不可同时导通。
[0011]所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路的控制方法如下:
[0012]步骤一:光伏电池板组串无功率输出或输出电压最小值未达到电路设定门限值时串行的受控电子开关S4、并行受控电子开关S5为断开状态；低导通压降的并行二极管D5旁路电池板组串并为其他光伏电池板组串电流提供通道；输入侧的三级受控电子开关S1、S2、S3保持断开状态。
[0013]步骤二:
[0014]I)当光伏电池板组串输出电压最小值达到电路设定门限值时，串行受控电子开关S4导通100ms，并行受控电子开关S5保持断开；100ms后受控电子开关S4断开的同时检测优化器的输出电压；再过10ms后再次检测优化器输出电压；根据两次采样的电压值对比判断逆变器是否与PV侧连接。
[0015]2)实时采样光伏电池板三级子串上的电压，如果子串电压低于设定门限值，对应的受控电子开关导通旁路该级子串电池板。每过1s断开一次导通的旁路受控电子开关，如果再次检测的电压低于门限值，该级开关继续导通；上述过程一直持续直到检测的电压高于门限值。
[0016]步骤三:当判断逆变器未连接PV侧时，一直重复步骤二 ；当判断逆变器连接到PV侧时，优化器进入最大功率点跟踪(MPPT)模式，控制电路输出脉冲宽度调制(PWM)波形控制S4通断，S5保持断开，使单个电池板组串输出功率最大。该步骤中持续采样输出电流，若输出电流低于电路设定的门限值或者任何其他原因导致的光伏电池板组串之间断路或系统故障，优化器会回到步骤一状态，保持故障隔离和切断功率输出。
[0017]所述的高效率低功耗光伏电池板输出功率优化器硬件电路的受控电子开关可以是继电器、接触器，或者是金属-氧化物-半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT) ο
[0018]结合低压降功率M0SFET，整个电路在控制光伏电池板输出功率上表现出高效低耗的优点。对遮荫电池板的旁路和故障电池板的输出断路能保证整体电池板阵列的输出功率最大化。并且在系统故障时快速的关闭输出隔离故障，提高安全与可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是现有技术中光伏电池组件输出电路图
[0020]图2是本发明的光伏电池板输出功率优化器的电路原理图
[0021]图3是本发明具体实施例的优化器的原理图
[0022]图4是未上电或系统故障时光伏电池板输出功率优化器的电路原理图
[0023]图5是MPPT模式下光伏电池板输出功率优化器的电路原理图
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描述，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0025]如图2所示，一高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，包括受控电子开关31、52、53、54、55，例如可以是半导体开关，二极管01、02、03、04、05，电感L，储能电容Cl、C2，采样电阻Rl ;光伏电池板组串从输入端PV+、PV-接入，光伏电池板组串中的子串分别接入PVS1、PVS2(PV+与PVS2，PVS2与PVSI，PVSl与PV-分别接一组电池板子串，整体组成三级电池板组串)，二极管Dl正极接PV-，二极管Dl的负极接PVSl，二极管D2正极接PVS1，二极管D2负极接PVS2、二极管D3正极接PVS2，二极管D3负极接PV+，受控电子开关S1、S2、S3分别与二极管Dl、D2、D3并联，储能电容Cl两端分别与输入端PV+和PV-连接，二极管D4与二极管D5串联，二极管D4的负极接PV+，二极管D5的正极接PV-，同时二极管D4的正极与电感L连接，电感另一端接输出端OUT+，受控电子开关S4、S5分别与二极管D4和D5并联，储能电容C2—端接输出端OUT+，另一端接采样电阻Rl的一端，Rl的另一端接输出端OUT-;优化器硬件电路从0UT+、0UT-输出，受控电子开关S4是断开光伏电池板组串输出的电路；受控电子开关S1、S2、S3是旁路遮荫或断开故障电池板子串的电路以保证电池板阵列的输出功率最大化；受控电子开关S5和二极管D5提供旁路光伏电池板组串的功能；高精度电阻采集优化器输出电流；储能电容吸收电荷提供短时间的电流输出。
[0026]当光伏电池板组串无功率输出或输出电压最小值未达到电路设定门限值时，串行的受控电子开关S4、并行受控电子开关S5为断开状态；低导通压降的并行二极管D5旁路电池板组串并为其他光伏电池板组串电流提供通道；输入侧的三级受控电子开关S1、S2、S3保持断开状态。
[0027]当光伏电池板组串输出电压最小值达到电路设定门限值时，受控电子开关S4导通100ms，受控电子开关S5保持断开；100ms后受控电子开关S4断开的同时检测优化器的输出电压；再过10ms后再次检测优化器输出电压；根据两次采样的电压值对比判断逆变器是否与PV侧连接；当判断逆变器未连接PV侧时，一直重复该步骤。
[0028]实时采样光伏电池板三级子串上的电压，如果子串电压低于设定门限值，对应的受控电子开关导通旁路该级子串电池板；每过1s断开一次导通的旁路受控电子开关，如果再次检测的子串电压低于门限值，该级开关继续导通；上述过程一直持续直到检测的电压高于门限值。
[0029]当判断逆变器连接到PV侧时，如图5所示，优化器进入最大功率点跟踪(MPPT)模式，控制电路输出脉冲宽度调制(PWM)波形控制S4通断，S5保持断开，使单个电池板组串输出功率最大；该步骤中持续采样输出电流，若输出电流低于电路设定的门限值或者任何其他原因导致的光伏电池板组串之间断路或系统故障，优化器会回到第一步的状态，保持故障隔离和切断功率输出。
[0030]其中的受控电子开关还可以是继电器、接触器，或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
[0031]受控电子开关受控制电路控制，该控制电路可由现有技术中的常用的控制电路实现。
[0032]本发明的电路还可如图3所示，由MOSFET:STR1, STR2, STR3, Ql, Q2 ;电感L ;电容C ;高精度电流采样电阻以及检测采样，控制，通讯等电路构成。所有MOSFET受控制电路控制，该控制电路为现有技术中常用的能实现如下导通断开功能的电路(在此不再赘述)，采样PV侧输出电压，三级子串电压和输出侧电压电流。
[0033]工作过程如下:
[0034]步骤一:光伏电池板组串无功率输出或输出电压最小值未达到电路设定门限值时MOSFET Ql, Q2为断开状态；Q2内部反向并联的二极管为其他光伏电池板组串电流提供通道；输入侧的三级MOSFET STR1, STR2, STR3保持断开状态。
[0035]步骤二:
[0036]I)当光伏电池板组串输出电压最小值达到电路设定门限值时，Ql导通100ms，Q2保持断开；100ms后Ql断开的同时检测优化器的输出电压；再过10ms后再次检测优化器输出电压；根据两次采样的电压值对比判断逆变器是否与PV侧连接。
[0037]2)实时采样光伏电池板三级子串上的电压，如果子串电压低于设定门限值，对应的受控电子开关导通旁路该级子串电池板。每过1s断开一次导通的旁路受控电子开关，如果再次检测的电压低于门限值，该级开关继续导通；上述过程一直持续直到检测的电压高于门限值。
[0038]步骤三:当判断逆变器未连接PV侧时，一直重复步骤二 ；当判断逆变器连接到PV侧时，其它条件满足MPPT (最大功率点跟踪)要求时，优化器将进入MPPT模式，控制电路输出合适占空比的PWM波形驱动Ql，Q2保持断开，Q2内部反向并联的二极管在Ql关断周期内为电感提供续流，整块电路工作在BUCK模式下，使该光伏电池板组串的输出功率最大。该步骤中持续采样输出电流，若输出电流低于电路设定的门限值或者任何其他原因导致的光伏电池板组串之间断路或系统故障，优化器会回到步骤一状态，保持故障隔离和切断功率输出。
[0039]以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，包括:受控电子开关S1、S2、S3、S4、S5，二极管Dl、D2、D3、D4、D5，电感L，储能电容Cl、C2，采样电阻Rl ;光伏电池板组串从输入端PV+、PV-接入，光伏电池板组串中的子串分别接入PVS1、PVS2，该优化器硬件电路从OUT+、OUT-输出，串行回路上的受控电子开关S4形成断开光伏电池板组串输出的电路；输入侧三级串联的受控电子开关S1、S2、S3形成旁路遮荫或故障电池板子串的电路以保证电池板阵列的输出功率最大化；并行回路上受控电子开关S5和二极管D5提供旁路光伏电池板组串的功能；采样电阻Rl采集优化器输出电流；储能电容C1、C2吸收电荷提供短时间的电流输出；该硬件电路构成最大化单个光伏电池板组串输出功率的电路，可与其他光伏电池板组串适配的输出功率优化器的输出串联。
2.根据权利要求1所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，其中二极管Dl的正极接PV-，二极管Dl的负极接PVSl，二极管D2的正极接PVSl，二极管D2的负极接PVS2、二极管D3的正极接PVS2，二极管D3的负极接PV+，受控电子开关S1、S2、S3分别与二极管Dl、D2、D3并联，储能电容Cl两端分别与输入端PV+和PV-连接，二极管D4与二极管D5串联，二极管D4的负极接PV+，二极管D5的正极接PV-，同时二极管D4的正极与电感L连接，电感L另一端接输出端0UT+，受控电子开关S4、S5分别与二极管D4和D5并联，储能电容C2—端接输出端0UT+，另一端接采样电阻Rl的一端，Rl的另一端接输出端OUT-ο
3.根据权利要求1所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，其中所有受控电子开关均为电子机械开关或半导体开关。
4.根据权利要求1所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路，受控电子开关S4和受控电子开关S5不可同时导通。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的高效率低功耗的光伏电池板输出功率优化器硬件电路的控制方法，包括如下步骤: 步骤一:光伏电池板组串无功率输出或输出电压最小值未达到电路设定门限值时，受控电子开关S4、受控电子开关S5为断开状态；低导通压降的二极管D5旁路电池板组串并为其他光伏电池板组串电流提供通道；输入侧的受控电子开关S1、S2、S3保持断开状态； 步骤二: 1)当光伏电池板组串输出电压最小值达到电路设定门限值时，受控电子开关S4导通100ms,受控电子开关S5保持断开；100ms后受控电子开关S4断开的同时检测优化器的输出电压；再过10ms后再次检测优化器输出电压；根据两次采样的电压值对比判断逆变器是否与PV侧连接； 2)实时采样光伏电池板三级子串上的电压，如果子串电压低于设定门限值，对应的受控电子开关导通旁路该级子串电池板；每过1s断开一次导通的旁路受控电子开关，如果再次检测的子串电压低于门限值，该级开关继续导通；上述过程一直持续直到检测的电压高于门限值； 步骤三:当判断逆变器未连接PV侧时，一直重复步骤二；当判断逆变器连接到PV侧时，优化器进入最大功率点跟踪(MPPT)模式，控制电路输出脉冲宽度调制(PWM)波形控制S4通断，S5保持断开，使单个电池板组串输出功率最大；该步骤中持续采样输出电流，若输出电流低于电路设定的门限值或者任何其他原因导致的光伏电池板组串之间断路或系统故障，优化器会回到步骤一状态，保持故障隔离和切断功率输出。
6.根据权利要求5所述的控制方法，受控电子开关是继电器、接触器，或者是金属-氧化物-半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
【文档编号】H02S40/30GK104506132SQ201510038713
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月26日 优先权日:2015年1月26日
【发明者】朱建国, 杨耀 申请人:深圳市永联科技有限公司