一种光伏系统电能控制方法及装置与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏系统电能控制方法及装置。

背景技术：

光伏系统一般由光伏阵列、逆变器和负载(和/或电网)组成，光伏阵列由不少于1块光伏组件串并联形成，将接收到的光能转换为直流电能输出，光由逆变器将光伏阵列输出的直流电能转换为交流电能，为负载供电或者馈入电网。

在一些场合下，比如融雪、除冰等，需要光伏系统从电网吸收电能给光伏组件加热。但是，由于不同光伏组件之间的参数存在差异、积雪和结冰不均匀，导致在总功率固定时，不同的光伏组件上消耗的功率不一样，有些组件可能会接收过大的反向功率而发生性能衰减或者损坏。

技术实现要素：

本发明提供一种光伏系统电能控制方法及装置，以解决现有技术中部分组件接收反向功率较大而发生性能衰减或损坏的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种光伏系统电能控制方法，应用于光伏系统电能控制装置，所述光伏系统电能控制装置的一端与光伏组件相连，所述光伏系统电能控制装置中包括直流电容、设置于所述光伏系统电能控制装置的另一端；所述光伏系统电能控制方法包括：

判断所述光伏系统电能控制装置是否满足预设电能反向流动条件；

若所述光伏系统电能控制装置满足所述预设电能反向流动条件，则控制所述光伏组件停止输出电能；

控制所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件。

优选的，所述预设电能反向流动条件为：

所述直流电容上的电压大于第一阈值或者小于第二阈值。

或者，

所述光伏组件的输出功率小于第三阈值，或者所述光伏组件的输出电流小于第四阈值。

优选的，所述预设电能反向流动条件为：

预设频率所对应的电参量幅值小于相应阈值，或者所述预设频率所对应的电参量幅值占预设频率段所对应的电参量幅值之和的比例小于相应阈值；

所述预设频率为：电网电压频率、逆变器的特征频率或者光伏系统的谐振频率的倍数；

所述电参量为：所述直流电容的输入电压、输入电流或者输入功率，或者所述光伏组件的输出电压、输出电流或者输出功率。

优选的，所述预设电能反向流动条件为：

接收到反向输电控制指令。

优选的，所述接收到反向输电控制指令的方式为通过有线通信、无线通信、直流电力载波通信、外部按键控制或外部开关控制中的至少一种。

优选的，在所述控制所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件的同时，还包括：

对所述直流电容的输出电流或输出功率，或者，所述光伏组件的输入电流、输入功率或输入电压进行限制，以防止所述光伏组件吸收电能的功率过大。

优选的，在所述控制所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件的同时，还包括：

控制所述直流电容上的电压小于等于第一阈值。

优选的，所述控制所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件，包括：

控制所述直流电容上的电能通过升压变换传输至所述光伏组件。

一种光伏系统电能控制装置，包括：输电电路和控制器；其中：

所述控制器用于执行上述任一所述的光伏系统电能控制方法；

所述输电电路中的可控开关用于根据所述控制器的控制关断，以使光伏组件停止输出电能；

所述输电电路中的DC/DC变换器用于根据所述控制器的控制进行反向输电，以使所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件。

优选的，所述DC/DC变换器为具有双向电能变换功能的半桥变换器；

所述可控开关为MOSFET或者IGBT，设置于所述半桥变换器中，所述可控开关中的体二极管用于将所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件。

本发明提供的光伏系统电能控制方法及装置，通过该光伏系统电能控制装置，控制满足预设电能反向流动条件的光伏组件接收其直流电容上存储的电能，也即，通过相应的光伏系统电能控制装置，分别为每个光伏组件进行加热控制，进而避免现有技术中由于统一加热，使部分组件接收反向功率较大而发生性能衰减或损坏的问题，确保安全可靠地控制每个光伏组件加热进行融雪除冰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光伏系统电能控制方法的流程图；

图2是现有技术提供的能耗装置的连接示意图；

图3是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制方法的流程图；

图4是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制方法的流程图；

图5是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制方法的流程图；

图6是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制装置的结构示意图；

图7是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制装置的结构示意图；

图8是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制装置的结构示意图；

图9是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制装置的结构示意图；

图10是本发明另一实施例提供的光伏系统电能控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种光伏系统电能控制方法，以解决现有技术中部分组件接收反向功率较大而发生性能衰减或损坏的问题。

参见图1，该光伏系统电能控制方法，应用于光伏系统电能控制装置，光伏系统电能控制装置的一端与光伏组件相连，光伏系统电能控制装置中包括直流电容、设置于光伏系统电能控制装置的另一端；该光伏系统电能控制方法包括：

S101、判断光伏系统电能控制装置是否满足预设电能反向流动条件；

在具体的实际应用中，该预设电能反向流动条件可以根据具体环境进行设定，比如，该预设电能反向流动条件为：

直流电容上的电压大于第一阈值或者小于第二阈值。

例如，设定第一阈值V1＝60V、第二阈值V2＝10V。当直流电容上的电压Vin＝70V＞V1时，说明此时的光伏系统直流侧需要进行过压保护。而当直流电容上的电压Vin＝9V＜V2时，说明此时的光伏系统处于停机状态，需要消耗直流母线上的电能，以使直流母线电压快速达到安全电压要求的场合。

若光伏系统电能控制装置满足预设电能反向流动条件，比如直流电容上的电压大于第一阈值或者小于第二阈值，则执行步骤S102；

S102、控制光伏组件停止输出电能；

S103、控制直流电容上的电能传输至光伏组件。

不论光伏系统直流侧需要进行过压保护，还是光伏系统处于停机状态，此时均需要停止电能的正向传输，即光伏组件到逆变器的电能传输，并进行反向电能传输，即直流电容到光伏组件的电能传输，以消耗直流电容上存储的电能，从而降低直流母线上的电压。

本实施例提供的该光伏系统电能控制方法，通过该光伏系统电能控制装置，控制满足预设电能反向流动条件的光伏组件接收其直流电容上存储的电能，也即，通过相应的光伏系统电能控制装置，分别为每个光伏组件进行加热控制，进而避免现有技术中由于统一加热，使部分组件接收反向功率较大而发生性能衰减或损坏的问题，确保安全可靠地控制每个光伏组件加热进行融雪除冰。

并且，通过对预设电能反向流动条件的设置，可以实现在光伏系统关机时，各个光伏系统电能控制装置均满足该预设电能反向流动条件，使得各个光伏系统电能控制装置中直流电容上的电能均能进行反向传输，进而代替现有技术中的能耗装置快速消耗直流母线电容上存储的电能。

值得说明的是，现有技术在一些场合下，例如，光伏系统关机时或者触发紧急停机时(如Rapid Shutdown)，需要光伏系统快速消耗掉直流母线上的电能，以降低直流母线电压、提高系统的安全性。为了使直流母线电压下降较快，现有技术通常在直流母线上设置由开关和电阻形成的能耗装置，如图2所示。正常状态下控制光伏组件的输出连通逆变器，能耗装置的电阻与直流母线断开；在光伏系统停机时，闭合开关，断开光伏组件与逆变器的输入连接，并将能耗装置的电阻并联在逆变器输入端的直流母线上，以快速消耗直流母线电容上存储的电能。但是，现有技术在光伏系统紧急停机时，其光伏组件侧的任意导体间的电压有可能超过80V，不仅不满足新的NEC2017要求，也存在一定的安全隐患。

而本实施例提供的光伏系统电能控制方法，在直流电容上的电压大于第一阈值时，也即光伏组件输出的电压过高时，将会控制电能反向传输至光伏组件，以确保任意时刻光伏组件侧的任意导体间的电压不会过高；并且当直流电容上的电压小于第二阈值时，也即光伏系统关机时或者触发紧急停机时，也会通过控制电能反向传输至光伏组件，进而代替现有技术中的能耗装置快速消耗直流母线电容上存储的电能。因此，本发明提供的光伏系统电能控制方法，即实现了光伏系统关机时或者触发紧急停机时的储能消耗，又避免了现有技术中紧急停机时光伏组件侧的任意导体间的电压过高的问题。

在具体的实际应用中，该预设电能反向流动条件还可以为：

光伏组件的输出功率小于第三阈值，或者光伏组件的输出电流小于第四阈值。

因此，本发明另一实施例还提供了另外一种光伏系统电能控制方法，参见图3，包括：

S201、判断光伏组件的输出功率是否小于第三阈值，或者光伏组件的输出电流是否小于第四阈值；

若光伏组件的输出功率小于第三阈值，或者光伏组件的输出电流小于第四阈值，则执行步骤S202；

S202、控制光伏组件停止输出电能；

S203、控制直流电容上的电能传输至光伏组件。

作为另一种实施方式，光伏系统正向传输电能时，假设光伏组件对外输出的功率小于预设的第三阈值，比如2W，或者输出电流小于预设的第四阈值，比如0.05A，则认为光伏组件基本不对外输出电能，则可控制光伏系统进行反向电能输送，以消耗直流电容上存储的电能，从而降低直流电容上的电压。

或者，预设电能反向流动条件还可以为：

预设频率所对应的电参量幅值小于相应阈值，或者预设频率所对应的电参量幅值占预设频率段所对应的电参量幅值之和的比例小于相应阈值；

预设频率为：电网电压频率、逆变器的特征频率或者光伏系统的谐振频率的倍数；

电参量为：直流电容的输入电压、输入电流或者输入功率，或者光伏组件的输出电压、输出电流或者输出功率。

因此，本发明另一实施例还提供了另外一种光伏系统电能控制方法，参见图4，包括：

S301、判断预设频率所对应的电参量幅值是否小于相应阈值，或者预设频率所对应的电参量幅值占预设频率段所对应的电参量幅值之和的比例是否小于相应阈值；

若预设频率所对应的参量幅值小于相应阈值，或者预设频率所对应的电参量幅值占预设频率段所对应的电参量幅值之和的比例小于相应阈值，则执行步骤S302；

S302、控制光伏组件停止输出电能；

S303、控制直流电容上的电能传输至光伏组件。

作为另一种实施方式，光伏系统正向传输电能时，根据检测得到的光伏组件的输出电压、电流和功率，以及直流电容的输入电压、电流和功率，计算预设频率所对应的两个电压幅值、两个电流幅值及两个功率幅值，判断各个幅值是否小于其相应阈值。

光伏系统在并网运行时，其逆变器直流侧会感应出与电网频率相应的电参量波动。因此可以设定该预设频率为电网电压频率或者电网电压频率的倍数，例如50Hz或者50Hz的倍数。比如，对于单相光伏系统，可以设定为电网电压频率的2倍频100Hz或者4倍频200Hz；对于三相光伏系统，可以设定为电网电压频率的3倍频150Hz或者6倍频300Hz或者12倍频600Hz。当通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值大于等于相应阈值时，即可判定光伏系统在正常并网运行；而通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值小于相应阈值时，即可判定光伏系统脱网，此时可以控制电能反向传输，以迅速降低光伏系统直流母线电压。

另外，光伏系统中的电力电子变换器(如逆变器)，在运行时会产生一些特征频率，例如PWM斩波形成的开关频率(如16KHz)及倍数、EMC滤波形成的特定频率尖峰。因此可以设定该预设频率为逆变器的特征频率或其倍数，例如16KHz。当通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值大于等于相应阈值时，即可判定光伏系统中的逆变器在正常运行；而通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值小于相应阈值时，即可判定光伏系统中的逆变器停机，此时可以控制电能反向传输，以迅速降低光伏系统直流母线电压。

再者，光伏系统在正常运行时，其电感L、电容C及寄生电感Le、寄生电容Ce等会产生一些谐振效果，有时电力电子变换器在工作时也会在一些频率点产生谐振效果。这些谐振的频率点会呈现较低的阻抗，相应地，电参量在这些频率点会呈现较大的幅值。因此可以设定该预设频率为光伏系统运行的谐振频率。当通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值大于等于相应阈值时，即可判定光伏系统中的电力电子变换器在正常运行；而通过步骤S301得到预设频率所对应的参量幅值小于相应阈值时，即可判定光伏系统没有运行，此时可以控制电能反向传输，以迅速降低光伏系统直流母线电压。

在上述实施方式中，若设定的该预设频率较高，有时会由于线路衰减等因素导致检测误差较大。因此，可以采用相对值来判断。即设定一个频率段fL～fH，其中该预设频率介于fL与fH之间。假设选定电参量为电压V，计算电压V在该预设频率处的幅值Vf，同时计算频率段fL～fH对应的电参量幅值之和Vf2，判断Vf/Vf2与阈值k的大小，若Vf/Vf2＜k，表明在该预设频率处的电压幅值占频率段的电压幅值比例较小，认为光伏系统没有并网或处于停机状态，需要控制电能反向传输。对于电流、功率有同样的结论，此处不再一一赘述。

又或者，预设电能反向流动条件为：

接收到反向输电控制指令。

因此，本发明另一实施例还提供了另外一种光伏系统电能控制方法，参见图5，包括：

S401、接收到反向输电控制指令；

S402、控制光伏组件停止输出电能至逆变器；

S403、控制直流电容上的电能传输至光伏组件。

作为另一种实施方式，该反向输电控制指令可以来自于光伏系统中的逆变器、网关、监控整个光伏系统的中央控制器等，另外，该反向输电控制指令也可以来自于外部按键控制或者外部开关控制，此处不做具体限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

且该反向输电控制指令可以通过RS485、RS232、CAN等有线通信，或者WIFI、Zigbee、Lora等无线通信、直流电力载波通信等通信方式中的至少1种。具体通信方式这里不作限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

当逆变器停机或者脱网时，可以给通过发送该反向输电控制指令，控制光伏系统进行反向电能输送，以消耗直流电容上存储的电能，从而降低直流电容上的电压。

在上述实施例的基础之上，优选的，在执行图1中的步骤S103、图3中的步骤S203、图4中的步骤S303及图5中的步骤S403、控制直流电容上的电能传输至光伏组件的同时，该光伏系统电能控制方法还包括：

对直流电容的输出电流或输出功率，或者，光伏组件的输入电流、输入功率或输入电压进行限制，以防止光伏组件吸收电能的功率过大。

优选的，在执行图1中的步骤S103、图3中的步骤S203、图4中的步骤S303及图5中的步骤S403、控制所述直流电容上的电能传输至所述光伏组件的同时，还包括：

控制直流电容上的电压小于等于第一阈值。

在具体的实际应用中，为了防止光伏组件吸收电能较大，进而影响光伏组件性能或寿命，该光伏系统电能控制方法在进行电能反向传输时可以增加一些限制措施。

比如，限制光伏组件的输入电压不超过预设的阈值电压，具体可以根据光伏组件的参数来设定阈值电压，例如，对于开路电压为35V的光伏组件，可以设定阈值电压为38V。则直流电容上的电能传输至光伏组件的输入电压控制在35V到38V之间，即可以保证光伏组件处于吸收电能的状态，又确保光伏组件吸收电能不会太大。

或者，限制光伏组件的输入功率或者直流电容的输出功率不超过预设的阈值功率，比如5W，即可确保光伏组件吸收功率不会超过5W。

又或者，限制光伏组件的输入电流不超过预设的阈值电流，比如0.2A，光伏组件接收的输入电压在35V时，可以保证光伏组件吸收功率不会超过35*0.2＝7W。

再或者，限制直流电容的输出电流不超过预设的阈值电流，比如0.5A，直流电容的输出电压最大取20V，则可以保证光伏组件吸收功率不会超过20*0.5＝10W。

同时，直接限制直流电容上的电压不超过第一阈值，比如60V，也可以防止光伏组件吸收电能较大，避免影响光伏组件性能或寿命；该第一阈值此处仅为一种示例，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

另外，优选的，在步骤S103、控制直流电容上的电能传输至光伏组件，包括：

控制所述直流电容上的电能通过升压变换传输至所述光伏组件。

对直流电容上的电能升压后，再传输至光伏组件，能够将限制光伏组件的输入电压成功的限制在开路电压与阈值电压之间，进而保证光伏组件处于吸收电能的状态，又确保光伏组件吸收电能不会太大。

本发明另一实施例还提供了一种光伏系统电能控制装置，包括：输电电路和控制器；其中：

该控制器用于执行上述任一实施例的光伏系统电能控制方法；

具体的，该控制器用于判断光伏系统电能控制装置是否满足预设电能反向流动条件；若光伏系统电能控制装置满足预设电能反向流动条件，则控制输电电路内部的开关关断，以使光伏组件停止输出电能；并控制输电电路进行反向输电，以使直流电容上的电能传输至光伏组件。

其中，该预设电能反向流动条件为：

直流电容上的电压大于第一阈值或者小于第二阈值。

或者，预设电能反向流动条件为：

光伏组件的输出功率小于第三阈值，或者光伏组件的输出电流小于第四阈值。

或者，预设电能反向流动条件为：

预设频率所对应的电参量幅值小于相应阈值，或者预设频率所对应的电参量幅值占预设频率段所对应的电参量幅值之和的比例小于相应阈值；

预设频率为：电网电压频率、逆变器的特征频率或者光伏系统的谐振频率的倍数；

电参量为：直流电容的输入电压、输入电流或者输入功率，或者光伏组件的输出电压、输出电流或者输出功率。

或者，预设电能反向流动条件为：

接收到反向输电控制指令。

优选的，接收到反向输电控制指令的方式为通过有线通信、无线通信、直流电力载波通信、外部按键控制或外部开关控制中的至少一种。

优选的，控制器用于控制输电电路进行反向输电，以使直流电容上的电能传输至光伏组件的同时，还用于：

对直流电容的输出电流或输出功率，或者，光伏组件的输入电流、输入功率或输入电压进行限制，以防止光伏组件吸收电能的功率过大。

优选的，控制器用于在控制输电电路进行反向输电，以使直流电容上的电能传输至光伏组件时，具体用于：控制输电电路进行反向输电，以使所述直流电容上的电能通过升压变换传输至所述光伏组件。

输电电路中的可控开关S2用于根据控制器的控制关断，以使光伏组件停止输出电能至逆变器；

输电电路中的DC/DC变换器100用于根据控制器的控制进行反向输电，以使直流电容上的电能传输至光伏组件。

该光伏系统电能控制装置的一端与光伏组件相连，该光伏系统电能控制装置中包括设置于另一端的直流电容C，如图6至图10所示。并且，在一个光伏组串中，各个光伏系统电能控制装置中的直流电容C依次串联，串联后的支路两端成为该光伏组串的输出端。

参见图6，可控开关S2可以独立于DC/DC变换器100。当可控开关S2闭合时，光伏组件的电能对外正向传输，当可控开关S2关断时，直流电容C上存储的电能通过DC/DC变换器100反向传输至光伏组件。

或者，参见图7，可控开关S2也可以并联在DC/DC变换器100中的部分电路上，例如直接跨接在续流二极管D上，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

其中，可控开关S2可以为继电器、MOSFET或者IGBT等各种开关，此处也不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，参见图8，DC/DC变换器100为具有双向电能变换功能的半桥变换器；

可控开关S2为MOSFET或者IGBT，设置于半桥变换器中，半桥变换器工作于Boost模式，将直流电容C上的电能传输至光伏组件。

另外，参见图9，DC/DC变换器100也可以用对称BuckBoost变换器实现，此时，开路开关S2也是该变换器中的一个开关管。

在具体的实际应用中，可控开关S2的具体设置位置可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

值得说明的是，DC/DC变换器100可以包括多个输出端，分别与相应的光伏组件相连；比如DC/DC变换器100可以具有2个输出端，每个输出端分别连接1个光伏组件，其内部可以具有两个独立的DC/DC变换器，或者，如图10所示，为具有一个单输入双输出的级联半桥变换器。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明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，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的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，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。