一种消除PID衰变的智能接线盒的制作方法

本实用新型属于光伏发电系统的安全保护装置技术领域，具体是涉及一种消除PID 衰变的智能接线盒。

背景技术：
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科研人员对欧洲光伏电站的长期观察和实验分析，以组串输出电压的中分电位作为保护接地点的光伏电站，处于对地电位负输出的一半组件，都存在着一种PID (Potential Induced Degradation)电势诱导衰减效应现象，是指光伏电池板在长时间工作后，对处于电位负输出的组件而言，当光伏组件玻璃表面的灰尘和水汽形成一层导电膜，并经接地的铝边框传导而形成一个从玻璃表面指向光伏组件中电池片的正电场，该正电场驱使光伏玻璃中的钠离子不断向电池片中的PN结迁移和侵蚀，使电池表面钝化、PN结性能变差，从而导致了电池片的填充因子、开路电压、短路电流降低，电池组件功率衰减，而且这个效应随时间的积累会使电池板的发电效率就会越来越差，最严重情况下可使光伏电池组件的发电效率下降40％—50％，并引发电站整体发电量的巨大损失和有效服务寿命下降等严重问题。因此对于光伏电站如何有效抑制电池板的 PID现象已成为非常重要和刻不容缓的课题。

对于欧洲市场的光伏电站而言，这个问题尤为突出。因采用以组串输出电压的中分电位作为接地点的组串回路，其组件是一半对地为正电位输出，另一半对地为负电位输出，而处于负电位输出的一半组件，都存在着PID，即电势诱导衰减效应现象。考虑到电站的长期运营及PID所造成发电量不断降低而带来的经济损失，如何有效抑制电池板的PID现象解决方案也越来越受重视。

目前市场上对应PID现象的抑制主要方案有三种：

1.采用负极接地方法，消除面板的对地负压。

负极接地后对地成正电压偏置，能有效抑制PID现象。这种方法适用于带高频隔离的逆变器或现有无变压器逆变器外加隔离变压器的电站。对于采用高频隔离逆变器的电站，如果系统较大，采用的台数也较多，成本比较高，这种方案仅适合规模较小的系统应用。对于采用无变压器逆变器外加隔离变压器的电站，采用这种方案也带来缺点如下缺点：

1)负极接地，正极对地之间就会形成高压，容易造成人员电击事故；

2)若正极或组串间电缆产生接地故障，则会通过地线产生故障电流或者产生电弧放电，容易引起火灾

3)成本相对较高，隔离变压器占用空间也比较大；

4)因为欧洲的光伏组网方式与北美国家组网方式不同，在欧洲的光伏标准中，系统电压为1000伏，大多采用35件电池组件串联组合的方式，，所以采用了中间接地的方案，以使正负两端的对地电压为+/-500伏左右，如果改成负极单端接地，则原有的光伏逆变器全部不能用，且正端对地电压高达1000伏，大大增加了系统的危险系数。

2.采用虚拟接地方案

这个方案通过抬升负极的电压，使各台逆变器的负极对地电压接近为零或者稍高于零，以实现PID抑制功能。此方案仅适用采用少量无隔离变压器逆变器组成的光伏小系统电网方案，并需要在变压器N线侧外加专用的PID效应抑制设备。

3.加正向偏置电压方案

PV板接入正向偏置电压，将工作时由于PID效应迁移向电池片的钠离子再拉回来，这种方案的局限性是此设备只能在夜间电池板处于不发电时才能工作，而且正向偏置电压发生器设备自身每天都要消耗不少的电能。

以上三种方案，无论是从实用性还是经济性方面来说，似乎都没有给运营商提供一个满意的解决方案。

技术实现要素：
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为此，针对上述问题，本实用新型提出了一种消除PID衰变的智能接线盒，采用了接线盒中的智能控制电路和电子切换开关的程序化自动运作，使得安装在光伏发电阵列上的电池板的接线盒能自动把电流输出极性进行有规律的定期翻转，从而达到消除在欧洲光伏电站运行中部分电池组件上存在的PID长期衰变效应，实现增加发电效率，延长光伏组件的有效服务寿命的目标。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种消除PID衰变的智能接线盒，包括：

接线盒壳体，所述接线盒壳体内部安装有中央处理器、光电采样模块、载波信号耦合元件、开关信号驱动电路、工作电源模块、载波信号收发模块、负极连接器、正极连接器、多个MOS型电子开关和旁路二极管。

所述MOS型电子开关包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四 MOS管Q4，所述第一MOS管Q1的栅极和源极、所述第二MOS管Q2的栅极和源极、所述第三MOS管Q3的栅极和源极、所述第四MOS管Q4的栅极和源极分别连接至所述开关信号驱动电路，所述第一MOS管Q1的漏极、所述第二MOS管Q2的源极分别连接至所述负极连接器，所述第三MOS管Q3的源极、所述第四MOS管Q4的漏极分别连接至所述正极连接器，所述第一MOS管Q1的源极、所述第二MOS管Q2的漏极、所述第三 MOS管Q3的漏极、所述第四MOS管Q4的源极分别连接至所述工作电源模块。

所述旁路二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，所述第一二极管D1的正极连接至所述工作电源模块，所述第二二极管D2的正极连接所述第一二极管D1的负极，所述第三二极管D3的正极连接所述第二二极管D2的负极，所述第三二极管D3的负极连接至所述工作电源模块，所述第一二极管D1的正极、所述第二二极管D2的正极、所述第三二极管D3的正极、所述第三二极管D3的负极分别通过电缆连接到光伏电池板的汇流带上。

所述载波信号耦合元件与所述载波信号收发模块电连接，所述光电采样模块分别连接所述第一二极管D1的正极和所述第三二极管D3的负极，所述光电采样模块、所述开关信号驱动电路、所述载波信号收发模块分别与所述中央处理器电连接，所述工作电源模块分别给所述中央处理器、所述光电采样模块、所述开关信号驱动电路、所述载波信号收发模块供电。

作为上述技术方案的优选，所述工作电源模块的输入端连接至所述光伏电池的汇流带上，所述工作电源模块经过两级降压稳压处理后输出+15V的第一电压和+5V的第二电压。

作为上述技术方案的优选，所述接线盒壳体与内部设置有光伏电池板的汇流带的汇流箱之间安装有单相桥式整流部件。

作为上述技术方案的优选，所述第一MOS管Q1的源极和漏极之间连接有第一电容 C1，所述第二MOS管Q2的源极和漏极之间连接有第二电容C2，所述第三MOS管Q3的源极和漏极之间连接有第三电容C3，所述第四MOS关Q4的源极和漏极之间连接有第四电容C4。

作为上述技术方案的优选，所述第一MOS管Q1和所述第四MOS管Q4组成第一组电子开关，所述第二MOS管Q2和所述第三MOS管Q3组成第二组电子开关，所述第一组电子开关和所述第二组电子开关切换工作。

作为上述技术方案的优选，所述光电采样模块连接有光敏元件。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用了以接线盒中智能控制电路和电子切换开关的程序化动作，让安装在光伏发电阵列上全部电池组件的电压输出极性进行同步有规律的定期翻转，使得玻璃中钠离子在向电池片迁移过程中还远没有到达电池片时就被随后的反向电场拉回原地，从而达到消除光伏电池组件上这种PID长期衰变效应，实现增加发电效率，延长光伏组件的有效服务寿命。本实用新型对解决现有光伏电站的安全改造和今后的新电站建设提供了一种经济有效的升级产品，对于今后光伏电站提升到1500伏的系统电压方案，这个带消除PID衰变智能接线盒的意义将更大, 能使得采用欧洲光伏联网形式的电站摆脱PID性能衰减的魔咒,更好地发挥出中间接地所带来的系统电压折中平分的有利条件,使得光伏逆变器内的功率开关三极管的耐压等级的要求相对变低,也就大大降低的设备的投资成本和维护成本。所以这款带消除 PID衰变智能接线盒是可以为今后光伏电站改造或新建电站提供一种优质价廉，既安全又具有智能管理功能的好产品。

附图说明：

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1为本实用新型一个实施例的一种消除PID衰变的智能接线盒的外形示意图；

图2为本实用新型一个实施例的一种消除PID衰变的智能接线盒的电气原理图。

图中符号说明：

1-接线盒壳体，2-中央处理器，3-光电采样模块，4-载波信号偶合元件，5-开关信号驱动电路，6-工作电源模块，7-载波信号收发模块，8-负极连接器，9-正极连接器，10-汇流带，11-光敏元件。

具体实施方式：

实施例1

如图1、图2所示，本实用新型的一种消除PID衰变的智能接线盒，包括：

接线盒壳体1，所述接线盒壳体1为密封型接线盒外壳。所述接线盒壳体1是一种内部安装了电压、电流等检测电路、输出极性切换开关与中央处理器等电路的智能型光伏接线盒。所述接线盒壳体1内部具体安装有中央处理器2、光电采样模块3、载波信号耦合元件4、开关信号驱动电路5、工作电源模块6、载波信号收发模块7、负极连接器8、正极连接器9、多个MOS型电子开关和旁路二极管。所述接线盒壳体1内还保留有常规接线盒的铜导电体、正负输出导线、电缆等。由上述元件组成的消除PID 衰变智能接线盒是一个不可拆分的整体结构。

本实施例中，所述中央处理器2为CPU处理与通信系统，所述光电采样模块3为电压/电流/光照度采样电路，所述载波信号偶合元件4为信号偶合线圈，所述开关信号驱动电路5为电子切换开关驱动信号电路，所述工作电源模块6为隔离DC/DC电源模块。

所述MOS型电子开关包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四 MOS管Q4，所述第一MOS管Q1的栅极和源极、所述第二MOS管Q2的栅极和源极、所述第三MOS管Q3的栅极和源极、所述第四MOS管Q4的栅极和源极分别连接至所述开关信号驱动电路5，所述第一MOS管Q1的漏极、所述第二MOS管Q2的源极分别连接至所述负极连接器8，所述第三MOS管Q3的源极、所述第四MOS管Q4的漏极分别连接至所述正极连接器9，所述第一MOS管Q1的源极、所述第二MOS管Q2的漏极、所述第三 MOS管Q3的漏极、所述第四MOS管Q4的源极分别连接至所述工作电源模块6。所述第一MOS管Q1和所述第四MOS管Q4组成第一组电子开关，所述第二MOS管Q2和所述第三MOS管Q3组成第二组电子开关，所述第一组电子开关和所述第二组电子开关切换工作。

所述第一MOS管Q1的源极和漏极之间连接有第一电容C1，所述第二MOS管Q2的源极和漏极之间连接有第二电容C2，所述第三MOS管Q3的源极和漏极之间连接有第三电容C3，所述第四MOS关Q4的源极和漏极之间连接有第四电容C4。本实施例中，在各个MOS管的源极和漏极之间设置电容，是为了当MOS管在被关断时，组串回路中的载波信号经并联在MOS管源-漏极上的电容旁路而得以保持通畅。

所述旁路二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，所述第一二极管D1的正极连接至所述工作电源模块6，所述第二二极管D2的正极连接所述第一二极管D1的负极，所述第三二极管D3的正极连接所述第二二极管D2的负极，所述第三二极管D3的负极连接至所述工作电源模块6，所述第一二极管D1的正极、所述第二二极管D2的正极、所述第三二极管D3的正极、所述第三二极管D3的负极分别通过电缆连接到光伏电池板的汇流带10上。

所述载波信号耦合元件4与所述载波信号收发模块7电连接，所述光电采样模块3 分别连接所述第一二极管D1的正极和所述第三二极管D3的负极，所述光电采样模块3、所述开关信号驱动电路5、所述载波信号收发模块7分别与所述中央处理器2电连接，所述工作电源模块6分别给所述中央处理器2、所述光电采样模块3、所述开关信号驱动电路5、所述载波信号收发模块7供电。

本实施例中，所述工作电源模块6的输入端连接至所述光伏电池的汇流带10上，即直接从光伏电池的汇流带上取电，所述工作电源模块6经过两级降压稳压处理后输出+15V的第一电压和+5V的第二电压，供各个功能电路使用，智能电路总消耗功率小于0.5W。

所述接线盒壳体1与内部设置有光伏电池板的汇流带10的汇流箱之间安装有单相桥式整流部件。使用此种特殊功能接线盒，其组串电源总线到汇流箱之间必须增加一个单相桥式整流器部件，以保持汇流箱内部的电源极性不变。

所述光电采样模块3连接有光敏元件11。

该接线盒是通过定期自动翻转接线盒的输出极性而实现消除光伏组件PID衰变，这个接线盒具有自动侦测线路上的载波翻转命令信号，一旦收到符合约定格式的信号，经过中央处理器处理后，能自动控制切断原来接通的一组电子开关，经过若干秒钟的延时，再接通另一组电子开关，使得接线盒的输出极性得到翻转。

该接线盒可以连续采集盒体内旁路二极管两端的电压值、当测到二极管两端电压异常时，经过CPU与内部预置值比较判断后，能自动修正翻转命令，使整个组串中接线盒的翻转动作保持完全统一。

该智能接线盒在功能上主要侧重于消除因欧洲电站标准中的负压引起的光伏组件 PID衰变效应，其极性切换的原则是：每个接线盒的外部电线连接不变，而在每个接线盒内通过电子开关来实现对外输出线极性翻转，最后合成为整个组串的输出极性得到翻转。

在每条组串回路中，总有且只有一个接线盒是具有翻转命令发送功能的，在组串的电流输出回路上，不管电子开关是否关闭，总保持着高频载波信号的通路条件，其它接线盒都是按命令行事的，但都具有自侦测补偿翻转功能。

本实施例的消除PID衰变的智能接线盒的内部各个部件工作原理如下：

1)工作电源

系统内部工作电源直接从光伏电池板的引出汇流带上取电，经过两级降压稳压处理后，输出+15伏和+5伏两组电压，+15伏电压主要用于饱和驱动MOS型功率三极管用，+5伏电压则用于单片机系统和其它测量与通信等电路，整个智能电路的电能总消耗小于0.5W。

2)CPU处理及通信控制系统

此部分根据接收到的载波信号，分别发送控制正负向输出的两组电子开关通断的控制信号，实现光伏电池输出极性的翻转；通过对电信号采样部分所发出的采样信号与内置值进行比较，判断接线盒是否正确翻转，若未翻转则给出修正翻转命令，保持整个组串回路极性翻转的统一性。

3)电信号采样及处理

此部分根据接收到的载波信号，分别发送控制正负向输出的两组电子开关通断的控制信号，实现光伏电池输出极性的翻转；通过对电信号采样部分所发出的采样信号与内置值进行比较，判断接线盒是否正确翻转，若未翻转则给出修正翻转命令，保持整个组串回路极性翻转的统一性。

4)电子切换开关

此部分在工作时自动侦测线路上的载波翻转命令信号，一旦收到符合约定格式的信号，经过中央处理器处理后，能自动控制切断原来接通的一组电子开关，经过若干秒钟的延时，再接通另一组电子开关，使得接线盒的输出极性得到翻转。

5)同步信号源

此部分以载波形式通过光伏输电线传输，使组串中的每个接线盒能同步接收到翻转指令而同步动作，实现整个组串回路的正负极性翻转。

6)载波信号收发模块

在组串回路中，只有一个接线盒是具有极性翻转命令发送功能的，而在组串的电流输出回路上，不管电子开关是否关闭，总保持着高频载波信号的通路条件。此部分就是实现极性翻转指令的接收或发送功能，把信号传送给CPU进行下一步的动作处理。

7)极性翻转容错电路

此部分在信号源发送极性翻转指令后，万一出现个别接线盒信号接收不到而导致极性没能同步翻转时，接线盒内部的信号检测电路会把电压异常信号立刻传送到CPU， CPU经过判断后马上发出极性的翻转命令，使动作落后的接线盒跟上整体的翻转步调。

本实施例的消除PID衰变的智能接线盒包括接线盒壳体，接线盒壳体内部安装有中央处理器、光电采样模块、载波信号耦合元件、开关信号驱动电路、工作电源模块、载波信号收发模块、负极连接器、正极连接器、多个MOS型电子开关和旁路二极管等。 MOS管的源极、栅极均接至电子开关驱动电路，工作电源分别与信号放大与阈值比较电路、电子开关驱动电路连接，信号放大与阈值比较电路接电子开关驱动电路，信号放大与比较电路还与电流传感器连接，由上述元件组成的智能接线盒安装在太阳能组件板的后背，电池板的负极输出线与导电体之间，比常规接线盒增加了一套消除PID衰减的信号处理与电子开关切换系统，四个MOS型三极管组成正负两对开关交叉接在电池板正负输出端和接线盒的正负输出线之间，并根据CPU的控制信号来切换接线盒对外的电流输出极性。

所述的带消除PID衰变智能接线盒还包括有工作频率为86/75KHz的双频载波通信模块，频载波通信模块的信号线连接到安装在电源线上的载波耦合线圈，通过电池组串中相同接线盒所串联的电力回路及逆变器输入端中的电容耦合作用，给整个组串回路形成了一个对于高频交流信号畅通的数据通道。

电压采样电路并接在电池板引出的左右汇流带接点上，用于采样电池板上输出电压与线路电流的对应关系并输出到CPU中进行处理，并以此判断本接线盒的极性翻转是否与外线路的其它接线盒翻转同步，最后作出相应的调整或保持不变。

实施例2

本实施例提供一种消除PID衰变的智能接线盒的工作方法，包括如下步骤：

S1：载波信号耦合元件4接收线路上的翻转命令的载波信号，并将该载波信号通过所述载波信号收发模块7发送到中央处理器2中。

S2：光电采样模块3采集旁路二极管两端的电压值并将该电压值发送到中央处理器2中。

S3：中央处理器2接收所述载波信号和电压值，对所述载波信号和所述电压值进行分析，若所述载波信号为符合约定格式的信号则直接进入步骤S4，否则，判断所述电压值是否超过阈值，若所述电压值超过阈值则进入步骤S4，若所述电压值没有超过阈值，则维持当前状态。

S4：中央处理器2将翻转命令发送给开关信号驱动电路5，开关信号驱动电路5驱动第一组电子开关和第二组电子开关进行工作状态切换。若第一组电子开关为导通状态，第二组电子开关为切断状态，则自动控制切断第一组电子开关，若干秒延时后，自动控制导通第二组电子开关。

若第一组电子开关为切断状态，第二组电子开关为导通状态，则自动控制切断第二组电子开关，若干秒延时后，自动控制导通第一组电子开关。

本实用新型提出了一种以定时极性自动翻转功能来消除组件PID衰变过程的“消除PID衰变智能接线盒”的内部电路结构和工作方法。该接线盒内部是由单片机系统、电信号采集及处理单元、MOS型电子切换开关、驱动信号放大电路、同步信号源、载波发送与接收电路、工作电源等多个部分组成，并保留了常规接线盒的旁路二极管、铜导电体、正负输出导线、正负连接器和密封型接线盒外壳等部件。根据玻璃中的钠离子在正电场的作用下向硅片迁徙的过程最少需要数十到上百小时的特点，我们采用了以接线盒中智能控制电路和电子切换开关的程序化动作，让安装在光伏发电阵列上全部电池组件的电压输出极性进行同步有规律的定期翻转，使得玻璃中钠离子在向电池片迁移过程中还远没有到达电池片时就被随后的反向电场拉回原地，从而达到消除光伏电池组件上这种PID长期衰变效应，实现增加发电效率，延长光伏组件的有效服务寿命。本实用新型对解决以欧洲光伏电站标准的电池组件上的PID长期衰变效应提供一个经济可靠的运维方案，不仅可以对正运行的光伏电站进行安全改造，还能在以后的光伏电站的升级中提升自身的优势，也满足了NEC即将要推出的光伏电站安全规范要求，它通过接线盒中的智能控制电路和电子切换开关的程序化运作，使得安装在光伏发电阵列上的电池板的电流输出极性能有规律的定期翻转，从而消除以欧洲光伏电站电池组件上的PID即电势诱导衰减效应现象，以实现增加发电效率，延长组件寿命的目的，具有广阔的市场应用前景。

消除PID衰变智能接线盒具有统一的翻转信号收发系统，高频信号源以载波形式通过光伏输电线传输，使组串中的每个接线盒能同步接收到翻转命令而同步动作，实现整个组串回路及其在的每个组件的正负极翻转。

消除PID衰变智能接线盒内部还设计了翻转容错电路，万一有个别接线盒信号接收不到位而没能同步翻转时，内部的信号检测电路会把电压异常信号立刻传送到CPU， CPU经过判断后马上发出极性的翻转命令，使落后动作的接线盒跟上整体的翻转步调。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。