基于差分开关阵的光伏电池组件电压测量装置及电压测量方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种基于差分开关阵的光伏电池组件电压测量装置及电压测量方法。

背景技术

太阳能光伏能源产业作为未来能源的供应产业，在国家大力促进下，其发展具有重要的现实意义和战略意义。在太阳能光伏发电应用中，光伏电池组件是实现光电能量转换的关键器件，为了与逆变器匹配，光伏电池组件通常都需要进行串、并连接形成光伏电池堆后才能正常工作。然而，光伏电池组件由于自身状态及外界条件变化(光照强度、环境温度等)，其输出功率特性会发生变化，内部单元亦会发生故障，因此光伏电站在运行时需要及时检测实时运行参数。光伏电站实时运行参数检测主要难题是由于在光伏电站中，需要用到大量的光伏电池组件串联起来构成光伏电池堆，这样在检测光伏电池组件参数时，由于串联信号的叠加，会形成很大的共模信号。要能够正确的进行光伏电池组件运行参数的采集，就必须解决如何消除共模信号的问题。

专利“光伏电池组串运行参数的检测方法及相关装置，cn105743439a”给出了一种光伏电池组件运行参数检测装置及检测方法，该方法，通过向运行的逆变器发送同步指令获取实时运行参数。这种方法虽然能够获取到光伏电站实时运行数据，但这些数据只能从逆变器中得到，并不是光伏电池组件实际的实时数据，因此该方法并没有给出如何消除共模信号的解决方案。专利“在线检测太阳能光伏电池组件参数的系统及检测方法，cn103245902b”给出了一种光伏电池组件参数检测方法，通过多个太阳能光伏电池组件参数检测单元，可进行实时检测，但这种方法需要有自可变负载、隔离驱动、无线收发单元等多种部件，整体设备复杂，并不适用于光伏发电站的实际环境，同样，该方法亦没有给出如何消除共模信号的解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前光伏发电站光伏电池组件在检测中，由于光伏电池组件需要以串联的形式组成电池堆，造成共模信号大、光伏电池组件实时运行参数检测困难的问题，提供一种能够实现光伏发电站光伏电池组件运行参数测量的装置和测量方法，该装置结构简单、可靠，解决光伏发电厂运行维护中基础数据获取的问题。

基于差分开关阵的光伏电池组件电压测量装置，包括光伏电池组件堆、差分开关阵串行位移寄存器、绝对值电路、汇流线1以及汇流线2构成；所述光伏电池组件堆由m个光伏电池组件构成；所述差分开关阵由m+1个开关q构成；所述开关q为四端器件，分别是两个通断触点端与两个控制端，两个控制端与两个通断触点之间为物理隔离，控制端通过光耦合控制通断触点的导通和关断；所述串行移位寄存器有m+1个控制输出端，分别对应控制q1～qm+1开关；所述绝对值电路有两个输入端，uin+为正信号输入端、uin-为负信号输入端，一个信号输出端uo；

所述光伏电池组件e1～em首尾相连构成串联连接结构，光伏电池组件e1的正极作为光伏电池堆正极，光伏电池组件em的负极作为光伏电池堆负极；开关q1的一个通断端与光伏电池组件e1正极相连，另一个通断端与汇流线1相连，开关q2的一个通断端与光伏电池组件e2正极相连，另一个通断端与汇流线2相连，其他开关的连接以此类推，连接规律为：序号为奇数的开关与汇流线1相连，序号为偶数的开关与汇流线2相连，构成差分结构；开关q1的控制端d1与串行移位寄存器控制输出端k1相连、控制端n1接地，开关q2的控制端d2与串行移位寄存器控制输出端k2相连、控制端n2接地，其它开关的连接以此类推；汇流线1与绝对值电路的正信号输入端uin+相连，汇流线2与绝对值电路的负信号输入端uin-相连；绝对值电路的输出端为检测结果输出端。

所述串行移位寄存器，其控制输出端k1～km+1可各自输出高电平和低电平两种状态，工作时串行移位寄存器控制端的输出状态可用输出控制向量[k1，k2，k3，k4，…，km-1，km，km+1]描述，输出控制向量按照：

[1，1，0，0，…，0，0，0]

[0，1，1，0，…，0，0，0]

[0，0，1，1，…，0，0，0]

…

[0，0，0，0，…，1，1，0]

[0，0，0，0，…，0，1，1]

[0，0，0，0，…，0，0，0]

变化规律循环进行，其中1表示输出高电平、0表示输出低电平。

所述绝对值电路，其输出信号与输入信号之间的关系满足：

uo＝h×|(uin+)-(uin-)|＝h×|δu|(公式1)

其中，h为比例系数，当h＝1时，该电路就是对δu取绝对值运算。

本发明基于差分开关阵的光伏电池组件电压测量装置的光伏电池组件电压测量方法在于构建了一个差分开关阵，结合汇流线1、汇流线2以及绝对值电路，组成一个测量电压的差分结构，该差分结构在测量光伏电池组件电压时可消除共模信号，解决了串联光伏电池组件电压测量困难的问题。

实际使用时，采用分时测量策略，在一个测量周期中，将测量周期分为m+1个测量时间段(m为光伏电池堆中光伏电池组件个数)，每一个光伏电池组件对应一个测量时间段，余下一个时间段作为数据处理时间段；具体控制方法是：串行移位寄存器控制端按一定输出状态(输出控制向量)组合组成循环工作模态，工作时在输出端循环输出不同的输出控制向量控制差分开关阵中开关(q1～qm)的导通状态，在某一个测量时间段中只有一个光伏电池组件接到汇流线上，汇流线1和汇流线2之间的电压就是这个光伏电池组件的电压信号，该信号作为测量信号经绝对值电路输入端(uin+、uin-)，形成差分输入，除掉了共模信号后，根据上文所述公式(1)，可在绝对值电路输出端得到该光伏电池组件检测结果uo；以这个方法按一定规律对串联结构光伏电池堆中的每一个光伏电池组件进行测量，经过一个测量周期后，就可完成对该电池堆的电压参数检测。

本发明技术方案的特点和有益效果是：

本发明的关键技术在于构建了一个差分开关阵，结合汇流线1、汇流线2以及绝对值电路，组成一个测量电压的差分结构，该差分结构在测量光伏电池组件电压时可消除共模信号，解决了串联光伏电池组件电压测量困难的问题。因此，本发明具有结构简单、安装方便的优点，特别适用于串联光伏电池多的大功率光伏发电站中。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑示意图。

图2为本发明工作原理说明示意图，图中表明第i个光伏电池组件工作情况，有参与工作的元件与电路呈现实线，没参与工作的元件与电路呈现虚线。

图3为具体实施例中，一种输出控制向量循环工作模态组合的转换关系示意图，实施例中光伏电池堆由5个光伏电池串联组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，本发明装置包括：光伏电池组件堆(1)、差分开关阵(2)、串行位移寄存器(3)、绝对值电路(4)、汇流线1以及汇流线2构成。光伏电池组件堆(1)由m个光伏电池组件(标示为e1～em，m≥1)构成。差分开关阵(2)由m+1个开关q(标示为q1～qm+1)构成。所述开关q(标示为q1～qm+1)为四端器件，分别是两个通断触点端与两个控制端，两个控制端与两个通断触点之间为物理隔离，控制端通过光耦合控制通断触点的导通和关断。串行移位寄存器(3)有m+1个控制输出端(标示为k1～km+1)，分别对应控制q1～qm+1开关。绝对值电路(4)有两个输入端，uin+为正信号输入端、uin-为负信号输入端，一个信号输出端uo。

所述光伏电池组件e1～em首尾相连构成串联连接结构，光伏电池组件e1的正极作为光伏电池堆正极，光伏电池组件em的负极作为光伏电池堆负极。开关q1的一个通断端与光伏电池组件e1正极相连，另一个通断端与汇流线1相连，开关q2的一个通断端与光伏电池组件e2正极相连，另一个通断端与汇流线2相连，其他开关的连接方法以此类推，连接规律为：序号为奇数的开关与汇流线1相连，序号为偶数的开关与汇流线2相连，构成差分结构。开关q1的控制端d1与串行移位寄存器(3)控制输出端k1相连、控制端n1接地，开关q2的控制端d2与串行移位寄存器控制输出端k2相连、控制端n2接地，其它开关的连接方法以此类推；汇流线1与绝对值电路(4)的正信号输入端uin+相连，汇流线2与绝对值电路(4)的负信号输入端uin-相连；绝对值电路(4)的输出端为检测结果输出端。

所述串行移位寄存器(3)其控制输出端k1～km+1可各自输出高电平和低电平两种状态，工作时串行移位寄存器(3)控制端的输出状态可用输出控制向量[k1，k2，k3，k4，…，km-1，km，km+1]描述，输出控制向量按照：

[1，1，0，0，…，0，0，0]

[0，1，1，0，…，0，0，0]

[0，0，1，1，…，0，0，0]

…

[0，0，0，0，…，1，1，0]

[0，0，0，0，…，0，1，1]

[0，0，0，0，…，0，0，0]

变化规律循环进行，其中1表示输出高电平、0表示输出低电平。

所述绝对值电路(4)其输出信号与输入信号之间的关系满足：

uo＝h×|(uin+)-(uin-)|＝h×|δu|(公式1)

其中，h为比例系数，当h＝1时，该电路就是对δu取绝对值运算。

本发明基于差分开关阵的光伏电池组件电压测量装置的光伏电池组件电压测量方法在于：构建了一个差分开关阵(2)，结合汇流线1、汇流线2以及绝对值电路(4)，组成一个测量电压的差分结构，该差分结构在测量光伏电池组件电压时可消除共模信号，解决了串联光伏电池组件电压测量困难的问题。

实际使用时，采用分时测量策略，在一个测量周期中，将测量周期分为m+1个测量时间段(m为光伏电池堆中光伏电池组件个数)，每一个光伏电池组件对应一个测量时间段，余下一个时间段作为数据处理时间段；具体控制方法是：串行移位寄存器控制端按一定输出状态(输出控制向量)组合组成循环工作模态，工作时在输出端循环输出不同的输出控制向量控制差分开关阵(2)中开关(q1～qm)的导通状态，在某一个测量时间段中只有一个光伏电池组件接到汇流线上，汇流线1和汇流线2之间的电压就是这个光伏电池组件的电压信号，该信号作为测量信号经绝对值电路(4)输入端(uin+、uin-)，形成差分输入，除掉了共模信号后，根据上文所述公式(1)，可在绝对值电路输出端得到该光伏电池组件检测结果uo；以这个方法按一定规律对串联结构光伏电池堆中的每一个光伏电池组件进行测量，经过一个测量周期后，就可完成对该电池堆的电压参数检测。

参见图1，汇流线1和汇流线2为本发明的关键。当q1、q2被选中导通时，e1的正极被接到汇流线1、负极被接到汇流线2，形成差分电压δu＝(uin+)-(uin-)＝e1，也就是说光伏电池组件e1被从串联电池堆中被单独选出来进行测量。以此类推，通过控制差分开关阵中的开关(q1～qm)就可分时依次对各个光伏电池组件(e1～em)进行测量。

参见图1，串行移位寄存器(3)的输出控制向量[k1，k2，k3，k4，…，km-1，km，km+1]很重要，它分别对应控制差分开关阵中的开关q1～qm+1，通过控制输出控制向量，可决定选择哪一个光伏电池组件进行检测。

本发明装置在工作时是按一定规律分时测量光伏电池堆中光伏电池组件的工作参数，每一个测量时段测量一个光伏电池组件，具体实施中，本发明首选按照次序先后测量光伏电池堆中的每一个光伏电池组件，即通过选通将e1到em依次连接到汇流线1和汇流线2上。

图2为当本发明装置在进行第i个光伏电池组件参数测量时的情况，此时，开关qi、qi+1被选通，第i个光伏电池组件ei的正极通过qi与汇流线2相连，进而与绝对值电路(4)的uin-相连；负极通过qi+1与汇流线1相连，进而与绝对值电路(4)的uin+相连。图中，参与测量工作的电路与器件以加粗实现标示，没有参与测量工作的电路以细虚线标示。显然此时有δu＝(uin+)-(uin-)＝-ei，根据关系式(1)，设h＝1，则有uo＝ei，即可检测出第i个光伏电池组件的电压。

参考图3，图3为一个具体实施例串行移位寄存器(3)输出控制端输出控制向量的转换关系，假设具体实施例中光伏电池堆由5个光伏电池组件串联组成。串行移位寄存器(3)的控制向量分别为：

检测e1[1、1、0、0、0、0]

检测e2[0、1、1、0、0、0]

检测e3[0、0、1、1、0、0]

检测e4[0、0、0、1、1、0]

检测e5[0、0、0、0、1、1]

复位[0、0、0、0、0、0]

随着串行移位寄存器器工作，输出由检测e1到检测e5依次进行，周而复始，在绝对值电路(4)的输出端就能相应输出e1～e5的电压数值。

本发明的关键技术在于构建了一个差分开关阵(2)，结合汇流线1、汇流线2以及绝对值电路(4)，组成一个测量电压的差分结构，该差分结构在测量光伏电池组件电压时可消除共模信号，解决了串联光伏电池组件电压测量困难的问题。因此，本发明具有结构简单、安装方便的优点，特别适用于串联光伏电池多的大功率光伏发电站中。