一種高效率的光伏組件功率優(yōu)化器及使用該優(yōu)化器的光伏陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高效率的光伏組件功率優(yōu)化器 及使用該優(yōu)化器的光伏陣列。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分是通過將光伏電池組件串聯(lián)/并聯(lián)組成光伏陣列，光伏陣列 輸出經(jīng)匯流箱、直流配電柜匯流到光伏并網(wǎng)逆變器的直流母線，逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流 經(jīng)變壓器輸出到電網(wǎng)。
[0003] 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大發(fā)電效率是由逆變器對整個(gè)光伏陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT (maximum power point tracking)控制來實(shí)現(xiàn)。光伏電池組件參數(shù)的離散性，光伏電 池板安裝角度的不一致性，陰影、遮擋、灰塵、溫度及老化等諸多因素都會導(dǎo)致光伏電池組 件輸出不匹配，限制了光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮最大發(fā)電效率。
[0004] 為了獲得最大的輸出功率，目前通常在集中式的逆變器中設(shè)置最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT控制，但逆變器多路輸入使用同一個(gè)MPPT，無法識別串、并聯(lián)支路中各光伏組件的差 異，更不可能對光伏組件之間的差異進(jìn)行平衡，出現(xiàn)串、并聯(lián)失配所致嚴(yán)重的功率損耗。
[0005] 另一種途徑是使用分布式光伏功率優(yōu)化控制系統(tǒng)。例如采用光伏功率優(yōu)化器直接 附加于每個(gè)光伏組件后，包括中央控制器、通信模塊、光伏組件，所述光伏組件采用多路串 聯(lián)、并聯(lián)，每個(gè)所述光伏組件與對應(yīng)功率優(yōu)化器相連，光伏組件輸出經(jīng)功率優(yōu)化器變換后再 串、并聯(lián)連接輸出。所述中央控制器連接所述通信模塊，與光伏功率優(yōu)化器通信，實(shí)現(xiàn)光伏 系統(tǒng)總體協(xié)調(diào)、分布式控制。其能夠最大限度提高系統(tǒng)的能源輸出，并且通過通信模塊能夠 同中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。直接針對單個(gè)組件做最大功率追蹤，使光伏組件輸出最大功 率，并將結(jié)果傳給中央控制器。中央控制器接收每個(gè)優(yōu)化器發(fā)出的光伏組件的工作參數(shù)，并 監(jiān)測到受遮蔽光伏組件的電壓、電流狀況，在運(yùn)算和綜合的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)功率最優(yōu)化的 策略，來協(xié)調(diào)各光伏組件的輸出電壓和電流，并使每串光伏組件的直流母線電壓相等。該控 制方法可以保證每個(gè)光伏模塊工作在最佳工作點(diǎn)，但是無法避免由于單個(gè)組件失效導(dǎo)致的 相應(yīng)組串無法工作的問題。
[0006] CN201420219519公開了一種帶有太陽能功率優(yōu)化器的光伏發(fā)電陣列，如圖1所 示，包括N個(gè)光伏電池組件，光伏電池組件串并聯(lián)構(gòu)成陣列，每個(gè)光伏電池組件的輸出端和 一個(gè)功率優(yōu)化器并聯(lián)，m個(gè)光伏電池組件所并聯(lián)的m個(gè)功率優(yōu)化器的正負(fù)端依序相連串接， 構(gòu)成一個(gè)光伏電池組件串。N/m個(gè)光伏電池組件串的串接的功率優(yōu)化器首尾端并聯(lián)相接組 成帶有太陽能功率優(yōu)化器的光伏發(fā)電陣列。其中功率優(yōu)化器由信號采集模塊、MPPT模塊、 驅(qū)動(dòng)電路模塊以及DC/DC電路模塊組成。本申請中每個(gè)光伏電池組件都接有一個(gè)功率優(yōu)化 器，獨(dú)立進(jìn)行最大功率追蹤，減少集中式MPPT太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中部分陰影遮擋造成的 功率損失，大幅提高光伏陣列發(fā)電效率，但是無法避免由于單個(gè)組件失效導(dǎo)致的相應(yīng)組串 無法工作的問題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 為了克服光伏組件輸出不匹配導(dǎo)致發(fā)電量降低以及單個(gè)組件失效導(dǎo)致相應(yīng)組串 無法工作的問題，本實(shí)用新型提供了一種保證每個(gè)光伏電池組件最大限度輸出功率，并且 能夠智能旁路故障組件的光伏組件功率優(yōu)化器。
[0008] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案：光伏組件功率優(yōu)化器在光伏系統(tǒng)的安裝位置如圖2所 示，優(yōu)化器的輸入為光伏組件的三個(gè)子串（也適用于其它數(shù)量子串的光伏組件），多個(gè)優(yōu)化 器輸出串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串，連接到匯流箱的輸入端，構(gòu)成光伏陣列。
[0009] 本實(shí)用新型的光伏組件功率優(yōu)化器，包括采樣單元、控制判斷單元、旁路光伏子串 單元、旁路光伏組件單元，其中：
[0010] 采樣單元，采樣光伏組件及優(yōu)化器中DC/DC變換器的輸出電流、電壓數(shù)據(jù)；
[0011] 控制判斷單元，根據(jù)采樣單元采樣的電壓和電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算光伏組件最大輸出 功率，最終發(fā)出PWM信號驅(qū)動(dòng)優(yōu)化器中的DC/DC變換器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，還根據(jù)采樣單元采樣 的電壓和電流數(shù)據(jù)判斷光伏子串、光伏組件是否發(fā)生故障；
[0012] 旁路光伏子串單元，光伏子串發(fā)生故障時(shí)旁路掉故障光伏子串；
[0013] 旁路光伏組件單元，光伏組件發(fā)生故障時(shí)旁路掉故障光伏組件。
[0014] 采樣單元包括電流傳感器01'1、(^2、電壓傳感器￥1'1、￥12、￥13、￥14;控制判斷單元 包括控制器；旁路光伏子串單元和旁路光伏組件單元包括多個(gè)半導(dǎo)體電子開關(guān)。
[0015]光伏組件包括三個(gè)光伏子串，各子串電壓分別為Us 1、Us2、Us3，三個(gè)子串分別對應(yīng) 子串短路的半導(dǎo)體電子開關(guān)1(1、1(2、1(3，半導(dǎo)體電子開關(guān)1(1、1(2、1(3與控制器輸入端相連，控 制器一輸出端與半導(dǎo)體電子開關(guān)K4相連，光伏組件與DC/DC變換器輸入端相連，半導(dǎo)體開 關(guān)K4與DC/DC變換器兩輸出端相連。
[0016] 圖3為光伏組件優(yōu)化器的原理框圖，主要部件包括控制器、DC/DC變換器，電流傳 感器CT1、CT2,電壓傳感器VT1、VT2、VT3、VT4,半導(dǎo)體電子開關(guān)Kl、K2、K3和K4,通訊接口 等。
[0017] 采樣單元采樣光伏組件輸出電壓Ui和電流Ii的數(shù)據(jù)，并采樣DC/DC變換器輸出 電壓Uo和電流1〇的數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算組件最大輸出功率，計(jì)算方法可 以是任意一種MPPT算法，最后控制器發(fā)出PWM信號驅(qū)動(dòng)DC/DC變換器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
[0018] 控制器根據(jù)采樣的組件子串電壓Usl、Us2、Us3和電流Ii的數(shù)據(jù)，判斷光伏組件的 子串是否存在異常，當(dāng)子串出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)子串短路開關(guān)（K1、K2、K3)閉合，故障子串被 芳路。
[0019] 控制器根據(jù)采樣的光伏組件子串電壓化1、化2、化3、電流11，0(：/1)(：變換器輸出電 壓Uo、輸出電流1〇等數(shù)據(jù)，判斷光伏組件是否存在異常，如果控制器確認(rèn)組件故障，K4閉 合，同時(shí)DC/DC變換器停止工作，故障光伏組件被旁路。
[0020] DC/DC變換器的電路拓?fù)淇梢允荓LC諧振變換器、BUCK變換器、BOOST變換器、 BUCK-BOOST變換器、反激變換器、正激變換器等各種高效率DC/DC變換器。
[0021] DC/DC變換器工作時(shí)，模擬光伏電池輸出特性，因此輸出為電流源模式。
[0022] 通訊接口為RS485、CAN、RS232、ZIGBEE或以太網(wǎng)等，通訊內(nèi)容包括光伏組件運(yùn)行 狀態(tài)、優(yōu)化器工作狀態(tài)，以及上位機(jī)對優(yōu)化器進(jìn)行調(diào)度和控制。
[0023] 本實(shí)用新型的光伏組件功率優(yōu)化器充分優(yōu)化每個(gè)光伏組件輸出