一种优化器、光伏发电系统及光伏发电控制方法与流程

本发明涉及光伏发电领域，具体涉及一种优化器、光伏发电系统及光伏发电控制方法。

背景技术：

分布式光伏发电系统对直流侧的安全管理具有较高要求，通常，优化器可以带有buck/boost/buck-boost的dc-dc功率变换电路，逆变器可以由升压dc-dc和逆变dc-ac两级功率变换构成；系统中，优化器与逆变器之间可以增加电力载波(plc)或无线(wireless)通信模块进行通信，即采用弱信号的通信模式，传输距离比较短，通信鲁棒性也容易受到系统中功率变换噪声和周边环境噪声的干扰，而且采用专门的通信模块也使得系统具有较高的通信成本。或者，优化器带有buck-boost的dc-dc功率变换电路，逆变器只采用了dc-ac单级功率变换；由于mppt与配置dc-ac输入电压功能由优化器实现，优化器和逆变器之间必须拥有能实时传输采样数据和状态信息的通信功能模块，因此必须在优化器与逆变器之间采用电力载波(plc)或无线(wireless)方式的弱信号通信模式进行通信，也存在传输距离短、通信鲁棒性容易受到系统中功率变换噪声和周边环境噪声干扰、通信成本高的缺陷。

技术实现要素：

根据本申请的第一方面，提供一种优化器，其包括正极支路、负极支路、第一电压传感器、第一电容、第二电压传感器、第二电容、优化器开关、优化器控制器以及电流传感器模块；所述优化器控制器与所述优化器开关通信连接；所述电流传感器模块为第三电流传感器，所述正极支路与所述负极支路之间依次并联第一电压传感器、第一电容、第二电压传感器和第二电容；所述优化器开关设置于所述第一电容与所述第二电压传感器之间的正极支路上；所述第三电流传感器设置于所述第一电压传感器或所述第一电容与所述第二电压传感器或所述第二电容之间的负极支路上。

或者，所述电流传感器模块为第一电流传感器和第二电流传感器，所述正极支路与所述负极支路之间依次并联第一电压传感器、第一电容、第二电容和第二电压传感器；所述第一电流传感器设置于所述优化器正极输入端与所述优化器开关之间的正极支路上。

所述优化器开关设置于所述第一电容与所述第二电容之间的正极支路上；所述第二电流传感器设置于所述优化器开关与所述优化器输出端之间的正极支路上。

根据第二方面，提供一种光伏发电系统，其包括光伏串单元、逆变器、唤醒电源和唤醒开关；所述光伏串单元引出正极传输线路和负极传输线路，所述正极传输线路和所述负极传输线路由所述逆变器的输入端引入并从所述逆变器的输出端引出；所述唤醒电源与所述逆变器并联；所述唤醒开关设置于所述唤醒电源与所述逆变器的并联支路上。

根据第三方面，提供一种光伏发电控制方法，其应用于上述的光伏发电系统，其包括如下过程：

控制所述优化器的优化器开关起机置于断开状态；

控制所述逆变器并网准备就绪，闭合所述唤醒开关，使得所述唤醒开关为所述优化器提供初始起动识别电压；

检测所述初始起动识别电压，判断所述初始起动识别电压是否符合预定条件；

在判断所述初始起动识别电压符合预定条件的情况下，控制所述优化器的优化器开关置于导通状态。

采用本发明的技术方案，在光伏发电系统中，采用强信号在逆变器与优化器之间实现状态识别通信，克服了现有技术中弱电信号通信传输距离短、通信鲁棒性容易受到系统中功率变换噪声和周边环境噪声干扰以及通信成本高的缺点，可以省去优化器与优化器之间以及优化器与逆变器之间的专用弱电信号通信模块，能够显著降低分布式光伏发电系统的通信成本。

附图说明

图1为实施例一的优化器结构示意图；

图2为实施例二的优化器结构示意图；

图3为实施例三的光伏发电系统结构示意图；

图4为实施例三的光伏发电控制方法流程图；

图5为实施例三的光伏发电控制方法流程图；

图6为实施例三的光伏发电控制方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例一：

如图1所示为本实施例的优化器10，其包括正极支路101、负极支路102、第一电压传感器131、第一电容151、第二电压传感器132、第二电容152、旁路二极管16、优化器开关12(sw_optimizer)、优化器控制器11以及第三电流传感器143。

优化器控制器11与优化器开关12通信连接，可以采用导线或无线等通信方式，优化器开关12的运行状态由优化器控制器11发出控制指令来控制。

正极支路101与负极支路101之间依次并联第一电压传感器131、第一电容151、第二电压传感器132、第二电容152、旁路二极管16；优化器开关12设置于第一电容151与第二电压传感器132之间的正极支路101上。

第三电流传感器143设置于第一电容151与第二电压传感器132之间的负极支路102上。在本发明其它的实施方式中，本领域技术人员根据实际设计需要，第三电流传感器还可以设置于第一电容与第二电容之间的负极支路上；或者，设置于第一电压传感器与第二电压传感器之间的负极支路上；或者，设置于第一电压传感器与第二电容之间的负极支路上。

优化器开关12可以由至少一个机械开关或电子开关(如三极管、场效应管、可控硅晶闸管、继电器等)构成，也可以由直流-直流功率变换器(如buck、boost、buck-boost等)构成。

电压传感器可以采用电阻分压方式实现，也可以采用电压感应芯片；电流传感器可以采用电阻与运算放大器搭配设计的方案实现，或采用专用的电流检测芯片，或采用霍尔传感器、电流检测变压器等。

由于光伏发电系统中，光伏面板的电压随着电流的变化而变动，当优化器开关处于开/关状态时，若优化器中未设置第一电容，则光伏面板的电压会出现不停地跳变，加入第一电容的作用是对光伏面板的电压进行平滑滤波。同理，第二电容也是对优化器开关输出的脉动电压进行平滑滤波。

实施例二：

如图2所示为本实施例的优化器100，其包括正极支路101、负极支路102、第一电压传感器131、第一电容151、第二电容152、第二电压传感器132、旁路二极管16、优化器开关12、优化器控制器11以及第一电流传感器141、第二电流传感器142。

优化器控制器11与优化器开关12通信连接；正极支路101与负极支路102之间依次并联第一电压传感器131、第一电容151、第二电容152、第二电压传感器132、旁路二极管16；第一电流传感器141设置于优化器正极输入端与优化器开关12的正极支路101上(具体例如可以是优化器正极输入端与第一电压传感器131之间，或者第一电压传感器131与第一电容151之间，或者第一电容151与优化器开关12之间的正极支路101上)；优化器开关12设置于第一电容151与第二电容152之间的正极支路101上；第二电流传感器142设置于优化器开关12与优化器正极输出端之间的正极支路101上(具体例如可以是优化器开关12与第二电容152之间，或者第二电容152与第二电压传感器132之间，或者第二电压传感器132与旁路二极管16之间，或者旁路二极管16与优化器正极输出端之间的正极支路101上)。

本实施例优化器的其他技术特征与实施例一相同，故不再赘述。

实施例三：

如图3所示为本实施例的分布式光伏发电系统，其包括光伏串单元01、光伏逆变器02(solar/pvinverter)、唤醒电源03(start-upsource)和唤醒开关04(sw_start)。

光伏串单元01引出正极传输线路011和负极传输线路012，正极传输线路011和负极传输线路012由逆变器02的输入端引入并从逆变器02的输出端引出，进而连接至电网。

唤醒电源03与逆变器02并联；唤醒开关04设置于唤醒电源03与逆变器02的并联支路上。

具体地，唤醒电源03从其输入端引出的电源正极线路031连接至逆变器02输入端一侧的正极传输线路011，唤醒电源03从其输出端引出的电源正极线路033连接至逆变器02输出端一侧的正极传输线路011；唤醒电源03从其输入端引出的电源负极线路032连接至逆变器02输入端一侧的负极传输线路012，唤醒电源03从其输出端引出的电源负极线路034连接至逆变器02输出端一侧的负极传输线路012。

唤醒电源03可以是单独配置的电源，如适配器、电源模块等，也可以是逆变器辅助电源的一部分(辅助电源多路输出中的一路电压输出)，本领域技术人员还可以根据实际设计情况采用其他的电源方案。

唤醒开关04设置于唤醒电源03从其输入端引出的电源正极线路031上，其可以为至少一个机械开关或电子开关(如三极管、场效应管、可控硅晶闸管、继电器等)构成。

光伏串单元01由多组光伏面板(pvpanel)与优化器(optimizer)串接组成；各组光伏面板与优化器为串联关系，优化器采用如实施例一或实施例二所保护的优化器。各优化器的正极输入端一侧的正极支路连接至对应光伏面板的正极输出端；各优化器负极输入端一侧的负极支路连接至对应光伏面板的负极输出端。本领域技术人员应当理解，光伏面板可以用光伏矩阵(solararray)、光伏串(pvstring)或光伏电池(vbattery)、光伏电池面板作为替换。

光伏串单元01中，由正极支路作为正极传输线路引出，由负极支路作为负极传输线路引出。

具体地，光伏单元01中多组光伏面板与优化器包括第一光伏面板20、第一优化器10、第二光伏面板、第二优化器…第n光伏面板020、第n优化器010。

第一优化器10正极输出端一侧的正极支路101作为正极传输线路011引出，其正极输入端一侧的正极支路101连接至第一光伏面板20的正极输出端，其负极输入端一侧的负极支路102连接至第一光伏面板的负极输出端，其负极输出端一侧的负极支路102连接至第二优化器的正极输出端；第二优化器正极输入端一侧的正极支路连接至第二光伏面板的正极输出端，其负极输入端一侧的负极支路连接至第二光伏面板的负极输出端，其负极输出端一侧的负极支路连接至第三优化器的正极输出端……第n优化器010正极输入端一侧的正极支路连接至第n光伏面板020的正极输出端，其负极输入端一侧的负极支路连接至第n光伏面板020的负极输出端，其负极输出端一侧的负极支路作为负极传输线路012引出；其中，n大于或等于1。

如图4所示，采用本实施例的光伏发电系统进行光伏发电控制的方法即原理如下：

st1、优化器上电起动后，通过优化器控制器将优化器开关置于断开状态，从而实现开机安全模式功能；

st2、逆变器并网准备就绪前，逆变器的控制模块控制唤醒开关置于断开状态；逆变器并网准备就绪后，闭合唤醒开关，使得唤醒电源为优化器的第二电容提供初始起动识别电压；

st3、第二电压传感器检测初始起动识别电压；

关于初始起动识别电压的值，以不超过逆变器工作允许的最高输入电压为选择依据，通常，为了使设计简单化，将其选为低于逆变器工作电压下限的某一个电压值；

st4、优化器控制器判断初始起动识别电压是否保持了预设时间(例如不长于2小时的时间)；

在优化器控制器判断初始起动识别电压保持了预设时间的情况下，进入st5；

在判断初始起动识别电压未能保持预设时间的情况下，继续st3步骤；在其他的实施方式中，也可以在判断初始起动识别电压未能保持预设时间的情况下，则停止发电过程；

st5、优化器控制器控制优化器开关置于闭合导通状态，从而实现光伏发电系统的安全唤醒；

st6、进行光伏发电。

通过上述过程可见，光伏发电系统的主功率能量流向为：光伏面板→优化器→逆变器→电网,光伏串单元的最大功率跟踪(maximumpowertracking)由逆变器执行。光伏面板的作用为将太阳日照的光能转换成直流电能；逆变器的作用为跟踪并最大化光伏串单元的直流功率输出以及将直流电能逆变成交流电能从而并入到电网中；优化器的作用为根据需要开通或切断光伏串单元与逆变器之间的能量通道，以及将光伏串单元输出的直流电气参数(如电压、电流值)转换到逆变器能够接收的有效范围内。

st1步骤的设计目的主要是考虑到安装操作时安装人员的安全，如果优化器上电起动后优化器开关不是全开状态，而光伏电池面板内没有开关，则安装人员存在被电击的危险，因此要求在完成光伏电池面板和逆变器安装并且两者连通成功后才输出光伏电池面板的功率。

如图5所示，在本发明其他的实施方式中，还可以增加如下过程：

st7、在采用实施例一的优化器时，利用第三电流传感器检测优化器的功率传输通道的电流(在采用实施例二的优化器时，利用第一电流传感器和第二电流传感器分别检测支路电流，优化器控制器根据两电流传感器的检测结果计算得出优化器功率传输通道的电流)；

优化器控制器判断该电流是否符合预定条件；具体地，优化器控制器判断该电流是否降低至预设电流值之下；

在判断该电流低于预设电流值的情况下，进入st8；

在判断该电流不低于预设值的情况下，则继续st6；

st8、优化器控制器控制优化器开关置于断开状态。

优化器功率传输通道的电流低于预设电流值，该情况表示光伏串发电功率低于预设功率值或出现非正常工作状态，需要逆变器停止并网发电，从而实现极低功率状态、逆变器异常以及电网异常等状态下的快速关断功能。

在早晚光线比较弱等情况下可能会出现极低功率状态，逆变器异常的情况包括逆变器损坏、逆变器过温保护、逆变器短路过压保护、逆变器输入过电压等，电网异常状态包括电网断电、电网电压过高、电网电压过低等。

如图6所示，在本发明其他的实施方式中，还可以增加如下过程：

st9、通过第一电压传感器检测优化器输入端母线的第一电压(光伏电池面板的电压，即优化器的输入电压)，通过第二电压传感器检测优化器输出端母线的第二电压(优化器的输出电压)，通过第三电流传感器检测优化器功率传输通道的电流(在采用实施例二的优化器时，利用第一电流传感器和第二电流传感器分别检测支路电流，优化器控制器根据两电流传感器的检测结果计算得出优化器功率传输通道的电流)；

将第一电压、第二电压和优化器功率传输通道的电流与预设的拉弧状态电性特征(电压/电流特征)做对比；

若第一电压、第二电压优化器功率传输通道的电流与预设的拉弧状态电性特征相符合，则进入st10；

若第一电压、第二电压和优化器功率传输通道的电流与预设的拉弧状态电性特征不相符合，则继续st6；

st10、控制优化器的优化器开关置于断开状态，从而实现拉弧关断功能。

拉弧状态下优化器的输出电流会呈现脉动形式的波形，优化器的电压也会出现较大的纹波，因此本实施例通过监测电压/电流特征判断系统是否出现拉弧，并在判断拉弧出现的情况下关断优化器的功率输出。

在本发明其他的实施方式中，还可以将上述过程设计成一个完整的流程，详细步骤见上述描述，故不再赘述。

在进一步优化的实施方式中，在优化器的正负输出母线之间接入至少一个旁路(bypass)二极管，当对应的光伏电池板或优化器内部出现故障，或者光伏电池板被遮阴而无法输出功率时，旁路二极管起到续流作用，从而实现旁路功能及功率优化功能。

在本实施例光伏发电系统的电路中，优化器的输出与旁路二极管是并联连接的，当优化器工作在正常有功率输出的条件下，输出电压大于旁路二极管正向导通电压，旁路二极管处于截止状态。在分布式使用场景中，多个光伏面板串成串(每个面板配置各自的优化器)输出给逆变器供电，当优化器无功率输出时，即优化器的输出电压为0，由于此优化器输出与其他面板优化器输出相串联，而其他优化器的输出电压会为此无电压输出的优化器的旁路二极管提供正向偏置电压使其导通，从而实现旁路续流作用。

本发明的光伏发电系统及光伏发电控制方法，采用强信号在逆变器与优化器之间实现状态识别通信，克服了现有技术中弱电信号通信传输距离短、通信鲁棒性容易受到系统中功率变换噪声和周边环境噪声干扰以及通信成本高的缺点，可以省去优化器与优化器之间以及优化器与逆变器之间的专用弱电信号通信模块，能够显著降低分布式光伏发电系统的通信成本。

唤醒电源和唤醒开关的设计，以及对初始起动识别电压的检测方案，在逆变器与优化器之间实现了低成本、长距离、稳定可靠的通信，并能很好地执行系统的唤醒(wakeup、startup)功能。

通过对优化器中电流/电压大小及动态变化特征的监测，能够识别逆变器的异常状态和系统出现的拉弧状态，并执行安全关断(shutdown、shut-off)功能；在优化器输出母线间增加旁路二极管，进一步实现了光伏串的输出功率优化功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。