光伏系统的防PID装置及光伏系统的制作方法

本实用新型涉及光伏发电技术领域，尤其涉及光伏系统的防pid装置及光伏系统。

背景技术：

光伏发电系统为包含光伏组件、逆变器、线缆和变压器等设备的发电系统，其可以在高压状态下实现太阳能到可利用电能的转换。

光伏组件若长期工作在潮湿而高温的环境中且处于高电压状态，电池片表面会聚集大量电荷，在光伏组件的玻璃衬底与封装材料之间产生漏电流，光伏组件表面会出现极化现象，导致光伏组件的填充因子减少、短路电流密度和开路电压降低，使其性能低于设计标准，即出现电势诱导衰减((potentialinduceddegradation，pid)效应。

光伏组件的pid效应导致光伏组件功率衰减已经成为光伏领域不可忽视的问题。根据掺杂的元素不同，光伏组件又分为p型光伏组件和n型光伏组件。由于p型光伏组件和n型光伏组件的极性不同，所以防pid装置无法通用。

目前，光伏系统的防pid方案大多都是针对p型光伏组件，针对n型光伏组件的防pid方案很少。随着n型光伏组件的技术发展，n型光伏组件的应用将会越来越多，n型光伏组件的pid效应也将更加明显。随着n型光伏组件的应用越来越多，可能会出现同一光伏电站同时使用了p型和n型光伏组件，此种应用场景下如果为每种类型的组件分别配置一种防pid装置，必然会增加系统成本，以及增加后期的维护成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了光伏系统的防pid装置及光伏系统，以解决p型光伏组件与n型光伏组件的防pid装置无法通用的技术问题。其具体的技术方案如下：

第一方面，本实用新型提供了一种光伏系统的防pid装置，所述光伏系统包括n个交流侧并联的逆变器，每个所述逆变器的直流侧均连接一个光伏阵列，且每个所述逆变器的正极和负极均不接地，所述防pid装置包括：可调电压源、等效中性点电路、开关阵列和控制器，其中，所述开关阵列包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述可调电压源的正极与负极之间并联第一开关支路，其中，所述第一开关支路由所述第二开关和所述第三开关串联得到，且所述第二开关和所述第三开关的公共连接点连接接地端；

所述可调电压源的正极还通过所述第一开关连接所述等效中性点电路，所述可调电压源的负极还通过所述第四开关连接所述等效中性点电路；

所述等效中性点电路的另一端与逆变器的交流侧连接，所述等效中性点电路用于构造交流侧等效中性点；

所述控制器用于控制所述开关阵列中不同开关组合导通或关断，以及控制所述可调电压源的输出电压，以使所述交流侧等效中性点对地电压抬升或降低。

可选地，所述光伏组件类型包括p型和n型；

与p型光伏组件相匹配的开关为所述第一开关和所述第三开关；

与n型光伏组件相匹配的开关为所述第二开关和所述第四开关。

可选地，所述等效中性点电路包括三相变压器和三相二极管整流电路；

所述三相变压器的原边绕组连接所述逆变器的交流侧，所述三相变压器的副边绕组连接所述三相二极管整流电路的交流端；

所述三相二极管整流电路的正极连接所述第四开关，所述三相二极管整流电路的负极连接所述第一开关。

可选地，所述装置还包括：第一采样电阻；

所述第一采样电阻串联于所述可调电压源的正极与所述第一开关之间；

所述控制器依据获得的三相电网对地电压第一直流分量、所述第一采样电阻两端的电压及所述第一采样电阻的阻值，计算得到所述光伏系统的对地绝缘阻抗。

可选地，所述装置还包括：第二采样电阻和第五开关；

所述第二采样电阻与所述第五开关串联后并联于所述第一采样电阻两端；

所述控制器依据获得的三相电网对地电压的第一直流分量、第二直流分量、所述第一采样电阻的阻值及所述第二采样电阻的阻值，计算得到所述光伏系统的对地绝缘阻抗；

其中，所述第一直流分量是所述第五开关断开时获得的三相电网对地电压的直流分量，所述第二直流分量在所述第五开关闭合时获得的三相电网对地电压的直流分量。

可选地，所述等效中性点电路为连接成星形结构的三个阻值相等的阻抗，三个阻抗的公共连接点为所述等效中性点，所述等效中性点分别连接所述第一开关和所述第四开关，所述三个阻抗的另一端分别连接逆变器交流侧互不相同的一相。

可选地，所述三个阻抗为电阻、电感、电容和二极管中的任意组合。

第二方面，本实用新型还提供了一种光伏系统的防pid装置，所述光伏系统包括n个逆变器，n个逆变器的交流侧并联后连接三相变压器的原边绕组，所述三相变压器的副边绕组连接三相电网，每个逆变器的直流侧均连接一个光伏阵列，且每个逆变器的正极和负极均不接地，所述三相变压器的三个原边绕组为星型连接且三个原边绕组的公共连接点为交流侧等效中性点，所述防pid装置包括：可调电压源、开关阵列和控制器，其中，所述开关阵列包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；

所述可调电压源的正极与负极之间并联第一开关支路，其中，该第一开关支路由所述第二开关和所述第三开关串联得到，且所述第二开关和所述第三开关的公共连接点连接接地端；

所述可调电压源的正极还通过所述第一开关连接所述交流侧等效中性点，所述可调电压源的负极还通过所述第四开关连接所述交流侧等效中性点。

第三方面，本实用新型还提供了一种光伏系统，包括：n个光伏阵列、n个逆变器、变压器和第一方面任一种实现方式所述的防pid装置；

所述n个逆变器的交流侧并联连接所述变压器的原边绕组，所述变压器的副边绕组连接三相电网；

所述控制器依据所述n个逆变器的正极对地电压或负极对地电压得到所述目标电压值。

第四方面，本实用新型还提供了一种光伏系统，包括：n个光伏阵列、n个逆变器、三相变压器、以及第二方面所述的防pid装置，其中，所述三相变压器的三个原边绕组为星型连接且三个原边绕组的公共连接点为交流侧等效中性点；

每个逆变器的直流侧连接一个光伏阵列，n个逆变器的交流侧并联后连接所述三相变压器的原边绕组，所述三相变压器的副边绕组连接三相电网；

所述控制器依据所述n个逆变器的正极对地电压或负极对地电压得到所述目标电压值。

本实用新型提供的光伏系统的防pid装置，包括可调电压源、等效中性点电路、开关阵列和控制器；其中，可调电压源通过开关阵列与等效中性点电路连接，其中，等效中性点电路用于构造光伏系统中与直流侧中性点等效的交流侧等效中性点。该防pid装置通过控制开关阵列中的开关状态及可调电压源的输出电压，来调节交流侧等效中性点对地电压，进而实现调节逆变器的正极或负极对地电压，从而抑制光伏组件的pid效应。即利用该防pid装置既能够调节逆变器的正极对地电压，也能够调节逆变器的负极对地电压，因此，该防pid装置既适用于p型光伏组件，同时适用于n型光伏组件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种光伏系统的防pid装置的结构示意图；

图2为本申请公开的一种使用p型光伏组件的光伏系统的等效电路图；

图3为本申请公开的一种使用n型光伏组件的光伏系统的等效电路图；

图4为本申请公开的另一种光伏系统的防pid装置的结构示意图；

图5为本申请公开的又一种光伏系统防pid装置的结构示意图；

图6为本申请公开的再一种光伏系统防pid装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，为本申请实施例提供的一种光伏系统的防pid装置的结构示意图，该光伏系统的正极和负极均不接地，即逆变器的正极和负极均不接地。

如图1所示，该防pid装置包括：可调电压源101、等效中性点电路102、开关阵列103和控制器104，其中，开关阵列103包括第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3和第四开关k4；

可调电压源101的正极与负极之间并联第一开关支路。其中，该第一开关支路由第二开关k2和第三开关k3串联得到，且第二开关k2和第三开关k3的公共连接点连接接地端pe。

可调电压源101的正极还通过第一开关k1连接等效中性点电路102，可调电压源101的负极还通过第四开关k4连接等效中性点电路102。

需要说明的是，该可调电压源101可设置为boost升压型开关电源电路、buck降压型开关电源电路、buck-boost升降型开关电源电路和恒压源等可直接提供直流电压的电路。

等效中性点电路102的另一端与逆变器的交流侧连接，等效中性点电路102用于构造交流侧等效中性点。

需要说明的是，该逆变器的数量为n个，其中，n为大于等于1的整数。每个逆变器的直流侧均连接一个光伏阵列，其中，光伏阵列由多个光伏组件构成。

控制器104的第一输入端输入目标电压值，控制器104的第一输出端连接可调电压源101，第二输出端连接开关阵列103；控制器104依据当前光伏组件类型及目标电压值，控制开关阵列103中与当前光伏组件类型相匹配的开关闭合，并控制可调电压源101输出电压以使逆变器的交流侧等效中性点相对接地端的电压变化目标电压值，然后根据逆变器正极或负极对地电压的变化进行调节

其中，光伏组件的类型包括p型光伏组件和n型光伏组件。该p型光伏组件是指在p型半导体材料上扩散硼元素，形成的n/p型结构的太阳电池。n型光伏组件是指在n型半导体材料上扩散磷元素，形成的n/p型结构的太阳电池。

在本申请的一个实施例中，与p型光伏组件相匹配的开关为第一开关k1和第三开关k3。与n型光伏组件相匹配的开关为第二开关k2和第四开关k4。

若当前光伏组件为p型光伏组件，则该目标电压值即需要抬升的逆变器负极对地电压值；若当前光伏组件为n型光伏组件，则该目标电压值即需要降低的逆变器正极对地电压值。需要说明的是，本文中的“地”是指大地。

其中，目标电压值是各个逆变器的负极(或正极)对地电压绝对值中的最大值。

在本申请的一个实施例中，可以由数据采集模块采集各个逆变器的负极(或正极)对地电压并将绝对值最大的电压值确定为目标电压值并发送至控制器104。或者，数据采集模块可以直接将采集的各个逆变器的负极(或正极)对地电压提供给控制器104。

在本申请的另一个实施例中，可以直接由逆变器采集自身的负极(或正极)对地电压并传输至控制器104，该控制器104将绝对值最大的电压值确定为目标电压值。

由于逆变器的直流侧中性点(即，直流母线中点)对地电压与交流侧等效中性点对地电压始终保持近似相等，又由于逆变器并网运行过程中会将直流母线中点相对正负母线的电压钳制为一定值，因此交流侧等效中性点对地电压升高或降低目标电压值，必然会使逆变器负极对地电压抬升目标电压值(或使逆变器正极对地电压降低目标电压值)，从而使逆变器负极对地电压大于0(或使逆变器正极对地电压大于0)，从而抑制pid效应。即，通过控制交流侧等效中性点对地电压来控制逆变器正极或负极对地电压。

本申请中，当光伏组件类型为p型光伏组件时，控制器104控制开关阵列103中第一开关k1和第三开关k3闭合，并根据目标电压值控制可调电压源101输出电压以使得交流侧等效中性点相对接地端的电压抬升该目标电压值。

其中，可调电压源101的输出电压由目标电压值和等效中性点电路102的等效输出电压确定。

请参见图2，为p型光伏组件的光伏系统的等效电路图，其中，ugrid为三相电网对地电压的直流分量，ux为等效中性点电路102的等效输出电压，uo是可调电压源的额定输出电压，n点为交流侧等效中性点。其中，rs是防pid装置的限流电阻。

若目标电压值为u0即需要将逆变器的负极对地电压抬升u0，因此，需要控制n点对地(pe接地端)的电压抬升u0，根据图2可知，n点相对pe接地端的电压约为ux+uo≈u0，因此，控制可调电压源101输出固定电压uo≈u0-ux。

在本申请的一个实施例中，由于存在测量误差，控制器104可以直接控制可调电压源101的输出电压为u0-ux的一定范围内，然后，再根据逆变器的负极对地电压进一步调节，直到逆变器的负极对地电压增大u0为止。在本申请的另一个实施例中，控制器104可以按照预设的电压步长调整可调电压源101的输出电压，具体的控制过程如下：

1)若目标电压值为u0，且u0＞0，则控制可调电压源101输出预设电压u1；其中，该预设电压u1即预设的电压步长，u1的数值可以根据实际需要选取，且u1远小于u0，例如，u0为50v，则u1可以取10v。

2)延时一段时间后，再次获取各个逆变器的负极对地电压，并重新计算此时光伏系统需要抬升的负极对地电压的大小为u01。

3)若u01＞0，则控制可调电压源输出2u1；若u01＝0，则控制可调电压源输出u1不变。

依次类推，直到根据当前获得的光伏系统需要抬升的负极对地电压的大小为0后，不再控制可调电压源的输出电压增加，而是保持上一次的输出电压不变。

当光伏组件类型为n型光伏组件，控制开关阵列103中第二开关k2和第四开关k4闭合，并根据目标电压值控制可调电压源101输出电压以使得交流侧等效中性点相对接地端的电压降低该目标电压值。

与图2相似，如图3所示，为n型光伏组件的光伏系统的等效电路图，若目标电压值为u0即需要将逆变器的正极对地电压降低u0，因此，需要控制n点对地电压降低u0，根据图3可知，需要控制可调电压源101输出固定u0-ux。

其中，针对n型光伏组件的光伏系统，其可调电压源101的输出电压的调整过程与上述过程相同，此处不再赘述。

本申请提供的光伏系统的防pid装置，包括可调电压源、等效中性点电路、开关阵列和控制器；其中，可调电压源通过开关阵列与等效中性点电路连接，其中，等效中性点电路用于构造光伏系统中与直流侧中性点等效的交流侧的等效中性点。该防pid装置通过控制开关阵列中的开关状态及可调电压源的输出电压，来调节交流侧的等效中性点对地电压，进而实现调节逆变器的正极或负极对地电压。从而抑制光伏组件的pid效应。即利用该防pid装置既能够调节逆变器的正极对地电压，也能够调节逆变器的负极对地电压，因此，该防pid装置既适用于p型光伏组件，同时适用于n型光伏组件。

请参考图4，示出了本申请实施例提供的另一种光伏系统的防pid装置的结构示意图，本实施例中的等效中性电路102包括三相变压器t1和三相二极管整流电路201。

如图4所示，三相变压器t1采用的是自耦变压器，自耦变压器的副边绕组是原边绕组的一部分；该自耦变压器的三个绕组为星形连接方式，且三个绕组的公共连接点为交流侧等效中性点。

当然，在其它实施例中，该三相变压器t1还可以采用其它类型的变压器，例如，隔离变压器。

三相二极管整流电路201的每一相包括两个二极管同向串联得到的整流支路，每个整流支路中两个二极管的公共连接点为交流端，三个整流支路的阴极连接后作为该三相二极管整流电路201的正极vin+；三个整流支路的阳极连接后作为负极vin-。

三相变压器t1的原边绕组连接逆变器的交流侧，副边绕组连接三相二极管整流电路201的交流端。

三相二极管整流电路201的正极vin+连接第四开关k4的一端，第四开关k4的另一端连接可调电压源101的负极；三相二极管整流电路201的负极vin-连接第一开关k1的一端，第一开关k1的另一端连接可调电压源101的正极。

本实施例中，调整交流等效中性点对地电压的过程与图1所示实施例中的调整过程相同，此处不再赘述。

光伏系统交流侧对地绝缘阻抗不合格将严重威胁设备和人身安全，随着光伏系统安全性的要求越来越高，光伏系统增加交流绝缘监测功能的需求也越来越多，从而实现对光伏系统交流侧电网对地绝缘情况的监测。如果单独增加交流绝缘监测装置必然会增加系统成本，而且还会增加系统复杂性。本申请在不增加系统成本及系统复杂性的前提下使防pid装置兼具交流绝缘监测功能。在可调电压源的输出电压稳定后，可以利用该防pid装置进行交流绝缘监测功能。

在本申请的一个实施例中，图4所示的防pid装置中还包括第一采样电阻r1，该第一采样电阻r1串联于可调电压源101的正极与第一开关k1之间。

参考图2或图3所示的光伏系统的等效电路，其中，rs＝r1，r1的阻值已知，因此，采集第一采样电阻r1两端的电压ur，以及三相电网对地电压的第一直流分量ugrid，即可计算得到三相电网对地绝缘阻抗，即光伏系统的对地绝缘阻抗。

其中，三相电网对地电压的第一直流分量ugrid可以在采样得到三相电网的三相电压并滤除交流分量后得到。

根据图2或图3所示的等效电路可知，因此三相电网对地绝缘阻抗的计算公式1如下：

公式1中，rgrid为三相电网对地绝缘阻抗，也即光伏系统的交流绝缘阻抗应达到的阻抗值，ugrid为第一直流分量，ur为第一采样电阻r1两端的电压，r1为第一采样电阻的阻值。

计算得到三相电网对地绝缘阻抗后，逆变器可以根据该值监测光伏系统的交流绝缘阻抗是否合格，例如，若检测到三相电网对地绝缘阻抗小于光伏系统的交流绝缘阻抗，则确定光伏系统的交流绝缘异常，逆变器应该停机检查或进行警告。

此种实施例在电路结构上需设置第一采样电阻r1，而且需要设置采集三相电网对地电压的直流分量的装置，以及采集第一采样电阻r1两端的电压的装置。

在本申请的另一个实施例中，如图4所示，所述防pid装置还包括：第二采样电阻r2和第五开关k5。

第二采样电阻r2与第五开关k5串联后并联于第一采样电阻r1两端。

本实施中，当第五开关k5断开时，图2或图3所示等效电路中的rs＝r1，此时，控制器获得三相电网对地电压的第一直流分量为ugrid1，根据欧姆定律可知，存在如下公式2所示的关系：

公式2中，uo为可调电压源的输出电压，ux为等效中性点电路的等效输出电压。

当第五开关k5闭合时，图2或图3所示等效电路中的rs等于r1与r2的并联电阻值，即rs＝r1//r2，此时控制器获得三相电网对地电压的第二直流分量为ugrid2，根据欧姆定律可知，存在如下公式3所示的关系：

公式3中，r1//r2是指第一采样电阻r1和第二采样电阻r2并联后的阻值。

联立公式2和公式3，可以计算得到三相电网对地绝缘阻抗rgrid的计算公式如下：

此种实施例在电路结构上需要设置第二采样电阻r2和第五开关k5，而且需要设置采集三相电网对地电压的直流分量的装置。

需要说明的是，可以根据实际需求设置获取rgrid的方式。

本申请的其它实施例中，等效中性点电路还可以采用除图4所示电路之外的其它电路结构。

请参见图5，为本申请实施例提供的另一种光伏系统防pid装置的结构示意图，本实施例中，等效中性点电路采用三个阻值相等的阻抗实现。

如图5所示，等效中性点电路102为连接成星形结构的三个阻值相等的阻抗，三个阻抗的公共连接点为交流侧等效中性点。该交流侧等效中性点分别与第一开关k1和第四开关k4连接；三个阻抗的另一端分别连接逆变器的交流侧，即连接交流侧的三相电网。

其中，该三个阻抗为电阻、电感、电容和二极管中的任意组合。

需要说明的是，其它部分以及该防pid装置的工作原理与图4所示实施例相同，此处不再赘述。

此外，该pid装置也具有交流绝缘监测功能，具体的，通过等效中性点电路102中的三个阻抗作为采样电阻，且该采样电阻的等效电阻值为三个阻抗的并联阻抗值；三相电网对地绝缘阻抗的计算过程与图4中的计算过程相同，此处不再赘述。

请参见图6，为本申请实施例提供的再一种光伏系统防pid装置的结构示意图，本实施例中，交流侧等效中性点由三相电网与逆变器之间的三相变压器t2产生。

三相变压器t2的原边绕组连接逆变器的交流侧，三相变压器t2的副边绕组连接三相电网，且三相变压器t2的三个原边绕组为星形连接方式，三个副边绕组可以为星形连接方式或者三角形连接方式。

三相变压器t2的三个原边绕组的公共连接点为交流侧等效中性点，且该交流侧等效中性点分别连接第一开关k1和第四开关k4。

本实施例中，控制器104可以接收数据采集模块确定出的目标电压值；或者，控制器104直接接收各个逆变器的正极(或负极)对地电压，并根据各个逆变器的正极(或负极)对地电压确定出目标电压值。

该光伏系统的防pid装置的工作原理与上述的防pid装置的工作过程相同，此处不再赘述。此外，可以在t2与开关阵列103之间串联第三采样电阻r3，并通过检测r3两端的电压，计算得到三相电网对地绝缘阻抗，其中，对地绝缘阻抗的计算过程与图4所示实施例中的计算过程相同，此处不再赘述。

另一方面，本申请还提供了包含上述实施例提供的防pid装置的光伏系统，该光伏系统除包括上述图1、图4、图5和图6所示的防pid装置之外，还包括：n个逆变器，n个光伏组件、三相变压器。这几部分与pid装置之间的连接关系前已叙及，此处不再赘述。

需要说明的是，可以设置独立于逆变器之外的数据采集模块，由该数据采集模块采集各个逆变器的正极或负极对地电压，并提供给防pid装置中的控制器。或者，直接由逆变器采集自身的正极或负极对地电压并提供给防pid装置中的控制器。

本申请提供的光伏系统包括n个光伏组件、n个逆变器、数据采集模块、变压器和光伏系统防pid装置；其中，每一个逆变器的直流侧连接一个光伏阵列；其中，n个逆变器的交流侧并联连接变压器的原边绕组，变压器的副边绕组连接三相电网；其中，防pid装置内的控制器获取n个逆变器的正极对地电压或负极对地电压并控制开关阵列中开关的状态，以及控制可调电压源输出的电压，来调节交流侧等效中性点对地电压，实现调节逆变器的正极或负极对地电压，最终实现抑制光伏组件的pid效应。

本实用新型书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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。