一种光伏组件智能关断系统论文和设计-潘烨

全文摘要

本实用新型属于光伏组件技术领域，涉及一种光伏组件智能关断系统，包括若干个光伏组件，所述光伏组件的输出端与智能接线盒连接，若干个智能接线盒的输出端依次串接，若干个光伏组件通过智能接线盒依次串接组成光伏组件串，所述光伏组件串的输出端与智能触发装置连接，同时经智能触发装置与光伏逆变器连接；该智能关断系统由安装在每块光伏组件端的智能接线盒、安装在光伏组件串主回路中的智能触发装置组成，通过检测主回路电流及电压的方式，在光伏系统发生火灾、需要维修、安装维护等异常状态下，智能关断光伏系统中每一块光伏组件的输出电压均能被切断，从而切断光伏组串的高压，保证进入光伏电站人员的安全，具有很高的商业价值。

主设计要求

1.一种光伏组件智能关断系统，包括若干个光伏组件（1），其特征在于，所述光伏组件（1）的输出端与智能接线盒（2）连接，若干个智能接线盒（2）的输出端依次串接，若干个光伏组件（1）通过智能接线盒（2）依次串接组成光伏组件串（5），所述光伏组件串（5）的输出端与智能触发装置（3）连接，同时经智能触发装置（3）与光伏逆变器（4）连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种光伏组件智能关断系统，其特征在于：所述智能接线盒（2）包括续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn-4、智能关断芯片U1、开关管Qn-1、电阻Rn-1、电阻Rn-2，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1依次串连，所述续流二极管Dn-3的正极为智能接线盒（2）的反向输出端PVn-，同时与智能关断芯片U1连接，所述续流二极管Dn-1的负极与开关管Qn-1的漏极连接，同时与智能关断芯片U1连接，所述开关管Qn-1的栅极与智能关断芯片U1连接，源极与电阻Rn-1的一端连接，电阻Rn-1的另一端为智能接线盒（2）的正向输出端PVn+，同时电阻Rn-1的两端均与智能关断芯片U1连接；所述智能接线盒（2）的正向输出端PVn+与续流二极管Dn-4的负极连接，所述续流二极管Dn-4的正极与电阻Rn-2的一端连接，所述电阻Rn-2的另一端与智能接线盒（2）的反向输出端PVn-连接，同时电阻Rn-2的两端均与智能关断芯片U1连接；其中，n为光伏组件的个数，n=1、2、3……。

3.根据权利要求2所述的一种光伏组件智能关断系统，其特征在于：所述光伏组件包括多个相互串联的光伏组件子串，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1的正极分别与光伏组件子串的负极连接，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1的负极分别与光伏组件子串的正极连接。

4.根据权利要求1所述的一种光伏组件智能关断系统，其特征在于：所述智能触发装置（3）包括负载维持电路（31）、电压检测电路（32）、电流检测电路（33）、高压电源（34）、隔离变压器T1、辅助电源（35）、人机交互界面（36）、授时芯片（37）、主控MCU（38），工频交流电接入隔离变压器T1的输入端，所述隔离变压器T1的输出端接入高压电源（34）的输入端，所述高压电源（34）的输出端与光伏组件串（5）的输出端连接，同时隔离变压器T1的输出端与辅助电源（35）的输入端连接，所述辅助电源（35）的输出端分别与负载维持电路（31）、电压检测电路（32）、电流检测电路（33）、人机交互界面（36）、授时芯片（37）、主控MCU（38）连接，所述负载维持电路（31）、电压检测电路（32）、电流检测电路（33）分别与光伏组件串（5）的输出端连接，所述主控MCU（38）分别与负载维持电路（31）、电压检测电路（32）、电流检测电路（33）、高压电源（34）、人机交互界面（36）、授时芯片（37）连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种智能关断系统，尤其是一种光伏组件智能关断系统，属于光伏组件技术领域。

背景技术

在光伏系统中，传统的光伏组件会连接二极管接线盒输出电压电流，这种接线盒仅起续流作用。单块光伏组件通过串联组成光伏组件串，此时光伏组件串的正极电压可达数百伏特，然后通过光伏电缆连接至汇流箱或者逆变器。在发生火灾或者其他故障时，有可能会损坏光伏电缆或者光伏组件的绝缘层，使导电部分裸露在环境中，发生漏电的危险，并且这种漏电危险难比排查，当消防员或者维修人员接触到漏电点时，极易发生触电危险。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在问题，提供一种光伏组件智能关断系统及其方法，该智能关断系统由安装在每块光伏组件端的智能接线盒、安装在光伏组件串主回路中的智能触发装置组成，通过检测主回路电流及电压的方式，在光伏系统发生火灾、需要维修、安装维护等异常状态下，智能关断光伏系统中每一块光伏组件的输出电压均能切断光伏组串的高压，保证进入光伏电站人员的安全，具有很高的商业价值。

为实现以上技术目的，本实用新型的技术方案是：一种光伏组件智能关断系统，包括若干个光伏组件，其特征在于，所述光伏组件的输出端与智能接线盒连接，若干个智能接线盒的输出端依次串接，若干个光伏组件通过智能接线盒依次串接组成光伏组件串，所述光伏组件串的输出端与智能触发装置连接，同时经智能触发装置与光伏逆变器连接。

进一步地，所述智能接线盒包括续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn-4、智能关断芯片U1、开关管Qn-1、电阻Rn-1、电阻Rn-2，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1依次串连，所述续流二极管Dn-3的正极为智能接线盒的反向输出端PVn-，同时与智能关断芯片U1连接，所述续流二极管Dn-1的负极与开关管Qn-1的漏极连接，同时与智能关断芯片U1连接，所述开关管Qn-1的栅极与与智能关断芯片U1连接，源极与电阻Rn-1的一端连接，电阻Rn-1的另一端为智能接线盒的正向输出端PVn+，同时电阻Rn-1的两端均与智能关断芯片U1连接；所述智能接线盒的正向输出端PVn+与续流二极管Dn-4的负极连接，所述续流二极管Dn-4的正极与电阻Rn-2的一端连接，所述电阻Rn-2的另一端与智能接线盒的反向输出端PVn-连接，同时电阻Rn-2的两端均与智能关断芯片U1连接；其中，n为光伏组件的个数，n=1、2、3……。

进一步地，所述光伏组件包括多个相互串联的光伏组件子串，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1的正极分别与光伏组件子串的负极连接，所述续流二极管Dn-3、续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1的负极分别与光伏组件子串的正极连接。

进一步地，所述智能触发装置包括负载维持电路、电压检测电路、电流检测电路、高压电源、隔离变压器T1、辅助电源、人机交互界面、授时芯片、主控MCU，工频交流电接入隔离变压器T的输入端，所述隔离变压器T的输出端接入高压电源的输入端，所述高压电源的输出端与光伏组件串的输出端连接，同时隔离变压器T的输出端与辅助电源的输入端连接，所述辅助电源的输出端分别与负载维持电路、电压检测电路、电流检测电路、人机交互界面、授时芯片、主控MCU连接，所述负载维持电路、电压检测电路、电流检测电路分别与光伏组件串的输出端连接，所述主控MCU分别与负载维持电路、电压检测电路、电流检测电路、高压电源、人机交互界面、授时芯片连接。

为了进一步实现以上技术目的，本实用新型还提出一种光伏组件智能关断方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一. 在隔离变压器T的输入端输入工频交流电，通过隔离变压器T使高压电源和辅助电源均得电，通过辅助电源给整个智能触发装置供电；

步骤二. 智能触发装置中的电压检测电路、电流检测电路检测光伏组件串的输出端的电压电流，所述授时芯片用来判断是否处于白天时段，所述主控MCU根据电压检测电路、电流检测电路及授时芯片反馈的信号，来判断光伏组件串中的光伏组件是否正常工作；

步骤三. 当电压检测电路、电流检测电路检测的电压电流为零，说明光伏组件不工作；

同时当授时芯片判断处于白天时段时，所述主控MCU控制高压电源输出高压脉冲电流I_{RV<\/sub>，否则，主控MCU控制高压电源不输出高压脉冲电流I_RV<\/sub>；}

步骤四. 所述高压脉冲电流I _{RV<\/sub>注入光伏组件串的输出端PV+，分别流入多个智能接线盒；}

步骤五. 智能接线盒中的智能关断芯片U1检测电阻Rn-1两端电压，当检测到有电流流过电阻Rn-1，且电流方向为流入光伏组件时，则智能关断芯片U1触发开关管Qn-1的沟道导通，使电流流入光伏组件，光伏组件正常工作，直到光伏逆变器开启，脉冲电流下降为零；

步骤六. 当智能关断芯片U1检测到有电流流过电阻Rn-1，且电流方向为流出光伏组件时，则保持开关管Qn-1的沟道继续导通，使工作电流I _{PV<\/sub>从光伏组件流出，流入光伏逆变器进行并网发电；}

步骤七. 当智能关断芯片U1未检测到有电流流过电阻Rn-1，且持续指定时间t1，则控制开关管Qn-1的关断，切断光伏组件的输出电压，此时智能关断芯片U1处于待机状态。

进一步地，所述步骤七中，当智能关断芯片U1在指定t1时间段内连续未检测到有电流流过电阻Rn-1，则说明高压电源触发失败或光伏组件被遮挡或光伏逆变器暂停工作；

a、若光伏组件没有被遮挡，且整个关断系统未接收到强制关断信号，则说明高压电源触发失败或光伏逆变器暂停工作，所述主控MCU控制高压电源再次输出高压脉冲电流I_{RV<\/sub>，直到光伏组件正常工作；}

b、若光伏组件被遮挡，则该光伏组件无法提供光伏组件串所需的工作电流I_{PV<\/sub>，所述智能关断芯片U1检测到有电流流过电阻Rn-2，光伏组件串电流I_{PV<\/sub>将从续流二极管Dn-4所在支路续流，并流入其他光伏组件，此时智能关断芯片U1处于打嗝模式。}}

进一步地，当智能关断芯片U1处在打嗝模式时，每隔固定时间t0，智能关断芯片U1会重启打开开关管Qn-1的沟道；

此时若该光伏组件的遮挡被排除，则电流从流经续流二极管Dn-4切换至流经该光伏组件；

此时若该光伏组件的遮挡被部分排除；包括与续流二极管Dn-3并联的光伏组件子串导通，电流依次流经续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1；与续流二极管Dn-3和续流二极管Dn-2并联的光伏组件子串均导通，电流流经续流二极管Dn-1，形成导通路径；

此时若光伏组件的遮挡依然存在，则电流流经续流二极管Dn-4，智能关断芯片U1工作电压被箝位至-1~1V，智能关断芯片U1进入欠压保护工作模式；然后再次关断开关管Qn-1，待智能关断芯片U1恢复工作后，再次进行打嗝工作模式，重复循环，至到电流切换至该光伏组件后停止打嗝工作模式。

进一步地，所述步骤五中，所述智能接线盒与光伏组件被高压脉冲电流I_{RV<\/sub>触发导通后，用于维持光伏组件串工作电流I_{PV<\/sub>的负载维持电路导通，当光伏逆变器并网发电后，负载维持电路关断停止工作。}}

进一步地，所述智能触发装置中的人机交互界面作为主动触发模式，可设置智能触发装置每日的工作时间段、触发脉冲电流值信息，在交互界面上还设置有一键关断按钮，当触发一键关断按钮后，智能触发装置将一切停止工作。

进一步地，所述智能关断芯片U1直接从光伏组件取电，经过芯片内部转换电路转换后，给芯片内部的检测模块、驱动模块、保护模块、逻辑控制模块供电；所述智能关断芯片U1具有温度检测与保护功能、电流检测与保护功能、电压检测与保护功能。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1）本实用新型的智能接线盒用于引出光伏组件主回路电流，智能接线盒中的智能关断芯片用于检测光伏组件的电流，进而实现光伏组件的触发导通或电流引出；

2）本实用新型的智能触发装置可以实时检测光伏组件主回路电路，并通过主控MCU控制高压电源来触发光伏组件导通；

3）本实用新型采用检测主回路电流及电压的方式，在光伏系统发生火灾、需要维修、安装维护等异常状态下，智能关断光伏系统中每一块光伏组件的输出电压均能被切断，从而切断光伏组串的高压输出，保证进入光伏电站人员的安全，具有很高的商业价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1智能接线盒的电路图。

图3为本实用新型实施例1智能触发装置的电路图。

图4为本实用新型实施例1高压电源触发光伏组件导通的电流流向电路图。

图5为本实用新型实施例1光伏组件被遮挡智能接线盒续流的电流流向电路图。

图6为本实用新型实施例1光伏组件正常工作的电流流向电路图。

图7为本实用新型实施例1智能触发装置的负载维持电路工作的电流流向电路图。

附图标记说明：1-光伏组件、2-智能接线盒、3-智能触发装置、31-负载维持电路、32-电压检测电路、33-电流检测电路、34-高压电源、35-辅助电源、36-人机交互界面、37-授时芯片、38-主控MCU、4-光伏逆变器、5-光伏组件串。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，其中n=3，以3个光伏组件为例进行说明，一种光伏组件智能关断系统，包括3个光伏组件1，每个光伏组件1的输出端均与一个智能接线盒2连接，3个智能接线盒2的输出端依次串接（即PV1-与PV2+、PV2-与PV3+连接），3个光伏组件1通过智能接线盒2依次串接组成光伏组件串5，所述光伏组件串5的输出端PV+（即PV1+）、PV-（即PV3-）与智能触发装置3连接，同时经智能触发装置3与光伏逆变器4连接；

如图2所示，当n=1时，所述智能接线盒2包括续流二极管D1-3、续流二极管D1-2、续流二极管D1-1、续流二极管D1-4、二极管D1-5、智能关断芯片U1、开关管Q1-1、电阻R1-1、电阻R1-2，所述续流二极管D1-3、续流二极管D1-2、续流二极管D1-1依次串连，所述续流二极管D1-3的正极为智能接线盒2的反向输出端PV1-，同时与智能关断芯片U1的第四管脚连接，所述续流二极管D1-1的负极与开关管Q1-1的漏极连接，同时通过二极管D1-5与智能关断芯片U1的第一管脚连接，智能关断芯片U1的第一管脚接二极管D1-5的负极，同时通过电容C1接地，所述开关管Q1-1的栅极与智能关断芯片U1的第11管脚连接，源极与电阻R1-1的一端连接，同时接智能关断芯片U1的第16管脚，电阻R1-1的另一端为智能接线盒2的正向输出端PV1+，同时电阻R1-1的另一端与智能关断芯片U1的第15管脚连接；所述智能接线盒2的正向输出端PV1+与续流二极管D1-4的负极连接，所述续流二极管D1-4的正极与电阻R1-2的一端连接，同时与智能关断芯片U1的第7管脚连接，所述电阻R1-2的另一端与智能接线盒2的反向输出端PV1-连接，同时与智能关断芯片U1的第6管脚连接；所述智能关断芯片U1的第2管脚、第3管脚、第8管脚、第9管脚、第12~第14管脚均悬空；

所述光伏组件1包括多个相互串联的光伏组件子串，所述续流二极管D1-3、续流二极管D1-2、续流二极管D1-1的正极分别与光伏组件子串的负极连接，所述续流二极管D1-3、续流二极管D1-2、续流二极管D1-1的负极分别与光伏组件子串的正极连接；

如图3所示，所述智能触发装置3包括负载维持电路31、电压检测电路32、电流检测电路33、高压电源34、隔离变压器T1、辅助电源35、人机交互界面36、授时芯片37、主控MCU38，工频交流电接入隔离变压器T1的输入端，所述隔离变压器T1的输出端接入高压电源34的输入端，所述高压电源34的输出端与光伏组件串5的输出端连接，同时隔离变压器T1的输出端与辅助电源35的输入端连接，所述辅助电源35的输出端分别与负载维持电路31、电压检测电路32、电流检测电路33、人机交互界面36、授时芯片37、主控MCU 38连接，所述负载维持电路31、电压检测电路32、电流检测电路33分别与光伏组件串5的输出端连接，所述主控MCU 38分别与负载维持电路31、电压检测电路32、电流检测电路33、高压电源34、人机交互界面36、授时芯片37连接。

本实用新型实施例1中，所述智能关断芯片U1选用型号为SMART_IC，可直接从光伏组件1取电，经过芯片内部转换电路转换后，给芯片内部的检测模块、驱动模块、保护模块、逻辑控制模块供电；同时智能关断芯片U1具有温度检测与保护功能、电流检测与保护功能、电压检测与保护功能；

所述隔离变压器T1为工频交流输入，主要作用为将智能触发装置3同电网隔离，同时通过隔离变压器T1传输电能给智能触发装置3使用；

所述主控MCU 38选用型号为STM32F103TB，所述辅助电源35为智能触发装置3的电路模块提供工作电压，为AC转DC电源；所述授时芯片37选用型号为CME6005，只有在白天时，控制高压电源34向光伏组件串5提供数次触发脉冲电流I _{RV<\/sub>，夜晚无光时将处于待机状态，不提供触发脉冲电流I_RV<\/sub>。}

如上实施例1中的一种光伏组件智能关断方法，包括如下步骤：

步骤一. 在隔离变压器T1的输入端输入工频交流电，通过隔离变压器T1使高压电源34和辅助电源35均得电，通过辅助电源35给整个智能触发装置3供电；

步骤二. 智能触发装置3中的电压检测电路32、电流检测电路33检测光伏组件串5的输出端的电压电流，所述授时芯片37用来判断是否处于白天时段，所述主控MCU 38根据电压检测电路32、电流检测电路33及授时芯片37反馈的信号，来判断光伏组件串5中的光伏组件1是否正常工作；

步骤三. 当电压检测电路32、电流检测电路33检测的电压电流为零，说明光伏组件1不工作；

同时当授时芯片37判断处于白天时段时，所述主控MCU38控制高压电源34输出高压脉冲电流I_{RV<\/sub>，否则，主控MCU38控制高压电源34不输出高压脉冲电流I_RV<\/sub>；}

如图4所示，步骤四. 所述高压脉冲电流I _{RV<\/sub>注入光伏组件串5的输出端PV+，分别流入多个智能接线盒2；}

所述智能关断芯片U1直接从光伏组件1取电，经过芯片内部转换电路转换后，给芯片内部的检测模块、驱动模块、保护模块、逻辑控制模块供电；所述智能关断芯片U1具有温度检测与保护功能、电流检测与保护功能、电压检测与保护功能；

步骤五. 智能接线盒2中的智能关断芯片U1检测电阻Rn-1两端电压，当检测到有电流流过电阻Rn-1，且电流方向为流入光伏组件1时，则智能关断芯片U1触发开关管Qn-1的沟道导通，使电流流入光伏组件1，光伏组件1正常工作，直到光伏逆变器5开启，脉冲电流下降为零；

如图7所示，所述智能接线盒2与光伏组件1被高压脉冲电流I_{RV<\/sub>触发导通后，用于维持光伏组件串5工作电流I_{PV<\/sub>的负载维持电路31导通，当光伏逆变器5并网发电后，负载维持电路31关断停止工作；}}

步骤六. 当智能关断芯片U1检测到有电流流过电阻Rn-1，且电流方向为流出光伏组件1时，则保持开关管Qn-1的沟道继续导通，使工作电流I _{PV<\/sub>从光伏组件1流出，流入光伏逆变器5进行并网发电；}

步骤七. 当智能关断芯片U1未检测到有电流流过电阻Rn-1，且持续指定时间t1，则控制开关管Qn-1的关断，切断光伏组件1的输出电压，此时智能关断芯片U1处于待机状态；

当智能关断芯片U1在指定t1时间段内连续未检测到有电流流过电阻Rn-1，则说明高压电源34触发失败或光伏组件1被遮挡或光伏逆变器4暂停工作；当并网电压过高或过低时，光伏逆变器4会自动切断供电；

a、若光伏组件1没有被遮挡，且整个关断系统未接收到强制关断信号，则说明高压电源34触发失败或光伏逆变器4暂停工作，所述主控MCU 38控制高压电源34再次输出高压脉冲电流I _{RV<\/sub>，直到光伏组件1正常工作；}

如图5所示，b、若光伏组件1被遮挡，则该光伏组件1无法提供光伏组件串5所需的工作电流I_{PV<\/sub>，所述智能关断芯片U1检测到有电流流过电阻Rn-2，光伏组件串5电流I_{PV<\/sub>将从续流二极管D1-4所在支路续流，并流入其他光伏组件1，此时智能关断芯片U1处于打嗝模式；}}

当智能关断芯片U1处在打嗝模式时，每隔固定时间t0，智能关断芯片U1会重启打开开关管Qn-1的沟道；

如图6所示，此时若该光伏组件1的遮挡被排除，则电流从流经续流二极管Dn-4切换至流经该光伏组件1，光伏组件1正常工作；

此时若该光伏组件1的遮挡被部分排除；包括与续流二极管Dn-3并联的光伏组件子串导通，电流依次流经续流二极管Dn-2、续流二极管Dn-1；与续流二极管Dn-3和续流二极管Dn-2并联的光伏组件子串均导通，电流流经续流二极管Dn-1，形成导通路径；

此时若光伏组件1的遮挡依然存在，则电流流经续流二极管Dn-4，智能关断芯片U1工作电压被箝位至-1~1V，智能关断芯片U1进入欠压保护工作模式；然后再次关断开关管Qn-1，待智能关断芯片U1恢复工作后，再次进行打嗝工作模式，重复循环，至到电流切换至该光伏组件1后停止打嗝工作模式。

所述智能触发装置3中的人机交互界面36作为主动触发模式，可设置智能触发装置3每日的工作时间段、触发脉冲电流值信息，在交互界面上还设置有一键关断按钮，当触发一键关断按钮后，智能触发装置3将一切停止工作。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

设计图

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主设计要求

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