一種光伏交直流智能配電箱的製作方法
2023-07-29 07:37:01 2
專利名稱：一種光伏交直流智能配電箱的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有光伏組件匯流、直流側檢測保護、交流側監測防孤島功能的一體式配電箱，屬於太陽能光伏發電技術領域。
背景技術：
現階段，國家太陽能發電項目建設如火如荼，在建築物上安裝的光伏陣列進行分布式發電，光伏建築一體化(BIPV)或太陽能屋頂等中小型電站項目特別受歡迎。併網光伏發電系統主要由光伏陣列、匯流箱、直流櫃、逆變器、交流櫃等組成，組串型逆變器適用於中小型電站項目，發電量高、運行穩定，通常有I路或2路最大功率峰值跟蹤 。對於建築、住宅等戶用中小型光伏發電項目，減少電纜的接線數量，最大限度地節約空間，安裝使用簡便，安全性高，成本低，尤為重要。而現在的匯流箱、直流櫃、交流櫃等龐大笨重，操作複雜，價格昂貴，特別是匯流箱只提供單路DC輸出，不能依據系統功率要求自動調節輸入組串數，不適用於組串型逆變器。同時，併網發電系統對交流側輸出電能質量要求高，需要能夠有效地防止電力孤島的形成。
發明內容
針對中小型光伏系統的特點和現有產品的缺陷和不足，本發明提供一種採用一體式結構設計的智能配電箱，具有多路光伏組串輸入兩路匯流DC輸出、智能調節接入逆變器的組串路數，直流側監測保護、交流側實時檢測和防孤島、遠程通訊、PV自供電等功能，可直接連接太陽能電池和併網逆變器(特別適用於組串型逆變器)，安全便捷地實現用戶側併網發電。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種光伏交直流智能配電箱，由直流側、交流側和控制板三部分組成。其特徵在於直流側包括8對光伏組串輸入接口，每4對光伏組串輸入可並聯匯流形成一路DC輸出；每對光伏組串輸入(+)、(-)迴路均接高壓熔絲一，防倒灌和過電流，輸入(+)迴路接防反二極體一，抑制並聯電池組串之間形成環流，然後串接霍爾電流傳感器一測量每路輸入直流電流，並引出電壓測量點一，並串入繼電器一用於控制當前光伏組串輸入迴路的通斷，可根據該光伏發電系統功率智能調節接入逆變器的光伏組串數；匯流後的DC輸出迴路間並聯雷擊浪湧保護器一，然後串接直流斷路器一實現DC輸出短路保護，串接霍爾電流傳感器二監測每路DC輸出電流，並引出電壓測量點二 ；本配電箱的兩路匯流DC輸出接入組串型併網逆變器，經升壓逆變後，接回到本配電箱的逆變器輸出接口 ；交流側迴路接入霍爾電流傳感器三和電壓傳感器四用於測量逆變器輸出交流電流、電壓瞬時值，串入繼電器二、三用於控制逆變器輸出到電網迴路的通斷，並聯防雷器二，串入斷路器二保護併網迴路，然後並聯霍爾電壓傳感器五用於測量電網電壓實時信號，最後就可接入低壓電網。所述的配電箱控制板包括CPU、信號調理放大模塊、多選一模擬開關、過零檢測電路、過/欠電壓電流保護模塊、輔助電源模塊、RS232通訊模塊、繼電器控制電路、蜂鳴器、按鍵設定與LED顯示。其中，CPU採用高性能、低能耗的8位AVR微處理器ATmega64，有足夠的雙向I/O 口，並自帶8路ADC輸入。優選地，所有的電流、電壓採樣值以及外部傳感器輸入經信號調理模塊後連接多個八選一模擬開關輸入到AVR單片機的A/D轉換模塊，控制單元將數據運算處理後控制直流側8對光伏組串輸入迴路的繼電器通斷，實現直流側檢測保護和智能調節接入逆變器的組串路數的功能；過零檢測電路用於檢測交流側電網電壓和逆變器輸出電流的過零點完成對其頻率和相位的跟蹤；過/欠電壓、電流保護電路是將逆變器輸出交流電流、電壓信號與上、下限值經電壓比較器得到4類故障信號，輸入到四組R/S觸發三態輸出鎖存器，得到故障報警信號，再由CPU發出控制信號驅動繼電器控制交流側迴路通斷，並控制蜂鳴器發生報警信號，實現過/欠電壓、電流保護功能。通過比較單機片捕獲的逆變器輸出電壓與電網電壓的幅值誤差、逆變器輸出電流與電網電壓的頻率誤差、逆變器輸出電流與電網電壓的相位誤差來確定是否存在電力孤島，當三者中任何一項超過誤差閥值時即判定為發生孤島效應，CPU迅速響應發出報警信號，控制繼電器切斷向電網的供電，將這3種成熟的防孤島策略聯合使用確保了併網系統的安全性。 優選地，PV自供電是將I路光伏組串匯流後的DC輸出路接入輔助電源模塊，採用反激式開關穩壓電源，以UC3845為核心控制晶片，輸出為±12V的直流電壓，為控制板提供電源；遠程通訊功能使用RS232通訊接口，由單片機的RXD、TXD引腳驅動，支持標準ModbusRTU協議，將監控數據傳輸到上位機系統以及客戶端交互式應用平臺，方便用戶隨時了解發電系統運行情況。有益效果採用上述技術方案，將本發明一體式配電箱與組串型逆變器一同使用，非常適合光伏建築一體化(BIPV)或太陽能屋頂等中小型電站項目，發電效率高，運行穩定，系統安全可靠，運行情況直觀顯示，佔用空間少，操作便捷，可以方便快速為用戶提供一個併網光伏發電系統，能夠極大地促進太陽能的普及和光伏產業的發展。
圖I為實施例中的一種光伏交直流智能配電箱的輸入/輸出接口圖；圖2為實施例中的一種光伏交直流智能配電箱的直流側電路框圖；圖3為實施例中的一種光伏交直流智能配電箱的交流側電路框圖；圖4為實施例中的一種光伏交直流智能配電箱的控制板原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖進一步對本發明進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。應理解，以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。如圖I所示，本實施例所提供的一種光伏交直流智能配電箱具有如下接口 8路光伏組串(+)、㈠輸入接口，2路DC(+)、㈠輸出共4個接口，I個通訊口，I個外部電源口，一個逆變器輸出插孔，一個低壓電網插孔。如圖2所示，該一體式配電箱的直流側提供8對光伏組串輸入接口，每4對光伏組串輸入可並聯匯流形成一路DC輸出；每對光伏組串輸入(+)、(-)迴路均接高壓熔絲一(Fl)，防倒灌和過電流，輸入(+)迴路接防反二極體一 D1，抑制並聯電池組串之間形成環流，然後串接霍爾電流傳感器一 LI測量每路輸入直流電流，並引出電壓測量點一，並串入繼電器一 Kl用於控制當前光伏組串輸入迴路的通斷，可根據該光伏發電系統功率智能調節接入逆變器的光伏組串數；匯流後的DC輸出迴路間並聯雷擊浪湧保護器一，然後串接直流斷路器一 Ql實現DC輸出短路保護，串接霍爾電流傳感器二 L2監測每路DC輸出電流，並引出電壓測量點二 ；DC輔助電源模塊可實現PV自供電功能，為控制板提供穩定的電源。如圖3所示，本配電箱的兩路匯流DC輸出接入組串型併網逆變器，經升壓逆變後，接回到本配電箱的逆變器輸出接口 ；交流側迴路接入霍爾電流傳感器三L3和電壓傳感器四L4用於測量逆變器輸出交流電流、電壓瞬時值，串入繼電器二 K2和繼電器三K3用於控制逆變器輸出到電網迴路的通斷，並聯防雷器二，串入斷路器二 Q2保護併網迴路，然後並 聯霍爾電壓傳感器五L5用於測量電網電壓實時信號，最後接入低壓電網。如圖4所示，8個電流傳感器一 LI經由信號調理模塊連接八選一模擬開關一 ；8個電壓採樣點一經由信號調理模塊連接八選一模擬開關二 ；2個電流傳感器二 L2、2個電壓採樣點二及4路外部傳感器模擬量通過外部傳感器可以採集組件溫度、環境溫度、風速及輻照量等信息經由信號調理模塊連接八選一模擬開關三；電壓傳感器二 L5、電流傳感器三L3及電壓傳感器一 L4連接交流側電壓電流過零檢測電路。八選一模擬開關一、八選一模擬開關二及八選一模擬開關三各產生的一路模擬量輸出及交流側電壓電流過零檢測電路產生的3路模擬量輸出，共六路模擬量輸出輸入作為控制單元的型號為ATMEGA64的單片機自帶的ADC單元。電流傳感器三L3還連接過電流保護電路，電壓傳感器一 L4還連接過電壓保護電路，由電流保護電路將輸入的電流信號與預設的電流上、下限值比較得到兩類電流故障信號，由過電壓保護電路將輸入的電壓信號與預設的電壓上、下限值比較得到兩類電壓故障信號，每類電流故障信號及每類電壓故障信號對應一組R/S觸發三態輸出鎖存器，四組R/S觸發三態輸出鎖存器連接單片機。由控制單元根據R/S觸發三態輸出鎖存器的輸出控制繼電器二 K2及繼電器三K3的通斷，並控制蜂鳴器發生報警信號，實現過/欠電壓、電流保護。單片機直接產生數碼顯示屏需要的位碼，同時通過數據鎖存單元產生數碼顯示屏需要的段碼。單片機的RXD引腳及TXD引腳通過光耦隔離電路連接RS232通訊接口。單片機還連接蜂鳴器及按鍵單元。單片機通過光耦隔離電路連接8個繼電器一 Kl、繼電器二 K2及繼電器三K3。控制板由DC輔助電源模塊提供電源或由通訊及電源接口得到電源。下面結合圖2、圖3、圖4，詳細說明本發明智能配電箱的相關功能和實施例所述的8路光伏組串(+)輸入迴路繼電器K1，單片機在以下兩種情況下控制其通斷第一種，由操作人員通過按鍵單元設定負載功率，單片機根據計算結果發出控制信號，經光耦隔離驅動8個繼電器一 Kl的通斷，智能調節接入逆變器的光伏組串數。由以下公式確定接入的光伏組串數
權利要求
1.一種光伏交直流智能配電箱，由直流側、交流側和控制板三部分組成，其特徵在於直流側包括8對光伏組串輸入接口，每4對光伏組串輸入並聯匯流形成一路DC輸出；每對光伏組串輸入迴路均接高壓熔絲一(Fl)，防倒灌和過電流，輸入迴路接防反二極體一(Dl)，抑制並聯電池組串之間形成環流，然後串接霍爾電流傳感器一(LI)測量每路輸入直流電流，並引出電壓測量點一，並串入繼電器一(Kl)用於控制當前光伏組串輸入迴路的通斷，可根據該光伏發電系統功率智能調節接入逆變器的光伏組串數；匯流後的DC輸出迴路間並聯雷擊浪湧保護器一，然後串接直流斷路器一(Ql)實現DC輸出短路保護，串接霍爾電流傳感器二(L2)監測每路DC輸出電流，並引出電壓測量點二 ；交流側迴路接入霍爾電流傳感器三(L3)和電壓傳感器四(L4)用於測量逆變器輸出交流電流、電壓瞬時值，串入繼電器二(K2)和繼電器三(K3)用於控制逆變器輸出到電網迴路的通斷，並聯防雷器二，串入斷路器二(Q2)保護併網迴路，然後並聯霍爾電壓傳感器五(L5)用於測量電網電壓實時信號，最後接入低壓電網。配電箱控制板包括CPU、信號調理放大模塊、多選一模擬開關、過零檢測電路、過/欠電壓電流保護模塊、輔助電源模塊、RS232通訊模塊、繼電器控制電路、蜂鳴器、按鍵設定與LED顯示，所有的電流、電壓採樣值以及外部傳感器輸入經信號調理模塊後連接多個八選一模擬開關輸入到AVR單片機的A/D轉換模塊，控制單元將數據運算處理後控制直流側8對光伏組串輸入迴路的繼電器通斷，實現直流側檢測保護和智能調節接入逆變器的組串路數的功能；過零檢測電路用於檢測交流側電網電壓和逆變器輸出電流的過零點完成對其頻率和相位的跟蹤；過/欠電壓、電流保護電路是將逆變器輸出交流電流、電壓信號與上、下限值經電壓比較器得到4類故障信號，輸入到四組R/S觸發三態輸出鎖存器，得到故障報警信號，再由CPU發出控制信號驅動繼電器控制交流側迴路通斷，並控制蜂鳴器發生報警信號，實現過/欠電壓、電流保護功能。
2.如權利要求I所述的一種光伏交直流智能配電箱，其特徵在於所述控制單元同時採用3種成熟的防孤島策略第一種防孤島策略為比較所述控制單元通過所述電壓傳感器一 (L4)捕獲的逆變器輸出電壓與通過所述電壓傳感器二(L5)捕獲的電網電壓的之間差值來確定是否存在電力孤島；第二種防孤島策略為比較所述控制單元通過所述電流傳感器三(L3)捕獲的逆變器輸出電流與通過所述電壓傳感器二(L5)捕獲的電網電壓的頻率的誤差來確定是否存在電力孤島；第三種策略為比較所述控制單元通過所述電流傳感器三(L3)捕獲的逆變器輸出電流與通過所述電壓傳感器二(L5)捕獲的電網電壓的相位的誤差來確定是否存在電力孤島。將這3種成熟的防孤島策略聯合使用確保了併網系統的安全性。當超過誤差閥值時即判定為發生孤島效應，單片機迅速響應發出報警信號，控制繼電器二(K2)及繼電器三(K3)切斷向電網的供電。
3.如權利要求I所述的一種光伏交直流智能配電箱，其特徵在於具有直流側監測保護、智能調節接入光伏組串路數和功率的功能，由操作人員通過按鍵單元設定負載功率，單片機根據計算結果發出控制信號，經光耦隔離驅動8個繼電器一(Kl)的通斷，智能調節接入逆變器的光伏組串數。當單片機通過電流傳感器一(LI)及電壓採樣點一捕獲信號判斷其所對應的一路光伏組串輸入出現故障或發生陰影遮擋時，通過斷開相應的繼電器一(Kl)，將該路關斷，同時通過閉合相應的繼電器一(Kl)，智能切換到另一路光伏組串輸入。
4.如權利要求I所述的一種光伏交直流智能配電箱，其特徵在於還包括外部傳感器模擬量輸入接口，可接受外部傳感器採集的組件溫度、環境溫度、風速、輻照量等信息，經A/D轉換後送LED顯示和遠程通訊。
5.如權利要求I所述的一種光伏交直流智能配電箱，其特徵在於配電箱的控制板電源可選用外部電源輸入或者PV自供電，其中PV自供電模塊的輸入電壓來自光伏組串匯流後的DC迴路，輸出為±12V的直流電壓，採用反激式開關穩壓電源，以UC3845為核心控制晶片，該輔助電源的工作電壓更寬，輸出電壓穩定。
6.如權利要求I所述的一種光伏交直流智能配電箱，其特徵在於遠程通訊功能使用RS232通訊接口，由單片機的RXD、TXD引腳通過光耦隔離單元驅動，支持標準Modbus RTU協議，方便系統集成，可將監控數據傳輸到上位機系統以及客戶端交互式應用平臺，方便用戶隨時了解發電系統運行情況。
全文摘要
一種光伏交直流智能配電箱，具有光伏組件匯流、直流側檢測保護、交流側監測防孤島功能，主要為中小型併網光伏系統配電。所述智能配電箱可接入8路光伏組串，輸入迴路接熔斷器、防反二極體、高壓防雷器、斷路器，實現直流側多種保護作用，串聯繼電器可根據系統功率要求智能調節接入逆變器的光伏組串數，能巡檢每組串輸入和匯流後DC輸出的電流電壓，提供2路DC輸出，經逆變器升壓逆變濾波後，再接回配電箱，實時檢測逆變器輸出電流電壓和電網電壓，實現過/欠電壓、電流保護和反孤島策略，當系統存在故障信號時，交流側繼電器自動切斷向電網的供電。所述配電箱保護功能多，系統安全性高，採用一體化結構設計，經濟實用。
文檔編號H02J3/38GK102931684SQ20121044907
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者孫以澤, 董曉偉, 陳玉潔, 孟婥 申請人:東華大學, 上海盟津光電科技有限公司