一種匯流箱保護裝置的製作方法

2023-10-18 07:01:14

本實用新型涉及光伏發電領域，具體涉及一種匯流箱保護裝置。

背景技術：

匯流箱是一種應用在光伏發電系統的電氣設備，其負責將光伏組件產生的直流電，經過其一次匯流後，傳送到光伏逆變器。為了保證發電的可靠性、安全性，匯流箱配有防雷、過電流和過負荷等保護。但是，與匯流箱連接的光伏電纜出現故障率最高的是單極接地故障(正極接地或負極接地)，此類故障引發非故障極的電壓升高，匯流箱內部的器件在高壓的情況下被擊穿，從而引發火災。由於傳統匯流箱的電流檢測精度僅為3％～5％，無法精確檢測到組串支路，而且電流的大小受周圍光照和環境溫度影響比較大。因此這是匯流箱設計中的一類缺陷。

本發明人曾就此問題申請過專利文件，申請號為「CN201521132948.9」、專利號為「CN205509468U」，名為匯流箱保護裝置的實用新型。該實用新型提出了採集單元、邏輯單元及執行單元的結構，邏輯單元與採集單元電連接從而接收從採集單元傳來的電壓信號，然後將該電信號與比較電壓進行比較，當該電壓信號與比較電壓的差的絕對值大於或等於設定值時邏輯單元向執行單元發送指令；以及執行單元與邏輯單元電連接並根據從邏輯單元傳來的指令控制斷路器分閘。該發明解決了短路檢測保護問題。但是，原有專利提及的匯流箱是通過繼電器控制接觸器通斷來實現直流斷路器合分閘功能。它的機械動作頻繁，故障率高，使用壽命短。在光伏應用過程中，匯流箱通常採用16進1和10進1兩種形式。由於每匯流箱分別串接16或10支路的光伏組件，因此，匯流箱保護有多支路同時檢測的要求。傳統匯流箱的光伏支路採用熔絲相當於增加了直流節點，由於晝夜溫差的影響，加速熔絲的熱疲勞效應，當熔絲節點接觸不良時，其熔斷時間變長。在這種「將斷未斷」的情況下，會破壞線纜和熔絲盒的絕緣，最終引發著火事故。匯流箱內部螺栓鬆動，與其情況類似。

當直流電纜發生接地故障時，正常電纜上流經的電流會經過光伏逆變器直流柜上母線出匯流後「反灌」到故障電纜。故障電纜上連接光伏逆變器的斷路器由於電流過大而跳閘。但是，匯流箱中斷路器的電流並沒有增大，此時，匯流箱設備出現接地極電壓低，非接地極電壓抬高。這是光伏發電系統本身存在的一種隱患，應予以考慮可以採取措施加以控制。鑑於上述的缺陷，本發明人積極研究創新，提出一種適應於光伏發電系統的匯流箱保護裝置，能夠有效地防止故障進一步擴大。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種能夠多線、多點保護的匯流箱保護裝置，有效排查、檢測、控制匯流箱可能出現的各種電路問題。

為了達到上述目的，提供一種匯流箱保護裝置，所述匯流箱包括光伏電纜、直流電纜和斷路器，所述匯流箱保護裝置包括採集單元、邏輯單元以及執行單元；和

所述採集單元採集直流電纜的電壓信號及至少一條光伏電纜支路上的電壓信號；和

所述的邏輯單元包括至少兩個並聯的比較模塊，比較模塊與所述採集單元電連接，其中一個比較模塊接收所述直流電纜上的電壓信號，其他比較模塊接收所述光伏電纜支路的電壓信號，比較模塊均包括窗口比較器和二極體，窗口比較器接入電壓信號以及比較電壓，輸出端串聯二極體，各二極體的輸出端接入執行單元，任一比較模塊的電壓信號與比較電壓差的絕對值大於或等於設定值時向所述執行單元發送斷路器跳閘指令；和

所述執行單元與所述邏輯單元電連接並根據所述邏輯單元傳來的指令控制所述斷路器分閘。

本實用新型中對針對邏輯單元進行改進，主要對比較模塊進行並聯，即模塊的輸入端分別接入採集的電壓，但輸出端合流。採集單元採集多個電壓值，這個電壓值包括直流電纜上的電壓信號和光伏電纜上的電壓信號，其中一個比較模塊接入直流電纜上的電壓信號，其餘比較模塊接入光伏電纜上的電壓信號進行邏輯判斷，當任一比較模塊的電壓信號與比較電壓的差的絕對值大於或等於設定值時，說明電纜發生短路故障，向執行單元發送指令從而控制斷路器。

可認為，至少有一個用於直流電纜監控的比較模塊和一個用於光伏電纜監控的比較模塊，在本實用新型中，實際上可以是多個用於光伏電纜監控的比較模塊，其連接形式仍然是並聯，這樣是可實現多路線的監控。

優選的，還包括導引線；所述採集單元還採集光伏逆變器側的電壓信號；和所述的邏輯單元還包括直流電纜故障識別模塊，直流電纜識別模塊與比較模塊並聯，所述的邏輯單元還包括直流電纜故障識別模塊，直流電纜識別模塊與比較模塊並聯，所述直流電纜故障識別模塊接收光伏逆變器側的電壓信號、直流電纜上電壓信號和比較電壓，光伏逆變器側的電壓信號與直流電纜上電壓信號的差的絕對值大於比較電壓的閾值時，輸出匯流箱跳閘信號，匯流箱跳閘信號通過導引線傳送至光伏逆變器，控制光伏逆變器側的直流斷路器跳閘。

由於直流電纜上電壓差值絕對值大於或等於設定值的情況存在兩種可能，即直流電纜故障和光伏逆變器直流側故障，為了識別故障，本實用新型增設了直流電纜故障識別模塊，取光伏逆變器側的電壓信號、直流電纜上的信號做差與比較電壓進行比較，從而判斷是否是直流電纜故障。當屬於直流電纜故障時，輸出匯流箱跳閘信號，匯流箱跳閘信號通過導引線傳送至光伏逆變器，控制光伏逆變器側的直流斷路器跳閘。

優選的，所述邏輯單元還包括三極體T3，接收直流電纜電壓信號的比較模塊中的窗口比較器的輸出端接入所述三極體T3的集電極，所述直流電纜故障識別模塊的輸出端接入所述三極體T3的基極，所述三極體T3的發射極與導引線相連,當光伏逆變器的電壓信號與直流電纜上電壓信號的差大於比較器電壓的閾值，且接收直流電纜的比較模塊的電壓信號與比較電壓差的絕對值大於或等於設定值時向執行單元發送指令。

進一步地，所述邏輯單元還包括三極體T2，並聯的比較模塊輸出的信號所述三極體T2的集電極，三極體T3的發射極接入三極體T2的基極，所述三極體T2的發射極連接導引線。

優選的，所述的導引線為RS485導引線。

優選的，所述的直流電纜故障識別模塊包括運算放大器和比較器，所述運算放大器接入光伏逆變器側的電壓信號和直流電纜上的電壓信號，比較器的輸入端分別接入運算放大器的輸出端和比較電壓。

進一步地，所述的直流電纜故障識別模塊包括並聯的正極直流電纜識別模塊和負極直流電纜識別模塊，所述的正極直流電纜識別模塊接入光伏逆變器側和直流電纜上的正電壓，正極直流電纜識別模塊中的比較器輸出端接入二極體；和所述的負極直流電纜識別模塊接入光伏逆變器側和直流電纜上的負電壓，負極直流電纜識別模塊的比較器輸出端接入二極體，任一識別模塊中的光伏逆變器側的電壓信號與直流電纜上電壓信號的差大於比較電壓的閾值時，輸出匯流箱跳閘信號。

優選的，所述邏輯單元還包括熔絲識別模塊，熔絲識別模塊與比較模塊並聯，所述熔絲識別模塊接收直流電纜的電壓信號、光伏電纜的電壓信號和比較電壓，當直流電纜的電壓信號與光伏電纜的電壓信號的差大於比較電壓，向所述執行單元發送指令。

熔絲識別模塊又可作為螺栓鬆動識別模塊。

優選的，所述的熔絲識別模塊包括運算放大器、比較器和二極體，所述運算放大器分別接入光伏逆變器的電壓信號和直流電纜的電壓信號，所述比較器分別接入運算放大器的輸出端和比較電壓。

進一步地，所述的熔絲識別模塊包括並聯的正極熔絲識別模塊和負極熔絲識別模塊，所述的正極熔絲識別模塊接入光伏電纜和直流電纜的正電壓，所述的負極熔絲識別模塊接入光伏電纜和直流電纜的負電壓，任一識別模塊的直流的電纜電壓信號與光伏電纜的差大於比較電壓，向所述執行單元發送指令。

優選的，所述採集單元採集直流電纜的電壓信號及至少兩條光伏電纜支路上的電壓信號；和

所述的邏輯單元包括至少三個並聯的比較模塊，其中一個比較模塊接收所述直流電纜上的電壓信號，另有至少兩個比較模塊接收所述光伏電纜支路的電壓信號，接收光纜支路電壓信號的每個比較模塊接收分別不同的光伏電纜支路上的電壓信號。

進一步地，所述邏輯單元還包括熔絲識別模塊，所述熔絲識別模塊接收直流電纜的電壓信號、比較電壓和採集單元採集的至少兩個光伏電纜的電壓信號，多個光伏電纜的電壓信號串聯二極體後接入運算放大器和比較器，當直流電纜的電壓信號與光伏電纜的電壓信號的差大於比較電壓，向所述執行單元發送指令。

進一步地，所述的邏輯單元還包括保護模塊，並聯的比較模塊的輸出信號接入保護模塊連接，保護模塊輸出信號至執行單元。

優選的，所述的執行單元包括門極可開斷晶閘管。

優選的，所述的採集單元包括依次連接的分壓電路、濾波器、電壓跟隨器、光電耦合器和穩壓管。

本實用新型公開了一種最有選的方案，一種匯流箱保護裝置，所述匯流箱包括光伏電纜、直流電纜和斷路器，所述匯流箱保護裝置包括採集單元、邏輯單元以及執行單元；和

所述採集單元採集直流電纜的電壓信號及至少一條光伏電纜支路上的電壓信號、光伏逆電器側電壓信號；和

所述的邏輯單元包括至少兩個比較模塊、直流電纜故障識別模塊，熔絲識別模塊，其中一個比較模塊接收所述直流電纜上的電壓信號，其他比較模塊接收所述光伏電纜支路的電壓信號，所述直流電纜故障識別模塊接收直流電纜上的電壓信號以及光伏逆變器側的電壓信號，所述熔絲識別模塊接收直流電纜上的電壓信號以及光伏電纜上的電壓信號，直流電纜故障識別模塊中直流光伏逆變器側的電壓信號與直流電纜上的電壓信號的差大於比較器電壓的閾值，且接收直流電纜的比較模塊中，電壓信號與比較電壓的差的絕對值大於或等於設定值時，輸出高電平信號，其餘比較器中電壓信號與比較電壓的差的絕對值大於或等於設定值，輸出高電平信號，熔絲識別模塊中直流電纜的電壓信號大於光伏電纜電壓信號時，輸出高電平信號；三者之一為高電平信號時將傳送至執行單元發送指令，所述的絕對值運算採用窗口比較器；和

所述執行單元與所述邏輯單元電連接並根據所述邏輯單元傳來的指令控制所述斷路器分閘。

一種匯流箱保護方法，包括如下步驟：

用採集單元採集直流電纜電壓信號Uz、至少一條光伏電纜電壓信號Ui、光伏逆變側電壓信號Um；

邏輯單元接收採集單元採集的對電壓信號Uz、Ui、Um以及比較電壓Uε1、Uε2、Uε3進行邏輯運算：

當滿足((|UZ+-UZ-|>Uε1)and(Um-Uz>Uε3))or(|Ui+-Ui-|>Uε1)or(Ui-Uz＞Uε2)時向執行單元發送執行信號；

執行單元根據所述邏輯單元傳來的指令控制所述斷路器分閘。

其中，|UZ+-UZ-|>Uε1的運算和|Ui+-Ui-|>Uε1的運算採用窗口比較器執行，or運算通過並聯的二極體執行，and運算通過三極體執行。

本實用新型對邏輯單元內部進行了改進和補充，對比較模塊進行了並聯處理，比較模塊分別接收光伏電纜和直流電纜的電壓信號，通過窗口比較器進行邏輯運算，當符合差值大於等於比較電壓絕對值時輸出信號，輸出的信號通過二極體將多路的比較器進行並聯，達到了任一一路上有信號輸出，則發送至執行單元，藉由執行單元控制斷路器的合閘、分閘。

本實用新型中的邏輯單元還設有熔絲識別模塊和直流電纜故障識別模塊，均採用採集電壓值進行邏輯運算的方式，在邏輯單元內部形成了多類別的識別監控邏輯運算單元，可對故障進行及時處理及分析，具有較好的效率。

本實用新型的有益效果為：夠識別出多組串光伏電纜故障、直流電纜故障、熔絲或螺栓鬆動故障。避免了傳統匯流箱保護中因方法缺陷而產生的誤差，同時保護裝置不受周圍光照和環境溫度的影響。因此，在實際運行維護中更能夠以安全為主，在故障時保護裝置動作靈敏，為系統安全穩定性提供了有力的保障。而且，這也減少了人為排查故障的可能，降低了實際運維人員的工作量。

應理解，在本實用新型範圍內中，本實用新型的上述各技術特徵和在下文(如實施方式)中具體描述的各技術特徵之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限於篇幅，在此不再一一累述。

附圖說明

圖1是本實用新型匯流箱低電壓保護系統結構示意圖；

圖2是本實用新型中採集單元的原理圖；

圖3是本實用新型中邏輯單元的原理圖；

圖4是本實用新型窗口比較器輸出示意圖；

圖5是本實用新型直流電纜故障示意圖；

圖6是本實用新型中熔絲故障的原理圖。

具體實施方式

以下將結合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細說明，以便更清楚理解本實用新型的目的、特點和優點。應理解的是，附圖所示的實施例並不是對本實用新型範圍的限制，而只是為了說明本實用新型技術方案的實質精神。

術語說明

匯流箱：匯流箱主要作用就是把光伏陣列的輸入進行一級匯流，用來減少光伏陣列接入到逆變器的連線，同時提供防雷功能，檢測光伏板的運行狀態、直流量狀態採集及斷路器狀態等。

光伏逆變器：光伏逆變器是通過電力電子器件(MOSFET、IGBT等)連接電阻電容，以脈衝寬度調製的方式控制器件的通斷，把匯流箱傳輸來的直流電轉變成交流電，同時完成光伏組件的最大功率點跟蹤(MPPT)，保證智能控制及反孤島效應等。

斷路器：所設計的分合裝置，能夠關合、通斷和承載正常狀態的電流；並且能在非正常運行狀態下，也能夠進行關合、分斷以及一定時間內的導通與通斷。

門極可關斷晶閘管(GTO)：門極可關斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件，可以通過在門極施加脈衝電流控制其通斷；由於該器件的電壓，電流容量較大，與普通晶閘管接近，因此可以在大功率場合有較多應用。

一種匯流箱保護裝置，如圖1所示，所述匯流箱包括光伏電纜41、42，直流電纜43、44，斷路器60，採集單元10、邏輯單元20以及執行單元30。

採集單元10用於採集直流電纜和光伏電纜支路上的電壓信號，其原理如圖2所示，採集單元10串聯分壓電路11、濾波電路12、電壓跟隨器13、光電耦合器14和穩壓管15。Udc為待檢測直流電壓，霍爾電壓傳感器採集到的電壓信號經過分壓電路11使其電壓限制在合適的範圍；RC濾波器12濾除採集信號中的噪聲；電壓跟隨器13可以確保輸出信號不受輸入電路的電阻的幹擾，起到防止電壓衝擊的作用；光電耦合器14有效地實現阻斷電路之間的電聯繫，而且不切斷他們之間的信號傳遞，隔離性能好，不受電磁波幹擾，工作穩定可靠；穩壓管15將輸出電壓Upot限制在一定範圍，起到保護電路的作用。

邏輯單元20如圖3所示，包括多個比較模塊21、直流電纜故障識別模塊22、熔絲識別模塊23和保護模塊24。各比較模塊21、直流電纜故障識別模塊22和熔絲識別模塊23並聯，儘管輸入端接收的信號不同，單輸出端合流接入執行單元。各比較模塊21由運算放大電路、窗口比較器和二極體組成。各個比較模塊21的區別在於接入的電壓值不同，其中一個比較模塊21接入直流電纜的電壓Uz+和Uz-，其餘的比較模塊的分別接入U1+、U1-，U2+、U2-……Un+、Un-。其中，運算放大電路由兩個運算放大器串聯，其中一運算放大器輸入信號是電纜正極和接地，以接入光伏電纜的比較器為例，電纜正極為U1+，該運算放大器的輸出信號輸入至另一運算放大器中，另一運算放大器的另一連接端與電纜負極U1-連接。運算放大器工作在線性區，運算放大器輸出的電壓Ua。窗口比較器由兩個比較器並聯組成，並聯的兩個比較器工作在非線性區域，輸出信號只有高電平和低電平，窗口比較器分別接入Uε1、-Uε1和Ua。當信號Ua大於Uε1時，比較器A1的輸出電壓Uo1＝UOH，比較器A2的輸出電壓U02＝-UoH。使得二極體D1導通，D2截止，輸出電壓Ub＝UOH；當信號-Uε1<UaUε1時，可以判定為直流電纜故障，如故障點f1，或光伏逆變器直流側故障，如故障點f2。l1為故障點f1到匯流l1箱的距離，l2為故障點f1到光伏逆變器的距離，l為匯流箱與光伏逆變器之間直流電纜的總長。本實用新型通過比較器比較匯流箱側的直流電纜電壓和光伏逆變器側的直流電纜電壓來識別出直流電纜故障和光伏逆變器直流側故障。

當光伏逆變器直流側故障下，直流電纜上流經的電流為I。由於光伏組件光電轉換的特殊性，該電流值的大小與正常運行狀態下的值相差不大。匯流箱側和光伏逆變器側電纜電壓分別為Um、Uz的函數關係滿足表達式(1)：

Um-Uz＝lIR (1)

式中R為單元長度直流電纜的電阻。

由於電纜長度l不大，因此表達式Um-Uz很小，會小於閥值電壓Uε3。

|Um-Uz|Uε3 (4)

依據式(2)和式(4)來識別出直流電纜故障和光伏逆變器直流側故障。當直流電纜故障時，匯流箱斷路器跳閘，並通過RS485通訊線傳遞給匯流箱跳閘信號。本實用新型的重點在於研究一種光伏匯流箱的保護系統，光伏逆變器直流側故障不屬於本實用新型研究的內容，不在此說明。

直流電纜識別模塊22通過三極體T3與直流電纜的比較模塊連接，接收直流電纜電壓信號的比較模塊中的窗口比較器的輸出端接入所述三極體T3的集電極，所述直流電纜故障識別模塊的輸出端接入所述三極體T3的基極，T3發射極連接比較模塊中的二極體。

施工及設備質量也是影響光伏電站發電的重要因素。熔絲和螺栓的使用增加了直流節點，為電站的運維安全埋下隱患。熔絲盒和螺栓對電纜施工質量要求高，經常出現接觸不良的現象，引起匯流箱拉弧或燒毀現象。由於接觸不良時，相當於在節點處串接了一電阻，如圖6示。因此在邏輯單元內設置熔絲識別模塊，熔絲識別模塊與螺栓鬆動識別模塊是相同含義。熔絲識別模塊23包括並聯的正極熔絲識別模塊和負極熔絲識別模塊，正極熔絲識別模塊與負極熔絲識別模塊的區別在於，正極熔絲識別模塊接入光伏電纜和直流電纜的正電壓，負極熔絲識別模塊接入光伏電纜和直流電纜的負電壓，所述的熔絲識別模塊包括運算放大器、比較器和二極體，以正極熔絲識別模塊為例，U1+、U2+……Un串聯二極體後並聯入運算放大器，運算放大器的輸出端接入比較器，比較器還接入比較電壓Uε2，比較器的輸出端接入二極體，實現正極或負極識別模塊的直流的電纜電壓信號與光伏電纜的差大於比較電壓，向所述執行單元發送指令。原理如圖6，Uk為光伏電纜的電壓，Ul為直流電纜電壓。其中，Uk與Ul的關係表達式為：

Uk-Ul＝IR (5)

通過比較器比較光伏電纜和直流電纜電壓差滿足不等式Uk-Ul>Uε2，來識別出熔絲或螺栓的鬆動，從而控制直流斷路器跳閘。

所述的直流電纜識別模塊22、比較模塊21和熔絲識別模塊23的各二極體的輸出端合流輸出，連接保護電路24，保護電路24與執行單元連接。

其中，邏輯單元還包括三極體T2，並聯的比較模塊輸出的信號所述三極體T2的集電極，三極體T3的發射極接入三極體T2的基極，所述三極體T2的發射極連接導引線。導引線70為RS485導引線。

執行單元包括控制門極可開斷晶閘管。

現有技術中電壓保護系統是通過繼電器控制接觸器通斷來實現直流斷路器合分閘功能。本實用新型利用門極可開斷晶閘管，使直流電流從零開始平穩上升，不僅能夠實現電路的無觸點控制，而且能夠防止斷路器內的彈簧線圈中的電流和電壓在控制過程中引起的過電壓。因此，本實用新型的控制系統動作靈敏、穩定性強。

邏輯單元輸出信號合閘信號001、分閘信號002時，各自的門極可開斷晶閘管注入門極電流Ig，門極可開斷晶閘管處於正向偏置，陽極電流隨IG的增大而逐漸增大，直至門極可開斷晶閘管進入導通狀態。傳統上使用繼電器控制接觸器通斷來實現直流斷路器合分閘過程中，繼電器中的線圈由於衝擊電流過大而損壞，繼電器與接觸器之間需存在電連接，故障率高。本實用新型克服了繼電器的缺點，在直流斷路器合分閘過程中，直流電流從零開始平穩上升，不僅能夠實現電路的無觸點控制，而且能夠防止斷路器內的彈簧線圈中的電流和電壓在控制過程中引起的過電壓。

以上已詳細描述了本實用新型的較佳實施例，但應理解到，在閱讀了解本實用新型的上述講授內容之後，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。