一种光伏组件安全快速关断装置及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电系统和安全技术领域，尤其涉及一种光伏组件安全快速关断装置及控制方法。

背景技术

光伏发电系统中，传统的串联光伏阵列具有很高的电压，存在着“直流高压风险”与“施救风险”两大隐患。在传统的串联型系统中，整串线路电压累积一般可以达到600V-1000V的高压。由于光伏组件接头接点松脱、接触不良、电线受潮等原因极容易引起直流拉弧现象，引发火灾。另外，由于拉弧或因外部原因发生火灾意外时，对于直流侧而言，只要有光照光伏组件就会发电，高压则一直存在，施救十分危险，消防队员无法进行现场施救，只能从远处控制火势。因此，为了提高光伏系统的安全性，通常要求为光伏组件配备快速关断装置，可以将光伏组件互相之间的连接关断，从而保证带电导体之间的电压不超过定义的安全数值，随着技术的进步，单体光伏组件电压已经提高至安全电压以上，光伏组件互相之间的连接关断方式存在安全隐患。

目前常用的快速关断装置，当其关断，不能保证单体光伏电池组件电压不超过规定的安全数值，从而不满足NEC2017的标准。

发明内容

发明目的：针对现有的快速关断装置不能在满足快速保证单体光伏组件电压不超过规定的安全数值切断供电的要求的同时，为消防提供保障的问题，本发明提出一种光伏组件安全快速关断装置及控制方法，使单体光伏组件的输出短路，从而保证单体光伏组件的安全。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种光伏组件安全快速关断装置，所述快速关断装置包括有开关器件、温度采集模块、开关器件驱动电路、保持器件驱动电路、保持器件、电压采集模块和控制模块，光伏组件并联所述开关器件、保持器件和电压采集模块，所述开关器件、保持器件和电压采集模块也相互并联，所述控制模块通过开关器件驱动电路电性连接开关器件，所述控制模块通过保持器件驱动电路电性连接保持器件，所述温度采集模块采集光伏组件的温度，并将所述采集到的温度数据传输至控制模块中，且所述电压采集模块的输出端电性连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端电性连接通讯模块的输入端。

进一步地讲，所述快速关断装置还包括有二极管，所述二极管和光伏组件之间相互并联。

进一步地讲，所述开关器件、温度采集模块、保持器件、电压采集模块和控制模块可以部分或全部和光伏组件进行集成。

进一步地讲在光伏组件正常工作的过程中，所述开关器件和保持器件均处于断开的状态。

进一步地讲，在光伏组件关断的过程中，所述保持器件在开关器件闭合之后再进行闭合。

进一步地讲，在光伏组件关断的过程中，所述保持器件和开关器件可以同期进行闭合。

一种光伏组件安全快速关断装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括如下步骤：

S1：在光伏组件阵列的控制系统中，将每个所述光伏组件均电性连接一个快速关断装置，且将所有所述快速关断装置进行串联，同时所有所述快速关断装置串联后均电性连接数据采集器的输入端；

S2：根据所述控制系统中光伏组件的串并联顺序，对所有所述光伏组件进行排序，并标记出每个所述光伏组件对应的排列序号；

S3：根据所述所有光伏组件的排列序号，将每个所述光伏组件中对应的开关器件进行闭合，所述开关器件均进行闭合后，通过预设时间后，再闭合所述光伏组件中对应的保持器件，直至所述所有开关器件和保持器件均闭合。

进一步地讲，在所述保持器件闭合后，所述开关器件可以闭合也可以断开。

进一步地讲，在所述步骤S3中，当所述控制系统中的多个光伏组件组成的串联电路并联而快速关断装置串联，同时每个所述串联电路中光伏组件的数量不相同时，所述所有开关器件和保持器件均闭合，具体如下：

第一步：根据所述多个光伏组件组成的串联电路，确定出每个所述串联电路中对应的光伏组件数目；

第二步：将每个所述串联电路对应的光伏组件数目进行比较，并按预先规定的顺序进行排序；

第三步：根据所述排序后的顺序，确定出相邻串联电路之间光伏组件数目之间的差值，同时选出最大所述光伏组件数目对应的串联电路，并在所述最大光伏组件数目对应的串联电路中，闭合所述最大光伏组件数目对应的串联电路和相邻串联电路之间光伏组件数目之间的差值相同数目的开关器件；

第四步：重复所述第三步，直至所有所述串联电路中的光伏组件数目和排序后的最小光伏组件数目相同；

第五步：根据所述未闭合开关器件的光伏组件数目相同的所有串联电路，每闭合一个所述串联电路中的开关器件，其它所述串联电路中的开关器件也进行闭合，且其它所述串联电路中开关器件的闭合时间和第一个开关器件的闭合时间相同，所述保持器件在对应的开关器件闭合后再进行闭合，或者和所述开关器件同期闭合；

第六步：重复所述第五步，直至每个所述光伏组件对应的开关器件和保持器件均进行闭合。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

在发出火灾或其他预警之后，控制器会按照控制序列将光伏组件依次短路，从而便于现场救火，再通过保持器件的配合动作，保证了在快速关断装置失电的情况下，也能维持组件的短路状态，进而保证安全快速关断装置的有效性。

附图说明

图1是本发明快速关断装置的示意图；

图2是本发明系统控制策略的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种光伏组件安全快速关断装置，该光伏组件安全快速关断装置包括有开关器件、温度采集模块、开关器件驱动电路、保持器件驱动电路、保持器件、电压采集模块和控制模块。在本实施例中，开关器件可以为MOS管、三极管、IGBT、IGCT或可控硅单体单个器件，也可以是其他电气可控的开关器件，甚至还可以是多个电气可控开关器件的组合。保持器件为磁保持继电器、继电器的常闭触点、可控硅或是其他非自恢复断开状态的开关器件，也可以多个非自恢复断开状态开关器件的组合。

其中有的光伏组件内部设置有二极管，有的光伏组件内部未设置有二极管，若光伏组件内部设置有二极管，则本实施例中的光伏组件安全快速关断装置只包括有开关器件、温度采集模块、开关器件驱动电路、保持器件驱动电路、保持器件、电压采集模块和控制模块。若光伏组件内部未设置有二极管，则本实施例中的光伏组件安全快速关断装置除了开关器件、温度采集模块、开关器件驱动电路、保持器件驱动电路、保持器件、电压采集模块和控制模块之外，还包括有二极管。

在本实施例中，光伏组件内部未设置有二极管，从而本实施例中的光伏组件安全快速关断装置包括有二极管、开关器件、温度采集模块、开关器件驱动电路、保持器件驱动电路、保持器件、电压采集模块和控制模块。具体地讲光伏组件的正极电性连接二极管的阴极、负极电性连接二极管的正极，二极管并联开关器件、保持器件和电压采集模块。也就是说，光伏组件的正极电性连接二极管的阴极、开关器件的输入端、保持器件的输入端和电压采集模块的输入端，光伏组件的负极电性连接二极管的正极、开关器件的输出端、保持器件的输出端和电压采集模块的输出端。同时温度采集模块采集光伏组件的温度，并将采集到的光伏组件对应的温度数据传输至控制模块中，且电压采集模块的输出端电性连接控制模块的输入端，控制模块的输出端电性连接通讯模块的输入端。

为了确认开关器件与保持器件的状态信息，开关器件的输出端与保持器件的输出端均电性连接有数据采集器的输入端。

在本实施例中，控制模块通过开关器件驱动电路电性连接开关器件，即开关器件的输入端电性连接开关器件驱动电路的输出端，开关器件驱动电路的输入端电性连接控制模块的输出端。同时控制模块通过保持器件驱动电路电性连接保持器件，即保持器件的输入端电性连接保持器件驱动电路的输出端，保持器件驱动电路的输入端电性连接控制模块的输出端。

值得注意的是，开关器件、温度采集模块、保持器件、电压采集模块和控制模块可以部分或全部和光伏组件进行集成。

同时在光伏组件正常工作的过程中，开关器件和保持器件均处于断开的状态。在有安全需求，需要关断光伏组件时，本实施例中光伏组件安全快速关断装置实现的思路是将单体光伏组件进行闭合，且在此过程中可能会产生电弧。为了可靠保持器件在开关器件关闭合之后再进行关闭合。具体地讲，首先关闭合开关器件，这是由于开关器件闭合，会将光伏组件闭合输出短路，从而光伏组件的电压就不会超过安全电压。而在开关器件闭合预设时间后，再闭合保持器件。这是由于当保持器件闭合后，保持器件或部分开关器件的掉电保持特性，即使光伏组件安全快速关断装置中的电源缺失，光伏组件仍会处于安全电压内，从而保证了施救安全，且在施救完成后，通过控制指令，可以让保持器件与开关器件断开，进而恢复正常工作状态。值得注意的是，在实际实施中开关器件和保持器件也可以是同一个器件。

本实施例还提供了一种光伏组件安全快速关断装置的控制方法，该控制方法具体包括如下步骤：

步骤S1：参考图2，在光伏组件阵列的控制系统中，将每个光伏组件均电性连接一个快速关断装置，且将所有快速关断装置之间进行串联，且在所有快速关断装置串联后均电性连接数据采集器的输入端，这是为了通过数据采集器采集每个快速关断装置中的开关器件与保持器件的状态信息，也可以采集光伏组件的温度和电压等信息。其中数据采集器的个数可以根据使用者的具体需求进行选择，也就是说，数据采集器的个数可以为一个，也可以是多个。

步骤S2：根据控制系统中光伏组件的串并联顺序，对所有光伏组件进行排序。在本实施例中，根据控制系统中光伏组件的串并联顺序，将所有光伏组件按照图2中的标号进行排序，即按照从左到右和从上到下的顺序将所有光伏组件进行排序，并标记出每个光伏组件对应的排列序号。

步骤S3：根据步骤S2中所有光伏组件的排列序号，对每个光伏组件中对应的开关器件进行闭合，且在开关器件进行闭合后，通过预设时间后，再关闭每个光伏组件中对应的保持器件，供电进而停止光伏直流系统的对外输出，从而避免了光伏阵列的不安全电压输出。其中预设时间的选择和电路时间常数有关，预设时间可以为零，即开关器件和保持器件可以同期动作。在本实施例中，预设时间选择为200毫秒。

具体地讲，根据步骤S2中所有光伏组件的排列序号，对每个光伏组件中对应的开关器件和保持器件进行闭合，具体为：

当控制系统中的多个光伏组件串联而快速关断装置串联或并联时，每个光伏组件中对应的开关器件可以根据所有光伏组件的排列序号依次进行闭合，也可以同时进行闭合，甚至还可以预设个数的开关器件同时进行闭合。其中预设个数的大小数量的多少可以根据光伏组件和电子开关器件的容量大小进行具体选择，保持器件均在开关器件闭合后闭合，或者和开关器件同期闭合。

当控制系统中的多个光伏组件并联而快速关断装置串联或并联时，其和当控制系统中的多个光伏组件串联而快速关断装置串联或并联时情况相同，即两种情况对应的开关器件和保持器件闭合方式一致，此处不再重复进行阐述。

当控制系统中的多个光伏组件串并联而快速关断装置并联时，其和控制系统中的多个光伏组件处于串联或并联时情况相同，即两种情况对应的开关器件和保持器件闭合方式一致，此处也不再重复进行阐述。

当控制系统中的多个光伏组件串并联而快速关断装置串联时，对每个光伏组件对应的开关器件和保持器件进行闭合，具体如下：

第一步：根据多个光伏组件组成的串联电路，确定出每个串联电路中对应的光伏组件数目。

第二步：将每个串联电路对应的光伏组件数目进行比较，并按预先规定的顺序进行排序。其中预先规定的顺序既可以是从大到小，也可以是从小到大。在本实施例中，预先规定的顺序选择为从大到小，即将所有串联电路按照每个串联电路中对应的光伏组件数目的大小，从大到小进行排序。

第三步：根据排序后的顺序，将相邻两个串联电路之间的光伏组件数目进行比较，确定出相邻两个串联电路之间光伏组件数目之间的差值，同时从中选出最大光伏组件数目对应的串联电路，并在最大光伏组件数目对应的串联电路中，闭合最大光伏组件数目对应的串联电路和相邻串联电路之间光伏组件数目之间的差值相同数目的开关器件。

第四步：重复上述第三步，直至所有串联电路中的光伏组件数目和排序后的最小光伏组件数目相同。参考图2，所有串联电路中的光伏组件数目和排序后的最小光伏组件数目相同，即以并联方向上的第一列的光伏组件排列序号为例，图2在并联方向上所有光伏组件的排列顺序为1-1、2-1、…、M-1。以串联方向上的第一行的光伏组件排列序号为例，在串联方向上所有光伏组件的排列顺序为1-1、1-2、…、1-(N-1)、1-N。也就是说，图2中有N列M行光伏组件。

第五步：根据未闭合开关器件的光伏组件数目相同的所有串联电路，每闭合一个串联电路中的开关器件，其它串联电路中的开关器件也进行闭合，且其它串联电路中开关器件的闭合时间和第一个开关器件的闭合时间相同。即也就是说，当图2中排列序号为1-2的光伏组件对应的开关器件闭合，则在排列序号为2-1、…、M-1的光伏组件所在的其它串联电路中，均有一个光伏组件对应的开关器件也进行了闭合。同时其它串联电路中光伏组件对应的开关器件的闭合时间和排列序号为1-2的光伏组件对应的开关器件的闭合时间相同。

第六步：重复上述第五步，直至每个光伏组件对应的开关器件进行闭合，即所有开关器件均进行闭合，保持器件可在开关器件闭合后闭合，或者和开关器件同期闭合。

以上示意性的对本发明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发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此，比如扩展出一个控制模块控制多个开关器件和保持器件，进而实现一个控制模块对多个光伏组件的情况。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，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，均属于本发明的保护范围。