一种集成在光伏组件接线盒的智能监控器直流载波通信电路结构

技术领域

本发明涉及光伏组件接线盒监控器中所用直流载波通信电路（PLC）结构，尤其涉及一种集成在光伏组件接线盒的智能监控器用PLC结构，属于新能源光伏技术领域。

背景技术

一般光伏电站除了光伏组件外，还包括并网逆变器、光伏汇流箱等，特别是对于大型电站，这些设备的数量都非常巨大。根据实际需要，可能在光伏电站建立气象站，以获取当地光照度、风速等气象数据，作为光伏电站运行控制的参考。目前在较为先进的光伏电站中，在光伏电站级、光伏发电单元级和光伏汇流箱级都会配置监控回路，即三级监控回路，它们之间建立通信进行数据交换。光伏汇流箱级监控回路可以采集本光伏汇流箱连接的每个光伏组件串的电压和电流数据，以及本光伏汇流箱输出的总电流数据，经过通信链路将数据上传至光伏发电单元监控回路。光伏发电单元监控回路还与本单元的功率变换器通信，获取交流侧和直流侧电压电流数据。最终各光伏发电单元的运行数据经通信上传至光伏电站监控中心（也称光伏电站监控回路）。同时各光伏发电单元监控回路也接收光伏电站监控中心下发的控制命令，调节自身运行以满足上级要求。光伏电站监控中心还与远程监控中心通信，上传运行数据并接收远程控制命令。光伏组件背面有接线盒，结构如图1所示。组件内将一定数目串联的光伏电池片并联一只旁路二极管，当该光伏电池串因遮挡、老化等因素发电不足，为避免产生热斑效应，可使组件电流经旁路二极管流通。根据组件内串联的光伏电池片数目可并联数量不等的旁路二极管。综合成本和保护效果，目前常用的是每18个光伏电池片或者24个电池片并联一只旁路二极管。旁路二极管安装在接线盒内，并引出光伏组件的正负两个接线端子。一般光伏组件都是由3串光伏电池片组成。光伏组件异常工况包括故障、老化、遮挡等。目前串联的光伏组件中出现异常的组件通过旁路二极管续流，但是不能判断每个组件实际工况。如何获得所有光伏组件的运行数据，并准确判断出现异常的光伏组件，是提高光伏电站运营效率、维持正常运营的重要工作。

总结已有研究成果，光伏组件工作状态诊断方法有光伏组件巡检方法、红外图像分析方法。

光伏组件巡检方法是对光伏组件的电压、电流数据进行采集，并通过有线或无线载体传输到处理中心，再进行数据分析。集中式采集接线太多，容易产生次生故障如短路。分布式处理采用红外通信很不方便，且光伏组件受遮挡时采集单元不能工作。结合巡检，通过光伏组件和测量传感器的专门排列，以优化传感器配置和快速故障定位，如专利［大型光伏阵列的故障诊断方法201010251723.03]、文献［基于最优传感器配置的光伏阵列故障诊断，中国电机工程学报2011,V32No33]。这类方法旨在减少传感器数量，但对光伏组件安装和传感器配置都有特别要求，施工和维护不便。

红外图像分析方法是利用红外摄像方法采集光组件的红外图像，分析组件温度信息，从而判断光伏组件工况。文献［太阳光伏阵列的温度与红外特性分析，王培珍，太阳能学报，2005v26(1)]、文献［光伏阵列故障状态的识别研究，王培珍，合肥工业大学，2005]等都介绍了这种方法。该方法难以在线实时检测，数据汇集和处理不方便。国外专利，专利［US20110282600A1System and method for photovoltaic plant power curvemeasurement and health monitoring 数据用于光伏电站运行监控。专利［US20090182532MONITORING UNIT FOR PHOTOVOLTAIC MODULES ］和专利［US20110316343A1PHOTOVOLTAIC MODULE WITH INTEGRATED DIAGNOSTICS ］分别设计了一种光伏组件监控单元，集成温度传感器、电压电流传感器和无线收到器，前者还集成了移动传感器用于防盗，温度传感器用于监视火灾和光伏组件异常，无线收发器用于通信。此类专利设计了监控单元都使用无线通信，成本和功耗高，并且没有对温度传感器测点进行具体设计，测量数据没有给出明确的用途。

国内专利中，中国农业大学申请的专利（专利公布号102723394A，一种光伏组件接线盒）中设计了新型光伏组件接线盒。在光伏组件背面的每只单体光伏电池的后面，安装热敏电阻，以间接获得每只单体光伏电池温度，在常规光伏组件接线盒基础上，增加光伏组件监控回路。用于采集该光伏组件电压温度运行参数，并通过光伏组件端子连接的直流电力线进行载波通信，以上传所采集的运行参数。以热敏电阻、数据处理回路、耦合回路、控制电源和超级电容组成一个光伏组件的监控回路，该发明要将直流载波通信集成到接线盒里面（最大限度降低光伏组件采集系统的成本），其面临的最大问题是电流信号的耦合与解耦，电流信号的耦合与解耦主要采用的是互感器，如果直接从光伏组件线缆中的电流中解析出直流载波信号只能采用磁环互感器，其中一根光伏组件线缆从磁环中穿过，这样带来的问题首先是磁环的体积大，目前光伏接线盒没有位置能放下；其次实际生产工艺很麻烦，操作一致性差。而其它一些专利则都是简单论述采用无线通信方式或者电力线载波方式来进行监控等，却没有开创性的电路结构来真正实现对光伏组件运行状态的监控。

针对以上提到的一些问题，实际投运的光伏电站一般没有配置监控到每只光伏组件级别的管理系统，已经提出的基于巡检或红外图像的光伏组件监控方法由于固有缺陷难以适应实际需要，因此光伏发电单元监控回路和光伏电站监控中心由于数据源信息有限而难以发挥有效作用。目前智能监控器在光伏发电系统具有广泛的应用，在光伏发电系统中，由于各种原因会造成组件衰减，热斑，PID效应， 甚至接线盒二极管烧毁，轻则造成发电量的损失，重则造成火灾等，会引发严重后果。传统的外接监控器，功耗高，通信采用无线通信，可靠性低；且成本高，效率低，从而限制了其推广应用。而内接监控器的接线盒则由于体积较大、成本较高，结构有缺陷，很难真正实现大数据高可靠监控。因此本发明提出了对光伏组件接线盒进行重新设计，对里面的电力线载波通信结构专门进行单独设计，以解决智能接线盒监控中电力线载波通信的问题，从而带动解决光伏电站中数量巨大的光伏阵列管理问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种集成在光伏组件接线盒的智能监控器，由CPU模块，辅助电源，AD采样模块、直流PLC 模块和直流载波通信模块构成，所述辅助电源采用开关电源或者通过三极管组成线性电源，所述AD 采样模块采用电阻分压，所述直流载波通信模块采用电流载波模式传输信号。

上述的集成在光伏组件接线盒的智能监控器电力线载波通信模块，其中：所述直流PLC 模块由电流互感器T1，电流互感器T1原边侧电容C1，电流互感器T1副边侧电容C2，电阻R1以及PLC 输入电压信号处理单元构成，所述电流互感器磁芯采用铁粉芯或铁氧体磁芯，所述电流互感器由L1路，L2路和L3路三路组成；L3路为PLC 输出信号，输出电流信号通过CPU模块输出一定频率的PWM电压信号，PWM电压信号通过电阻R1和互感器T1电感L3产生对应频率的电流，再通过互感器T1电感L3传递出去；互感器T1电感L2输入电流信号通过与电容C2谐振使对应频率的信号进入PLC 输入电压信号处理单元，再由CPU模块和AD采样模块解析出信号的数据

本发明对比现有技术有如下的有益效果：利用本发明的电流型电力线载波通信结构实现的光伏组件接线盒智能监控器，成本低，效率高，通信可靠，且驱动简单，易于实施。

附图说明

图1为传统接线盒结构

图2为引用发明专利中耦合线圈结构

图3为本发明集成在光伏组件接线盒的智能监控器电路方框示意图；

图4为图3中直流PLC 模块的电路方框示意图。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图3为本发明集成在光伏组件接线盒的智能监控器电路方框示意图；图4为图3中直流PLC 模块的电路方框示意图。

请参见图3和图4，本发明提供的集成在光伏组件接线盒的智能监控器，由光伏组件、光伏组件PV 电压电阻分压、AD采样模块、辅助电源、直流载波通信模块、CPU模块构成；本发明采用的CPU模块为普通低功耗的CPU，电源可以采用普通的三极管组成的线性电源（本发明的主要耗电部分为CPU），AD 采样模块采用电阻分压；直流载波通信模块采用电流载波通信模式，相比于传统的电压载波模式，电流PLC优点在于一串组件的信号是相同的（一串电流一样），不会衰减，同时抗干扰能力很强，如图4所示，其主要由电流互感器T1，互感器T1原边侧电容C1，互感器T1副边侧电容C2，R1以及U1构成，电流互感器磁芯采用普通的铁粉芯或铁氧体磁芯，互感器由L1路，L2路和L3路三路组成；L3路为PLC 输出信号，输出电流信号主要是通过CPU输出一定频率的PWM电压信号产生，PWM电压通过电阻R1和互感器T1电感L3产生对应频率的电流，再通过互感器T1电感L3传递出去；互感器T1电感L2输入电流信号通过与C2谐振使对应频率的信号进入PLC 输入电压信号处理单元，再由CPU模块和AD采样模块解析出信号的数据。

本发明在不改变目前接线盒电流属性的前提下，能很简单地耦合与解耦直流载波信号；利用电容的属性，其具有通高频，阻低频的特性。

运用本发明的光伏组件接线盒的监控器适合所有光伏组件，可以监控光伏组件的运行情况以及其随时间及外界环境的变化情况，成本非常低，对组件添加的成本基本忽略不计，适合大面积的运用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。