带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，属于光伏设备保护技术领域。系统检测到光伏发电系统发生并联电弧故障时，光伏功率优化器对应控制故障点位的前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，完成该控制动作后，将功率优化器的运行模式信息发送给中央控制器，由其解析出运行模式信息中携带的已处于安全工作模式下的功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位，并自动进行反灌流与并联电弧保护。本发明专利技术以区别于在光伏组串支路中增加防反二极管的方式实现了对光伏组串的反灌保护，并在发生并联电弧或短路故障时能够快速实现对并联电弧的切断，以及快速定位到并联电弧或短路故障发生的位置。故障发生的位置。故障发生的位置。

【技术实现步骤摘要】
带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统


[0001]本专利技术涉及光伏设备保护
，具体涉及一种带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统。

技术介绍

[0002]直流供电的光伏发电系统通常高达1000V甚至1500V的系统电压，若发生接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等现象，容易发生直流电弧故障(包括串联电弧和并联电弧)，直流电弧故障可能引发火灾事故不仅会损坏光伏发电系统，同时还威胁到住宅建筑、工商业设施、公共设施等的安全。鉴于光伏发电系统直流电弧故障的危害性，安全规范通常要求直流电压高于80V的屋顶光伏发电系统必须配备串联直流电弧故障断路器，以在发生直流电弧时断开电路减少由于电弧故障引起的火灾危害。然而，光伏发电系统在产生串联电弧或并联电弧时电流通常达不到如直流电弧故障断路器等电弧保护装置的跳闸电流，因此电弧不能被及时熄灭。
[0003]串联电弧，又称拉弧，串联电弧通常由组件间电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或者逆变器的连接不牢靠等原因造成。并联电弧主要由线路破损引起的正负极性导体短接，或者光伏组串电缆之间短接引起的。当组串电缆被机械挤压或磨损时，在正负极之间，或者不同组串之间就会产生电弧放电，这就是并联电弧故障。还有一种情况也会导致并联电弧，当系统出现串联电弧没有及时处理时，串联电弧的热量烧坏电缆绝缘层，也会产生并联电弧。通过切断光伏发电系统直流母线或相应光伏组串可以熄灭串联故障电弧，然而却无法熄灭并联故障电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。
[0004]目前市场上很多组串式光伏逆变器供应厂家都推出了内置有AFCI(AFCI，Arc
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Fault Circuit
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Interrupter，电弧故障断路器)功能的光伏逆变器产品，内置AFCI电弧检测的光伏逆变器通过检测电弧噪声，来识别直流电弧故障，断开直流电路，消除电弧。AFCI即电弧故障断路器，它是通过识别电路中的电弧故障特征信号，在电弧故障发展成为火灾或电路出现短路之前断开电源电路的一种保护装置。值得注意的是，当前光伏逆变器的AFCI通常可以检测、熄灭的只是串联电弧，而并联电弧无法通过当前的AFCI功能进行检测与消除。虽然组件级快速关断技术能够断开光伏发电系统中每块组件之间的连接，从而消除光伏发电系统阵列中存在的直流高压与串、并联电弧故障，然而由于当前光伏逆变器的AFCI功能无法检测并联电弧，因此当前组件级快速关断技术亦无法快速实现并联电弧的消除，而并联电弧的破坏力往往是串联电弧的10倍及以上，安全隐患更大。
[0005]为了解决AFCI无法检测并联电弧的问题，公开号为CN102472789B的名称为“光伏系统中电弧的检测方法及其光电系统”的专利提供的方案中，通过数字低通滤波从直流通路中检测出电弧检测信号，并根据检测信号区分串联电弧和并联电弧。若检测到的为串联电弧，则改变光伏逆变器的工作状态到安全状态，光伏逆变器基本不再产生交流电，于是直流通路中流动的电流被阻断，从而将串联电弧熄灭。另一方面，若检测到的是并联电弧，则直流通路被一个开关短路，因此并联电弧电压基本变为零，从而将该电弧熄灭。然而该方法
需要区分检测并联电弧与串联电弧，必须附加硬件部件，这会导致增加额外的成本，同时光伏发电系统正常运行状态下的各种噪声和干扰也会给检测带来影响，实验表明，光伏发电系统正常运行时直流回路中的各种噪声和干扰，足以造成故障电弧检测设备的误判和误动作，使得故障检测设备自身难以发挥正常作用，如若故障电弧检测设备无法保证电弧故障判断的准确性，特别是针对危害更大的并联电弧故障，若造成误判，将造成不必要的发电量损失，影响光伏电站收益，还可能引发火灾等严重后果。
[0006]且当并联的多路光伏组件串中一串发生并联电弧或短路故障时，可能导致并联的多路光伏组件串中的其他组串的电流回流进而同样发生并联电弧或短路故障，导致故障范围扩大，进而降低了光伏电站整体的发电量。目前，避免并联的多路光伏组件串发生电流回流的方法通常采用防反二极管，即在每个光伏组串支路中增加防反二极管，然而防反二极管会增加一定的电损耗，且无法对发生故障的光伏组件串进行准确定位。
[0007]CN 211127119 U提供了一种电流防倒灌保护电路以及光伏并网装置，其通过高精度直流传感器，精确检测每路组串电流信号，当检测到故障时，能够主动控制直流分断开关，在短时间内脱扣保护和主动告警，实现组串反灌保护，然而该方式对装置提出了很高的要求，所有的反灌流保护是建立在上述对组串电流检测与直流分断开关快速动作的基础上，需要设备在极短的时间内检测并判断出现电流反灌，同时操作智能脱扣开关可靠动作，这不但会增加系统的成本，也会给系统带来安全隐患。
[0008]因此综上，当前急需一套带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护与定位系统，该系统不需要在光伏组串支路中增加防反二极管与高精确的电流防倒灌检测及开关保护电路，且能够实现对并联电弧的快速关断以及对并联电弧或短路故障发生位置的准确定位，并启动防灌流保护，以在确保光伏发电安全的前提下，在发生并联电弧与短路故障后能够快速恢复光伏发电系统的运行。

技术实现思路

[0009]本专利技术以区别于在光伏组串支路中增加防反二极管等隔离装置的方式实现对光伏组串的反灌保护，并在发生并联电弧或短路故障时能够快速实现对并联电弧的切断，以及快速定位到并联电弧或短路故障发生的位置为目的，提供了一种带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]提供一种带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护与定位系统，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，一个或若干个所述光伏组串的输出端连接于光伏逆变器构成光伏系统，包括用于在检测到光伏发电系统发生并联电弧故障时，对应控制故障点位的前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式的若干个子控制模块，以及与各所述子控制模块通信连接的中央控制器，所述子控制模块完成执行安全工作模式切换的控制动作后，将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给所述中央控制器，所述中央控制器解析出所述运行模式信息中携带的已处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位，并自动进行反灌流与并联电弧保护。
[0012]作为优选，所述子控制模块控制所述故障点位的前级和/或发生电流反灌的光伏
组串支路中的所述功率优化器切换为安全工作模式的方法为光伏发电系统中的所述功率优化器检测到其输出电压低于预设电压阈值，和/或检测到所在的光伏组串支路发生电流反灌，且反灌电流高于预设的反灌电流阈值时，判定电路发生并联电弧故障，然后由自身的所述子控制模块控制自身切换到安全工作模式下，切换到安全工作模式的方法为：
[0013]所述功率优化器的子控制模块驱动所述功率优化器中的第一开关关断，并驱动第二开关导通，以控制所述功率优化器接入的光伏发电单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，以接入所述光伏发电单元后的所述功率优化器为一个单元，若干个所述单元相互间串联构成一个光伏组串，一个或若干个所述光伏组串的输出端连接于光伏逆变器构成光伏系统，其特征在于，包括用于在检测到光伏发电系统发生并联电弧故障时，对应控制故障点位的前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式的若干个子控制模块，以及与各所述子控制模块通信连接的中央控制器，所述子控制模块完成执行安全工作模式切换的控制动作后，将对应控制的所述功率优化器的运行模式信息发送给所述中央控制器，所述中央控制器解析出所述运行模式信息中携带的已处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位，并自动进行反灌流与并联电弧保护。2.根据权利要求1所述的带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述子控制模块控制所述并联电弧故障点位的前级和/或发生电流反灌的光伏组串支路中的所述功率优化器切换为安全工作模式的方法为光伏发电系统中的所述功率优化器检测到其输出电压低于预设电压阈值，和/或检测到所在的光伏组串支路发生电流反灌，且反灌电流高于预设的反灌电流阈值时，判定电路发生并联电弧故障，然后由自身的所述子控制模块控制自身切换到安全工作模式下，切换到安全工作模式的方法为：所述功率优化器的子控制模块(10)驱动所述功率优化器中的第一开关(20)关断，并驱动第二开关(30)导通，以控制所述功率优化器接入的光伏发电单元停止输出光伏功率，从而实现将所述功率优化器的运行状态切换到安全工作模式下。3.根据权利要求2所述的带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述功率优化器包括所述子控制模块(10)、所述第一开关(20)、所述第二开关(30)、输入电容Cin、输出电容Cout和储能电感L；所述第一开关(20)的栅极连接所述子控制模块的HD
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driver管脚；所述第二开关(30)的栅极连接所述子控制模块的LD
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driver管脚；所述储能电感L的一端连接所述第一开关(20)的源极，另一端连接所述输出电容Cout的一端，所述输出电容Cout的另一端连接至所述第二开关(30)的源极；所述输入电容Cin并接在所述光伏发电单元的正输出端和负输出端之间。4.根据权利要求1所述的带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述子控制模块控制并联光伏组串支路中的光伏组串的阵列内部的组件间发生并联电弧及电流反灌流的保护方法，包括步骤：S1，光伏发电系统中的功率优化器检测到其输出电压低于预设电压阈值时，判定电路发生并联电弧故障，然后由自身的所述子控制模块控制自身切换到安全工作模式下，所述子控制模块完成执行安全工作模式切换的控制动作后，将对应控制的所述功率优化器的所述运行模式信息发送给所述中央控制器；S2,所述中央控制器接收到所述运行模式信息后，所述中央控制器解析出所述运行模式信息中携带的已处于安全工作模式下的所述功率优化器的所处位置实现对所述故障点位的定位，并停止向发送所述运行模式信息的所述子控制模块对应的所述功率优化器的光伏组串支路发送心跳包；S3，所述功率优化器中的安全修调控制模块判断接收所述心跳包是否异常，若是，则停止生成修调指令以控制闭合调修开关件(103)，并维持所述调修开关件(103)处于闭合状态直至判定接收所述心跳包恢复正常，所述调修开关件(103)闭合后，所
述功率优化器的输出电压被拉低到预设的电压阈值以下，所述功率优化器的所述子控制模块以此为指令控制所属的所述功率优化器切换并维持在安全工作模式；若否，则所述子控制模块控制所属的所述功率优化器维持在当前运行工作模式下；S4,在发生并联电弧故障的光伏组串支路的所有功率优化器进入安全工作模式后，并联光伏组串中其他未发生并联电弧故障的光伏组串将由于被短路而使其组串内的功率优化器检测到其输出电压低于预设电压阈值而进入安全工作模式；此时发生并联光伏组串的所有功率优化器将进入安全工作模式，所述并联光伏组串支路中的光伏组串的阵列内部发生并联电弧及反灌流状态将消失，直到所述故障解除及所述中央控制器恢复心跳包发送。5.根据权利要求4所述带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，步骤S1中，将所述功率优化器切换到安全工作模式下的方法为：所述功率优化器的所述子控制模块驱动所述功率优化器中的第一开关(20)关断，并驱动第二开关(30)导通，以控制所述功率优化器接入的光伏发电单元停止输出光伏功率，从而实现将所述功率优化器的运行状态切换到安全工作模式下。6.根据权利要求2或4所述的带反灌流功能的光伏系统直流并联电弧保护及定位系统，其特征在于，所述子控制模块为双工作模式BUCK功率优化ASIC芯片，ASIC芯片内部包括最大功率跟踪电路、基准电压产生电路、模式控制电路、驱动控制电路、通讯接口电路和芯片内部供电电路；所述最大功率跟踪电路包括电压电流检测单元、乘法器与最大功率跟踪处理单元，所述电压电流检测单元用于采集接入的所述光伏发电单元的输出电压和输出电流；所述乘法器用于将所述电压电流检测单元采...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维，宋悦，
申请(专利权)人：江苏旭迈思电源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：