光伏电池组件串监测，属于光伏发电系统的运行与管理领域。光伏发电站根据具体情况将光伏电池组件串联后接入汇流箱，再并联后接入并网逆变器。光伏电池典型问题有连接、灰尘积聚、组件退化差异等，当这些问题发生时光伏发电系统的效率会受到影响，需要在汇流箱内增加监测系统对光伏组件串进行监测。监测系统通过采集光伏组件串参数，结合电站其他系统参数可以更有效的管理光伏电站，实现自我诊断，有效识别电站问题。本发明专利技术由单片机系统，电源供电回路，电压检测回路，电流检测回路，智慧通信接口回路，电度计量芯片等构成。采用大规模集成电路，体积小、功耗低、可靠性高，组合在光伏汇流箱内实现光伏发电系统寿命期内光伏组件串的连续监测能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能光伏发电领域，实现对光伏发电站中组成太阳能光伏电池阵列 的光伏电池组件串进行测量和运行管理。
技术介绍
光伏发电系统的主要构成部件是光伏电池阵列。在大型光伏并网发电系统中为减 少电池组件与并网逆变器之间的连线，根据发电系统的具体情况将组件进行有效组合，一 般采用10 15个光伏电池组件串联后接到汇流箱，通过汇流箱内的保险丝与汇流排连接， 把光伏电池组件串并联成一组，再由开关把汇流箱的输出接入并网逆变器，之前的汇流箱 一般仅提供各组件串的并联连接通路及安全保护回路，不具备监测能力。随着光伏并网发 电站的规模增大，其对可靠性、安全性的要求不断提高，必须对光电池阵列中的光伏电池组 件串运行状态进行有效监测。本专利技术以光伏电池组件串为监测单位，在汇流箱内设一个智能监测系统，对接入 汇流箱的每一光伏电池组件串的电压、电流、功率、电度进行有效测量，监测装置透过通讯 网络将光伏电池组件串与光伏发电系统中的其它部分融为一体，构成光伏监控系统，实现 光伏发电站运行管理自动化，必要时可以通过智能装置遥控汇流箱内的开关实现故障隔1 O本专利技术由供电电源，电压检测回路、电流检测回路，单片机，通讯接口等电路组成。 采用串行通讯方式，通过光耦隔离的通讯线连接发电系统中各智能部件，相互隔离保证安 全性；此外本专利技术也提供智慧无线网络通讯能力实现此安全隔离功能。本专利技术提供的太阳能电池阵列连续监测能力与原有基于并网逆变器的光伏监控 系统相结合，提供的监测能力将使光伏发电系统的管理更加有效，在提高光伏发电经济效 率的同时保证整个发电系统的安全性、可靠性。专利
技术实现思路
本专利技术提供光伏发电系统中光伏电池组件串的连续监测能力，由硬件系统和软 件两部分组成。为便于光伏电池组件串信号的接入，把它作为一个智能监测装置设在汇流 箱内；也可以作为独立系统单独安装。硬件系统由单片机系统7、供电电源回路8、电压检测回路9、电流检测回路10、电 度计量芯片(A/D) 11、光耦隔离回路12、通讯接口回路13和14、无线通信RF回路及天线15 组成。供电电源回路选用高频隔离电源模块将外部交流电源或光伏电池串的能量转换 为装置的工作电源。单片机系统选用SoC封装的单片机，内部集成的ROM、RAM、UART, ΡΙΟ、A/D、R/F构 成了完整的单片机系统。电压检测回路采用电阻分压取样，差分输入到电能计量芯片。电流检测回路采用特殊设计汇流铜排作为取样电阻，差分输入到电能计量芯片。 汇流铜排设计成直接接入保险丝座形式，为减少铜材的使用量，在保证导电能力前提下根 据保险丝排列尺寸和电流接入的顺序设计成各种特殊形状，-母线汇流排上焊接有与保险 丝排列尺寸一致的电流采样铜电阻3. 1，配合电能计量芯片使用可以选择极小的采样电阻 满足精度要求。也可以采用霍尔电流传感器检测电流，此时须将霍尔电流传感器组成电流 采样接口板。光耦隔离回路实现UART的收发信号隔离后与RS485接口电路连接，实现各装置的 电气隔离。电能计量芯片作为模数转换器实现对光伏电池串产生的电流、电压、有功功率、电 度量参数进行测量，其内部的电流输入前端有可编程放大器，保证满足测量精度要求。本专利技术采用的电能计量芯片对一路电池组件串的参数电流、电压、有功功率、电 度量进行测量，由于计量芯片内部含有前置放大器，实现用极小取样电阻(0.01欧姆)测量 电参数，避免采用霍尔电流传感器，降低成本的同时提高可靠性，电能计量芯片采用SPI接 口与单片机通讯，故可以根据汇流箱输入回路灵活配置。也可以用外部运算放大器和模数 转换器实现光伏电池组件串数据采集，但采集电路较复杂、精度略差。单片机系统内部的无线通信RF回路及外部天线提供无线通讯网络组网能力。RF 接口是符合zigbee标准IEC802. 15. 4的2. 4G通讯协议，可以组建自组网的Mesh网络，也 可以作为pooling网络的子节点。无线通讯接口可选用其他IEC标准或国家标准。单片机系统内部的PIO接口驱动继电器提供接点控制汇流箱内直流断路器能力。软件系统由主程序和中断处理程序实现，主程序对装置本身进行自检，对采集的 实时数据进行处理，提供报警能力；中断处理程序实现数据采集、组网通信功能。光伏电站监控数据中心采集本专利技术的实时数据与逆变器的运行实时数据相互补 充进行监测，完善了光伏电站监控能力，实现光伏电站运行的无人值守。 提供了光伏发电站运行管理人员有效地了解当前各个组件串的运行情况的技 术手段。 通过监测光伏组件串运行参数可以调整到最佳状态和预测未来的电力生产能 力。 通过数据比较分析识别光伏组件串异常，确定需要玻璃表面的清洗或更换有缺 陷的组件串。当环境污染严重导致光伏组件表面非常肮脏时，汇流箱智能监测装置通过数 据中心广播的光照强度与本汇流箱各输入电池串的工作电流及电度等发电数据则可以判 断出肮脏程度，发出预警信号及时处理。 通过组件串的运行功率集合照度可以确定本组件的最大功率点偏差，可以验证 光伏逆变器的MPPT是否正确，保证运营商的发电效益最大化。 通过将各组件串的输出电度累加与逆变器输出的比较，可以辅助发现逆变器的 运行异常。本专利技术是针对光伏电池组件串的连续监测方案，是基于计算机的智能化装置，可 以采用其他形式(如PLC、智能仪表)实现，但不违背本专利技术的基本功能，仍属于本专利技术的保 护范畴。附图说明图1是汇流箱的内部布置图示例，可根据汇流箱大小及输入回来数在满足安全 规定要求条件下灵活设计，图中1是汇流箱体，2是保险丝，3是本专利技术采样电阻汇流排，4 是防雷器，5是开关，6是本专利技术监测系统。图2是实现光伏组件串监测系统的硬件原理框图，图中7是单片机系统，7. 1是 CPU、7. 2代是FlashROM,7. 3是RAM、7. 4是模数转换器A/D、7. 5异步串行接口、7. 6同步串 行接口 UART、7. 7并行接口 ΡΙ0、7. 8无线RF收发接口，8是高频电源供电回路，9是电压检 测回路，10是电流检测回路，11是电能计量芯片(A/D)，12是光耦隔离回路，13是RS485接 口，14是RS232通讯接口，15是无线通信RF回路及天线。图3是经特殊设计的汇流排3示意图，汇流排根据电流接入的顺序及导电力设计 成特殊形状，分+汇流排和-汇流排两种+汇流排一侧有与保险丝排列尺寸一致的连接导 体，-汇流排一侧焊接与保险丝排列尺寸一致的电流取样铜电阻3. 1连接导体作为电流检 测回路。图4是采用霍尔电流传感器3. 2设计的电流采样接口板布置示意图，3是汇流铜 排，16是保险丝，17是接线端子。图5是实现光伏组件串监测实例的电原理图之一，Ul是高频供电电源模块，U2是 SoC封装的单片机，通过单片机内部的SPI接口采集图6中UlO转换的光伏组件串电气参数 数据，单片机内部PIO接口作为片选信号选择SPI接口总线上的电能计量芯片，U5是无线 通讯RF接口，TO、U7、U8是光耦隔离回路，U4是RS485接口芯片，U3是RS232接口芯片。图6是实现光伏组件串监测实例的电原理图之二，R20与R21提供光伏组件运行电 压检测，RR是汇流排上的电流检测电阻提供光伏组件运行电流检测，电能计量芯片UlO作 为模数转换电路，测量光伏组件串的电流、电本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．本专利技术提供光伏发电站中组成光伏阵列的光伏电池组件串测量与运行管理能力，包括：至少一个供电电源、至少一个单片机系统、至少一个电池串电压电流检测电路和电能参数计量回路、光电隔离的通讯接口、智慧无线网络接口构成的智能监测系统。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：叶明宝，
申请(专利权)人：叶明宝，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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