新型智能型光伏直流匯流箱研制

金宸 呂欣瑤 劉儀 楊正理

摘 要：為了解決傳統(tǒng)智能型光伏直流匯流箱存在測(cè)量準(zhǔn)確度低、故障定位不精確、功能設(shè)計(jì)不夠完善等缺陷，提出一種新型智能型光伏直流匯流箱研制方法。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)智能型光伏直流匯流箱存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并采用先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)對(duì)目前存在的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性，使該系統(tǒng)迎合了市場(chǎng)發(fā)展機(jī)遇，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：直流匯流箱;優(yōu)化設(shè)計(jì);智能控制

0 引言

近年來(lái)，隨著新能源市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)大以及新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，集中式光伏電站得到大規(guī)模擴(kuò)建，優(yōu)質(zhì)的光伏電站建設(shè)土地資源快速出現(xiàn)稀缺現(xiàn)象，從而分布式光伏電站建設(shè)迎來(lái)新的機(jī)遇和建設(shè)高潮期。分布式光伏電站相對(duì)分散和獨(dú)立，特點(diǎn)是規(guī)模小、不便管理。為了保證各獨(dú)立電站能夠高效正常運(yùn)行，需要在每個(gè)電站配備智能型直流匯流箱，對(duì)各電站的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，遠(yuǎn)程傳輸，以實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立電站的集中管理。因此，對(duì)分布式光伏電站的遠(yuǎn)程遙測(cè)、監(jiān)控、設(shè)備管理等的研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注，如何保障大量資源分散、規(guī)模多樣、裝機(jī)規(guī)模相對(duì)較小的分布式電站高性能、高效率、低成本運(yùn)營(yíng)成為亟待解決的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)智能型光伏直流匯流箱存在的問(wèn)題

大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成主要是由太陽(yáng)能電池組件、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器、高低壓（交直流）配電裝置等設(shè)備組成，具體見(jiàn)圖1。

傳統(tǒng)的光伏直流匯流箱的基本功能是對(duì)光伏組件實(shí)現(xiàn)“組串”以便聯(lián)接逆變器，并提供光伏發(fā)電系統(tǒng)必需的各種繼電保護(hù)功能。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化光伏組件與逆變器之間的連線，首先將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏組件按照光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓要求串聯(lián)起來(lái)，形成多組光伏串列，并將若干光伏串列并聯(lián)后接入光伏直流匯流箱，在直流匯流箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)匯流后通過(guò)直流斷路器與逆變器相聯(lián)接，構(gòu)成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)與公用電網(wǎng)或本區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的連接。為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，在直流匯流箱配置了專(zhuān)用直流防雷模塊、直流熔斷器、防反接二極管等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)必需的繼電保護(hù)功能。

隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生的是智能型光伏直流匯流箱，除具有傳統(tǒng)光伏直流匯流箱的全部功能外，還增加了智能采集裝置，專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)測(cè)光伏電池陣列中電池組串的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，并帶有風(fēng)速、溫度、輻照儀等傳感器接口，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將這些參數(shù)和狀態(tài)上傳至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好的交互功能。

我國(guó)對(duì)智能型光伏直流匯流箱的研究還處于初級(jí)階段，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上的智能型光伏直流匯流箱仍存在以下幾個(gè)方面的缺陷，阻礙了其廣泛應(yīng)用和推廣：

（1）由于各組串的量值較小，測(cè)量參數(shù)的精度不高。受光照和環(huán)境的影響，分布式系統(tǒng)中的各串光伏組件的電流值大多數(shù)集中在0 A～7 A之間，多云、雨雪天氣時(shí)多在1 A～2 A之間，量值較小。目前市場(chǎng)的智能型光伏直流匯流箱的電流測(cè)量多采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，受環(huán)境溫度、外界電磁干擾等影響，顯示給運(yùn)維人員的電流測(cè)量值偏差較大，使日常運(yùn)行維護(hù)的判斷和決策依據(jù)不準(zhǔn)確;

（2）故障誤判或定位不精確影響運(yùn)維人員信心，造成智能型光伏直流匯流箱的使用效率不高。目前的智能型光伏直流匯流箱在故障檢測(cè)上常出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，而且對(duì)故障的定位偏差較大，嚴(yán)重影響了運(yùn)維人員對(duì)智能型光伏直流匯流箱所報(bào)信息的信任度，導(dǎo)致系統(tǒng)的使用效率受到顯著影響，甚至造成智能型光伏直流匯流箱的智能功能成為擺設(shè);

（3）智能型光伏直流匯流箱在功能設(shè)計(jì)上還不夠完善。有些必需的功能還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，有些已實(shí)現(xiàn)的功能還需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

2 新型智能型光伏直流匯流箱的技術(shù)優(yōu)化

在現(xiàn)有智能型直流匯流箱的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)存的主要問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化：

（1）針對(duì)光伏組串的電流檢測(cè)精度低的缺陷，本文采用高精度工控級(jí)自激振蕩磁通門(mén)電流傳感器在隔離狀態(tài)下檢測(cè)電流。該種方法所獲得的電流檢測(cè)值精度高，且不容易受到外界電磁干擾，適合在智能型直流匯流箱中進(jìn)行應(yīng)用;

（2）大型光伏電站由很多光伏電池組件組成，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的判斷電池組件的損壞位置，是智能匯流箱必須解決的重要問(wèn)題。本文采用檢測(cè)值與預(yù)設(shè)整定值進(jìn)行比較的方法來(lái)判斷損壞電流位置，既能實(shí)時(shí)快速報(bào)告故障，又可避免誤報(bào);

（3）傳統(tǒng)光伏直流匯流箱熔斷器的正、負(fù)極分開(kāi)布置，匯流箱空間利用率低，難以實(shí)現(xiàn)光伏串級(jí)的接地檢測(cè)功能。本文采用新型熔斷器對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式插拔熔斷器進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)熔斷器可接正、負(fù)兩極線的功能，并大幅提高了空間利用率;

（4）傳統(tǒng)智能型光伏直流匯流箱的檢測(cè)數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理都帶來(lái)不少困難。本文采用多種措施對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)一些“無(wú)效”的信息及時(shí)的進(jìn)行過(guò)濾，降低了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并提高了數(shù)據(jù)處理的快速性;

（5）傳統(tǒng)智能型光伏直流匯流箱沒(méi)有設(shè)置匯流箱內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法及時(shí)了解各個(gè)設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境狀況。本文通過(guò)安裝溫度傳感器和煙霧報(bào)警器，對(duì)光伏匯流箱內(nèi)部的環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控中心將上傳數(shù)據(jù)與其同環(huán)境下的其它光伏匯流箱內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)給運(yùn)維人員。

3 結(jié)論

本文通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，主要解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）采用新型的高精度工控級(jí)自激振蕩磁通門(mén)電流傳感器作為智能型直流匯流箱的電流檢測(cè)單元，提高光伏組串的電流檢測(cè)精度;

（2）采取測(cè)量芯片自動(dòng)復(fù)位的措施，實(shí)現(xiàn)光伏組串故障的精確檢測(cè)和定位;

（3）采用新型熔斷器對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式插拔熔斷器進(jìn)行優(yōu)化，提高匯流箱空間利用率，并方便實(shí)現(xiàn)光伏串級(jí)的接地檢測(cè)功能，提高運(yùn)維人員操作安全;

（4）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提升電站的安全系數(shù)和整體效率;

（5）安裝溫度傳感器和煙霧報(bào)警器，對(duì)光伏匯流箱內(nèi)部的環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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