新型智能型光伏直流汇流箱研制

金宸 吕欣瑶 刘仪 杨正理

摘 要：为了解决传统智能型光伏直流汇流箱存在测量准确度低、故障定位不精确、功能设计不够完善等缺陷，提出一种新型智能型光伏直流汇流箱研制方法。在现有技术基础上，对传统智能型光伏直流汇流箱存在的问题进行分析，并采用先进的优化技术对目前存在的缺陷进行优化，提高了系统的技术先进性，使该系统迎合了市场发展机遇，具有很强的推广价值和经济效益。

关键词：直流汇流箱;优化设计;智能控制

0 引言

近年来，随着新能源市场的持续扩大以及新能源技术的不断发展，集中式光伏电站得到大规模扩建，优质的光伏电站建设土地资源快速出现稀缺现象，从而分布式光伏电站建设迎来新的机遇和建设高潮期。分布式光伏电站相对分散和独立，特点是规模小、不便管理。为了保证各独立电站能够高效正常运行，需要在每个电站配备智能型直流汇流箱，对各电站的运行参数、运行状态进行采集，远程传输，以实现各独立电站的集中管理。因此，对分布式光伏电站的远程遥测、监控、设备管理等的研究受到众多学者的关注，如何保障大量资源分散、规模多样、装机规模相对较小的分布式电站高性能、高效率、低成本运营成为亟待解决的问题。

1 传统智能型光伏直流汇流箱存在的问题

大型光伏发电系统的构成主要是由太阳能电池组件、直流汇流箱、逆变器、升压变压器、高低压（交直流）配电装置等设备组成，具体见图1。

传统的光伏直流汇流箱的基本功能是对光伏组件实现“组串”以便联接逆变器，并提供光伏发电系统必需的各种继电保护功能。在太阳能光伏发电系统中，为了简化光伏组件与逆变器之间的连线，首先将一定数量、规格相同的光伏组件按照光伏发电系统的电压要求串联起来，形成多组光伏串列，并将若干光伏串列并联后接入光伏直流汇流箱，在直流汇流箱内实现汇流后通过直流断路器与逆变器相联接，构成太阳能光伏发电系统并实现与公用电网或本区域内用电设备的连接。为实现光伏发电系统的可靠运行，在直流汇流箱配置了专用直流防雷模块、直流熔断器、防反接二极管等设备，实现系统必需的继电保护功能。

随着技术的进步与发展，应运而生的是智能型光伏直流汇流箱，除具有传统光伏直流汇流箱的全部功能外，还增加了智能采集装置，专门用于监测光伏电池阵列中电池组串的运行参数、运行状态，并带有风速、温度、辐照仪等传感器接口，通过工业网络将这些参数和状态上传至后台监控服务器上，实现人机友好的交互功能。

我国对智能型光伏直流汇流箱的研究还处于初级阶段，根据运行数据统计，目前市场上的智能型光伏直流汇流箱仍存在以下几个方面的缺陷，阻碍了其广泛应用和推广：

（1）由于各组串的量值较小，测量参数的精度不高。受光照和环境的影响，分布式系统中的各串光伏组件的电流值大多数集中在0 A～7 A之间，多云、雨雪天气时多在1 A～2 A之间，量值较小。目前市场的智能型光伏直流汇流箱的电流测量多采用霍尔传感器实现，受环境温度、外界电磁干扰等影响，显示给运维人员的电流测量值偏差较大，使日常运行维护的判断和决策依据不准确;

（2）故障误判或定位不精确影响运维人员信心，造成智能型光伏直流汇流箱的使用效率不高。目前的智能型光伏直流汇流箱在故障检测上常出现误判现象，而且对故障的定位偏差较大，严重影响了运维人员对智能型光伏直流汇流箱所报信息的信任度，导致系统的使用效率受到显著影响，甚至造成智能型光伏直流汇流箱的智能功能成为摆设;

（3）智能型光伏直流汇流箱在功能设计上还不够完善。有些必需的功能还没有实现，有些已实现的功能还需进一步进行优化。

2 新型智能型光伏直流汇流箱的技术优化

在现有智能型直流汇流箱的技术基础上，对现存的主要问题进行技术优化：

（1）针对光伏组串的电流检测精度低的缺陷，本文采用高精度工控级自激振荡磁通门电流传感器在隔离状态下检测电流。该种方法所获得的电流检测值精度高，且不容易受到外界电磁干扰，适合在智能型直流汇流箱中进行应用;

（2）大型光伏电站由很多光伏电池组件组成，实时准确的判断电池组件的损坏位置，是智能汇流箱必须解决的重要问题。本文采用检测值与预设整定值进行比较的方法来判断损坏电流位置，既能实时快速报告故障，又可避免误报;

（3）传统光伏直流汇流箱熔断器的正、负极分开布置，汇流箱空间利用率低，难以实现光伏串级的接地检测功能。本文采用新型熔断器对传统旋转式插拔熔断器进行改进，实现了一台熔断器可接正、负两极线的功能，并大幅提高了空间利用率;

（4）传统智能型光伏直流汇流箱的检测数据量巨大，对数据传输、数据处理都带来不少困难。本文采用多种措施对检测数据进行预处理，对一些“无效”的信息及时的进行过滤，降低了数据传输带宽，并提高了数据处理的快速性;

（5）传统智能型光伏直流汇流箱没有设置汇流箱内的运行环境状况监测功能，无法及时了解各个设备内部的环境状况。本文通过安装温度传感器和烟雾报警器，对光伏汇流箱内部的环境情况进行实时监控，监控中心将上传数据与其同环境下的其它光伏汇流箱内部环境数据进行对比，确认设备发生故障时发出报警信号给运维人员。

3 结论

本文通过技术优化，主要解决了以下几个问题：

（1）采用新型的高精度工控级自激振荡磁通门电流传感器作为智能型直流汇流箱的电流检测单元，提高光伏组串的电流检测精度;

（2）采取测量芯片自动复位的措施，实现光伏组串故障的精确检测和定位;

（3）采用新型熔断器对传统旋转式插拔熔断器进行优化，提高汇流箱空间利用率，并方便实现光伏串级的接地检测功能，提高运维人员操作安全;

（4）对监测数据进行预处理，提升电站的安全系数和整体效率;

（5）安装温度传感器和烟雾报警器，对光伏汇流箱内部的环境情况进行实时监控。

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