CN108011583A - 一种抑制pid效应的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制PID效应的装置，由其控制单元获得光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压的采集值，并通过闭环调节控制开关电源的输出电压，以将光伏阵列的负极对大地电压调节为预设值，进而使得光伏阵列对大地电压得到补偿；根据预设值的不同，可以分别实现对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。

Description

一种抑制PID效应的装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种抑制PID效应的装置。
背景技术
PID(Potential Induced Degradation)效应又称电势诱导衰减，是某些类型光伏电池板由于电势诱导而表现出的输出特性衰减的现象，会导致光伏系统的输出功率下降；因此需要通过反PID技术对其进行PID预防或者修复。
现有技术中实现PID预防的方案，主要是在逆变器工作时，通过抬升交流侧中性点的对地电势，来间接抬升电池板负极对地电势到正。而实现PID修复的方案，通常是采用离线反PID技术，其PID修复装置一般安装于光伏电池板的正极(或负极)，通过在夜间利用正偏置电源(或负偏置电源)将光伏电池板对大地的电势抬升到正(或负)。
因此，现有技术中的相关装置，功能单一，只能实现白天PID预防和夜间PID修复之中的一个功能，无法兼具对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。
发明内容
本发明提供一种抑制PID效应的装置，兼具对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种抑制PID效应的装置，应用于光伏发电系统，所述抑制PID效应的装置包括：控制单元、开关电源、限流单元及电源钳位单元；其中：
所述控制单元的输入端与所述光伏发电系统中逆变器的通讯端相连；
所述控制单元的输出端与所述开关电源的控制端相连；
所述开关电源的输出端正极通过所述限流单元与所述电源钳位单元的输入端相连；所述开关电源的输出端负极接大地；
所述电源钳位单元的输出端与所述逆变器的直流侧相连；
所述控制单元用于采集所述光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压，并通过闭环调节控制所述开关电源的输出电压，以将光伏阵列的负极对大地电压调节为预设值；
所述电源钳位单元用于在所述逆变器处于关机状态时，控制所述逆变器中的电容承受正压。
优选的，所述电源钳位单元的高电位输出端与光伏阵列正极相连；
所述电源钳位单元的低电位输出端与光伏阵列负极或者中点相连。
优选的，当所述光伏发电系统中包括设置于光伏阵列与所述逆变器之间的DC/DC变换器时，所述电源钳位单元的高电位输出端与所述DC/DC变换器的高电位输出端相连；所述电源钳位单元的低电位输出端与所述DC/DC变换器的低电位输出端相连。
优选的，所述电源钳位单元包括：第一串联支路及第二串联支路；其中：
所述第一串联支路包括M个串联的二极管，所述第一串联支路的阴极为所述电源钳位单元的高电位输出端；
所述第二串联支路包括N个串联的二极管，所述第二串联支路的阴极为所述电源钳位单元的低电位输出端；
所述第一串联支路的阳极与所述第二串联支路的阳极相连，连接点为所述电源钳位单元的输入端；
M和N均为正整数，且M小于N。
优选的，所述限流单元包括：串联连接的限流电阻和熔断器。
优选的，所述电源钳位单元包括：串联连接的辅助直流电源及第一开关；
所述辅助直流电源的正极与所述逆变器的直流侧正极相连，所述辅助直流电源的负极通过所述第一开关与所述逆变器的直流侧负极相连；或者，所述辅助直流电源的正极通过所述第一开关与所述逆变器的直流侧正极相连，所述辅助直流电源的负极与所述逆变器的直流侧负极相连；
所述第一开关的控制端与所述控制单元的输出端相连。
优选的，所述限流单元包括：串联连接的二极管、限流电阻和熔断器，所述二极管的方向与所述开关电源的输出电流方向相同。
优选的，还包括：第二开关；所述第二开关串联连接于所述开关电源的输出端正极与所述限流单元的输入端之间，所述第二开关的控制端与所述控制单元的输出端相连。
优选的，所述开关电源为：BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、正激、反激、半桥、全桥及推挽式拓扑中的任意一种。
本发明提供的抑制PID效应的装置，由其控制单元获得光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压的采集值，并通过闭环调节控制开关电源的输出电压，以将光伏阵列的负极对大地电压调节为预设值，进而使得光伏阵列对大地电压得到补偿；根据预设值的不同，可以分别实现对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的抑制PID效应的装置的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的抑制PID效应的装置的电路示意图；
图3是本发明另一实施例提供的抑制PID效应的装置的电路示意图；
图4是本发明另一实施例提供的抑制PID效应的装置的电路示意图；
图5是本发明另一实施例提供的抑制PID效应的装置的电路示意图；
图6是本发明另一实施例提供的图2所示抑制PID效应的装置的等效示意图；
图7是本发明另一实施例提供的图2所示抑制PID效应的装置的另一等效示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种抑制PID效应的装置，兼具对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。
该抑制PID效应的装置，应用于光伏发电系统，具体的，如图1所示，该抑制PID效应的装置包括：控制单元101、开关电源102、限流单元103及电源钳位单元104；其中：
控制单元101的输入端与光伏发电系统中逆变器的通讯端相连，以通过通讯获得光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压；
控制单元101的输出端与开关电源102的控制端相连；
开关电源102的输出端正极通过限流单元103与电源钳位单元104的输入端相连；开关电源102的输出端负极接大地；
电源钳位单元104的输出端与逆变器的直流侧相连；
开关电源102为一个受控制单元101控制的可调直流输出电源，具体可以为BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、正激、反激、半桥、全桥、推挽等隔离和非隔离拓扑。此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
优选的，如图1所示，该抑制PID效应的装置还包括：第二开关K；
第二开关K串联连接于开关电源102的输出端正极与限流单元103的输入端之间，第二开关K的控制端与控制单元101的输出端相连，以根据控制单元101的控制实现抑制PID效应功能的投切。
第二开关K可以是继电器、接触器以及MOS管等开关器件，此处不做具体限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
具体的工作原理为：
控制单元101获得光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压的采集值，并通过闭环调节控制开关电源102的输出电压，以将光伏阵列的负极对大地电压调节为预设值；根据预设值的不同，可以分别实现对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能。
值得说明的是，现有技术中也存在一部分装置，能够实现对于光伏电池板的PID预防和修复两种功能；但是，其一般需要通过设置白天防PID电路和夜间反PID电路，来切换实现两个功能，成本较高。
而本实施例提供的该抑制PID效应的装置，其两种功能的实现可以共用一个电路，而不需要切换，只需要通过闭环调节开关电源102的输出电压，即可分别得到防PID和反PID所需要的电压；由同一个电路可以实现防PID功能和反PID功能，电路简单且成本低。
另外，如果夜间在光伏阵列的负极与大地之间置正的电压，由于逆变器二极管、开关管等影响，使光伏阵列的正极对大地电压小于光伏阵列的负极对大地电压时，将导致逆变器中的电容承受反压，影响电容的寿命。本实施例通过设置电源钳位单元104，使逆变器处于关机状态时，能够控制逆变器中的电容承受正压。
本发明另一实施例，在上述实施例的基础之上，给出了电源钳位单元104的几种具体实现形式：
参见图2，电源钳位单元104的高电位输出端与光伏阵列正极相连；电源钳位单元104的低电位输出端与光伏阵列负极相连。
或者，参见图3，电源钳位单元104的高电位输出端与光伏阵列正极相连；电源钳位单元104的低电位输出端与光伏阵列中点A相连。
或者，参见图4，当光伏发电系统中包括设置于光伏阵列与逆变器之间的DC/DC变换器(比如图4中boost)时，电源钳位单元104的高电位输出端与DC/DC变换器的高电位输出端相连；电源钳位单元104的低电位输出端与DC/DC变换器的低电位输出端相连。
具体的，电源钳位单元104包括：第一串联支路及第二串联支路；其中：
第一串联支路包括M个串联的二极管(如图2至图4中的D1和D2)，第一串联支路的阴极为电源钳位单元104的高电位输出端；
第二串联支路包括N个串联的二极管(如图2至图4中的D3、D4、D5及D6)，第二串联支路的阴极为电源钳位单元104的低电位输出端；
第一串联支路的阳极与第二串联支路的阳极相连，连接点为电源钳位单元104的输入端；
M和N均为正整数，且M小于N。
图2至图4中，均以M＝2、N＝4为例进行展示，当然也可以取其他值，此处不做具体限定，只要能够在防止倒流的同时，以M小于N保持光伏阵列正极PV+对大地电压大于光伏阵列负极PV-对大地电压、确保在逆变器处于关机状态时，控制逆变器中的电容承受正压即可，均在本申请的保护范围内。
与上述电源钳位单元104的具体形式相对应，限流单元103包括：串联连接的限流电阻R1和熔断器F1。
图2至图5中的Rpv+与Rpv-分别为光伏阵列正极PV+和光伏阵列负极PV-的对地等效阻抗。以图2为例，对该抑制PID效应的装置的工作原理进行介绍，其工作模式分为夜间的反PID工作模式，和，白天的防PID工作模式。
在夜间，开关电源102的输出电压Vdc通过限流电阻R1接到光伏阵列的负极PV-，因为夜间光伏阵列正极与负极之间的电压近似认为是零，因此在光伏阵列的负极PV-对大地电压抬升到所需电位时，光伏阵列的正极PV+对大地电压也被抬升到所需的电位，从而实现晚间反PID效应的功能。
开关电源102的输出电流由B点开始，一路经过D2、D1、Rpv+流回到大地，另外一路经过D3、D4、D5、D6、Rpv-流回大地。则第一串联支路(D1-D2)两端的压降VD1-2及第二串联支路(D3-D6)两端的压降VD3-6的计算公式分别为：
VD1-2＝-VPV++VB＝2VD (1)
VD3-6＝-VPV-+VB＝4VD (2)
其中，VB为图2至图4中B点的电位，VD为二极管的压降。
式(2)-(1)可以得到：
VPV＝VPV+-VPV-＝2VD (3)
也就是说光伏阵列正极与负极之间的电压Vpv被钳位到2个二极管的压降，而每个二极管压降约很小，故Vpv可以近似等于零，即Vpv-≈Vpv+，此时，图2的等效图如图6所示，对Vpv-和Vpv+求解可以得到：
其中：
从式(4)中可有看出，通过调节开关电源102的输出电压Vdc，即可得到反PID工作模式的目标电压。
在白天，开关电源102的输出电压Vdc通过限流电阻R1、熔断器F1，二极管D3-D6连接到光伏阵列的负极PV-，通过调节开关电源102的输出电压Vdc即可使光伏阵列的负极PV-对大地电压大于0V，通过防PID工作模式防止PID效应产生。
与夜间不同，白天光伏阵列是有电的，假设光伏阵列正极与负极之间的电压为Vpv，此时D1与D2反向截止，D3-D6正向导通，其导通压降均可忽略不计，其等效电路图如图7所示。
光伏阵列的负极PV-对大地电压要被抬升到0V，故Rpv-两端电压为0V，其阻抗值的变化对电路是没有任何影响的。而Rpv+两端电压为Vpv，其阻抗值的变化对电路是有影响的，会影响抬升效果及开关电源102的输出电流。
从图7可以看出，光伏阵列的负极PV-对地等效电阻Rpv-可以忽略不计,光伏阵列的正极PV+对地等效电阻Rpv+、限流电阻R1、开关电源102和光伏阵列正极与负极之间的电压Vpv串联，可以得到：
式(6)可以看出，Rpv+减小、Vpv和R1增加，都会使开关电源102的输出电压Vdc增加，才能使得光伏阵列对大地电压大于0V。
除图2至图4所示的实现形式以外，关于电源钳位单元104，还可以如图5所示，具体包括：串联连接的辅助直流电源Vaux及第一开关Kaux；
辅助直流电源Vaux的正极与逆变器的直流侧正极相连，辅助直流电源Vaux的负极通过第一开关Kaux与逆变器的直流侧负极相连(参见图5)；或者，辅助直流电源Vaux的正极通过第一开关Kaux与逆变器的直流侧正极相连，辅助直流电源Vaux的负极与逆变器的直流侧负极相连(未进行图示)；
第一开关Kaux的控制端与控制单元101的输出端相连。
第一开关Kaux可以是继电器、接触器以及MOS管等开关器件，此处不做具体限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
此时，限流单元103包括：串联连接的二极管D7、限流电阻R1和熔断器F1，二极管D7的方向与开关电源102的输出电流方向相同。
在夜间，逆变器停止工作，第一开关Kaux是闭合的，辅助直流电源Vaux接入光伏阵列正极PV+和负极PV-之间，使得光伏阵列正极和负极之间的电压钳位到正电压Vaux，逆变器中的电容不会承受反压。白天光伏阵列正极和负极之间的电压有正电压，因此需要通过控制单元101将第一开关Kaux关断，使辅助直流电源Vaux与主电路断开。
图2至图5展示了该抑制PID效应的装置几种具体的实现形式，但是并不仅限于此，只要能够通过上述原理使同一电路同时具备反PID和防PID功能、且当逆变器处于关机状态时，能够确保逆变器中的电容承受正压的方案均在本申请的保护范围内。
其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种抑制PID效应的装置，其特征在于，应用于光伏发电系统，所述抑制PID效应的装置包括：控制单元、开关电源、限流单元及电源钳位单元；其中：
所述控制单元的输入端与所述光伏发电系统中逆变器的通讯端相连；
所述控制单元的输出端与所述开关电源的控制端相连；
所述开关电源的输出端正极通过所述限流单元与所述电源钳位单元的输入端相连；所述开关电源的输出端负极接大地；
所述电源钳位单元的输出端与所述逆变器的直流侧相连；
所述控制单元用于采集所述光伏发电系统中光伏阵列的负极对大地电压，并通过闭环调节控制所述开关电源的输出电压，以将光伏阵列的负极对大地电压调节为预设值；
所述电源钳位单元用于在所述逆变器处于关机状态时，控制所述逆变器中的电容承受正压。
2.根据权利要求1所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述电源钳位单元的高电位输出端与光伏阵列正极相连；
所述电源钳位单元的低电位输出端与光伏阵列负极或者中点相连。
3.根据权利要求1所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，当所述光伏发电系统中包括设置于光伏阵列与所述逆变器之间的DC/DC变换器时，所述电源钳位单元的高电位输出端与所述DC/DC变换器的高电位输出端相连；所述电源钳位单元的低电位输出端与所述DC/DC变换器的低电位输出端相连。
4.根据权利要求2或3所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述电源钳位单元包括：第一串联支路及第二串联支路；其中：
所述第一串联支路包括M个串联的二极管，所述第一串联支路的阴极为所述电源钳位单元的高电位输出端；
所述第二串联支路包括N个串联的二极管，所述第二串联支路的阴极为所述电源钳位单元的低电位输出端；
所述第一串联支路的阳极与所述第二串联支路的阳极相连，连接点为所述电源钳位单元的输入端；
M和N均为正整数，且M小于N。
5.根据权利要求4所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述限流单元包括：串联连接的限流电阻和熔断器。
6.根据权利要求1所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述电源钳位单元包括：串联连接的辅助直流电源及第一开关；
所述辅助直流电源的正极与所述逆变器的直流侧正极相连，所述辅助直流电源的负极通过所述第一开关与所述逆变器的直流侧负极相连；或者，所述辅助直流电源的正极通过所述第一开关与所述逆变器的直流侧正极相连，所述辅助直流电源的负极与所述逆变器的直流侧负极相连；
所述第一开关的控制端与所述控制单元的输出端相连。
7.根据权利要求6所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述限流单元包括：串联连接的二极管、限流电阻和熔断器，所述二极管的方向与所述开关电源的输出电流方向相同。
8.根据权利要求1所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，还包括：第二开关；所述第二开关串联连接于所述开关电源的输出端正极与所述限流单元的输入端之间，所述第二开关的控制端与所述控制单元的输出端相连。
9.根据权利要求1所述的抑制PID效应的装置，其特征在于，所述开关电源为：BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、正激、反激、半桥、全桥及推挽式拓扑中的任意一种。
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