光伏匯流箱的設計

劉軍 劉澤方 王曉云 高巧梅 孔俊麗

中國礦業(yè)大學（北京）北京 100083

光伏匯流箱的設計

劉軍 劉澤方 王曉云 高巧梅 孔俊麗

中國礦業(yè)大學（北京）北京 100083

針對在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池陣列和逆變器之間的連線繁多、電池陣列和逆變器之間沒有很高程度的保護這一現(xiàn)狀，進行了光伏匯流箱的設計。在光伏匯流箱的硬件設計中主電路以ATmega16單片機為控制中樞，由電流電壓檢測電路、CAN總線通訊電路及控制LCD顯示、鍵盤等電路的控制芯片組成，實現(xiàn)了單片機對太陽能電板的電壓、電流及環(huán)境溫度的采集。此外，進行了對光伏匯流箱通訊協(xié)議的制定及防雷設計。

光伏發(fā)電；光伏匯流箱；防雷設計；通訊協(xié)議

引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)德國全球變化咨詢委員會的研究,要實現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展,則所要求的可再生能源替代比例將從2020年的20%提升到2050年的50%[1]。2011年,聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC）對6種可再生能源資源(生物能、太陽能、地熱能、水電、海洋能、風能）進行評估,結果表明太陽能資源可開發(fā)潛力是所有可再生能源中最高的[2]。這些足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域重要的戰(zhàn)略地位。

1 光伏匯流箱的介紹

太陽能光伏發(fā)電技術利用太陽能電池的光生伏打效應(半導體材料表面受到太陽光照射時,其內產(chǎn)生大量電子-空穴對,在內建電場作用下運動并產(chǎn)生光生直流電）,是一種將太陽輻射能直接轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式[3]。太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要有光伏電池陣列、光伏匯流箱、光伏逆變器和電網(wǎng)組成，有的系統(tǒng)還有蓄電池。太陽光經(jīng)過太陽能電池陣列被轉換為直流電，然后再通過逆變器變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)或者直接供給負載使用。但是，由于光伏電池的轉換效率不高，所以光伏電站往往占用很多的土地，范圍比較大。為了減少光伏電池陣列和逆變器之間的連線，并在電池陣列和逆變器之間進行保護，就需要把多路太陽能電池陣列輸出進行匯流、保護后，變?yōu)檩^少路的輸出輸入到逆變器里。而光伏匯流箱就是起到這么一個作用。

匯流箱是指用戶可以將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來，組成一個個光伏串列，然后再將若干個光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流箱，在光伏匯流箱內匯流后，通過控制器，直流配電柜，光伏逆變器，交流配電柜，配套使用從而構成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)與市電并網(wǎng)。

而光伏防雷匯流箱（如圖1所示）是指在匯流箱中裝入防雷擊元器件，從而可以起到防雷的作用，在雷雨天氣也不會對設備產(chǎn)生危害，起到正常使用的，而一般來說，因為光伏太陽能發(fā)電都會面臨到一個防止雷電的問題，所以大多數(shù)匯流箱都需要配備防雷的作用，所以來說一般光伏匯流箱都可以稱為光伏防雷匯流箱、太陽能光伏匯流箱等等。

圖1 光伏匯流箱的應用[4]

2 光伏匯流箱基本工作原理

本文設計實現(xiàn)的光伏匯流箱可同時接入多路太陽能光伏陣列，具備防雷功能，確保雷每擊不影響光伏陣列正常輸出，采用高壓斷路器，安全可靠，具有電流、電壓、電量的實時顯示功能，便于觀察工作狀況，防護等級達IP65，滿足室外安裝的使用要求等諸多功能。

整個系統(tǒng)原理圖如圖2所示：

圖2 直流光伏匯流箱主電路圖

如圖2所示，太陽能電池陣列將太陽光能轉化為電能后，以直流形式輸入?yún)R流箱。上圖a+、b+和a-、b-分別是a、b兩路直流電的正、負極輸入。在匯流前，我們將a、b兩路直流電的正極各加上一個光伏直流專用二極管。a、b兩路直流電經(jīng)過匯流箱匯流后，輸入到光伏逆變器進行逆變，將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同幅、同頻、同步的交流電，然后并入電網(wǎng)，或直接供給負載使用。由于一個逆變器可以接入幾個匯流箱，所以在逆變器內還要進行二次匯流。

3 光伏匯流箱的防雷設計

由于光伏匯流箱是安裝在室外環(huán)境的，我們必須考慮對匯流箱進行雷擊保護。為此，我們在匯流箱直流輸出部分并聯(lián)了一個光伏直流專用的雷擊浪涌保護器（即防雷器）。一旦發(fā)生雷擊，浪涌保護器會迅速將過大的電能泄放掉，保證電能的穩(wěn)定輸出，保護匯流箱不受雷擊損害。

雷擊浪涌保護器內部結構如圖3所示。

雷擊浪涌保護器將直流輸出正、負極通過熱脫扣器和壓敏電阻接地。正常工作時，壓敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。系統(tǒng)一旦受到雷擊，電路里會產(chǎn)生一個很大的電壓值，這時壓敏電阻阻值迅速下降，電路正、負極與地導通，起到迅速泄放過大電能的作用。當過大電能泄放后，電壓恢復正常，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(tài)。防雷器技術參數(shù)如表1所示。

圖3 雷擊浪涌保護器內部結構圖

表1 光伏直流雷擊浪涌保護器技術參數(shù)表

由于匯流箱要通過大電壓、大電流，這就對電路板的保護措施有著嚴格的要求，根據(jù)國標要求，電氣間隙和爬電距離必須滿足表2所示：

表2 電氣間隙和爬電距離

由于我們設計的匯流箱輸入直流電壓為250V～480V，所以選用第二項的參數(shù)，即最小電氣間隙要達到20mm,最小爬電距離要達到25mm。

4 光伏匯流箱的硬件設計

基于單片機的光伏匯流箱硬件結構框圖如圖4所示。主電路以ATmega16單片機為控制中樞，由電流檢測電路、電壓檢測電路、輸出控制驅動部分、CAN總線通訊電路、輸出驅動電路及控制LCD顯示、鍵盤等電路的控制芯片組成。

圖4 基于光伏匯流箱硬件結構圖

光伏匯流箱檢測電路對太陽能電池板電路狀態(tài)進行檢測，將數(shù)據(jù)傳送到總監(jiān)控器，這樣，總監(jiān)控器就可以實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的電流狀態(tài)。

對小電流的檢測選用HKA200-NP系列霍爾小電流傳感器，它的初、次級之間是絕緣的，可用于測量直流、交流和脈沖電流。光伏匯流箱檢測原理圖如圖5所示。

圖5 太陽能電池板電流檢測原理圖

對太陽能電池板電壓進行采樣，將連續(xù)的模擬信號轉化為數(shù)字信號，數(shù)字信號由單片機分析處理后傳送到地面管理系統(tǒng)從而實現(xiàn)對太陽能電池板電壓的實時監(jiān)控顯示。對太陽能電池板電壓的檢測采用HV25-P系列霍爾電壓傳感器，HV25-P系列霍爾電壓傳感器的初、次級之間是絕緣的，可用于測量直流、交流和脈沖電壓。對太陽能電池板電壓的采樣原理圖如圖6所示。

圖6 太陽能電池板電壓的采樣原理圖

通訊電路選擇C A N控制器為SJA1000，SJA1000是一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制。SJA1000獨立的CAN控制器有RasicCAN和PeIiCAN兩種不同的模式；CAN總線驅動器為82C250，82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車中的高速應用而設計的。器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。

5 光伏匯流箱的通訊協(xié)議

光伏匯流箱的軟件設計主要包括單片機對太陽能電板的電壓、電流及環(huán)境溫度的采集和通訊協(xié)議部分。通訊協(xié)議采用標準MODBUS協(xié)議。

MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，該協(xié)議是一個主從協(xié)議，允許一臺主機與多臺從機通信。若主機發(fā)送一個信息，則可從一臺從機設備返回一個響應，類似，當一臺從機接受信息時，它就組織一個相應的響應信息，并返回至原發(fā)送信息的主機。在物理層，標準的MODBUS端口是使用一個RS-232兼容的串行接口。在MODBUS協(xié)議中有兩種有效的數(shù)據(jù)傳送方式，即ASCII碼和RTU方式。無論哪種傳送方式，MODBUS信息都是以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結束點。

在本項目中，采用了RTU的傳送方式。RTU信息幀格式如下表3所示:

表3

每個信息幀的發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，即表格中的Tl-T4。每一幀以地址字符為起始點，以CRC校驗碼為結束點，每個字符包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗位，1位停止位。整個信息幀必須連續(xù)發(fā)送，如果在發(fā)送幀信息期間，相鄰字符間有超過1.5個字符時間的停頓，則認為幀錯誤，停止接收。最后一個傳輸字符結束后，至少要停頓3.5個字符的時間才能開始下一個信息幀的傳遞。字符的時間與具體的通信波特率有關，如波特率設置為4800，則1.5個字符時間為:1/4800* 11* 1.5* 1000=3.44ms。

通訊協(xié)議的任務就是把匯流箱的各種參數(shù)上傳給光伏發(fā)電站的監(jiān)控主機，包括各個太陽能電板的電壓、電流及環(huán)境溫度等參數(shù)，同時還可以實現(xiàn)各種異常報警方式，包括欠壓、過壓、過流及溫度過高等。

6 結論

匯流箱作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部件，主要用于連接太陽能電池組件與并網(wǎng)逆變器或控制器，減少光伏組件與并網(wǎng)逆變器或控制器之間連線，起到提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性的作用[5]。在硬件設計方面，該光伏匯流箱的主電路以ATmega16單片機為控制中樞，由電流檢測電路、電壓檢測電路、輸出控制驅動部分、CAN總線通訊電路、輸出驅動電路及控制LCD顯示、鍵盤等電路的控制芯片組成。并且設計了太陽能電池板電流檢測電路、太陽能電池板電壓采樣電路。此外，進行了對光伏匯流箱通訊協(xié)議的制定及防雷設計。太陽能光伏發(fā)電潛力巨大，在今后的十幾年中，中國光伏發(fā)電的市場將會由獨立發(fā)電系統(tǒng)轉向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。太陽能以其獨具的優(yōu)勢，其開發(fā)利用必將在21世紀得到長足的發(fā)展，并終將在世界能源結構轉移中擔綱重任，成為21世紀后期的重要能源[6]。

[1]Grassl H, Luther J, Nuscheler F,et al.World in Transitions: Towards Sustainable Energy Systems[M]. London: Earthscan Press,2004.

[2]Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC）. IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation[R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.

[3]李芬,陳正洪,何明瓊等.太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J]. 水電能源·科學，2011；29（12）：188～192,206

[4]郭貴雄，彭宇.淺談光伏系統(tǒng)配套之光伏防雷匯流箱[J].陽光能源，2010；（04）：60～61

[5]CGC認證技術規(guī)范.《光伏方陣匯流箱技術規(guī)范》編制說明

[6]劉永梅，王金宇，盛萬興.光伏發(fā)電概述[J].農(nóng)村電氣化,2011;（03）：55～56

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.090

劉軍，中國礦業(yè)大學（北京）本科生電氣工程與自動化專業(yè)08級學生。