一种太阳能PWM控制器及其监测方法与流程

一种太阳能pwm控制器及其监测方法
技术领域
1.本发明一般地涉及光伏系统技术领域。更具体地，本发明涉及一种太阳能pwm控制器及其监测方法。


背景技术：

2.电弧是指流经大电流的导体，由于接头的不可靠连接或接头、导线绝缘退化，导致的接触不良，触点之间或触点与其他导体之间的不可靠连接而形成的放电现象。电弧是直流系统中导致火灾的主要原因，及时准确的侦测电弧的发生，直接影响直流系统的安全性和可靠性。
3.近年来，以太阳能光伏为代表的可再生新能源发电，一般通过直流-交流变换器并入电网，在直流侧容易由于外力或者老化等导致接触不良，产生故障电弧。当电弧发生时，会产生高温高热，甚至引起火灾造成人身危害。现有的直流电弧检测电路，一般是通过电流传感器对直流线路上的电流进行采样，电流采样通过采用隔离的互感器方案，采样得到的信号通过滤波电路进行滤波，得到所需频段的信号，并从时域和频域角度判断当前线路上是否发生了电弧故障。
4.对于电弧的检测，如申请公布号为cn 115291066 a，发明名称为“一种直流电弧检测电路与逆变器及光伏发电系统”，公开了用于多路待测直流供电线路的电弧检测，包括电流传感器、ad采样芯片与控制芯片，每个电流传感器分别连接通路选择电路；运行时通路选择电路每一时刻至少选择其中1路的电流传感器开通连接；开通连接的电流传感器采样得到的信号经过通道选择电路，电流信号进行滤波电路的滤波和高速ad采样信号的采样，判断当前选通支路是否发生了电弧故障。
5.上述现有技术中虽然能够检测到光伏组件的输出电压（直流侧）的电弧故障，但是需要说明的是，在实际太阳能光伏应用中，虽然通过设置多路检测装置能够实现单台逆变器的多路光伏组件输入的故障电弧的监测，但是采用上述设置的电弧检测装置，不仅使得整个光伏系统所处的电磁环境较为复杂，可能产生电磁影响，还使得光伏系统的电弧检测的检测装置较为复杂、检测电弧的成本较高；同时上述现有技术中也并未公开在监测到故障电弧时，如何进行消弧。


技术实现要素：

6.为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过设置电弧检测装置，能够实现故障电弧的监测，同时，在进行电弧检测的同时，在已有的升压电路的基础上，设置泄放电路，使得能够在进行电弧检测的同时进行电弧的消除，提高设备的安全性；为此，本发明在如下的多个方面中提供方案。
7.在第一方面中，本发明提供了一种太阳能pwm控制器，包括：pwm控制电路以及电弧检测装置，所述pwm控制电路与所述电弧检测装置相连接；所述电弧检测装置，包括数据采集模块以及数据处理模块；
数据采集模块用于采集光伏阵列的输出端的输出信号，对输出信号进行分析，得到特征量；数据处理模块，用于比较特征量与设定阈值的大小，响应于特征量大于设定阈值时，则判断光伏阵列发生故障电弧；并将故障电弧信号发送至pwm控制电路；pwm控制电路，包括pwm控制器以及升压单元，其用于在接收到故障电弧信号时，输出控制信号至升压单元，以控制升压单元，实现相应的控制保护策略；其中，所述升压单元包括boost升压电路和泄放电路，所述boost升压电路包括并联设置在光伏阵列的输出端上的两条支路，第一条支路设置有第一开关管，第二条支路设置有电容；所述泄放电路包括串联设置的电阻和第二开关管；其中，所述电阻和第二开关管所在的支路并联设置在所述电容的两端；其中，所述第一开关管以及所述第二开关管的栅极分别与pwm控制器上的第一输出信号端和第二输出信号端连接。
8.在一个实施例中，所述boost升压电路还包括在光伏阵列的输出端与第二条支路之间依次串设的电感和二极管，且电感和二极管之间的连接点与第一条支路的一端连接。
9.在一个实施例中，所述实现相应的控制保护策略为：在pwm控制器接收到故障电弧信号时，pwm控制器通过第一输出信号端控制第一开关管延长关断时长，对电容充电，以使电流减小；同时，在对电容充电过程中，pwm控制器通过第二输出信号端控制第二开关管的进行导通，以使电容上的能量通过电阻进行泄放，以实现消除电弧的目的。
10.在一个实施例中，在采取相应的控制策略后，继续进行故障电弧的监测，当仍监测到故障电弧的存在，则进行报警。
11.在一个实施例中，所述第一开关管和第二开关管均采用mos管。
12.在第二方面中，本发明提供的一种采用上述的一种太阳能pwm控制器的监测方法，包括以下步骤：判断光伏阵列是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则控制升压单元中第一开关管延长关断时长，对电容充电，以使电流减小；在对电容充电过程中，pwm控制器控制第二开关管导通，以使电容上的能量通过电阻进行泄放，以实现消除电弧的目的；在采取相应的控制策略后，继续进行故障电弧的监测，当仍监测到故障电弧的存在，则进行报警。
13.本发明的有益效果为：本发明的方案通过设置电弧检测装置以及在现有的光伏逆变器中的boost升压电路的基础上设置泄放电路，能够在光伏阵列的输出端（直流侧）进行故障电弧检测，即采用简单的电弧检测装置检测故障电弧使得成本较低；同时，在监测到故障电弧时，还通过pwm控制器控制泄放电路对检测到的故障电弧进行及时、快速的泄放，提高了光伏系统的安全性和可靠性。
14.本发明的光伏逆变器，带有消除电弧的功能，即通过在boost升压电路的基础上设置泄放电路，通过pwm控制器控制泄放电路实现消弧电弧的目的，能够在光伏系统运行的过程中，避免由于弱电弧故障，影响光伏系统的可靠性。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：图1示意性示出根据一种光伏并网系统的结构示意图；图2示意性示出根据本实施例中的一种太阳能pwm控制器的pwm控制电路的示意图；图3是根据本实施例中的基于一种太阳能pwm控制器的监测方法的方法流程图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
18.目前，对于多组光伏阵列的直流电弧故障的监测，设置的电弧故障检测装置过于复杂，成本较高；基于此，本发明针对多组光伏阵列的直流电弧的检测，侧重的是在多组光伏阵列的输出端（直流侧）直接进行所有光伏阵列的电弧故障的监测。
19.具体地，下面以光伏系统为例，对本发明的方案进行具体介绍。
20.图1示意性示出根据一种光伏并网系统的结构示意图。
21.如图1所示，本实施例的光伏并网系统包括光伏阵列、pwm控制电路以及逆变单元，其中，pwm控制电路包括升压单元和pwm控制器。
22.其中，升压单元，与光伏阵列相连接，用于对光伏阵列的输出电压进行升压变换，具体地，升压单元对光伏阵列的输出电压进行升压变换，使直流母线的电压稳定在后级的逆变单元将直流电并到交流输电网中所需的最低直流电压值之上；逆变单元，与所述升压单元相连接，用于对升压后的输出电压进行直流转交流的变换；pwm控制器，分别与升压单元、逆变单元相连接，用于产生对输出电压进行调节的pwm信号。
23.基于上述中的光伏并网系统，在进行光伏阵列的故障电弧的检测时，还需要额外设置电弧检测装置，该电弧检测装置与pwm控制器相连接，用于将检测到的故障电弧信号发送至pwm控制器。
24.因此，本发明提供的一种太阳能pwm控制器，引入了电弧检测装置，即包括pwm控制电路以及电弧检测装置。
25.在一个实施例中，电弧检测装置包括数据采集模块以及数据处理模块；其中数据采集模块，用于对光伏阵列的输出信号进行采集，其中的输出信号包括输出电压和/或电流信号，通过对采集到输出信号进行时域特性和频域特性的分析，并利用快速傅立叶变换和小波变换提取输出信号的特征值。具体地，数据采集模块可以为电压传感器和/或电流传感器。
26.数据处理模块，将特征值与设定阈值进行比较，当特征值大于设定阈值，则判定为光伏阵列出现故障电弧，此时需要采取相应的控制保护措施。具体地，设定阈值为根据经验
获取的阈值。
27.上述中的电弧检测装置，仅通过设置电压传感器和/或电流传感器进行数据的采集，之后对数据进行处理和分析，即可实现故障电弧的监测。
28.之后，上述在监测到光伏阵列出现故障电弧时，还同时采取相应的控制保护措施，以提高光伏系统的可靠性以及安全性。
29.图2示意性示出根据一种太阳能pwm控制器的pwm控制电路示意图。
30.如图2所示，本实施例的一种太阳能pwm控制器的pwm控制电路包括升压单元以及pwm控制器。
31.其中，升压单元包括boost升压电路和泄放电路。
32.其中，boost升压电路包括输入端、输出端，以及并联设置在输入端与输出端之间的两条支路；一条支路上设置有第一开关管q1，一条支路上设置有电容c1；其中两条并联设置的支路的一端分别与电感l1的一端连接，电感l1的另一端与输入端连接，且第一开关管q1的源极与二极管d1的阳极连接，电容c1的一端与二极管d1的阴极连接。具体地，第一开关管q1可以采用mos管。
33.其中升压单元的输入端输入的是光伏阵列的输出电压；升压单元的第一mos管q1的栅极与pwm控制器连接，用于根据pwm控制器第一输出信号端输出的pwm信号进行第一mos管q1的导通与关闭的控制。
34.其中，当第一mos管q1导通后，电流流向是从电感l1，经由第一mos管q1形成回路，此时电感l1开始充电，二极管d1反向截止；此时输出能量全部由电容c1提供；当第一mos管q1关闭后，电流流向是从电感l1、二极管d1、电容c1；此时电感释放能量，其相当于一个电池和输入端电压串联，为负载供电，同时为电容c1充电。
35.本实施例的泄放电路，包括串联设置的电阻和第二开关管q2；其中，所述电阻和第二开关管q2所在的支路并联设置在所述boost升压电路中的电容的两端；具体地，在boost升压电路的基础上，添加了一个第二开关管q2以及电阻r2；其中第二开关管q2也采用mos管。
36.具体地，第二mos管q2与电阻r2串联设置，形成一条支路，该条支路并联设置在电容c1的两端，其中，第二mos管q2的栅极与pwm控制器的第二输出信号端连接，用于根据pwm控制器输出的pwm信号进行第二mos管q2的通断控制。
37.本发明的泄放电路是在已有的boost升压电路中并联设置若干元器件，即可实现光伏阵列的输出电压端的直流电弧的监测。
38.具体地，本实施例中的升压单元的工作过程为：在进行直流电弧检测时，pwm控制器通过第一输出信号端控制升压单元，使得升压过程（充电电流逐渐减小）足够长（即延长第一mos管q1的关断时长），使电流对电容c1充电从而使电流减小，自然熄灭电弧；进一步地，在对电容c1充电时，pwm控制器通过第二输出信号端可以导通第二mos管q2，使得电容c1上能量泄放到电阻r2上，进一步降低电流，延长对电容c1的充电时间，以消除故障电弧的目的。
39.因此，当光伏阵列发生电弧故障（光伏逆变器的直流侧发生电流故障）时，通过pwm控制器进行升压单元中两个mos管的导通与关断的控制，能够实现对弱得直流电弧进行消除；而当直流电弧无法消除时，则进行故障电弧的报警。需要说明的是，本发明的方案，只有
串联电弧且为弱电弧时，才可以据此处理，对于并联电弧以及难以消除的电弧，仍然需要报警。具体为，在处理的过程中不断检测，若电弧不消失，那么就进行报警。
40.图3是根据本实施例中的基于一种太阳能pwm控制器的监测方法的方法流程图。
41.如图3所示，本实施例中的基于一种太阳能pwm控制器的监测方法，包括以下步骤：判断光伏阵列是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则pwm控制器控制第一开关管延长关断时长，对电容充电，以使电流减小；在对电容充电过程中，pwm控制器控制第二开关管导通，以使电容上的能量通过电阻进行泄放，以实现消除电弧的目的；在采取相应的控制策略后，继续进行故障电弧的监测，当仍监测到故障电弧的存在，则进行报警。
42.本实施例中，在判断出发生故障电弧时，还需连续进行n次判断，即当连续n次发生故障，则采用采取相应的控制保护策略。其中n取值范围为大于等于3；本实施例中n的取值为3，即当故障判断的次数连续达到3次时，则证明故障电弧一直发生，故障并不会消失，此时应该进行相应的控制保护策略，以实现消除电弧的目的；通过连续多次故障电弧的检测，避免单次故障电弧发生的偶然性，提高故障电弧检测的准确性。
43.同时，在进行消除电弧时，本实施例中的控制保护策略，是针对的串联弱电弧；而对于并联电弧或者是强电弧，其难以达到消弧的目的，则需要进行报警。具体地，在监测到故障电弧时，通过直流电弧故障监测电弧进行消弧之后，继续进行故障电弧的监测，若故障电弧仍然存在，则进行报警。
44.上述实施例中，在进行消弧之后，进行的故障电弧的监测，可以进行单次监测。当然也可以连续进行多次监测，这样能够避免单次故障电弧发生的偶然性，提高故障电弧检测的准确性，从而避免误报警。
45.需要说明的是，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多次”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
46.虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。

技术特征：
1.一种太阳能pwm控制器，其特征在于，包括pwm控制电路以及电弧检测装置，所述pwm控制电路与所述电弧检测装置相连接；所述电弧检测装置，包括数据采集模块以及数据处理模块；数据采集模块用于采集光伏阵列的输出端的输出信号，对输出信号进行分析，得到特征量；数据处理模块，用于比较特征量与设定阈值的大小，响应于特征量大于设定阈值时，则判断光伏阵列发生故障电弧；并将故障电弧信号发送至pwm控制电路；pwm控制电路，包括pwm控制器以及升压单元；其用于在接收到故障电弧信号时，输出控制信号至升压单元，以控制升压单元，实现相应的控制保护策略；其中，所述升压单元包括boost升压电路和泄放电路，所述boost升压电路包括并联设置在光伏阵列的输出端上的两条支路，第一条支路设置有第一开关管，第二条支路设置有电容；所述泄放电路包括串联设置的电阻和第二开关管；其中，所述电阻和第二开关管所在的支路并联设置在所述电容的两端；其中，所述第一开关管以及所述第二开关管的栅极分别与pwm控制器上的第一输出信号端和第二输出信号端连接。2.根据权利要求1所述的一种太阳能pwm控制器，其特征在于，所述boost升压电路还包括在光伏阵列的输出端与第二条支路之间依次串设的电感和二极管，且电感和二极管之间的连接点与第一条支路的一端连接。3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能pwm控制器，其特征在于，所述实现相应的控制保护策略为：在pwm控制器接收到故障电弧信号时，pwm控制器通过第一输出信号端控制第一开关管延长关断时长，对电容充电，以使电流减小；同时，在对电容充电过程中，pwm控制器通过第二输出信号端控制第二开关管的进行导通，以使电容上的能量通过电阻进行泄放，以实现消除电弧的目的。4.根据权利要求3所述的一种太阳能pwm控制器，其特征在于，在采取相应的控制策略后，继续进行故障电弧的监测，当仍监测到故障电弧的存在，则进行报警。5.根据权利要求2所述的一种太阳能pwm控制器，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均采用mos管。6.一种基于如权利要求1-5中任一项所述的一种太阳能pwm控制器的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：判断光伏阵列是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则控制升压单元中第一开关管延长关断时长，对电容充电，以使电流减小；在对电容充电过程中，pwm控制器控制第二开关管导通，以使电容上的能量通过电阻进行泄放，以实现消除电弧的目的；在采取相应的控制策略后，继续进行故障电弧的监测，当仍监测到故障电弧的存在，则进行报警。

技术总结
本发明涉及光伏系统技术领域，具体涉及一种太阳能PWM控制器及其监测方法，具体地，包括：PWM控制电路以及电弧检测装置；电弧检测装置，用于采集光伏阵列的输出端的输出信号，并对输出信号进行分析，得到特征量，并比较特征量与设定阈值的大小，响应于特征量大于设定阈值时，则判断光伏阵列发生故障电弧；并将故障电弧信号发送至PWM控制电路；PWM控制电路，用于在接收到故障电弧信号时，输出控制信号至升压单元，以控制升压单元，实现相应的控制保护策略。即本发明的方案不仅能够实时监测到故障电弧，还能够对光伏系统中的故障电弧进行及时、快速的消除。快速的消除。快速的消除。


技术研发人员：蔡月琴 黄飞林 胡小龙
受保护的技术使用者：广州德姆达光电科技有限公司
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20