光伏匯流箱的設(shè)計(jì)

劉軍 劉澤方 王曉云 高巧梅 孔俊麗

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）北京 100083

光伏匯流箱的設(shè)計(jì)

劉軍 劉澤方 王曉云 高巧梅 孔俊麗

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）北京 100083

針對(duì)在太陽(yáng)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(xiàn)繁多、電池陣列和逆變器之間沒(méi)有很高程度的保護(hù)這一現(xiàn)狀，進(jìn)行了光伏匯流箱的設(shè)計(jì)。在光伏匯流箱的硬件設(shè)計(jì)中主電路以ATmega16單片機(jī)為控制中樞，由電流電壓檢測(cè)電路、CAN總線(xiàn)通訊電路及控制LCD顯示、鍵盤(pán)等電路的控制芯片組成，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)能電板的電壓、電流及環(huán)境溫度的采集。此外，進(jìn)行了對(duì)光伏匯流箱通訊協(xié)議的制定及防雷設(shè)計(jì)。

光伏發(fā)電；光伏匯流箱；防雷設(shè)計(jì)；通訊協(xié)議

引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出。這個(gè)時(shí)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?nèi)祟?lèi)的能源結(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)德國(guó)全球變化咨詢(xún)委員會(huì)的研究,要實(shí)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(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC）對(duì)6種可再生能源資源(生物能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、水電、海洋能、風(fēng)能）進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明太陽(yáng)能資源可開(kāi)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(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。

1 光伏匯流箱的介紹

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)利用太陽(yáng)能電池的光生伏打效應(yīng)(半導(dǎo)體材料表面受到太陽(yáng)光照射時(shí),其內(nèi)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì),在內(nèi)建電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生光生直流電）,是一種將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式[3]。太陽(yáng)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(yáng)光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能電池陣列被轉(zhuǎn)換為直流電，然后再通過(guò)逆變器變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)或者直接供給負(fù)載使用。但是，由于光伏電池的轉(zhuǎn)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(xiàn)，并在電池陣列和逆變器之間進(jìn)行保護(hù)，就需要把多路太陽(yáng)能電池陣列輸出進(jìn)行匯流、保護(hù)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(gè)作用。

匯流箱是指用戶(hù)可以將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)個(gè)光伏串列，然后再將若干個(gè)光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流箱，在光伏匯流箱內(nèi)匯流后，通過(guò)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(gòu)成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)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(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害，起到正常使用的，而一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣夥?yáng)能發(fā)電都會(huì)面臨到一個(gè)防止雷電的問(wèn)題，所以大多數(shù)匯流箱都需要配備防雷的作用，所以來(lái)說(shuō)一般光伏匯流箱都可以稱(chēng)為光伏防雷匯流箱、太陽(yáng)能光伏匯流箱等等。

圖1 光伏匯流箱的應(yīng)用[4]

2 光伏匯流箱基本工作原理

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的光伏匯流箱可同時(shí)接入多路太陽(yáng)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(shí)時(shí)顯示功能，便于觀察工作狀況，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP65，滿(mǎn)足室外安裝的使用要求等諸多功能。

整個(gè)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(yáng)能電池陣列將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)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(fù)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(gè)光伏直流專(zhuān)用二極管。a、b兩路直流電經(jīng)過(guò)匯流箱匯流后，輸入到光伏逆變器進(jìn)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(fù)載使用。由于一個(gè)逆變器可以接入幾個(gè)匯流箱，所以在逆變器內(nèi)還要進(jìn)行二次匯流。

3 光伏匯流箱的防雷設(shè)計(jì)

由于光伏匯流箱是安裝在室外環(huán)境的，我們必須考慮對(duì)匯流箱進(jìn)行雷擊保護(hù)。為此，我們?cè)趨R流箱直流輸出部分并聯(lián)了一個(gè)光伏直流專(zhuān)用的雷擊浪涌保護(hù)器（即防雷器）。一旦發(fā)生雷擊，浪涌保護(hù)器會(huì)迅速將過(guò)大的電能泄放掉，保證電能的穩(wěn)定輸出，保護(hù)匯流箱不受雷擊損害。

雷擊浪涌保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

雷擊浪涌保護(hù)器將直流輸出正、負(fù)極通過(guò)熱脫扣器和壓敏電阻接地。正常工作時(shí)，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(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓值，這時(shí)壓敏電阻阻值迅速下降，電路正、負(fù)極與地導(dǎo)通，起到迅速泄放過(guò)大電能的作用。當(dāng)過(guò)大電能泄放后，電壓恢復(fù)正常，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。防雷器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 雷擊浪涌保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 光伏直流雷擊浪涌保護(hù)器技術(shù)參數(shù)表

由于匯流箱要通過(guò)大電壓、大電流，這就對(duì)電路板的保護(hù)措施有著嚴(yán)格的要求，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，電氣間隙和爬電距離必須滿(mǎn)足表2所示：

表2 電氣間隙和爬電距離

由于我們?cè)O(shè)計(jì)的匯流箱輸入直流電壓為250V～480V，所以選用第二項(xiàng)的參數(shù)，即最小電氣間隙要達(dá)到20mm,最小爬電距離要達(dá)到25mm。

4 光伏匯流箱的硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的光伏匯流箱硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。主電路以ATmega16單片機(jī)為控制中樞，由電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、輸出控制驅(qū)動(dòng)部分、CAN總線(xiàn)通訊電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制LCD顯示、鍵盤(pán)等電路的控制芯片組成。

圖4 基于光伏匯流箱硬件結(jié)構(gòu)圖

光伏匯流箱檢測(cè)電路對(duì)太陽(yáng)能電池板電路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)傳送到總監(jiān)控器，這樣，總監(jiān)控器就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的電流狀態(tài)。

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

圖5 太陽(yáng)能電池板電流檢測(cè)原理圖

對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓進(jìn)行采樣，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)分析處理后傳送到地面管理系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓的檢測(cè)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(jí)之間是絕緣的，可用于測(cè)量直流、交流和脈沖電壓。對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓的采樣原理圖如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)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(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000獨(dú)立的CAN控制器有RasicCAN和PeIiCAN兩種不同的模式；CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器為82C250，82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，它最初是為汽車(chē)中的高速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。器件可以提供對(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)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(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)主從協(xié)議，允許一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)從機(jī)通信。若主機(jī)發(fā)送一個(gè)信息，則可從一臺(tái)從機(jī)設(shè)備返回一個(gè)響應(yīng)，類(lèi)似，當(dāng)一臺(tái)從機(jī)接受信息時(shí)，它就組織一個(gè)相應(yīng)的響應(yīng)信息，并返回至原發(fā)送信息的主機(jī)。在物理層，標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS端口是使用一個(gè)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(wú)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(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

在本項(xiàng)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(gè)信息幀的發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，即表格中的Tl-T4。每一幀以地址字符為起始點(diǎn)，以CRC校驗(yàn)碼為結(jié)束點(diǎn)，每個(gè)字符包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗(yàn)位，1位停止位。整個(gè)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(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓，則認(rèn)為幀錯(cuò)誤，停止接收。最后一個(gè)傳輸字符結(jié)束后，至少要停頓3.5個(gè)字符的時(shí)間才能開(kāi)始下一個(gè)信息幀的傳遞。字符的時(shí)間與具體的通信波特率有關(guān)，如波特率設(shè)置為4800，則1.5個(gè)字符時(shí)間為:1/4800* 11* 1.5* 1000=3.44ms。

通訊協(xié)議的任務(wù)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(jī)，包括各個(gè)太陽(yáng)能電板的電壓、電流及環(huán)境溫度等參數(shù)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)各種異常報(bào)警方式，包括欠壓、過(guò)壓、過(guò)流及溫度過(guò)高等。

6 結(jié)論

匯流箱作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要用于連接太陽(yáng)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(xiàn)，起到提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性的作用[5]。在硬件設(shè)計(jì)方面，該光伏匯流箱的主電路以ATmega16單片機(jī)為控制中樞，由電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、輸出控制驅(qū)動(dòng)部分、CAN總線(xiàn)通訊電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制LCD顯示、鍵盤(pán)等電路的控制芯片組成。并且設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池板電流檢測(cè)電路、太陽(yáng)能電池板電壓采樣電路。此外，進(jìn)行了對(duì)光伏匯流箱通訊協(xié)議的制定及防雷設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電潛力巨大，在今后的十幾年中，中國(guó)光伏發(fā)電的市場(chǎng)將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(yáng)能以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，其開(kāi)發(fā)利用必將在21世紀(jì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)綱重任，成為21世紀(jì)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(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J]. 水電能源·科學(xué)，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(yáng)光能源，2010；（04）：60～61

[5]CGC認(rèn)證技術(shù)規(guī)范.《光伏方陣匯流箱技術(shù)規(guī)范》編制說(shuō)明

[6]劉永梅，王金宇，盛萬(wàn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）本科生電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)08級(jí)學(xué)生。