光伏接線盒的改進(jìn)和提升策略

王再望

寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，寧夏 銀川，750021

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們越來越青睞于清潔環(huán)保型能源，而太陽能光伏發(fā)電形式的出現(xiàn)可以很好地滿足這一要求。太陽能光伏發(fā)電就是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以供人們使用。

1 光伏接線盒

光伏接線盒從本質(zhì)上是一種連接器，能夠?qū)⑻柲茈姵亟M件方陣與太陽能充電控制裝置連接在一起。光伏接線盒主要是起到對太陽能光伏組件連接和保護(hù)作用。光伏接線盒能夠?qū)⑻柲芄夥M件所產(chǎn)生的電力傳遞給外部電路從而實現(xiàn)電力傳輸功能。因此光伏接線盒性能至關(guān)重要。當(dāng)前光伏接線盒可以根據(jù)其工藝的不同劃分為灌膠類和非灌膠類兩種，以下對這兩種不同類型的光伏接線盒進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，探究光伏接線盒的性能[1]。

（1）灌膠類光伏接線盒。灌膠類光伏接線盒體積較小，而且在設(shè)計時采用了灌膠措施，具有良好防水性能，可以達(dá)到IP68的防護(hù)等級。除此之外灌膠類光合接線盒所采用的灌膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/m·K，該系數(shù)要比密閉環(huán)境下空氣導(dǎo)熱系數(shù)高很多，因此灌膠材料具有良好的導(dǎo)熱性和散熱性，能夠?qū)a(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，降低溫度對光伏接線盒性能的影響。但是灌膠類光伏接線盒需要購買的灌膠材料會在一定程度上增加光伏接線盒的成本，而且一旦裝置發(fā)生故障，很難進(jìn)行拆卸維修，影響光伏接線盒的使用和性能。

（2）非灌膠類光伏接線盒。非灌膠類光伏接線盒可以自由拆卸，一旦裝置發(fā)生故障，可以立即對裝置進(jìn)行拆卸維修，不會影響光伏接線盒使用性能。當(dāng)非灌膠類光伏接線盒達(dá)到使用壽命之后，組件內(nèi)部的零件可以隨意拆卸回收，提高材料利用效率。但是由于非灌膠類光伏接線盒沒有采用灌膠材料，光伏接線盒的密封性能和防水性能會降低，此時隨著光伏接線盒使用時間的延長，裝置會不斷老化，性能會不斷下降。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的非灌膠類光伏接線盒的防護(hù)等級一般在IP65。

2 普通光伏接線盒的痛點(diǎn)

普通光伏接線盒電路主要是由電池片與二極管組成的，二極管通過并聯(lián)的方式與電池片連接在一起，起到平衡電流的作用，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接線盒電路的等效電路

由于太陽光照射角度、周圍遮擋物等因素的影響，太陽能電池組件的可能存在局部被照射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象，此時在該區(qū)域內(nèi)的溫度會達(dá)到200℃左右。在高溫狀態(tài)下光伏接線盒內(nèi)部焊點(diǎn)熔化、封裝材料密封性下降，降低光伏電池方陣性能，因此為了有效保護(hù)電池組件內(nèi)電池方陣性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過并聯(lián)二極管的作用起到平衡電流作用，有效避免熱斑現(xiàn)象對光伏組件的影響。

二極管是一個敏感性較強(qiáng)的電子元器件，兩側(cè)壓降為1V，當(dāng)二極管流經(jīng)電流為10A時，此時二極管會消耗10W功率，造成電子組件功率損失。除此之外二極管對溫度比較敏感，在高溫狀態(tài)下，二極管會被燒壞，無法起到平衡電流作用，最終燒壞光伏接線盒。當(dāng)前在光伏接線盒中采用的是肖特基二極管，其在實際應(yīng)用時的壓降為0.5～0.7V，此時雖然會比普通二極管消耗功率略有下降，但是仍然存在較大功率損耗。而且肖特基二極管的反向漏電流要比普通二極管的大很多，這樣也會產(chǎn)生一定的電能損耗，因此對于光伏接線盒而言，不管是采用普通二極管還是選用肖特基二極管都會存在功率損耗，這也是當(dāng)前光伏接線盒性能設(shè)計的痛點(diǎn)[2]。

3 光伏接線盒的優(yōu)化和改進(jìn)思路

光伏接線盒通過旁路二極管平衡電流，從而起到保護(hù)光伏接線盒的作用，但是該裝置一旦其中某一個組件發(fā)生損壞或者是故障，此時接線盒會直接流經(jīng)二極管形成完整回路，此時會降低整個光伏組件發(fā)電量，進(jìn)而引發(fā)電池組件串聯(lián)失配，降低光伏組件的發(fā)電效率，而智能接線盒的出現(xiàn)則可以很好解決這一問題。智能接線盒是在傳統(tǒng)接線盒的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的裝置，該裝置能夠?qū)蝹€組件的最大功率進(jìn)行實時追蹤，從而保證每一個光伏組件都能夠達(dá)到最大輸出功率，降低失配對發(fā)電效率的影響。

智能光伏接線盒為了有效提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，就需要對組件的輸出功率進(jìn)行控制，利用MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）技術(shù)將其控制在最大功率附近。在MPPT技術(shù)下能夠?qū)M件的電流、電壓以及功率等參數(shù)進(jìn)行測定，確定組件的輸出功率，然后通過自尋優(yōu)方式確定峰值（最大功率）位置，并通過自調(diào)節(jié)作用對組件的運(yùn)行電壓、電流等進(jìn)行控制，將實際輸出功率向著最大功率移動。根據(jù)實踐經(jīng)驗測試發(fā)現(xiàn)在MPPT技術(shù)下智能接線盒轉(zhuǎn)換效率提升了20%到30%。通過對光伏組件的P-V曲線進(jìn)行測試，所得到的測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 光伏組件P-V 曲線

從圖中可以了解到光伏組件的輸出功率與實際電壓存在一定的關(guān)系，在電壓達(dá)到最大輸出電壓Vmax之前，此時隨著電壓不斷增加，輸出功率也在不斷增加，當(dāng)實際電壓達(dá)到最大電壓Vmax時，此時組件的輸出功率也達(dá)到了最大輸出功率Pmax。隨后當(dāng)實際電壓超過最大輸出電壓Vmax時，此時實際電壓增加，輸出功率Pmax反而會不斷下降，從P-V曲線中可以了解到要想達(dá)到最大輸出功率Pmax，就需要將組件的實際輸出電壓控制在最大電壓Vmax處，智能接線盒MPPT技術(shù)就是實時跟蹤功率變化，通過控制實際輸出電壓，將其控制在Pmax附近。

根據(jù)以上對MPPT技術(shù)分析可知，MPPT技術(shù)從本質(zhì)上就是對組件的實際輸出功率進(jìn)行自尋優(yōu)，通過調(diào)整實際輸出電壓的方式控制輸出功率，因此在光伏接線盒設(shè)計時就可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[3]。

4 智能光伏接線盒的設(shè)計

本文在進(jìn)行光伏接線盒設(shè)計時選取250W的光伏組件進(jìn)行研究，然后利用MPPT+DC/DC+無線通訊的組織架構(gòu)進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計。250W光伏組件的相關(guān)參數(shù)如下：開路電壓為42.4V，短路電流為7.6A，工作電壓為34V，工作電流為7.3A，峰值功率為250W。MPPT+DC/DC+無線通訊相結(jié)合的通信系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測光伏組件的實際輸出功率。在智能光伏接線盒系統(tǒng)中主要包括七個不同的控制模塊。

（1）供電系統(tǒng)模塊。該模塊主要是將光伏組件所輸出的實際電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為5V、10V、15V等不同電壓等級的系統(tǒng)，以便為其他模塊提供動力。5V電壓能夠為控制中心單片機(jī)供電，從而驅(qū)動單片機(jī)實現(xiàn)各項控制指令。10V電壓能夠為驅(qū)動模塊提供模擬電源。15V能夠為無線通信模塊提供數(shù)字電源，驅(qū)動各無線模塊運(yùn)行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

（2）檢測電路模塊。檢測電路主要是對光伏組件內(nèi)的電壓、電壓和溫度進(jìn)行檢測，從而根據(jù)檢測結(jié)果對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)自尋優(yōu)控制功能。

首先，在電壓檢測功能中主要是利用分壓電阻檢測的方式實現(xiàn)功能。在電壓檢測時會采用1%精度分壓電阻的作用進(jìn)行分壓，然后將分壓后采集到的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過AD口進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。此時為了保證采集電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低干擾信號對電壓信號的影響，在AD口處經(jīng)常會并聯(lián)一個0.01μF的電容。經(jīng)過AD口轉(zhuǎn)換后的電壓會直接傳送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，并發(fā)出對應(yīng)控制指令。但是由于單片機(jī)的電源電壓是5V，此時要求經(jīng)過AD口轉(zhuǎn)換后的電壓在5V以下。在一般狀況下光伏組件的輸出電壓在30～40V之間，此時可以采用電阻分壓的方式降低AD口采集電壓值。電壓檢測電路如圖3所示。

圖3 電壓檢測電路圖

假設(shè)在光伏組件的最大輸出電壓為60V，要求AD口采集電壓為5V，此時要求所選用的R11∶R10=1∶11，兩個電阻的阻值分別是10KΩ和110KΩ。放大倍數(shù)為1/12。

其次，在電流檢測中所選用的數(shù)據(jù)采樣方法是高邊電流檢測方式。在該方式下將采樣電阻放置在電壓的正極以及負(fù)載之間，這樣可以有效降低地線等干擾信號對采樣電阻電壓值產(chǎn)生的影響，從而快速識別實際電流。在進(jìn)行采樣時，如果電源等回路發(fā)生故障，裝置能夠快速檢測到電路中的短路電流，從而顯示故障信息。電流檢測電路如圖4所示。

圖4 電流檢測電路圖

在電流檢測電路中在主回路中采樣電阻R_sen通過串聯(lián)的方式與負(fù)載進(jìn)行連接，此時在采樣電阻的兩側(cè)會產(chǎn)生壓降，此時為了對采樣電阻流經(jīng)的電流進(jìn)行檢測，在設(shè)計時采用運(yùn)算放大器A的作用吸收電流，此時該電流會流經(jīng)電阻RI，這樣在電阻RI兩側(cè)的電壓就相當(dāng)于采樣電阻R_sen兩側(cè)的電壓。在電流檢測電路中電阻RL一端與輸出電壓Vout連接，一端轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動電壓，輸出電壓Vout會通過電壓跟隨器的作用實時輸出檢測電流。本文在進(jìn)行設(shè)計時所選用的RI、RL電阻的阻值分別為20KΩ和500Ω。

最后，在溫度檢測中主要是采用芯片SM72480進(jìn)行溫度測量。光伏組件在正常運(yùn)行時的工作溫度在-40℃到 85℃之間，如果經(jīng)過測量實際工作穩(wěn)定并不在該范圍內(nèi)，此時就說明組件運(yùn)行在非工況狀態(tài)下。芯片SM72480具有測量精度高、雙輸出、低功耗等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用到溫度檢測中，并起到良好的檢測效果。芯片SM72480采用的是電壓等級為5V的供電電源，此時在該芯片作用下所輸出的穩(wěn)定信號有數(shù)字信號和模擬信號兩種，其中數(shù)字信號表示檢測溫度的上限和下限值，當(dāng)實際溫度超出上下限范圍后，此時芯片SM72480的引腳5 OVERTEMP引腳會變化為高電平，引腳3則會變?yōu)榈碗娖?，將此時實際溫度以模擬信號的形式輸出。引腳1 TRIP TEST進(jìn)行接地，引腳6 VTEMP能夠根據(jù)溫度輸出實際電壓值模擬信號[4]。

（3）電源管理和復(fù)位電路。該電路主要是功能是對系統(tǒng)的工作電源進(jìn)行控制，保證電源控制在穩(wěn)定輸出狀態(tài)。當(dāng)電源接收到復(fù)位控制指令之后，會對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位設(shè)置。

（4）控制中心?？刂浦行闹饕墙邮崭黜棛z測數(shù)據(jù)，通過對檢測數(shù)據(jù)分析、處理，發(fā)出各項控制指令。控制中心是光伏接線盒實現(xiàn)各項控制的基礎(chǔ)。光伏接線盒在主回路中采用的是BUCK-BOOST電路實現(xiàn)各項控制功能。本系統(tǒng)在控制中心設(shè)計時采用的是STC12C5616AD單片機(jī)，該單片機(jī)與普通51單片機(jī)性能相似，但是運(yùn)算速度是51單片機(jī)的8～12倍。STC12C5616AD單片機(jī)具有功耗低、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)勢。

單片機(jī)通過對太陽能電池的端電壓為檢測對象判斷太陽能電池是否運(yùn)行在正常工況下，如果在進(jìn)行端電壓檢測時發(fā)現(xiàn)電壓值存在異常狀況，此時就說明電壓值較低的電池處于熱斑效應(yīng)下。單片機(jī)通過對MOS管進(jìn)行控制可以實現(xiàn)實時采集電壓、電壓和溫度的作用，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理之后能夠利用無線通信模塊的作用將這些信號傳輸?shù)街髡局?，?jīng)過主站處理器的處理發(fā)出對應(yīng)控制指令，并經(jīng)過通信模塊的作用將控制指令反饋到單片機(jī)中，執(zhí)行對應(yīng)的控制操作。

（5）驅(qū)動電路。驅(qū)動電路主要的功能就是為控制信號提供驅(qū)動力，從而提高控制信號驅(qū)動能力，以便在驅(qū)動力的作用下對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

（6）通信模塊。通信模塊主要的功能就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸，并將控制指令通過通信模塊的作用反饋回來，為裝置提供控制信號。

（7）保護(hù)電路。保護(hù)電路主要的功能就是起到保護(hù)作用，對組件可能產(chǎn)生的過流、過壓等信息進(jìn)行分析，從而起到保護(hù)組件裝置的作用，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

5 程序設(shè)計

智能光伏接線盒能夠自動實現(xiàn)各種智能控制功能，本文主要是對主程序流程以及溫度檢測流程進(jìn)行分析，從而達(dá)到智能光伏接線盒自動控制效果。

（1）主程序流程。本文設(shè)計的智能光伏接線盒主程序控制流程如下。

當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位之后，此時系統(tǒng)會對寄存器、變量、接口、串口等進(jìn)行初始化這是，經(jīng)過初始化設(shè)置之后，系統(tǒng)所有的參數(shù)都會恢復(fù)到默認(rèn)初始狀態(tài)。隨后系統(tǒng)會通過PWM輸出默認(rèn)的占空比，然后數(shù)據(jù)系統(tǒng)適量電壓。控制系統(tǒng)開始進(jìn)行工作，采集相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集之后控制系統(tǒng)將會跳入到計算子程序中，在子程序中調(diào)用MPPT算法對所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計算得到當(dāng)前的實際輸出參數(shù)，返回主程序。在主程序中會將計算子程序中所計算的參數(shù)通過PWM波的作用進(jìn)行輸出，并更新PWM占空比，然后進(jìn)行循環(huán)操作，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，直到所輸出的PWM占空比滿足輸出參數(shù)要求，達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。

（2）溫度檢測流程。溫度是影響光伏接線盒性能的主要參數(shù)，一旦溫度異常會直接影響光伏接線盒性能，甚至還有可能損壞裝置。本文在設(shè)計時通過對光伏接線盒溫度進(jìn)行監(jiān)測，從而達(dá)到實時跟蹤和控制溫度目的。在溫度檢測中首先會通過智能接線盒的作用對實時溫度進(jìn)行采集，然后將所采集的實時溫度與安全溫度進(jìn)行對比。如果實時溫度已經(jīng)超出安全溫度范圍，此時系統(tǒng)會直接發(fā)出報警信息，通知相關(guān)人員采取控溫措施。如果實時溫度在安全溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)會進(jìn)入循環(huán)程序，繼續(xù)采集溫度信息并進(jìn)行對比。

6 結(jié)語

本文通過對光伏接線盒進(jìn)行研究，分析光伏接線盒的類型以及光伏接線盒的痛點(diǎn)，然后針對光伏接線盒產(chǎn)生的功率損失問題，提出了MPPT技術(shù)對光伏接線盒進(jìn)行功率控制，將其控制在最大功率點(diǎn)附近，最后對光伏接線盒進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計優(yōu)化。本文在研究時選取250W的光伏組件進(jìn)行分析，然后從硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)分析，確定智能光伏接線盒的硬件電路，最后從主程序和溫度檢測程序兩方面進(jìn)行流程設(shè)計，為智能光伏接線盒設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。