CN107943106A - 具备跟踪功能的mppt汇流箱及其采用的控制方法 - Google Patents

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康晓慷
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Abstract

本发明涉及一种具备跟踪功能的MPPT汇流箱，包括主控板、电源模块、直流母线、电机驱动模块、通讯模块。电源模块分别与光伏面板和逆变器相连接、与主控板通讯，包括至少一个电源转换器、与电源转换器相连接的直流母线；主控板与光伏面板通讯而进行最大功率点追踪控制；数据记录器与逆变器通讯，主控板通过通讯模块与逆变器通讯并输出对驱动电机的控制信号；电机驱动模块与主控板通讯，驱动电机与直流母线相连接并与电机驱动模块通讯，电机驱动模块根据控制信号控制驱动电机运转。本发明实现了光伏支架跟踪与MPPT汇流箱两套***的完整结合，全面实现了设备最大集成化和一体化，提升***稳定性，降低建设和运维成本。

Description

具备跟踪功能的MPPT汇流箱及其采用的控制方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电领域，涉及一种具有跟踪功能的MPPT汇流箱。
背景技术
在现有的太阳能光伏发电***中，MPPT汇流箱和太阳跟踪控制器是两个独立的概念和***。MPPT汇流箱中主要部件是MPPT控制器，MPPT控制器通常是基于BOOST硬件电路，采用电流内环、电压外环的控制结构和三点式功率预测的算法，通过电压和电流调节器实现光伏转换的最大功率点追踪的器件。而太阳***则是通过控制跟踪支架按一定规律追踪太阳的位置，以提高***整体发电量的部件。
传统的跟踪式光伏电站***中，太阳跟踪控制器与汇流箱(及逆变器)独立安装布置，独立管理维护，故存在电站建设成本高，远程监控落后，***可靠性低，兼容性差，管理不便的缺陷。为降低光伏电站建设成本，同时提高电站***的可靠性，应将光伏跟踪***和汇流箱(及逆变器)有效结合，实现发电单元所有设备最低集成化。
目前，目前已出现一些跟踪控制器与汇流***一体装置，例如申请号为201510990264.0的发明专利中公开的一种跟踪控制与逆变汇流一体机装置，但现有的这些装置都仅仅是实现了两个独立***共用电源和通信的物理通道并放置于同一箱体中，并不是真正意义上的设备一体化和***集成，因此仍存在集成度和一体化程度不足、成本仍然较高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高度集成化、一体化且能够降低成本的具备跟踪功能的MPPT汇流箱。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具备跟踪功能的MPPT汇流箱，与光伏发电***相连接，所述光伏发电***包括带有跟踪传感器的光伏面板、安装有所述光伏面板并能够在驱动电机的驱动下带动所述光伏面板进行追日跟踪动作的跟踪支架、连接所述光伏面板与电网的逆变器、用于获取并记录环境数据的数据记录器，所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱包括主控板、电源模块、直流母线、电机驱动模块、通讯模块；
所述电源模块分别与所述光伏面板和所述逆变器相连接而将所述光伏面板作为主电源、将所述逆变器作为副电源，所述电源模块包括至少一个对所述主电源或所述副电源进行直流转换的电源转换器、与所述电源转换器相连接而由所述电源转换器供电的直流母线；所述电源模块还与所述主控板相通讯，所述主控板根据所述主电源和所述副电源的状态而控制所述电源模块选择所述主电源或所述副电源向所述直流母线供电；
所述主控板与所述光伏面板相通讯而基于所述跟踪传感器的检测数据对所述光伏面板进行最大功率点追踪控制；所述数据记录器与所述逆变器相通讯，所述主控板通过所述通讯模块与所述逆变器通讯而获取所述环境数据并基于所述环境数据输出对所述驱动电机的控制信号；所述电机驱动模块与所述主控板相通讯，所述驱动电机与所述直流母线相连接并与所述电机驱动模块相通讯，所述电机驱动模块根据所述控制信号控制所述驱动电机运转而实现所述主控板对所述跟踪支架的跟踪控制。
优选的，所述电源模块包括多个并联的所述电源转换器。
优选的，所述电源模块包括800VDC转220VDC的电源转换器和220VDC转24VDC的转换器。
优选的，采用RS485进行通讯。
优选的，所述数据记录器与云服务器相连接而实现所述主控板与所述云服务器通讯和信息上传。
优选的，所述数据记录器通过GPRS-DTU模块与所述云服务器通讯。
本发明还提供了一种适用上述具备跟踪功能的MPPT汇流箱采用的控制方法，所述控制方法为：所述主控板将对所述光伏面板的最大功率点追踪控制作为主***，将对所述跟踪支架的跟踪控制作为从***；所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱启动后，所述主控板由所述跟踪传感器获取其检测数据而执行所述主***并实时获取所述环境数据，按照预设的周期触发执行所述从***或当所述环境数据改变时触发执行所述从***；所述主控板控制所述电源模块由所述光伏面板提供的主电源取电并向所述直流母线供电，当所述主电源失效时，所述主控板控制所述电源模块由所述逆变器提供的副电源取电并向所述直流母线供电。
优选的，所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱具有多路用于连接所述光伏面板、所述逆变器和所述驱动电机而获取信息的信息接入通路，所述主控板通过轮询方式由所述信息接入通路获取信息。
优选的，所述主控板由所述信息接入通路获取信息时，采用CRC校验码判断所述信息是否正确。
优选的，当所述连接多块所述光伏面板时，所述主控板控制各所述光伏面板错峰进行最大功率点追踪而向所述电源模块供电。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供了一种MPPT功能与跟踪功能深度融合的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，实现了光伏支架跟踪与MPPT汇流箱两套***的完整结合，全面实现了设备最大集成化和一体化，在提升***稳定性的同时，大大降低了建设和运维成本。
附图说明
附图1为本发明的具备跟踪功能的MPPT汇流箱的***框图。
附图2为本发明的具备跟踪功能的MPPT汇流箱的通讯方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：光伏发电***包括带有跟踪传感器的光伏面板PV、安装有光伏面板并能够在驱动电机的驱动下带动光伏面板进行追日跟踪动作的跟踪支架、连接光伏面板与电网的逆变器、用于获取并记录环境数据的数据记录器(光伏子阵控制器)。每个跟踪支架上安装多个光伏面板，通过跟踪传感器来检测对应光伏面板的发电数据，这些发电数据为对光伏面板进行最大功率点追踪提供依据。逆变器设置在逆变器机房中，其一方面能够将光伏面板所发电能转换为交流后并入电网，另一方面也能够从电网获得电能。数据记录器分别连接有风速传感器、GPS、本地监控装置等，从而其能够获取并记录风速、GPS时钟数据等环境数据，这些环境数据为对跟踪支架进行跟踪控制提供依据。通常每个光伏电站内至少布置两套风速传感器，而在光伏子阵控制器外接GPS接收器来获取实时时钟信息，用于校准***时间。光伏子阵控制器将时钟信息下发给各台MPPT汇流箱，进行跟踪***校时。每个光伏电站内至少布置2套GPS接收器。光伏子阵控制器外接GPRS-DTU模块，可以将跟踪控制信息、智能MPPT控制信息、逆变器信息通过GPRS-DTU模块上传到的逆变器厂家云平台或***厂家的云平台。
一种与上述光伏发电***相连接的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，同时具有对光伏面板的最大功率点追踪功能和对跟踪支架的跟踪控制功能。如附图1所示，该具备跟踪功能的MPPT汇流箱，包括主控板、电源模块、电机驱动模块、通讯模块。
主控板包括运行有控制程序的CPU及其***电路。
电源模块的输入分别与光伏面板和逆变器相连接，其中光伏面板作为能够供电的主电源，逆变器作为能够供电的副电源。电源模块包括至少一个对主电源或副电源进行直流转换的电源转换器以及与各电源转换器相连接而由电源转换器供电的直流母线。通常电源模块设置多个并联的电源转换器。本实施例中，电源模块设置两个并联的电源转换器，分别为800VDC转220VDC的电源转换器和220VDC转24VDC的转换器。主控板还与电源模块相通讯而有主控板对电源模块进行控制，具体为主控板根据主电源和副电源的状态而控制电源模块选择主电源或副电源向直流母线供电。
主控板与光伏面板相通讯，从而可以基于光伏面板配备的跟踪传感器所检测数据对光伏面板进行最大功率点追踪(MPPT)控制，具体的MPPT控制方法可参考已有方法，并非本发明的创新点，这里不再赘述。
数据记录器与逆变器相通讯，而主控板还通过通讯模块而与逆变器相通讯，从而能够获取数据记录器提供的环境数据，进而基于这些环境数据而输出对驱动跟踪支架的驱动电机的控制信号，以实现对跟踪支架的跟踪控制，具体方法也可参考已有方法。电机驱动模块与主控板相通讯，驱动电机与直流母线相连接并与电机驱动模块相通讯，电机驱动模块根据主控板输出的控制信号来控制驱动电机运转而实现主控板对跟踪支架的跟踪控制。
此外，数据记录器还通过GPRS-DTU模块与云服务器通讯，从而可以实现主控板与云服务器通讯和信息上传。
以上方案中，通讯部分均采用RS485进行通讯，如附图2所示。
上述具备跟踪功能的MPPT汇流箱采用的控制方法为：
主控板将对光伏面板的最大功率点追踪控制作为主***，将对跟踪支架的跟踪控制作为从***。
具备跟踪功能的MPPT汇流箱启动后，主控板由跟踪传感器获取其监测数据而执行主***，即对光伏面板进行最大功率点追踪控制，并实时获取环境数据；按照预设的周期启动执行从***或当环境数据改变时触发执行从***，即对跟踪支架进行跟踪控制。
通常情况下，主控板控制电源模块由光伏面板提供的主电源取电并向直流母线供电，当主电源失效(如发生故障或发电量不足)时，主控板控制电源模块由逆变器提供的副电源取电并向直流母线供电。从而驱动电机再由直流母线获得电能，可以保障MPPT汇流箱内部***到驱动电机之间直流线路的配电安全和使用方。MPPT汇流箱内部的电源模块配备多路电源转换器并联使用，可以提高冗余。跟踪支架的驱动电机直接从MPPT汇流箱取电，一个电源掉电后，汇流箱仍旧保证直流母线上有电输出，进而以保证跟踪支架可以放平光伏面板，避免意外损害。光伏电池板没电时，通过逆变器对MPPT汇流箱的反向供电依然可以保证直流母线上有电。
该具备跟踪功能的MPPT汇流箱具有多路用于连接光伏面板、逆变器和驱动电机而获取信息的信息接入通路，即信息接入通路可以用于获取光伏面板的跟踪控制器的监测数据、逆变器提供的环境数据、驱动电机的运行数据等，则主控板通过轮询方式由信息接入通路获取信息，即依次由各信息接入通路获取对应的信息。通常单个汇流箱最多可以支持8路信息接入通路。主控板由信息接入通路获取信息时，通讯协议采用MODBUS RTU CRC-16的标准计算方式，可以采用CRC校验码判断信息是否正确。由于总线上的电子噪声或一些其它干扰，信息在传输过程中可能会发生错误，接收一方可以使用CRC校验码判断接收到的信息帧是否正确，并放弃错误的信息帧，提高了通信***的安全性和可靠性。所获取的信息由主***和从***共享。
当该具备跟踪功能的MPPT汇流箱连接多块光伏面板时，主控板控制各光伏面板错峰进行最大功率点追踪而向电源模块供电，即使各光伏面板交错地处于最大功率点，而非同时处于最大功率点，避免对电源模块造成冲击。
应用上述汇流箱的光伏电站其设备数量可参考如下配置：
1MW方阵单元的典型应用为：配置12台MPPT汇流箱，48列跟踪支架。1台汇流箱16进1出，每路18-22块组件。每列跟踪支架安装72-88块组件。1列跟踪支架上的组件分为4路接入汇流箱，4列跟踪支架上的组件共16路接入一台MPPT汇流箱。
本发明提供了一种MPPT功能与跟踪功能深度融合的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，实现了光伏支架跟踪与MPPT汇流箱两套***的完整结合，两套***共用一块主控板及CPU(汇流MPPT为主***，跟踪控制为从***)，共享电源和通讯及***数据，全面实现了设备最高集成度，以及太阳追踪和光伏组件发电效率最大化，并简化了上位机的远程监控和统一管理，在提升***稳定性的同时，大大降低了光伏发电***的建设和运维成本。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具备跟踪功能的MPPT汇流箱，与光伏发电***相连接，所述光伏发电***包括带有跟踪传感器的光伏面板、安装有所述光伏面板并能够在驱动电机的驱动下带动所述光伏面板进行追日跟踪动作的跟踪支架、连接所述光伏面板与电网的逆变器、用于获取并记录环境数据的数据记录器，其特征在于：所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱包括主控板、电源模块、电机驱动模块、通讯模块；
所述电源模块分别与所述光伏面板和所述逆变器相连接而将所述光伏面板作为主电源、将所述逆变器作为副电源，所述电源模块包括至少一个对所述主电源或所述副电源进行直流转换的电源转换器、与所述电源转换器相连接而由所述电源转换器供电的直流母线；所述电源模块还与所述主控板相通讯，所述主控板根据所述主电源和所述副电源的状态而控制所述电源模块选择所述主电源或所述副电源向所述直流母线供电；
所述主控板与所述光伏面板相通讯而基于所述跟踪传感器的检测数据对所述光伏面板进行最大功率点追踪控制；所述数据记录器与所述逆变器相通讯，所述主控板通过所述通讯模块与所述逆变器通讯而获取所述环境数据并基于所述环境数据输出对所述驱动电机的控制信号；所述电机驱动模块与所述主控板相通讯，所述驱动电机与所述直流母线相连接并与所述电机驱动模块相通讯，所述电机驱动模块根据所述控制信号控制所述驱动电机运转而实现所述主控板对所述跟踪支架的跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，其特征在于：所述电源模块包括多个并联的所述电源转换器。
3.根据权利要求2所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，其特征在于：所述电源模块包括800VDC转220VDC的电源转换器和220VDC转24VDC的转换器。
4.根据权利要求1所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，其特征在于：采用RS485进行通讯。
5.根据权利要求1所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，其特征在于：所述数据记录器与云服务器相连接而实现所述主控板与所述云服务器通讯和信息上传。
6.根据权利要求5所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱，其特征在于：所述数据记录器通过GPRS-DTU模块与所述云服务器通讯。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的具备跟踪功能的MPPT汇流箱采用的控制方法，其特征在于：所述控制方法为：所述主控板将对所述光伏面板的最大功率点追踪控制作为主***，将对所述跟踪支架的跟踪控制作为从***；所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱启动后，所述主控板由所述跟踪传感器获取其检测数据而执行所述主***并实时获取所述环境数据，按照预设的周期触发执行所述从***或当所述环境数据改变时触发执行所述从***；所述主控板控制所述电源模块由所述光伏面板提供的主电源取电并向所述直流母线供电，当所述主电源失效时，所述主控板控制所述电源模块由所述逆变器提供的副电源取电并向所述直流母线供电。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述具备跟踪功能的MPPT汇流箱具有多路用于连接所述光伏面板、所述逆变器和所述驱动电机而获取信息的信息接入通路，所述主控板通过轮询方式由所述信息接入通路获取信息。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述主控板由所述信息接入通路获取信息时，采用CRC校验码判断所述信息是否正确。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：当所述连接多块所述光伏面板时，所述主控板控制各所述光伏面板错峰进行最大功率点追踪而向所述电源模块供电。
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