一种电压平衡电路及光伏发电系统

1.本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种电压平衡电路及光伏发电系统。


背景技术：

2.光伏发电具有清洁无污染、储量丰富等优点，已成为世界各国发展分布式发电系统的重要选择。在实际生产应用中，通常会将光伏模块串联或并联成为光伏组串以实现增加输出电压与电流的目标。然而，光伏模块易受到环境影响，出现部分遮盖，热斑等情况。由于光伏组串中的光伏模块被部分遮盖引起的电压不平衡，进而导致的功率失配问题会大大降低光伏组串的输出功率及发电效率。因此，如何保证多个光伏模块间的电压平衡成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种电压平衡电路及光伏发电系统，以解决多个光伏模块之间电压不平衡的问题。
4.根据本发明的一方面，提供了一种电压平衡电路，包括：
5.串联连接的至少两个光伏模块；
6.至少一个单向导通模块，单向导通模块连接于两个光伏模块之间，单向导通模块用于将光伏模块单向导通；
7.第一储能模块，第一储能模块与光伏模块并联连接，第一储能模块用于在光伏模块的电压低于第一预设阈值时，向光伏模块充电至目标电压值；其中，目标电压值大于第一预设阈值。
8.可选的，第一储能模块与光伏模块一一对应设置。
9.可选的，电压平衡电路，还包括：
10.第二储能模块，第二储能模块与单向导通模块连接，第二储能模块用于向单向导通模块放电；
11.变压器，变压器的一次线圈与光伏模块连接，变压器的二次线圈与第二储能模块连接，变压器用于向第二储能模块充电。
12.可选的，电压平衡电路，还包括：
13.逆变模块，逆变模块连接于光伏模块和变压器的一次线圈之间，逆变模块用于将光伏模块输出的直流电压信号转换为交流电压信号，并输出至变压器的一次线圈。
14.可选的，逆变模块，包括：
15.开关单元，开关单元与光伏模块连接，开关单元用于按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变模块的直流电压信号的占空比；
16.逆变单元，逆变单元连接于开关单元和变压器的一次线圈之间，逆变单元用于根据直流电压信号生成交流电压信号，并输出至变压器。
17.可选的，开关单元，包括：
18.第一开关管和第二开关管；
19.第一开关管的第一端与光伏模块连接，第一开关管的第二端与逆变单元和第二开关管的第一端连接，第一开关管的控制端用于接收第一控制信号；第二开关管的第一端与逆变单元连接，第二开关管的第二端与光伏模块连接，第二开关管的控制端用于接收第二控制信号；
20.第一开关管用于根据第一控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变单元的直流电压信号的频率和占空比；第二开关管用于根据第二控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变单元的直流电压信号的频率和占空比；其中，第一开关管和第二开关管交替导通或关断。
21.可选的，逆变单元，包括：
22.第一电感和第一电容；
23.第一电容的第一端与开关单元连接，第一电容的第二端与第一电感的第一端连接，第一电感的第二端与变压器的一次线圈连接；第一电容用于储存直流电压信号，第一电感用于滤波。
24.可选的，电压平衡电路，还包括：
25.谐振模块，谐振模块与开关单元连接，谐振模块用于在光伏模块短路和/或开路时，与开关单元发生谐振。
26.可选的，电压平衡电路，还包括：
27.钳位模块，钳位模块与谐振模块、开关单元和光伏模块连接，钳位模块用于在光伏模块短路时将电压平衡电路的电流限制在预设电流范围；和/或，在光伏模块开路时将电压平衡电路的电压限制在预设电压范围。
28.第二方面，本发明实施例提供一种光伏发电系统，包括上述任一项的电压平衡电路。
29.本发明实施例的电压平衡电路，包括串联连接的至少两个光伏模块、至少一个单向导通模块和第一储能模块，单向导通模块连接于两个光伏模块之间，用于将光伏模块单向导通，第一储能模块与光伏模块并联连接，用于在光伏模块的电压低于第一预设阈值时，向光伏模块充电至目标电压值。本发明实施例的电压平衡电路通过设置第一储能模块，为电压较低的光伏模块充电，实现了保持多个光伏模块之间的电压平衡，使得光伏模块的输出功率更为平滑，最大输出功率提高，进而提高了发电效率。
30.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明实施例提供的一种电压平衡电路的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的另一种电压平衡电路的结构示意图；
34.图3是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图；
35.图4是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图；
36.图5是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图；
37.图6是本发明实施例提供的一种光伏发电系统的结构示意图。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
40.图1是本发明实施例提供的一种电压平衡电路的结构示意图。参见图1，本发明实施例提供的电压平衡电路包括串联连接的至少两个光伏模块pv，至少一个单向导通模块1，单向导通模块1连接于两个光伏模块pv之间，单向导通模块1用于将光伏模块pv单向导通。第一储能模块2，第一储能模块2与光伏模块pv并联连接，第一储能模块2用于在光伏模块pv的电压低于第一预设阈值时，向光伏模块pv充电至目标电压值。其中，目标电压值大于第一预设阈值。
41.具体的，多个串联连接的光伏模块pv可以组成一个光伏组串。在光伏组串中，因部分遮挡等因素，被遮挡的部分光伏模块pv的电压会降低。此时光伏组串的输出功率会降低，进而导致发电效率下降。此时，电压平衡电路可以通过单向导通模块1接收来自外部的电能并输出至第一储能模块2。第一储能模块2在光伏模块pv的电压低于第一预设阈值时向其充电，直至被充电的光伏模块pv的电压达到目标电压值，从而实现光伏模块pv之间的电压平衡，进而提高光伏模块pv的输出功率和发电效率。
42.示例性的，当电压平衡电路中，由多个光伏模块pv串联组成的光伏组串发生了部分遮挡等情况，被遮挡的部分光伏模块pv的电压降低。第一预设值阈值是光伏模块被遮挡后影响其他光伏模块工作的电压值，目标电压值是光伏模块处于正常工作状态下的电压值，目标电压值大于第一预设阈值。当光伏模块pv的电压降低至低于第一预设阈值时，单向导通模块1接收来自外部的电能并输出至第一储能模块2。第一储能模块2向光伏模块pv充电，直至被充电的光伏模块pv的电压达到目标电压值。从而实现光伏模块pv之间的电压平衡。
43.本发明实施例提供的电压平衡电路，通过在光伏模块的电压低于第一预设阈值时，第一储能模块向光伏模块充电至目标电压值，实现了光伏模块之间的电压平衡。若光伏
模块间电压不平衡则功率电压曲线呈现多峰状态，多个光伏模块在电压平衡的状态下功率电压曲线呈现单峰状态。光伏模块处于电压平衡状态相较于光伏模块间处于电压不平衡状态损失的功率较小，且最大输出功率提高，从而提高了光伏模块的输出功率和发电效率。
44.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，第一储能模块2与光伏模块pv一一对应设置。
45.具体的，每个光伏模块pv均设置有一个与其并联的第一储能模块2，用于在该光伏模块pv被遮挡，电压低于第一预设阈值时，向光伏模块pv充电目标电压值。这样设置可以保证所有需要充电的光伏模块可以同时进行充电，提高充电效率。在光伏模块间未发生电压不平衡时，还可以通过第一储能模块2储能，在发生电压不平衡时及时为被遮挡的模块充电。
46.可选的，图2是本发明实施例提供的另一种电压平衡电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图2，电压平衡电路还包括第二储能模块3，第二储能模块3与单向导通模块1连接，第二储能模块3用于向单向导通模块1放电。变压器4，变压器4的一次线圈与光伏模块pv连接，变压器4的二次线圈与第二储能模块3连接，变压器4用于向第二储能模块3充电。
47.具体的，电压平衡电路还可以设置变压器4和第二储能模块3，可以将串联的光伏模块pv与变压器4的一次线圈连接，变压器4在二次线圈一侧将电能输出至第二储能模块3。当光伏模块pv的电压降低至第一预设阈值时，单向导通模块1接收来自第二储能模块3的电能并输出至第一储能模块2进而实现电压平衡。第二储能模块3可以进一步增大储存的电能，为第一储能模块2提供备用电能。这样设置可以实现通过光伏模块本身的电能实现电压平衡，无需设置外部电源，节约成本。
48.可选的，图3是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图3，电压平衡电路还包括逆变模块10，逆变模块10连接于光伏模块pv和变压器4的一次线圈之间，逆变模块10用于将光伏模块pv输出的直流电压信号转换为交流电压信号，并输出至变压器4的一次线圈。
49.具体的，光伏模块pv输出的是直流电压信号，可以通过设置逆变模块10，将直流电压信号逆变为交流电压信号，以驱动电压器。串联的光伏模块pv将直流电压信号输出至逆变模块10，逆变模块10将逆变后的交流电压信号输出至变压器4的一次线圈，变压器4在二次线圈一侧将交流电压信号输出至第二储能模块3。这样设置可以简化电路结构，节约成本。
50.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图3，逆变模块10包括开关单元11，开关单元11与光伏模块pv连接，开关单元11用于按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变模块10的直流电压信号的占空比。逆变单元12，逆变单元12连接于开关单元11和变压器4的一次线圈之间，逆变单元12用于根据直流电压信号生成交流电压信号，并输出至变压器4。
51.具体的，逆变模块10可以包括开关单元11和逆变单元12，光伏模块pv将直流电压信号输出至开关单元11，开关单元11根据预设的开关频率导通或关断，调节直流电压信号的占空比，向逆变单元12输出直流方波电压信号。逆变单元12将接收到的直流方波电压信号逆变为交流电压信号，输出至变压器4的一次线圈，变压器4在二次线圈一侧将交流电压
信号输出至第二储能模块3，第二储能模块3根据接收到的交流电压信号充电，并通过单向导通模块1向第一储能模块2放电，进而在光伏模块pv的电压下降时通过变压器4输出的电能实现电压平衡。
52.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图3，开关单元11包括第一开关管13和第二开关管14。第一开关管13的第一端与光伏模块pv连接，第一开关管13的第二端与逆变单元12和第二开关管14的第一端连接，第一开关管13的控制端用于接收第一控制信号；第二开关管14的第一端与逆变单元12连接，第二开关管14的第二端与光伏模块pv连接，第二开关管14的控制端用于接收第二控制信号。第一开关管13用于根据第一控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变单元12的直流电压信号的频率和占空比；第二开关管14用于根据第二控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至逆变单元12的直流电压信号的频率和占空比。其中，第一开关管13和第二开关管14交替导通或关断。
53.具体的，开光模块设置有第一开关管13和第二开关管14，第一开关管13连接于光伏模块pv与逆变单元12之间，根据控制端接收到的第一控制信号导通或关断，以调节输出的直流电压信号。第二开关管14连接于光伏模块pv与逆变单元12之间，根据控制端接收到的第二控制信号导通或关断，以调节输出的直流电压信号。光伏模块pv向第一开关管13输出的直流电压信号与光伏模块pv向第二开关管14输出的直流电压信号方向相反，且根据第一控制信号和第二控制信号，第一开关管13和第二开关管14交替导通或关断。逆变单元12将接收到的直流方波电压信号逆变为交流电压信号，以驱动逆变器。这样设置可以提高对第一开关管13和第二开关管14的控制效果，按照需求输出电压信号，进而提高电压平衡的效果。
54.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图3，逆变单元12包括第一电感l1和第一电容c1。第一电容c1的第一端与开关单元11连接，第一电容c1的第二端与第一电感l1的第一端连接，第一电感l1的第二端与变压器4的一次线圈连接；第一电容c1用于储存直流电压信号，第一电感l1用于滤波。
55.具体的，逆变单元12设置有第一电感l1和第一电容c1，第一电容c1用于储存来自开关单元11的直流电压信号，再经过第一电感l1滤波后转换为交流电压信号，输出至变压器4。
56.可选的，图4是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图4，电压平衡电路还包括谐振模块5，谐振模块5与开关单元11连接，谐振模块5用于在光伏模块pv短路和/或开路时，与开关单元11发生谐振。
57.具体的，电压平衡电路还可以设置谐振模块5，谐振模块5与光伏模块pv和开关模块连接。当光伏模块pv发生短路故障和/或开路时，谐振模块5根据开关单元11内第一开关管13和第二开关管14交替输出的直流方波电压信号，与开关单元11发生谐振。
58.可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，电压平衡电路还包括钳位模块6，钳位模块6与谐振模块5、开关单元11和光伏模块pv连接，钳位模块6用于在光伏模块pv短路时将电压平衡电路的电流限制在预设电流范围。和/或，在光伏模块pv开路时将电压平衡电路的电压限制在预设电压范围。
59.具体的，电压平衡电路还可以设置钳位模块6，在谐振模块5与开关单元11谐振后，
钳位模块6内部的整流二极管和电容将会形成整流电路。当光伏模块pv短路时，钳位模块6将电压平衡电路的电流限制在预设电流范围。当光伏模块pv开路时，钳位模块6将电压平衡电路的电压限制在预设电压范围。这样设置可以实现不用单独设置故障检测电路，而是通过钳位模块限制短路电流或开路电压，对电压平衡电路进行保护，简化了电路，节约成本。
60.示例性的，图5是本发明实施例提供的又一种电压平衡电路的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图5，电压平衡电路中，四个串联的光伏模块pv组成一个光伏组串，两个光伏组串之间并联。若电压平衡电路发生了部分遮挡等情况，会导致被遮挡的部分光伏模块pv的电压降低。
61.当光伏模块pv的电压降低至低于第一预设阈值时，光伏模块pv向第一开关管13和第二开关管14输出直流电压信号，第一开关管13按照预设的第一控制信号导通或关断，第二开关管14按照预设的第二控制信号导通或关断，输出直流方波电压信号。第一电感l1和第一电容c1将接收到的直流方波电压信号逆变为交流电压信号并输出至电压器的一次线圈，变压器4在二次线圈一侧将交流电压信号输出至第二储能模块3，第二储能模块3向单向导通模块1放电，单向导通模块1接收来自第二储能模块3的电能并输出至第一储能模块2，第一储能模块2向光伏模块pv充电，直至被充电的光伏模块pv的电压达到目标电压值，从而实现光伏模块pv之间的电压平衡，使得光伏模块pv的输出功率更为平滑，最大输出功率提高，进而提高发电效率。
62.当光伏模块pv发生短路故障或开路时，谐振模块5可以与第一开关管13发生谐振，谐振后钳位模块6内部的整流二极管和电容将会形成整流电路，该整流电路可以在光伏模块pv短路时将电压平衡电路的电流限制在预设电流范围，或在光伏模块pv开路时将电压平衡电路的电压限制在预设电压范围，从而实现对电压平衡电路进行保护。
63.可选的，图6是本发明实施例提供的一种光伏发电系统的结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图6，本发明实施例提供的光伏发电系统200包括电压平衡电路100，具有上述任意实施例的电压平衡电路100的有益效果，在此不再赘述。
64.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
65.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种电压平衡电路，其特征在于，包括：串联连接的至少两个光伏模块；至少一个单向导通模块，所述单向导通模块连接于两个所述光伏模块之间，所述单向导通模块用于将所述光伏模块单向导通；第一储能模块，所述第一储能模块与所述光伏模块并联连接，所述第一储能模块用于在所述光伏模块的电压低于第一预设阈值时，向所述光伏模块充电至目标电压值；其中，所述目标电压值大于所述第一预设阈值。2.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，所述第一储能模块与所述光伏模块一一对应设置。3.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路，还包括：第二储能模块，所述第二储能模块与所述单向导通模块连接，所述第二储能模块用于向所述单向导通模块放电；变压器，所述变压器的一次线圈与所述光伏模块连接，所述变压器的二次线圈与所述第二储能模块连接，所述变压器用于向所述第二储能模块充电。4.根据权利要求3所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路，还包括：逆变模块，所述逆变模块连接于所述光伏模块和所述变压器的一次线圈之间，所述逆变模块用于将所述光伏模块输出的直流电压信号转换为交流电压信号，并输出至所述变压器的一次线圈。5.根据权利要求4所述的电压平衡电路，其特征在于，所述逆变模块，包括：开关单元，所述开关单元与所述光伏模块连接，所述开关单元用于按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至所述逆变模块的直流电压信号的占空比；逆变单元，所述逆变单元连接于所述开关单元和所述变压器的一次线圈之间，所述逆变单元用于根据所述直流电压信号生成交流电压信号，并输出至所述变压器。6.根据权利要求5所述的电压平衡电路，其特征在于，所述开关单元，包括：第一开关管和第二开关管；所述第一开关管的第一端与所述光伏模块连接，所述第一开关管的第二端与所述逆变单元和所述第二开关管的第一端连接，所述第一开关管的控制端用于接收第一控制信号；所述第二开关管的第一端与所述逆变单元连接，所述第二开关管的第二端与所述光伏模块连接，所述第二开关管的控制端用于接收第二控制信号；所述第一开关管用于根据所述第一控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至所述逆变单元的直流电压信号的频率和占空比；所述第二开关管用于根据所述第二控制信号，按照预设的开关频率导通或关断，以调节输出至所述逆变单元的直流电压信号的频率和占空比；其中，所述第一开关管和所述第二开关管交替导通或关断。7.根据权利要求5所述的电压平衡电路，其特征在于，所述逆变单元，包括：第一电感和第一电容；所述第一电容的第一端与所述开关单元连接，所述第一电容的第二端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述变压器的一次线圈连接；所述第一电容用于储存所述直流电压信号，所述第一电感用于滤波。8.根据权利要求5所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路，还包括：
谐振模块，所述谐振模块与所述开关单元连接，所述谐振模块用于在所述光伏模块短路和/或开路时，与所述开关单元发生谐振。9.根据权利要求8所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路，还包括：钳位模块，所述钳位模块与所述谐振模块、所述开关单元和所述光伏模块连接，所述钳位模块用于在所述光伏模块短路时将所述电压平衡电路的电流限制在预设电流范围；和/或，在所述光伏模块开路时将所述电压平衡电路的电压限制在预设电压范围。10.一种光伏发电系统，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的电压平衡电路。

技术总结
本发明公开一种电压平衡电路及光伏发电系统。本发明实施例提供的电压平衡电路，包括串联连接的至少两个光伏模块；至少一个单向导通模块，单向导通模块连接于两个光伏模块之间，单向导通模块用于将光伏模块单向导通；第一储能模块，第一储能模块与光伏模块并联连接，第一储能模块用于在光伏模块的电压低于第一预设阈值时，向光伏模块充电至目标电压值；其中，目标电压值大于第一预设阈值。本发明实施例的技术方案通过第一储能模块为电能较低的光伏模块充电，实现了保持各个光伏模块之间的电压平衡，使得光伏模块的输出功率更为平滑，最大输出功率提高，进而提高光伏模块的发电效率。电效率。电效率。


技术研发人员：王雪 文辉清
受保护的技术使用者：西交利物浦大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/15