專利名稱：用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的低成本接口結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陽能電池板的信息監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有低成本的接口結(jié) 構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，尤其是組串系統(tǒng)(一般為小功率1-10KW)及組串并聯(lián)系 統(tǒng)(一般為50KW-MW級)中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，由于不同電池板特性差異、不 同位置光照輻射差異、陰影遮蔽、污垢和損壞等問題，將引起最大功率電失配而導(dǎo)致系統(tǒng) 發(fā)電量降低；且由于缺乏單個電池板信息監(jiān)控，將導(dǎo)致定位故障或缺陷電池板困難、不易 維護；因此，單個電池板的直流側(cè)信息監(jiān)控非常重要。為解決此類問題，美國Enphase公 司在文獻US20090066357中提出在單個太陽能電池板安裝獨立的DC/AC模塊并網(wǎng)逆變 器，并通過交流電力線載波與電池板陣列監(jiān)控設(shè)備進行通信，能夠?qū)崿F(xiàn)包括電池板直流側(cè) 信息在內(nèi)的全部必要信息監(jiān)控，如圖2a所示；美國National Semiconductor公司在文獻 US 20090284078/US20090284240/US20090284998 中采用獨立的帶有 MPPT (Maximum Power Point Tracking)功能的監(jiān)控模塊，通過無線通信方式，與集中型逆變器進行電池板直流側(cè) 監(jiān)控信息的數(shù)據(jù)傳輸，如圖2b所示。通過交流電力線載波接口來監(jiān)控和處理電池板直流側(cè)的數(shù)據(jù)，其不足之處是，信 息通過電力線通信模塊和耦合變壓器與220V進行交流隔離，易受到電網(wǎng)噪聲、衰減和信號 反射的影響，其應(yīng)用成本較高，且在三相電網(wǎng)系統(tǒng)中需要單獨的相間耦合器，在單相系統(tǒng)中 也需要額外的阻波器以提高通信質(zhì)量，另外存在多個通信模塊同時工作發(fā)射功率較大，也 可能產(chǎn)生EMC問題；而通過無線通信模塊傳輸直流側(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用成本較高且易受信號屏蔽 影響；在大功率光伏電站中，太陽能電池板數(shù)量巨大，為提高系統(tǒng)整體發(fā)電量、便于監(jiān)控和 維護，降低單個電池板監(jiān)控通信裝置成本意義重大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述提到的電池板直流側(cè)信息監(jiān)控存在的問題，提供一種新的接口 結(jié)構(gòu)及方法。本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)上述目的用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的低成本接口結(jié)構(gòu)，在電池板監(jiān)控通信裝置的 BOOST電路后的母線電容(^輸出側(cè)連接有一級低通濾波器(LPF)，所述低通濾波器(LPF)的 電容Cut在起到低通濾波作用的同時作為輸出串聯(lián)電容，與其他電池板監(jiān)控通信裝置的相 應(yīng)電容Cut進行串聯(lián)；經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的調(diào)制信號，經(jīng)雙電容耦合電路送至直流母線，并采 用數(shù)字鎖相放大器進行通信信號的提取。同時提供一種用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，采用權(quán)利要求1所述接 口結(jié)構(gòu)，其采用的傳輸信號為低發(fā)射功率的UV級通信信號；采用直流母線紋波信號作為
3數(shù)字鎖相放大器所需的同步基準信號。進一步的，以設(shè)定時間窗內(nèi)(如100ms)母線波動的平均直流電壓作為頻率切換的 指示，實現(xiàn)通信頻率切換。使用帶有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微處理器(MCU或DSP)，通過SPWM 波形軟件算法和R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速DAC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生調(diào)制正弦信號，經(jīng)功率放大電 路和雙電容耦合電路送至直流母線。在信號解調(diào)時，信號通過雙電容耦合電路耦合至CPU外圍的調(diào)理電路，通過抗混 疊濾波器將要數(shù)字化的信號在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率的一半以下，以 保證微處理器ADC的采樣頻率能夠滿足采樣定律，濾波后的模擬信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換進入微處 理器后，進行數(shù)字鎖相放大，實現(xiàn)微弱高頻通道信號的檢測和解調(diào)。本發(fā)明在BOOST電路升壓二極管后端構(gòu)造低通濾波器建立高頻互聯(lián)通道，在保持 和優(yōu)化直流串聯(lián)功能的前提下構(gòu)造了適合高頻信號傳輸?shù)耐ǖ溃瑥亩帽O(jiān)控裝置與集中 型逆變器或組串逆變器連接的公共直流母線進行數(shù)字化載波通信，并通過雙電容進行信號 的耦合，無需使用通信變壓器或?qū)Ｓ猛ㄐ啪€，降低了額外的專用MODEM芯片和無線通信模 塊的成本；考慮直流母線的較長距離傳輸高頻信號帶來的天線效應(yīng)和EMC兼容問題，采用 低發(fā)射功率電路和數(shù)字鎖相放大器來處理μV級通信信號；信號接收部分采用數(shù)字鎖相放 大器保證對μ V級通信信號的有效處理，各監(jiān)控通信裝置的參考信號通過母線紋波電壓獲 得時間窗同步，并使用指定時間窗內(nèi)母線平均電壓進行通信頻率切換的指示，實現(xiàn)跳頻來 避開母線噪聲干擾。


下面根據(jù)實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式圖；圖2a是采用交流電力線載波方式進行信息監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2b采用無線通信方式進行信息監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是采用本發(fā)明所述接口結(jié)構(gòu)的信息監(jiān)控裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4a是采用本發(fā)明所述接口結(jié)構(gòu)的信息監(jiān)控裝置低頻等效電路圖；圖4b是采用本發(fā)明所述接口結(jié)構(gòu)的信息監(jiān)控裝置高頻等效電路圖；圖5是采用本發(fā)明所述接口結(jié)構(gòu)的信號接收處理方法示意圖。
具體實施例方式如圖3所示，本發(fā)明在電池板監(jiān)控通信裝置BOOST電路后的母線電容Ce輸出側(cè) (高頻回路等效阻抗Z:)，設(shè)計增加一級低通濾波器(LPF)和雙電容耦合電路，其中，低通 濾波器(LPF)的電容Cut在起到低通濾波作用的同時作為輸出串聯(lián)電容，與其他電池板數(shù) 據(jù)監(jiān)控通信裝置的Cut進行串聯(lián)，由于=1W · CiM)，其中f代表高頻載波頻率(或
頻帶)，因此 Ζ~￡，從而構(gòu)成穩(wěn)定的高頻信號通路；低通濾波器(LPF)的電感Lut在
高頻狀態(tài)下，其等效阻抗z^f 二 2礦·，遠遠大于Cut的等效阻抗zC^ ,從直流母線側(cè)向BOOST電路看過去，近似于斷路，因此高頻信號通路與前級BOOST電路有較好的阻抗隔離， 增強了高頻信號通道的穩(wěn)定性；采用本發(fā)明所述接口結(jié)構(gòu)的信息監(jiān)控裝置的低頻和高頻等 效電路分別如圖4a和4b所示。同時，與集中型逆變器相連的直流母線不受影響，且由于低 通濾波器(LPF)的加入提高了母線直流信號質(zhì)量。雙電容耦合單元分別跨接在等效的高頻直流母線的正負端，載波通信信號使用電 容c。。uple進行耦合，最大程度降低耦合變壓器成本。同時，差分信號通過雙電容耦合單元進 入調(diào)理電路，高壓直流電壓不對通信電路造成影響。在高頻通道傳輸回路中，極性保護二極管(如圖2b) —般位于匯流箱內(nèi)，根據(jù)本方 明的設(shè)計方法，可在二極管側(cè)并聯(lián)電容構(gòu)成高頻旁路通道，從而使高頻通道暢通。LPF濾波 器的電感Lut可為差模電感，也可以為共模電感的差模漏感；LPF濾波器的電容Cut采用高 頻無感電容?？紤]直流母線上高頻通信信號的EMC問題，應(yīng)最大限度降低發(fā)射功率。專用載波 MODEM的頻段較固定，易受通帶內(nèi)噪聲影響，有較好抗噪聲和支路反射能力的OFDM技術(shù)其 成本又很高。如圖5所示，為增強信號的接收能力，本發(fā)明提出使用CPU(DSP)直流母線數(shù) 字鎖相放大器進行通信信號的提取。數(shù)字鎖相放大器對于單一頻率的μV級微弱信號有非 常優(yōu)秀的提取能力，優(yōu)于采用多頻段(頻率)的專用MODEM(主要調(diào)制解調(diào)方式有FSK，BPSK 或0FDM)。但是使用數(shù)字鎖相放大器的限制是收發(fā)雙方必須有相一致的參考信號，且當已選 定頻率的信號受到母線噪聲干擾時，也需要收發(fā)雙方同時動作，使用其他頻段通信，本發(fā)明 使用母線紋波信號(100Hz包絡(luò))作為信號同步的基準信號，由設(shè)定時間窗內(nèi)(如100ms) 母線波動的平均直流電壓作為頻段切換的依據(jù)。由于以上2個信號均與全部監(jiān)控通信裝置 在低頻通道相聯(lián)，因此可以實現(xiàn)信號的共享(圖4a)，保證通信的實時性和可靠性需求。使用帶有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微處理器(MCU或DSP)，通過SPWM 波形軟件算法和R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速DAC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生調(diào)制正弦信號，經(jīng)功率放大電 路和雙電容耦合電路送至直流母線。在信號解調(diào)時，信號通過C。。uple耦合至CPU外圍的調(diào) 理電路，進入ADC進行量化處理，通過抗混疊濾波器將要數(shù)字化的信號在不失真前提下將 其頻率上限限制在采樣頻率的一半以下，以保證微處理器ADC的采樣頻率能夠滿足采樣定 律。濾波后的模擬信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換進入微處理器后，進行數(shù)字鎖相放大，最后生成輸出信 號，該信號不含有任何與參考信號不同相位和不同頻率的噪聲信號成份，最終輸出的直流 信號幅值與被測信號幅值成正比，從而實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大；直流信號幅值超過一定數(shù)值時， 則判定調(diào)制信號有效，從而實現(xiàn)微弱高頻通道信號的檢測和解調(diào)。參考信號對于數(shù)字鎖相放大器識別通信信號至關(guān)重要，本發(fā)明以母線紋波電壓作 為同步基準，在紋波過零點為時間窗的開始，η個過零點后為時間窗的終止。且在時間窗開 始處計算完成得到的母線平均電壓作為通信頻率選擇的基準，通信頻率以數(shù)表的形式存儲 在CPU中。由于各個監(jiān)控通信裝置CPU在時間窗開始處計算母線平均電壓的算法相同，因此 均能獲得相同的母線平均電壓；且母線電壓由于后級DC/AC的PID控制是隨機變化的，因此 高頻通道的通信頻率也是隨機變化的，實現(xiàn)了對于母線特定頻率噪聲的抗干擾。由此，實現(xiàn) 各個監(jiān)控通信裝置的能夠嚴格同步的跳頻通信方式，跳頻和同步的規(guī)則如下表所示，其計 算母線時間窗固定為100ms，通信時間窗必須大于2048個調(diào)制頻率的正弦周期，以上均由CPU軟件設(shè)定和處理。
權(quán)利要求
用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的低成本接口結(jié)構(gòu)，其特征在于在電池板監(jiān)控通信裝置的BOOST電路后的母線電容CE輸出側(cè)連接有一級低通濾波器(LPF)，所述低通濾波器(LPF)的電容CLPF在起到低通濾波作用的同時作為輸出串聯(lián)電容，與其他電池板監(jiān)控通信裝置的相應(yīng)電容CLPF進行串聯(lián)；經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的調(diào)制信號，經(jīng)雙電容耦合電路送至直流母線，并采用數(shù)字鎖相放大器進行通信信號的提取。
2.用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，采用權(quán)利要求1所述接口結(jié)構(gòu)，其特征 在于其采用的傳輸信號為低發(fā)射功率的μV級通信信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，其特征在于采 用直流母線紋波信號作為數(shù)字鎖相放大器所需的同步基準信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，其特征在于設(shè) 定時間窗內(nèi)(如100ms)母線波動的平均直流電壓作為頻率切換的指示，實現(xiàn)通信頻率切 換。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的任一種用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，其特 征在于使用帶有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微處理器(MCU或DSP)，通過SPWM 波形軟件算法和R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速DAC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生調(diào)制正弦信號，經(jīng)功率放大電 路和雙電容耦合電路送至直流母線。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4所述的任一種用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的方法，其特 征在于在信號解調(diào)時，信號通過雙電容耦合電路耦合至CPU外圍的調(diào)理電路，通過抗混疊 濾波器將要數(shù)字化的信號在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率的一半以下，以保 證微處理器ADC的采樣頻率能夠滿足采樣定律，濾波后的模擬信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換進入微處理 器后，進行數(shù)字鎖相放大，實現(xiàn)微弱高頻通道信號的檢測和解調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于太陽能電池板直流側(cè)信息監(jiān)控的低成本接口結(jié)構(gòu)及方法，在BOOST電路升壓二極管后端構(gòu)造低通濾波器建立高頻互聯(lián)通道，從而利用監(jiān)控裝置與集中型逆變器或組串逆變器連接的公共直流母線進行數(shù)字化載波通信，并通過雙電容進行信號的耦合，無需使用通信變壓器或?qū)Ｓ猛ㄐ啪€；采用低發(fā)射功率電路和數(shù)字鎖相放大器來處理μV級通信信號，并通過母線紋波電壓和母線平均電壓實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器參考信號的同步和通信頻率切換，減少直流母線的較長距離傳輸高頻信號帶來的天線效應(yīng)和EMC兼容問題，降低了單個電池板監(jiān)控通信裝置成本，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H04B1/713GK101950984SQ201010502108
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者牟英峰 申請人:牟英峰