光伏阵列监测方案：FA29应用于CS38的上海臻和防雷电气技术公司

1.概述

在石化能源日益枯竭和生态环境长远保护多重压力下，绿色能源的太阳能光伏发电技术得到了广泛的重视和应用。当前国内外光伏发电产业呈现迅猛发展的态势。

应用于光伏电池阵列的汇配电设施中的光伏防雷智能汇流箱，以实现对光伏电池列阵的汇流、监测、保护以及通信等功能，是光伏电站系统设施中重要的前端设备。其中，光伏阵列工作电流的在线监测更是光伏汇流箱的一项重要的功能，在光伏发电中实现智能化远程监管有着不可忽视的作用。

光伏发电的前端电力为直流高压系统，为提高光伏转换效率，实现与高压电源隔离测量，既不宜采用常规的分流器方法来测量，又不能应用工频电网中的电磁互感器检测技术来测量直流电流，这使光伏电池列阵的汇流监测遭遇较大困惑。

基于霍尔效应原理的半导体芯片能在驱动电流与外磁场的作用下，产生相交的霍尔函数电压，运用此特性，国内外半导体器件公司推出品种繁多的霍尔集成电路，为广泛实现应用霍尔技术的电流检测技术，开拓了一个崭新的领域。

霍尔电流传感器具有常规测量电流技术所没有的许多优良的特性，可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电；可通过磁电变送的测量机理而具有完善的一、二次回路隔离测量能力；同时具备的采集响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强等优势，在工业、商业、通信、汽车和发电等各个领域获得广泛的应用。

2.光伏列阵的汇流监测专用Ⅰ系列及Ⅱ系列的霍光伏电流监测模块

上海臻和防雷电气技术公司多年来对光伏汇流箱的研发、生产和应用，积累了丰富的经验。借鉴国内外光伏汇流箱先进技术，创新开发，研制出将霍尔半导体器件应用于光伏电池列阵的汇流监测用Ⅰ系列及Ⅱ系列的光伏电流监测模块，并配套开发了具有模块化结构、安全、稳定、可靠、便利等优良性能的新一代光伏汇流箱产品。

目前根据光伏电站运行规模和发电输配电拓扑结构，有较大规模的集中并网式的光伏发电系统和相对分散且较小规模的分布式光伏发电系统的两大系统。不同的光伏电站系统对光伏汇流需求是一致的，分布式光伏电站的特点是汇流箱更趋小型化，相对发电工作电压更低一些。据此，将依据不同光伏电站的汇流箱需求和特点，推荐不同设计的霍尔电流传感器光伏电流监测模块，为其配套使用。

（1）GPC1-C05-Ⅰ系列霍尔光伏电流监测模块的原理与应用

GPC1-C05-Ⅰ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块以其紧凑型的安装模式和准确可靠完善的监测功能，在分布式光伏电站汇流箱获得广泛应用。

GPC1-C05-Ⅰ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块采用Allegro公司的高集成化的线性霍尔电流传感器芯片，该霍尔器件主要由靠近芯片内表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成，具有极小的体积封装，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。并有低噪声、响应时间快特点。其器件原理如图1所示。

高压导线焊接引入法霍尔电流的检测，其高压隔离通过芯片内部的绝缘封装实现（绝缘电压>2.1kV RMS）。用在光伏阵列汇流电流检测的最大优势是体积小，可集中多个器件进行布板设计。尤其在分布式光伏发电系统中，由于光伏系统电压较低，且用户分散，特别适合小型化的光伏汇流箱的设计。

I系列霍尔电流传感器光伏电流监测每单位模块在70mm见方的电路板上集成了四路光伏阵列电流监测和光伏电流载流LED指示灯，并配置了各路的恒流供电回路。隔离后电流值检测信号，经处理后，通过带锁扣的IDC接线端排汇总输出至智能ECU模块处理、显示和通信远程传输。GPC1-C05-Ⅰ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块如图2所示，其参数见表1。

图1 器件原理图

图2 C05-Ⅰ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块

表1 GPC1-C05-I系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块技术参数

GPC1-C05-Ⅰ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块可按光伏汇流需要进行模块积木组合，实现4～16路的汇流功能。该监测模块与智能控制模块、光伏熔断器组合，并配用相应的光伏汇流控制部件即可实现多种应用场合下的具备优良性能的光伏汇流箱。图3所示为分布式屋顶光伏汇流箱内部应用图。

图3 分布式屋顶光伏汇流箱内部应用图

（2）GPC1-C05-Ⅱ系列霍尔光伏电流监测模块的原理与应用

随着光伏电站蓬勃发展，对光伏阵列的汇流箱电流监测的要求也越来越高，不但需要符合光伏电流监测的特点，对其安装形式和安全可靠提出特别的需求，一种形式类同于电流互感器的霍尔电流传感器应运而生，即为穿环式霍尔电流传感器。GPC1-C05-II系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块就是应用特制的穿环式霍尔电流传感器推出的新一代光伏电流监测模块。

穿环式霍尔电流传感器的原理是用高磁导率磁环将穿过环芯的一次导线通过的电流产生的磁场集束加载于磁环缝隙中的霍尔芯片上，而感生的霍尔电压输出，达到隔离检测电流的功能。

穿环式霍尔电流传感器按采集处理数据方法分为开环式霍尔电流传感器（见图4）和闭环式霍尔电流传感器（见图5），其外形相似。(www.xing528.com)

开环式霍尔传感器信号采用直接输出方式，成本略低，其信号放大调零处理均由后端电路进行。

闭环式在磁环内加入平衡线圈，产生平衡磁场，以抵消差模电流，使输出信号有更高的线性度。从光伏检测要求来看，开环式足以达到监测的需求。图6所示为C05-Ⅱ系列霍尔光伏电流监测模块中的穿环式霍尔传感器结构及应用示图。

图中展示了霍尔芯片被嵌入磁环的开缝中，并被通过磁环内芯的光伏高压导线一次电流产生矢量磁场穿透；使霍尔电流传感器输出霍尔电压，实现光伏电流检测的应用状况。

图4 开环式霍尔电流传感器

图5 闭环式霍尔电流传感器

由于此种穿环式霍尔电流传感器的检测方法的最大优势是无须将高压电缆接入传感器，仅需将导线穿过磁环中心，即可检测到流经一次导线的电流值。运用此种技术方法，不仅起到一次导线与二次回路完全的电气隔离的功能，同时因为不需要一次导线对霍尔电流传感器进行硬性连接（如螺栓连接、焊接连接）。最大程度上消除了I系列霍尔光伏电流监测模块的一、二回路同PCB板安装，对设计安全绝缘间隙的制约。同时也简化了高压环境下的安全保护措施和现场施工、维护作业。虽然应用体积比前述的焊接引入法霍尔电流传感器要略大一些，为获得高精度的运用，需在后续的电路补偿调整做较多的投入。但由于上述的C05-Ⅱ系列霍尔光伏电流监测模块应用层面的优势，目前在光伏阵列的汇流箱电流监测中获得越来越多的推广应用。

图6 穿环式霍尔传感器结构应用示图

GPC1-C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块由穿环式霍尔传感器和具有补偿调整电路的汇集板组成。图7所示为内置C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器组构成图。

图7 内置C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器组构成图

穿环式霍尔传感器以插接方式安置在汇集板上，汇集板提供各路霍尔传感器的工作电源以及偏置电源；传感器检测的信号通过板上的前置放大器进行发电整形处理再通过信号端排（IDC20）输出至智能处理模块。安装时光伏阵列的一次侧电缆可直接穿过霍尔传感器磁环中心后接入保护熔断器或汇流排实现汇流监测。

在新型的光伏汇流采集监测、控制及通信等设计中，将与智能通信控制模块统一整合成的光伏智能模块控制盒的形式，可以按各种光伏工程系统中不同的汇流箱需求，提供8～24路分类的产品选用。其智能监测通信模块各项技术参数（见表2）的配置可按光伏用户需求实现菜单式服务，极大地便于各类光伏电站系统对光伏汇流箱选型、设计及运用。光伏智能模块控制盒如图8所示。

表2 GPC1-C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块技术参数

图8 光伏智能模块控制盒

GPC1-C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块由于其诸多的优势，特别是安装简易便利、运行安全可靠，很适合我国国情下光伏电站的建设。无论在集中式光伏电站还是分布式光伏电站都得到了广泛的应用。

下面展示了应用GPC1-C05-Ⅱ系列霍尔电流传感器光伏电流监测模块的两款光伏电站的光伏阵列电池汇流箱的使用实例（见图9和图10）。

图9 应用于集中式的光伏汇流箱内部配置的结构图

图10 应用于分布式的屋顶光伏汇流箱内部配置的结构图

3.总结

当前光伏发电产业发展迅猛，运用新技术、新产品，用科学监测、规范管理光伏电站，是必由之路。尤其是集中式和分布式光伏电站的万马奔腾，发展适合多元化光伏系统的汇流箱技术，是十分急迫任务。鉴于光伏电池阵列汇配电前端设备电流监控的特殊性，对应用监控管理技术提出越来越多的要求，既要保证良好的性能指标，又要充分考虑使用条件，诸如成本、可靠性、耐气候性等需求也日趋严格。

应用霍尔传感器技术是光伏监测技术领域的一个大的突破，有效、可靠、安全地解决了在直流高压（高达DC1000V）和较大直流电流（DC10～200A）的工作状况下完成汇流、控制、安全保护和信息采集远程传输多项新技术的集成任务的瓶颈。光伏电池阵列的汇配电的前端设备的电流监控日新月异手段也为推动光伏发电多元化铺垫了坚实的基础。

（作者：上海臻和防雷电气技术有限责任公司 毛协国）