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CN104092437B - 一种光伏组件的调节电路及远程监控系统 - Google Patents

一种光伏组件的调节电路及远程监控系统 Download PDF

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CN104092437B
CN104092437B CN201410220322.7A CN201410220322A CN104092437B CN 104092437 B CN104092437 B CN 104092437B CN 201410220322 A CN201410220322 A CN 201410220322A CN 104092437 B CN104092437 B CN 104092437B
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张继元
戴志威
吴志锋
关锐奇
沈玉樑
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Abstract

本发明公开了一种光伏组件的调节电路及远程监控系统，相邻串联的两个光伏组件连接调节电路，当其中一块光伏组件出现遮阴或其它非正常工况导致相邻组件的电压不一致，调节电路开始工作，将相邻组件的电压调整一致，实现端电压均衡，提高组串整体输出功率。调节电路还设有数字信号处理器、通信模块和监控终端，实时监测光伏组件的电压、电流和温度状态并收集光伏组件的状态信息，对被遮阴或其它非正常工况下的串联光伏组件进行自动调节，提高了光伏组串整体输出功率，控制器效率高、损耗小，采用图形化的监控终端界面方便用户对光伏系统进行性能分析及故障诊断。

Description

一种光伏组件的调节电路及远程监控系统
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其是涉及一种光伏组件的调节电路及远程监控系统。
背景技术
单体太阳电池电压较低，一般将单体太阳电池串联起来，使输出电压符合负载要求。光伏组件一般将多片单体太阳电池经串并联组合封装而成，光伏组件会由于部分遮阴产生“热斑效应”，即受遮阴的太阳电池短路电流变小，会限制串联回路的输出电流。而组件中正常非遮阴太阳电池片的光生电流的一部分使自身PN结正偏，形成正偏压；在回路中，使遮阴太阳电池片受反偏压，遮阴太阳电池输出负功率，即变成负载，以热量的形式消耗功率，严重时会损坏太阳电池。
现有技术中，一般在太阳电池组件接线盒正负极两端并联旁路二极管避免“热斑效应”，如申请公布号为CN 103187205 A的申请文件公开的光伏元件加装旁路二极管和阻断二极管的示意图，在光伏组件的正负极两端并联旁路二极管，当某光伏组件被遮阴后，该光伏组件的电流方向逆转，逆转的电流经旁路的二极管流向下一个光伏组件，从而避免了逆转电流导致被遮阴的光伏组件升温过高的情况。但是，并联旁路二极管虽然避免了“热斑效应”的加剧，降低了太阳电池功率损耗，但不能完全挽救遮阴引起的整体组串功率损失。
光伏组件受遮阴或者由于制造工艺存在差异都会导致光伏电池参数不一致的情况。在光伏组件串联系统中，输出功率不再是单峰曲线，而是多个峰值，采用的最大功率跟踪算法就很难寻找实际的最大功率点。光伏组件在上述情况下工作，不可避免会损失部分功率。
发明内容
本发明提供一种与传统依靠组串终端电压进行最大功率跟踪不同的方法，通过调整单个光伏组件的电压来提高光伏组件在非正常工作下的功率输出，并能对单个光伏组件工况进行实时监测。通过监控终端的远程监测，使用户实时了解光伏电站中单个光伏组件的工作性能、系统效率，达到最大化提升光伏电站的发电效率之目的。
为了实现这一目的，本发明采用如下技术方案：
一种光伏组件的调节电路及远程监控系统，包括第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2，所述第一光伏组件PV1与第二光伏组件PV2串联，第一光伏组件PV1的负极与第二光伏组件PV2的正极相连，还包括用于调节第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2电压的调节电路；所述调节电路与第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2连接；还包括数字信号处理器、通讯模块和监控终端；所述数字信号处理器用于监测光伏组件的状态和输出控制信号控制调节电路的启动/停止，并通过通讯模块与所述监控终端通信连接。
为了调节两个串联的光伏组件的电压，令功率能从电压高的光伏组件流动至电压低的光伏组件，调节电路优选为双向Cuk变换电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2和电容C，
所述第一光伏组件PV1的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接第一开关管Q1的一端，第一开关管Q1的另一端连接第一光伏组件PV1的负极；
所述第二光伏组件PV2的负极连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第二开关管Q2的一端，第二开关管Q2的另一端连接第二光伏组件PV2的正极；
第一二极管D1与所述第一开关管Q1并联，第一二极管D1的正极连接在所述第一光伏组件PV1的负极和第一开关管Q1之间的连接点，第一二极管D1的负极连接在所述第一开关管Q1和第一电感L1之间的连接点；
第二二极管D2与所述第二开关管Q2并联，第二二极管D2的正极连接在所述第二电感L2和第二开关管Q2之间的连接点，第二二极管D2的负极连接在所述第二开关管Q2和第二光伏组件PV2的正极之间的连接点；
电容C连接在所述第一电感L1和第一开关管Q1的连接点与所述第二电感L2和第二开关管Q2的连接点之间。
根据直流变换电路的使用原理，调节电路还可以选用buck-boost型DC/DC电路的拓扑结构，包括电感L、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第三二极管D3、第四二极管D4和第一电容C1，
所述第一光伏组件PV1的正极连接第三开关管Q3的一侧，所述第三开关管Q3的另一侧连接至电感(L)的一侧；
所述第二光伏组件PV2的负极连接第四开关管Q4的一侧，所述第四开关管Q4的另一侧连接至电感(L)的一侧；
所述电感L的一侧连接第三开关管Q3与第四开关管Q4之间的连接点，电感L的另一侧连接第一光伏组件PV1与第二光伏组件PV2之间的连接点；
所述第三二极管D3与所述第三开关管Q3并联，第三二极管D3的负极连接第一光伏组件PV1的正极，所述第三二极管D3的正极连接第三开关管Q3与电感L之间的连接点；
所述第四二极管D4与所述第四开关管Q4并联，第四二极管D4的正极连接第二光伏组件PV2的负极，所述第四二极管D4的负极连接第四开关管Q4与电感L之间的连接点；
所述第一电容C1的正极连接第二光伏组件PV2的正极，第一电容C1的负极连接第二光伏组件PV2的负极。
第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4均可以是N-MOS型场效应管。
为了对开关管的电流采样，从而通过数字信号处理器控制开关管的开合，优选的是，调节电路还包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的一端连接到第一二极管D1的正极，第一电阻R1的另一端连接到第一光伏组件的负极；所述第二电阻R2的一端连接到第二二极管D2的正极，第二电阻R2的另一端连接到第二光伏组件的负极。第一电阻R1和第二电阻R2作为第一开关管Q1和第二开关管Q2的电流采样电阻。
数字信号处理器实时监测光伏组件的电压、电流和温度状态并收集第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的状态信息，随后将该状态信息转变为数字信号，并通过通讯模块传输到监控终端。
所述通讯模块可以是有线通讯模块或无线通讯模块。
所述监控终端可以是内嵌有组件故障诊断模块的服务器或云服务器。在服务器或云服务器内架设可查询光伏组件实时工况信息的网页，并在网页内设置工况数据查询区，提供每个光伏组件的工况数据，如：电压、电流和温度。将编号后的光伏组件通过图形化在查询区内显示。用户进入网页后，就可以通过各光伏组件所对应的图形，查询各光伏组件的工况信息。当电路中的光伏组件出现故障时，经网页内嵌的组件故障诊断模块分析数字信号处理器收集的信息后，将故障信息提示给用户以便处理。网页还能提供智能手机等移动设备的接入支持，使得用户在任何时间、地点都能够实时了解光伏组件的工作信息。
本发明的工作原理如下：
当数字信号处理器实时监测第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的电压，并将电压信息转换成数字信号上传至监控终端。当其中一块光伏组件被遮阴或其它原因等非正常工况导致第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的工作电压发生改变，监控终端通过比对发现第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的电压不一致时，监控终端向数字信号处理器发出控制信号，此时，调节电路将启动工作，数字信号处理器输出控制信号控制电压高的光伏组件所对应的开关管和二极管工作。根据双向Cuk变换电路的原理，此时，电压高的光伏组件作为输入，电压低的光伏组件作为输出，输入与输出的电压反相，开关管高频开关动作，在一个开关通断周期中，电容C在开关开通时放电，关断时充电，功率从电压高的光伏组件传输到电压低的光伏组件直至两块光伏组件的电压相等。此时，两块光伏组件的总输出功率将大于电压不相等时两块光伏组件的总输出功率。
相对于常规的串联光伏系统，受遮阴或者组件参数不一致等非正常工况因素影响，造成光伏组串整体输出功率下降，且无法获知每块组件的发电状态。本发明提供的光伏组件的调节电路及远程监控系统，采用高速、高性能、低功耗的数字信号处理器，结合能量双向可控的DC/DC拓扑电路，结合高效的数字控制算法，可提高组串整体发电功率，系统效率高、损耗低。同时可对每块组件进行监控，采用图形化的人机界面方便用户对光伏系统进行性能分析及故障诊断。
附图说明
图1是本发明实施例1的原理示意图；
图2是本发明实施例1中光伏组件PV2受遮阴而光伏组件PV1正常工作时的调节电路的工作原理示意图；
图3是本发明实施例1中第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2调压前的电压示意图；
图4是本发明实施例1中第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2调压前的总输出功率示意图；
图5本发明实施例1中第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2调压后的电压示意图；
图6是本发明实施例1中第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2调压后的总输出功率示意图；
图7是本发明实施例1中光伏组件PV1受遮阴而光伏组件PV2正常工作时的调节电路的工作原理示意图；
图8是本发明实施例1光伏组件电压调整控制的流程示意图；
图9是本发明实施例1中通讯连接的示意图；
图10是本发明实施例1中应用于多个光伏组件的主电路结构示意图；
图11是本发明实施例2的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1所示，调节电路的电子元件包括第一光伏组件PV1、第二光伏组件PV2、第一电感L1、第二电感L2、电容C、第一N-MOS型场效应管Q1、第二N-MOS型场效应管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1和第二二极管D2。
第一光伏组件PV1与第二光伏组件PV2串联，第一光伏组件PV1的负极与第二光伏组件PV2的正极相连。
第一光伏组件PV1的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接第一N-MOS型场效应管Q1的漏极，第一N-MOS型场效应管Q1的源极连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第一光伏组件PV1的负极。电阻R1作为第一N-MOS型场效应管Q1的电流采样电阻。
第二光伏组件PV2的负极连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第二N-MOS型场效应管Q2的源极，第二N-MOS型场效应管Q2的漏极连接第二光伏组件PV2的正极。电阻R2作为第二N-MOS型场效应管Q2的电流采样电阻。
电容C连接在第一电感L1和第一N-MOS型场效应管Q1的漏极的连接点与第二电感L2和第二电阻R2的连接点之间。
第一二极管D1与第一N-MOS型场效应管Q1并联，第一二极管D1的正极连接在第一N-MOS型场效应管Q1的源极，第一二极管D1的负极连接在第一N-MOS型场效应管Q1的漏极。
第二二极管D2与第二N-MOS型场效应管Q2并联，第二二极管D2的正极连接在第二N-MOS型场效应管Q2的源极，第二二极管D2的负极连接在所述第二N-MOS型场效应管Q2的漏极。
调节电路外设有DSP数字信号处理器。数字信号处理器内设有DC/DC控制模块和通讯模块。数字信号处理器可选用TI公司的C2000系列的DSP数字处理器。在调节电路内设点采样，收集第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的实时电压Upv1和Upv2、第一N-MOS型场效应管Q1和第二N-MOS型场效应管Q2的实时电流Isw1和Isw2，从而判断光伏组件的电压，通过软件算法控制，输出PWM1和PWM2信号驱动第一N-MOS型场效应管Q1和第二N-MOS型场效应管Q2。
如图2所示，如果光伏组件PV2受遮阴，而光伏组件PV1正常工作，那么，此时光伏组件PV2的电压Upv2将小于光伏组件PV1的电压Upv1。监控终端通过比对发现第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的电压不一致，随后向数字信号处理器发出控制信号，此时，调节电路开始工作，数字信号处理器输出PWM1信号驱动第一N-MOS型场效应管Q1，此时，光伏组件PV1将作为输入，而光伏组件PV2作为输出，第一N-MOS型场效应管Q1和第二二极管D2工作，电流方向如图2所示，正电荷从光伏组件PV1的正极流向光伏组件PV1负极，从而提高光伏组件PV1负极和光伏组件PV2正极的电势，使光伏组件PV2的电压升高，而光伏组件PV1的电压下降，最终二者电压相等，提高总输出功率。以光伏组件PV1的太阳辐射为1000W/㎡，光伏组件PV2被遮阴50％，太阳辐射为500W/㎡为例，此时，光伏组件PV1和PV2的电压如图3所示，图中，Vc1为光伏组件PV1的电压Upv1，Vc2为光伏组件PV2的电压Upv2。调压前，光伏组件的PV1和PV2的总输出功率如如图4所示。
调节电路工作后，N-MOS型场效应管以一定开关频率工作，光伏组件PV1和光伏组件PV2的电压最终相等。此时，光伏组件PV1和PV2的电压如图5所示，图中，Vc1为光伏组件PV1的电压Upv1，Vc2为光伏组件PV2的电压Upv2。
调压后，光伏组件的PV1和PV2的总输出功率如图6所示。
由此可见，调压后光伏组件PV1和光伏组件PV2的总输出功率将大于调压前光伏组件PV1和光伏组件PV2的总输出功率。
如图7所示，如果光伏组件PV1受遮阴，而光伏组件PV2正常工作，那么，此时光伏组件PV1的电压Upv1将小于光伏组件PV2的电压Upv2。调节电路开始工作，数字信号处理器输出PWM2信号驱动第二N-MOS型场效应管Q2，此时，光伏组件PV2作为输入，而光伏组件PV1作为输出，第二N-MOS型场效应管Q2和第一二极管D1工作，电流方向如图3所示，正电荷从光伏组件PV2的正极流向光伏组件PV1正极，从而提高光伏组件PV1正极的电势，降低了光伏组件PV2正极的电势，光伏组件PV1电压将升高，光伏组件PV2电压降下降，最终二者电压相等。此时，虽然光伏组件PV1和光伏组件PV2的输出电流不同，但均能在各自条件下输出较大的功率。
图8为本实施例1的组件电压调整控制框图。控制环路由电压外环和电流内环构成。将两块光伏组件的电压Upv1和Upv2进行比较后，误差信号经过PI调节器输出电流给定指令信号，电流内环取场效应管的电流Isw作为反馈信号，电流环的PI调节输出作为脉冲占空比信号，经DSP软件生成输出PWM信号驱动对应的场效应管开启或闭合。双向DC/DC变换器的功率流向由电压外环控制。
图9为本实施例1的通讯模块连接图。通讯模块与数字信号处理器的SCI接口连接，通讯模块可以是有线通讯模块或无线通讯模块。在实际的光伏发电系统中，本发明中的多个通讯模块可组成有线通讯网络或者无线通讯网络。本实施例1中，通讯模块选用无线通讯模块。无线通讯模块收集每一块光伏组件的实时工况信息，如电压、电流、温度，并将这些信息传输到服务器，监控终端基于网页实时监控，采用图形化的光伏阵列组件编号提供了单个光伏组件的基本信息，如：电压、电流、温度等工况数据。通过监控终端系统内嵌的组件故障诊断模块分析，将组件故障信息提示给用户处理。另外监控终端网页还提供了智能手机等移动设备接入支持，使得用户在任何时间、地点都能够实时了解光伏阵列的工作信息。
图10为本发明应用于多个组件串联的主电路结构图。如：3个光伏组件串联，需要2个调节电路；4个光伏组件串联，需要3个调节电路。每个调节电路均能独立工作，工作原理相同。
实施例2：
如图11所示，调节电路还可以应用buck-boost型DC/DC电路的拓扑结构，包括电感L、第三N-MOS型场效应管Q3、第四N-MOS型场效应管Q4、第三二极管D3、第四二极管D4和第一电容C1，
第一光伏组件PV1的正极连接第三N-MOS型场效应管Q3的一侧，所述第三N-MOS型场效应管Q3的另一侧连接至电感L的一侧；
第二光伏组件PV2的负极连接第四N-MOS型场效应管Q4的一侧，所述第四N-MOS型场效应管Q4的另一侧连接至电感L的一侧；
电感L的一侧连接第三N-MOS型场效应管Q3与第四N-MOS型场效应管Q4之间的连接点，电感L的另一侧连接第一光伏组件PV1与第二光伏组件PV2之间的连接点；
第三二极管D3与第三N-MOS型场效应管Q3并联，第三二极管D3的负极连接第三N-MOS型场效应管Q3的漏极，第三二极管D3的正极连接第三N-MOS型场效应管Q3的源极；
第四二极管D4与第四N-MOS型场效应管Q4并联，第四二极管D4的正极连接第四N-MOS型场效应管Q4的源极，第四二极管D4的负极连接第四N-MOS型场效应管Q4的漏极；
第一电容C1与第二光伏组件PV2并联，第一电容C1的正极连接第二光伏组件PV2的正极，第一电容C1的负极连接第二光伏组件PV2的负极。
以如果光伏组件PV2受遮阴，而光伏组件PV1正常工作为例，那么，第二光伏组件PV2的电压Upv2将小于第一光伏组件PV1的电压Upv1。监控终端通过比对发现第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的电压不一致，随后向数字信号处理器发出控制信号，此时，调节电路开始工作，光伏组件PV1将作为输入，而光伏组件PV2作为输出，第三N-MOS型场效应管Q3和第四二极管D4工作，第三N-MOS型场效应管Q3高频开关动作，根据buck-boost型DC/DC电路的原理，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为D为开关周期的占空比，通过调节第三N-MOS型场效应管Q3的闭合与断开的时间比，使第一光伏组件PV1和第二光伏组件PV2的电压最终相等，从而提高两者的总输出功率。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (6)

1.一种光伏组件的调节电路及远程监控系统，包括第一光伏组件(PV1)和第二光伏组件(PV2)，所述第一光伏组件(PV1)与第二光伏组件(PV2)串联，第一光伏组件(PV1)的负极与第二光伏组件(PV2)的正极相连，其特征是：还包括用于调节第一光伏组件(PV1)和第二光伏组件(PV2)电压的调节电路；所述调节电路的输入端与第一光伏组件(PV1)连接，所述调节电路的输出端与第二光伏组件(PV2)连接；
所述调节电路包括第一电感(L1)、第二电感(L2)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电容(C)，
所述第一光伏组件(PV1)的正极连接第一电感(L1)的一端，第一电感(L1)的另一端连接第一开关管(Q1)的一端，第一开关管(Q1)的另一端连接第一电阻(R1)的一端，第一电阻(R1)的另一端连接第一光伏组件(PV1)的负极；
所述第二光伏组件(PV2)的负极连接第二电感(L2)的一端，第二电感(L2)的另一端连接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端连接第二开关管(Q2)的一端，第二开关管(Q2)的另一端连接第二光伏组件(PV2)的正极；
第一二极管(D1)与所述第一开关管(Q1)并联，第一二极管(D1)的正极连接在所述第一电阻(R1)和第一开关管(Q1)之间的连接点，第一二极管(D1)的负极连接在所述第一开关管(Q1)和第一电感(L1)之间的连接点；
第二二极管(D2)与所述第二开关管(Q2)并联，第二二极管(D2)的正极连接在所述第二电阻(R2)和第二开关管(Q2)之间的连接点，第二二极管(D2)的负极连接在所述第二开关管(Q2)和第一电阻(R1)之间的连接点；
电容(C)连接在所述第一电感(L1)和第一开关管(Q1)的连接点与所述第二电感(L2)和第二电阻(R2)的连接点之间；
还包括数字信号处理器、通讯模块和监控终端；所述数字信号处理器用于监测第一光伏组件和第二光伏组件的状态和输出控制信号控制调节电路的启动/停止，并通过通讯模块与所述监控终端通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种光伏组件的调节电路及远程监控系统,其特征是：所述调节电路还包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；所述第一电阻(R1)的一端连接到第一二极管(D1)的正极，第一电阻(R1)的另一端连接到第一光伏组件(PV1)的负极；所述第二电阻(R2)的一端连接到第二二极管(D2)的正极，第二电阻(R2)的另一端连接到第二光伏组件(PV2)的负极。
3.根据权利要求1所述的一种光伏组件的调节电路及远程监控系统,其特征是：所述第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)是N-MOS型场效应管。
4.根据权利要求1所述的一种光伏组件的调节电路及远程监控系统,其特征是：所述通讯模块是有线通讯模块或无线通讯模块。
5.根据权利要求1所述的一种光伏组件的调节电路及远程监控系统,其特征是：所述监控终端是内嵌有组件故障诊断模块的服务器。
6.一种光伏组件的调节电路及远程监控系统，包括第一光伏组件(PV1)和第二光伏组件(PV2)，所述第一光伏组件(PV1)与第二光伏组件(PV2)串联，第一光伏组件(PV1)的负极与第二光伏组件(PV2)的正极相连，其特征是：还包括用于调节第一光伏组件(PV1)和第二光伏组件(PV2)电压的调节电路；所述调节电路的输入端与第一光伏组件(PV1)连接，所述调节电路的输出端与第二光伏组件(PV2)连接；
所述调节电路包括电感(L)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第一电容(C1)，
所述第一光伏组件(PV1)的正极连接第三开关管(Q3)的一侧，所述第三开关管(Q3)的另一侧连接至电感(L)的一侧；
所述第二光伏组件(PV2)的负极连接第四开关管(Q4)的一侧，所述第四开关管(Q4)的另一侧连接至电感(L)的一侧；
所述电感(L)的一侧连接第三开关管(Q3)与第四开关管(Q4)之间的连接点，电感(L)的另一侧连接第一光伏组件(PV1)与第二光伏组件(PV2)之间的连接点；
所述第三二极管(D3)与所述第三开关管(Q3)并联，第三二极管(D3)的负极连接第一光伏组件(PV1)的正极，所述第三二极管(D3)的正极连接第三开关管(Q3)与电感(L)之间的连接点；
所述第四二极管(D4)与所述第四开关管(Q4)并联，第四二极管(D4)的正极连接第二光伏组件(PV2)的负极，所述第四二极管(D4)的负极连接第四开关管(Q4)与电感(L)之间的连接点；
所述第一电容(C1)的正极连接第二光伏组件(PV2)的正极，第一电容(C1)的负极连接第二光伏组件(PV2)的负极；
还包括数字信号处理器、通讯模块和监控终端；所述数字信号处理器用于监测第一光伏组件和第二光伏组件的状态和输出控制信号控制调节电路的启动/停止，并通过通讯模块与所述监控终端通信连接。
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