一種小功率太陽能電池併網發電系統的製作方法

2023-05-01 18:59:56 2

專利名稱：一種小功率太陽能電池併網發電系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於太陽能發電技術領域，特別是小功率太陽能電池併網發電系統。
背景技術：
太陽能是大自然賜予我們的最環保的綠色能源之一，也是有利於人類可持續發展的能源。在各種能源汙染日益嚴重和倡導低碳生活的發展趨勢下，為了人類的未來，我們應該儘可能地利用這種綠色能源。利用光伏電池轉換太陽能的方式已有一定的歷史了，但由於光伏電池所產生的電能一般以直流的方式儲存在蓄電池中，並不方便我們在日常的生活中直接使用。相對而言， 兼顧高效、廉價和方便的方法形成太陽能電池併網發電系統，是將太陽能光伏電池所產生電能直接發送到電網上，直接供用戶使用。目前的太陽能電池併網發電系統領域普遍採用的為如圖1所示的方法，該方法首先將太陽能光伏電池10產生的直流電儲存到蓄電池，蓄電池能夠保持輸出電壓的穩定性。 再通過逆變器20將直流電變為與電網同步的交流電，發送到電網上。控制電路30跟蹤電網變化，並根據電網變化情況控制逆變器20的轉換。其中，該技術實現的關鍵部分是逆變器(inverter)，該部分將太陽能光伏電池的直流電變為頻率(波形)、相位與供電電網一樣的交流電。然而，由於現有的太陽能電池併網發電系統採用的逆變器結構複雜，價格昂貴，導致小功率太陽能電池併網發電系統實現成本較高，限制了太陽能電池併網發電系統的大規模應用，特別是在家庭用戶單位的應用。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種成本較低，實現容易的，特別是用於家庭使用的小功率太陽能電池併網發電系統，適用於太陽能電池併網發電系統的大規模應用。為解決上述技術問題，本發明提供的一種小功率太陽能電池併網發電系統，該系統包括反激式電源轉換器，將光伏電池產生的第一電壓轉變為第二電壓；轉換開關電路， 耦接於反激式電源轉換器與電網之間，將所述第二電壓轉變為與所述電網同相的電壓；以及控制電路，監測所述光伏電池狀態和所述電網狀態，並控制所述反激式電源轉換器和所述轉換開關電路。進一步地，所述反激式電源轉換器包括開關電路，與所述光伏電池耦接，將所述第一電壓轉變為第三電壓；高頻變壓器，耦接於所述開關電路，將所述第三電壓轉變為第四電壓；整流器，與高頻變壓器耦接，將所述第四電壓整流後轉變為所述第二電壓。進一步地，所述轉換開關電路為橋式轉換開關電路。所述第二電壓為按正弦規律變化的單向電壓。所述第三電壓為矩形波電壓。進一步地，該系統還包括濾波器，耦接於所述轉換開關電路與所述電網之間，濾除高頻諧波。
進一步地，所述控制電路包括監測電路，監測電網狀態和所述光伏電池狀態；波形檢測電路，檢測所述電網電壓的波形變化情況；以及輸出控制電路，控制所述轉換開關電路的開關變化，以及控制所述反激式電源轉換器的運行或關閉。進一步地，所述監測電路判斷電網是否出現停電。當所述電網出現停電時，所述輸出控制電路停止發電系統的工作。根據光照狀態的變化，所述輸出控制電路通過調整所述反激式電源轉換器的工作脈衝寬度或周期，以控制所述反激式電源轉換器的轉換功率。當所述電網電壓的波形接近零點附近時，所述輸出控制電路將發電系統的功率降到零。作為一種優選的技術方案，所述電網電壓為110伏或220伏的單相電壓系統。在單相電壓系統中，所述發電系統使用的功率W < 6000瓦特。作為另外一種優選的技術方案，所述電網電壓為190伏或280伏的三相電壓系統。本發明提供的一種新型小功率太陽能電池併網發電系統。該方法提供的太陽能電池併網發電系統，通過改變現有技術中的結構複雜、價格昂貴的逆變器系統，使用反激式電源轉換器和轉換開關電路替代這部分功能，由於反激式電源轉換器和轉換開關電路結構簡單、成本較低，並且易於控制和操作，從而使得該小功率太陽能電池併網發電系統獲得高效、可靠、降低成本和使用方便等多項益處。本發明的併網發電，為了高效、廉價、簡便易行和不影響電網的正常運行，採用小功率補充發電方式，由於所發電的電量實時供應到電網上，所以本發明的小功率太陽能電池併網發電系統不需要採用蓄電池。本發明的小功率太陽能電池併網發電系統所使用的發電功率相對比較小，可用於家庭和終端用戶的電網中。該小功率太陽能電池併網發電系統併網後，通過跟蹤、監測該電網，當外部電網不正常時，如因為檢修拉閘等停電時，小功率太陽能電池併網發電系統立刻停止發電，阻止小功率太陽能電池併網發電系統的電能向電網輸送，確保使用安全。併網發電後的效果，只是對原電網的補充，並不會影響原電網。由於價廉，使用方便，如果一些有條件的用戶使用該新型小功率太陽能電池併網發電系統，在有日照的時候自動併網發電，對於發電廠而言，相當用電負荷減少了，可以少發些電，其意義不言而喻。例如將本發明的小功率太陽能電池併網發電系統可以製作成簡單電器結構，通過一般的插頭與傳統家庭或單位內的電網連接，安裝和使用方便。在外部大電網正常工作的情況下，小功率太陽能電池併網發電系統為家庭或單位用電作為補充發 H1^ ο


圖1傳統小功率太陽能電池併網發電系統。圖2本實施例中提出的小功率太陽能電池併網發電系統。圖3本實施例中發電系統電壓變化的情況。圖4本實施例中發電系統使用的反激式電源轉換器的結構。圖5本實施例中發電系統使用的控制電路的結構。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。本實施例討論的小功率太陽能電池併網發電系統指的是6000W(單相)以內功率的太陽能電池併網發電系統，適用於有正常供電的地區，如城市。如圖2所示，本實施例提供的一種小功率太陽能電池併網發電系統，該系統包括光伏電池100、反激式電源轉換器 (Flyback Convertor) 200、轉換開關電路300、以及控制電路400。為方便敘述，以單相併網發電的情況為例。光伏電池100由一定數量的光伏電池單元組成，可以將太陽能轉換為電能，本實施例中的光伏電池100的使用可按實際使用調整，大小一般以符合家庭或單位用戶使用為準，並且易於安裝。反激式電源轉換器200將光伏電池100獲得的能量經過轉變成為單向變化電壓，因為通過轉換開關與電網聯接，加上反激式電源轉換器的特性，可產生按正弦規律變化的單向電壓，如圖3所示的U1 (t)。反激式電源轉換器200包括開關電路201、 高頻變壓器202、以及整流器203。轉換開關電路300，將反激式電源轉換器200輸出的電壓轉變為與電網變化規律一致的電壓，該實施例採用的是橋式轉換開關電路，但不限於這種轉換開關電路，其它可以實現本實施例轉換開關電路功能的轉換開關電路均可以使用。控制電路400，包括監測電路401、波形檢測電路402和輸出控制電路403，如圖5所示。監測電路401跟蹤和監測光伏電池和電網電壓的變化狀態，波形檢測電路402檢測電網電壓的波形情況，輸出控制電路403根據光伏電池和電網電壓的狀態控制開關電路201和轉換開關電路300。小功率太陽能電池併網發電系統與電網連接上時，發電系統中將首先判斷電網是否處於正常情況。通過控制電路400對電網的實時監測電網的狀況，若出現電網停電、故障、維修等非正常的斷電情況，則控制電路400立即停止發電系統的工作，確保本發電系統沒有向電網供電，確保使用安全。此外，控制電路400通過實時監測電網的狀況，確保橋式轉換開關電路輸出電壓的相位與電網一致。開關電路201根據光伏電池100發電的變化情況，將光伏電池100產生的電壓轉變為矩形波，如圖4所示的U3 (t)，需要說明的是，該矩形波實際上近似為矩形的波形，這是由於變壓器電感元件的影響，開關電路產生的矩形波的波形會變形，但這些並不妨礙其正常工作。由於電網上的電壓波形按照正弦規律變化，這就要求反激式電源轉換器200中每次轉換的電壓也是按正弦規律變化的。為達到這個目的，控制電路400通過控制開關電路 201的工作脈衝寬度或周期，從而實現如圖3所示的波形轉換。只要反激式電源轉換器200 的工作脈衝寬度或周期大致上按電網的電壓的變化規律，其輸出電壓通過轉換開關與電網聯接，加上反激式電源轉換器200特性，高頻變壓器202中每次轉換輸出的電壓也就可以與電網的電壓頻率、波形、相位和幅度變化規律一致。下面詳細的描述該變化過程。在某一個能量轉換周期裡，開關電路201導通，開關電路201在一定的脈衝寬度時間裡為高頻變壓器202提供電流，使高頻變壓器202裡儲存一定的磁場能量。當開關電路 201截止，高頻變壓器202裡的能量通過次級迴路釋放，次級電路的電流通過整流器203形成變化電壓，由於整流器203的輸出是通過轉換開關電路300與電網聯接，且在一個周期裡高頻變壓器202裡的能量有限，所以整流器203輸出的電壓就會跟蹤電網的電壓，最後將高頻變壓器202裡的能量發送到電網上。此外，由於電網在零點附近時電壓接近零，此時若小功率太陽能電池併網發電系統在此瞬間繼續發電，將影響電網的正常電壓，破壞電網的正常運作。因此，通過波形檢測電路402檢測電網電壓的變化，控制電路400根據檢測結果，控制反激式電源轉換器200的每個工作脈衝寬度或周期大致按照正弦規律變化，使得每次在電網電壓過零點時確保沒有能量輸出，以保證電網的正常運作。本實施例為了使輸出儘可能小地影響電網的電壓波形，或者說減少對電網的諧波幹擾，在轉換開關電路300與電網之間加入了濾波器500，如圖3所示。由於監測和轉換頻率很高(20KHz-200KHz)，發送出的電壓變化波形非常接近電網原有的波形，通過輸出濾波器500的處理，可以避免諧波幹擾。需要說明一點的是，對圖1現有技術所描述的發電系統而言，其中逆變器使用的電源轉換器一般採用的是正激式電源轉換器，不使用反激式電源轉換器，這也是本實施例的小功率太陽能電池併網發電系統與圖1所描述的現有技術的重要區別。本發明的併網發電，為了高效、廉價、簡便易行和不影響電網的正常運行，採用小功率補充發電方式，由於所發電的電量實時供應到電網上，所以本發明的小功率太陽能電池併網發電系統不需要採用蓄電池。本實施例中所提到的電網或供電電網為終端用戶(比如家庭或單位用戶)，該電網為市電電壓，一般使用IlOV或220V的單相電壓系統，或者使用190V或380V的三相電壓系統，其它電網如可適用於家庭和單位的電網也可以達到本實施例的目的。在上述實施例中，用三個所述單相併網發電系統(太陽能光伏電池可以公用一個)就可以方便地構成一個三相併網發電系統。本發明的小功率太陽能電池併網發電系統所使用的發電功率也相對比較小。該小功率太陽能電池併網發電系統併網後，通過跟蹤、監測該電網，當外部電網不正常時，如因為檢修、拉閘等停電時，小功率太陽能電池併網發電系統立刻停止發電，禁止小功率太陽能電池併網發電系統的電能向電網輸送，確保使用安全。可以看出，小功率太陽能電池併網發電系統併網發電後的效果，只是對原電網的補充，並不會影響原電網正常供電。在圖5中，當控制電路400中的監測電路401監測到的光照變化時，輸出控制電路 403調節反激式電源轉換器200的開關脈衝寬度或轉換周期，使反激式電源轉換器200輸出的功率既儘可能大地將光伏電池的能量發送出去，又要使輸出波形適應正弦規律變化，經過轉換開關電路300轉換後與電網電壓變化一致。而當監測電路401監測到光伏電池100 工作在夜晚或光照不足時，輸出控制電路403將自動停止反激式電源轉換器200的工作。由於小功率太陽能電池併網發電系統價廉和使用方便，如果一些有條件的用戶使用該新型小功率太陽能電池併網發電系統，在有日照的時候自動併網發電，對於發電廠而言，相當用電負荷減少了，可以少發些電，其意義不言而喻。例如將本發明的小功率太陽能電池併網發電系統可以製作成體積較小、安裝和使用方便的電器結構，通過一般的插頭與傳統家庭內的電網連接。在外部大電網正常工作的情況下，小功率太陽能電池併網發電系統為家庭用電作為補充發電。如某家庭使用用電3000W，小功率太陽能電池併網發電系統通過獲取外部太陽能能量，轉換後提供電力1000W，此時該家庭只需要獲取外部電網電量 2000W，這樣該家庭就可以節省外部電網用電1000W。當外部電網斷開時，該小功率太陽能電池併網發電系統通過監測到外部網絡的狀況，也自動斷開該系統，使得該系統對外部電網不產生影響。當然，本發明的小功率太陽能電池併網發電系統也可以通過專用計量電度表直接接到用戶電錶前的電網上作併網發電，該專用計量電度表將記錄太陽能電池併網發電系統所發的電量。從上述應用可以看出，通過使用該小功率太陽能電池併網發電系統，可以減少用電電負荷，對於用戶，可以節約能源；對於發電廠而言，可以少發些電，減少環境的汙染。由此可見，小功率太陽能電池併網發電系統應用符合低碳、綠色能源的應用趨勢，實現起來極其方便，有巨大的社會效益。在正常用電的情況下。通過該太陽能電池併網發電系統，使太陽能得到充分利用。 因此，該太陽能電池併網發電系統具有穩定性高、成本低，安裝和使用方便等特點。在不偏離本發明的精神和範圍的情況下還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發明不限於在說明書中所述的具體實施例。
權利要求
1.一種小功率太陽能電池併網發電系統，其特徵在於，該系統包括反激式電源轉換器，將光伏電池產生的第一電壓轉變為第二電壓；轉換開關電路，耦接於反激式電源轉換器與電網之間，將所述第二電壓轉變為與所述電網同相的電壓；以及控制電路，監測所述光伏電池狀態和所述電網狀態，並控制所述反激式電源轉換器和所述轉換開關電路。
2.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述反激式電源轉換器包括開關電路，與所述光伏電池耦接，將所述第一電壓轉變為第三電壓；高頻變壓器，耦接於所述開關電路，將所述第三電壓轉變為第四電壓；整流器，與高頻變壓器耦接，將所述第四電壓整流後轉變為所述第二電壓。
3.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述轉換開關電路為橋式轉換開關電路。
4.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述第二電壓為按正弦規律變化的單向電壓。
5.根據權利要求2所述的發電系統，其特徵在於，所述第三電壓為矩形波電壓。
6.根據權利要求1至5的任一權利要求所述的發電系統，其特徵在於，該系統還包括 濾波器，耦接於所述轉換開關電路與所述電網之間，濾除高頻諧波。
7.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述控制電路包括監測電路，監測電網狀態和所述光伏電池狀態；波形檢測電路，檢測所述電網電壓的波形變化情況；以及輸出控制電路，控制所述轉換開關電路的開關變化，以及控制所述反激式電源轉換器的運行或關閉。
8.根據權利要求7所述的發電系統，其特徵在於，所述監測電路判斷電網是否出現停H1^ ο
9.根據權利要求7或8所述的發電系統，其特徵在於，當所述電網出現停電時，所述輸出控制電路停止發電系統的工作。
10.根據權利要求7所述的發電系統，其特徵在於，根據光照狀態的變化，所述輸出控制電路通過調整所述反激式電源轉換器的工作脈衝寬度或周期，以控制所述反激式電源轉換器的轉換功率。
11.根據權利要求7所述的發電系統，其特徵在於，當所述電網電壓的波形接近零點附近時，所述輸出控制電路將發電系統的功率降到零。
12.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述電網電壓為110伏或220伏的單相電壓系統。
13.根據權利要求1所述的發電系統，其特徵在於，所述電網電壓為190伏或280伏的三相電壓系統。
14.根據權利要求12所述的發電系統，其特徵在於，在單相電壓系統中，所述發電系統使用的功率WS 6000瓦特。
全文摘要
本發明提供的一種小功率太陽能電池併網發電系統，該系統包括反激式電源轉換器，將光伏電池產生的第一電壓轉變為第二電壓；轉換開關電路，耦接於反激式電源轉換器與電網之間，將第二電壓轉變為與電網同相的電壓；以及控制電路，監測光伏電池狀態和電網狀態，並控制反激式電源轉換器和轉換開關電路。該發電系統通過改變現有技術中的結構複雜、價格昂貴的逆變器系統，使用反激式電源轉換器和轉換開關電路替代這部分功能，由於反激式電源轉換器和轉換開關電路結構簡單、成本較低，並且易於控制和操作，從而使得該小功率太陽能電池併網發電系統獲得高效、可靠、降低成本和使用方便等多項益處。
文檔編號H02J13/00GK102280900SQ201010196029
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者朱國財 申請人:上海金陵時威科技發展股份有限公司