太陽能光伏併網離網混合發電系統的製作方法
2023-04-22 16:14:51
專利名稱：太陽能光伏併網離網混合發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能光伏發電應用，尤其是能夠以併網發電為主、同時還能夠離網發電的混合光伏發電系統。
背景技術：
太陽能光伏發電可代替和少用資源有限、不可再生的煤炭、石油、天然氣等一次化石能源和由其轉換成的二次能源。推廣太陽能光伏發電應用，對減少化石能源的消費量和優化能源結構，具有重要意義。太陽能光伏發電沒有損害大氣和生態環境的汙染物的排放，是與人類賴以生存的生態環境相協調的清潔能源、綠色能源。推廣太陽能光伏發電應用，可以減少C02、S02以及顆粒物等汙染物的排放量，對減輕大氣汙染和保護生態環境發揮很大的作用。目前，公知的太陽能光伏發電系統根據系統的運行模式不同可分為併網發電系統和離網發電系統。太陽能光伏併網發電系統由太陽能電池方陣、併網逆變器及公用配電網等組成。 太陽能能量通過太陽能電池方陣轉換成直流電能，再通過併網逆變器將直流電能轉換為交流電能，其電流與公用配電網電壓同頻率、同相位。太陽能光伏併網發電系統可工作於有公用電網的地區，不需要儲能裝置是其一大優點。太陽能光伏離網發電系統一般由太陽能電池方陣、DC/DC變換器、充放電控制器、 蓄電池組、離網逆變器等組成。太陽能電池方陣將接收到的太陽能轉換成直流電能，通過 DC/DC變換器的控制實現最大功率點跟蹤，然後將光伏陣列的輸出電能儲存在蓄電池組中， 蓄電池組通過充放電控制器將能量提供給直流負載或再通過DC/AC逆變器變換為交流電供給交流負載。太陽能光伏離網發電系統是可適應無電地區的用電解決方案。可是，對於併網發電型系統，當配電網故障時，為防治孤島效應，併網逆變器將不被允許工作，太陽能電池方陣的可轉換的電能也沒有被利用；而對於離網發電型系統，當蓄電池組已被充滿，且沒有用電負載，此時太陽能電池方陣因為沒有輸出負載，將不能發電， 太陽能電池方陣的可轉換的電能沒有被利用。針對單一太陽能光伏併網發電系統和離網發電系統的不足，為提高各種複雜運行條件下太陽能電池方陣的利用率，公開了「太陽能光伏併網離網混合發電系統」發明。太陽能光伏併網離網混合發電系統可應用在與建築集成的太陽能併網發電系統、 家用太陽能屋頂發電系統等場合。發明內容本發明的目的是為了充分利用太陽能電池方陣的發電能力，同時提高用戶應急負載供電可靠性，設計了一種太陽能光伏併網離網混合發電系統。太陽能光伏併網離網混合發電系統由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流應急負載、併網逆變器、公用配電網等組成。太陽能電池方陣的輸出端接控制器的輸入端，所述控制器有三路輸出，其第一路輸出接直流應急負載；其第二路輸出接蓄電池組；其第三路輸出通過併網逆變器接公用配電網，太陽能光伏併網離網混合發電系統的特徵在於控制器，包括運行模式控制單元(201)、防電流倒灌二極體D3、最大功率點跟蹤器、中壓直流母線(202)、直流降壓變換器、低壓直流母線(203)、充放電控制器、應急輸出切換繼電器J1， 控制器的輸入端通過防電流倒灌二極體D3接最大功率點跟蹤器的輸入端，所述最大功率點跟蹤器的輸出端接中壓直流母線(202)，所述中壓直流母線(202)接控制器的第三路輸出；所述中壓直流母線(202)還通過直流降壓變換器接低壓直流母線(203)，所述低壓直流母線(203)通過應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點接控制器的第一路輸出，所述低壓直流母線(203)還接充放電控制器的輸入，所述充放電控制器有二路輸出，其第一路輸出通過應急輸出切換繼電器Jl的常閉觸點接控制器的第一路輸出，其第二路輸出接控制器的第二路輸出。太陽能電池方陣將接收到的太陽能轉換成直流電能，通過對控制器內的DC/DC 變換器的控制實現其最大功率點跟蹤。大部分直流電能通過控制器內的中壓直流母線提供給併網逆變器的輸入，並經過併網逆變器將直流電能轉換為滿足併網條件的交流電能送入公用配電網；小部分直流電能通過控制器內的中壓直流母線(202)和直流降壓變換器提供給低壓直流母線(203)，低壓直流母線(203)將其一部分提供給直流應急負載，另一部分儲存在蓄電池組中。當控制器內的低壓直流母線(203)電壓在正常工作範圍值之外時，蓄電池組通過控制器內的充放電控制器將能量提供給直流應急負載，始終確保直流應急負載的可靠供電。太陽能光伏併網離網混合發電系統具有併網離網混合發電的功能，以併網發電為主，同時還能夠離網發電。即使當配電網故障時，為防治孤島效應，併網逆變器不被允許工作，可是，經太陽能電池方陣轉換的直流電能還能夠通過控制器內的中壓直流母線和直流降壓變換器被直流應急負載和蓄電池組利用，提高了太陽能電池的利用率，確保了直流應急負載的可靠供電。太陽能光伏併網離網混合發電系統減少了電能變換環節，提高了系統效率；太陽能光伏併網離網混合發電系統有效提高了系統年發電時間，提高了系統年發電量。太陽能光伏併網離網混合發電系統有效利用了各種複雜運行條件下太陽能電池方陣提供的清潔能源，具有良好的應用前景。以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是太陽能光伏併網離網混合發電系統示意圖。圖2是太陽能光伏併網離網混合發電系統中控制器示意圖。圖3是控制器中運行模式控制單元(201)的繼電器控制流程圖。
具體實施方式
1、太陽能光伏併網離網混合發電系統的電路拓撲在圖1中，描述了太陽能光伏併網離網混合發電系統的組成和連接。太陽能電池方陣的輸出端接控制器的輸入端，所述控制器有三路輸出，其第一路輸出接直流應急負載 (如功率型LED照明負載、移動電器充電器等)；其第二路輸出接蓄電池組；其第三路輸出接併網逆變器的輸入，所述併網逆變器的輸出接公用配電網。在圖2中，描述了太陽能光伏併網離網混合發電系統中關鍵部件-控制器的組成和內部連接。[0024]控制器的組成是運行模式控制單元、防電流倒灌二極體D3、最大功率點跟蹤器、 中壓直流母線(202)、直流降壓變換器、低壓直流母線(203)、充放電控制器、應急輸出切換繼電器Jl。控制器的內部連接是控制器的輸入端通過防電流倒灌二極體D3接最大功率點跟蹤器的輸入端，所述最大功率點跟蹤器的輸出端接中壓直流母線(202)，所述中壓直流母線(202)接控制器的第三路輸出；所述中壓直流母線(202)還通過直流降壓變換器接低壓直流母線(203)，所述低壓直流母線(203)通過應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點接控制器的第一路輸出，所述低壓直流母線(203)還接充放電控制器的輸入，所述充放電控制器有二路輸出，其第一路輸出通過應急輸出切換繼電器Jl的常閉觸點接控制器的第一路輸出，其第二路輸出接控制器的第二路輸出。在圖2中，還描述了控制器中運行模式控制單元(201)的組成。包括太陽能電池方陣電壓採樣電路、低壓直流母線(203)電壓採樣電路以及微控制器MCU。中壓直流母線(202)電壓的額定值與併網逆變器的輸入相適應。低壓直流母線(203)電壓的額定值與直流應急負載的額定值相適應。直流降壓變換器採用BUCK直流變換電路，依據低壓直流母線(203)電壓與中壓直流母線(202)電壓額定值之比，確定其開關器件的佔空比，在所述直流降壓變換器工作期間其開關器件的佔空比始終是固定的，其輸出輸入直流電壓變比也是不變的。充放電控制器使用功率MOSFET為主要開關器件，微控制器MCU為控制電路，控制充電峰值電流，充滿斷開充電迴路和欠壓斷開放電迴路。併網逆變器使用全橋逆變器電路為主電路，數位訊號處理器DSP為控制電路，運行期間具有輸出功率自動調節功能，使得中壓直流母線電壓在工作範圍內。2、太陽能光伏併網離網混合發電系統的能量管理為達到充分利用太陽能電池方陣所轉換的電能的目標，太陽能光伏併網離網混合發電系統的能量管理策略是一個多目標協調控制策略，由運行模式控制單元、最大功率點跟蹤器、充放電控制器、併網逆變器來共同完成，其具體實現方法最大功率點跟蹤器的控制目標是在太陽輻射強度、環境溫度、負載條件變化時自動實現太陽能電池方陣的最大功率輸出；充放電控制器控制充電峰值電流，充滿時斷開充電迴路和欠壓時斷開放電迴路；併網逆變器運行期間具有輸出功率自動調節功能，使得中壓直流母線(202)電壓在工作範圍內；運行模式控制單元(201)的控制目標是將太陽能電池方陣轉換的直流電能同時送給併網逆變器和通過降壓變換器送給低壓直流母線(203)，低壓直流母線(203)再送給直流應急負載和蓄電池。實現了不具備併網運行的條件下，太陽能光伏併網離網混合發電系統依然能夠為直流應急負載提供清潔能源。在圖3中說明了太陽能光伏併網離網混合發電系統中運行模式控制單元(201)的
能量管理策略。運行模式控制單元(201)檢測低壓直流母線電壓Vdc，計算一定時間內的平均值， 依據所述的平均值，以電平方式通過驅動開關管Si，確定繼電器Jl的線圈通電狀態，控制繼電器Jl的觸點狀態，決定應急輸出的來源。[0040] 當低壓直流母線(203)電壓Vdcjiiin < Vdc < Vdc_max時，運行模式控制單元 (201)的Sl端輸出高電平，應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，應急輸出的電能來自低壓直流母線(203)，即來自太陽能電池方陣的實時發電；當低壓直流母線 (203)電壓Vdc Vdcjnax時，運行模式控制單元(201)的Sl端輸出低電平，應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點斷開，常閉觸點閉合，應急輸出的電能來自充放電控制器的輸出，即來自蓄電池組的儲能。
權利要求1.一種太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵在於包括控制器、太陽能電池方陣、蓄電池組、直流應急負載、併網逆變器、公用配電網，太陽能電池方陣的輸出端接控制器的輸入端，所述控制器有三路輸出，其第一路輸出接直流應急負載；其第二路輸出接蓄電池組；其第三路輸出通過併網逆變器接公用配電網，太陽能光伏併網離網混合發電系統的特徵在於控制器，包括運行模式控制單元(201)、防電流倒灌二極體D3、最大功率點跟蹤器、 中壓直流母線(202)、直流降壓變換器、低壓直流母線(203)、充放電控制器、應急輸出切換繼電器J1，控制器的輸入端通過防電流倒灌二極體D3接最大功率點跟蹤器的輸入端，所述最大功率點跟蹤器的輸出端接中壓直流母線(202)，所述中壓直流母線(202)接控制器的第三路輸出；所述中壓直流母線(202)還通過直流降壓變換器接低壓直流母線(203)，所述低壓直流母線(203)通過應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點接控制器的第一路輸出，所述低壓直流母線(203)還接充放電控制器的輸入，所述充放電控制器有二路輸出，其第一路輸出通過應急輸出切換繼電器Jl的常閉觸點接控制器的第一路輸出，其第二路輸出接控制器的第二路輸出。
2.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於運行模式控制單元(201)，包括太陽能電池方陣電壓採樣電路、低壓直流母線電壓採樣電路以及微控制器MCU。
3.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於運行模式控制單元(201)，當低壓直流母線電壓Vdcjnin < Vdc < Vdc_max時，控制單元(201)的Sl端輸出高電平，應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，應急輸出的電能來自低壓直流母線，即來自太陽能電池方陣的實時發電；當低壓直流母線電壓Vdc VdC_maX時，控制單元(201)的Sl端輸出低電平，應急輸出切換繼電器Jl的常開觸點斷開，常閉觸點閉合，應急輸出的電能來自充放電控制器的輸出，即來自蓄電池組的儲能。
4.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於中壓直流母線(202)電壓的額定值與併網逆變器的輸入相適應。
5.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於低壓直流母線電壓(203)的額定值與直流應急負載的額定值相適應。
6.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於直流降壓變換器採用BUCK直流變換電路，依據低壓直流母線(203)電壓與中壓直流母線(202)電壓額定值之比，確定其開關器件的佔空比，在所述直流降壓變換器工作期間其開關器件的佔空比始終是固定的，其輸出輸入直流電壓變比也是不變的。
7.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於充放電控制器使用功率MOSFET為主要開關器件，微控制器MCU為控制電路，控制充電峰值電流，充滿時斷開充電迴路和欠壓時斷開放電迴路。
8.如權利要求1所述的太陽能光伏併網離網混合發電系統，其特徵還在於併網逆變器使用全橋逆變器電路為主電路，數位訊號處理器DSP為控制電路，運行期間具有輸出功率自動調節功能，使得中壓直流母線(202)電壓在工作範圍內。
專利摘要本實用新型涉及一種太陽能光伏併網離網混合發電系統，包括控制器、太陽能電池方陣、蓄電池組、直流應急負載、併網逆變器等，其特徵在於控制器，包括運行模式控制單元(201)、最大功率點跟蹤器、中壓直流母線(202)、直流降壓變換器、低壓直流母線(203)、充放電控制器、應急輸出切換繼電器J1等，太陽能電池方陣輸出的直流電能，大部分通過併網逆變器轉換為交流電能送入公用配電網；小部分通過直流降壓變換器和低壓直流母線(203)提供給直流應急負載和蓄電池組。當低壓直流母線(203)電壓在正常範圍之外時，蓄電池組將能量提供給直流應急負載。併網離網混合發電系統提高了系統效率和年發電時間，具有良好的應用前景。
文檔編號H02J7/35GK202261081SQ20112015556
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者吳玉蓉, 唐俊峰, 石烺峰, 肖雷, 薛勇 申請人:武漢紡織大學