专利名称：分布式并网光伏系统电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏产品领域，具体的说是一种分布式并网光伏系统电源。
背景技术：
太阳能光伏发电作为“新能源”领域的领衔项目之一，已经在世界范围内得到了迅速推广和应用。目前全球光伏 装机量已经达到60GW以上。然而，由于光伏应用仍然受到各国政策驱动，已安装的光伏发电设备绝大部分都是以直接并入电网，并向电网卖电的方式运行。随着各国持续削减光伏补贴，向电网卖电这种光伏应用方式盈利空间越来越小；同时随着光伏安装容量的持续增加，光伏发电对电网的冲击效应也会日益显现出来。在此情况下，开发一种分布式安装、同时自带储能设备而且并网的光伏产品就变得非常有必要。这样的产品符合光伏应用的发展方向，欧洲各国光伏上网电价大幅削减，普通电价却在不断增力口，带有储能装备的光伏应用产品可谓商机乍现；对于中国市场，国家规划在2015年光伏安装量将达到21GW，其中分布式发电就占到IOGW ;因此，分布式并网光伏系统产品未来在光伏市场会有极大的应用推广前景。常规的带储能的光伏系统产品通常采用不并网的方式，用户的用电完全通过光伏发电获得，同时产品也不具备智能控制等功能。国际上可以并网的光伏系统产品目前正在开发之中，各家采用的技术也不同，但相关产品还没有在市场上出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种分布式并网光伏系统电源，既能并网运行，又能孤岛运行，既能满足自发自用，又能与电网功率互传，既能降低对电网的冲击，又能有效利用电网的峰谷来赢取利润。本发明解决以上技术问题的技术方案是
分布式并网光伏系统电源，包括智能光伏发电模块、单元化的高能量密度储能模块、双向变流控制模块和智能管理与控制模块；
双向变流控制模块采用直流-交流双母线结构，智能光伏发电模块、单元化的高能量密度储能模块、直流负载以及辅助电源均联接在直流母线上，而交流母线则与交流负载以及电网相连，交流母线通过并网控制器接至电网，直流母线与交流母线之间通过双向变流器相连接；
双向变流器在并网和孤岛模式下采用相同的拓扑结构，即均采用单相全桥逆变器结构，但控制策略不同；在并网模式下，逆变器采用PQ控制，控制器跟踪的是电流参考量，此时逆变器的工作状态为电压源型电流逆变；在孤岛模式下，逆变器采用Vf控制，控制器跟踪的是电压参考信号，此时逆变器工作状态电压源型电压逆变；在并网模式下通过升压变压器与电网相联，而在离网模式下断开隔离开关，进行孤岛保护；
智能光伏发电模块、单元化的高能量密度储能模块、双向变流控制模块、直流负载、交流负载和并网控制器都与智能管理与控制模块连接，智能管理与控制模块采用微控机采集和存储与之连接的各模块发送的运行参数，并根据运行参数调控各模块的工作状态。这样，本发明所提出技术方案与已有产品和技术不同的是，本发明实际上采用的是直流侧储能，这对于提供系统的效率、降低成本是非常有帮助的；双向变流器在并网和孤岛模式下采用相同的拓扑结构，即均采用单相全桥逆变器结构，但控制策略不同；在并网模式下，逆变器采用PQ控制，控制器跟踪的是电流参考量，此时逆变器的工作状态为电压源型电流逆变；在孤岛(离网)模式下，逆变器采用Vf控制策略，控制器跟踪的是电压参考信号，此时逆变器工作状态电压源型电压逆变；在并网模式下通过升压变压器与电网相联，而在离网模式下断开隔离开关，进行孤岛保护。智能管理与控制模块采用微控机采集和存储由其它各模块发送的功率、气候条件、电量、电网信息、负载信息、故障检测、以及客户指令等信息，并通过对这些信息的计算分析找出最佳系统工作模式(储能模块充电还是放电或者待机状态；光伏模块发出的功率是直接传送给负载、还是向储能模块充电、还是向电网卖电)，然后向系统其它模块发送指令并检测整套系统的运行信息。
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本发明进一步限定的技术方案是
前述的分布式并网光伏系统电源，单元化的高能量密度储能模块通过一个Boost-Buck电路8与直流母线相连，使用直流斩波和稳压电路来充当直流辅助电源，直接从直流母线上获取智能管理与控制模块所需的工作电压。前述的分布式并网光伏系统电源，微控机为51系列单片机或ARM系列单片机。前述的分布式并网光伏系统电源，智能光伏发电模块由采用Alta-E技术封装而成的多晶硅光伏组件组成，多晶硅光伏组件串联形成组件串，组件串再并联连接形成所述智能光伏发电模块。智能光伏发电模块由12块采用Alta-E技术封装而成的多晶硅光伏组件组成，这12块多晶硅光伏组件采取“4串3并”的连接方式，即每4块相串联形成3个组件串，然后3个组件串再并联连接。智能光伏发电模块采用Alta-E技术，本发明所提出的Alta-E技术的要点有两点一是通过优化组件的设计和原材料的匹配，使得组件功率的封装比(Moduleto cell efficiency)达到或接近100%,从而使得封装在组件之中的发电单元(电池片)功率得到最大化发挥；二是采用单元最大功率点跟踪(MPPT)技术，使得系统所有发电板即使因为安装角度不同部分受到遮挡从而承受不同的光照强度，也能同时工作在各自的最大功率点。Alta-E技术使得光伏发电模块的效率和发电量都能达到最大化。前述的分布式并网光伏系统电源，单元化的高能量密度储能模块为一个储能单元或至少两个储能单元并联而成；储能单元由功率型结构的电容型锂离子蓄电池电芯组成，至少两个完全相同的所述电芯串联形成一个电芯串，然后至少两个所述电芯串并联连接形成一个完整的封装组合，封装组合通过一个BMS电路控制、保护和管理，并对外发送剩余容量信息，形成一个具有自我管理功能的储能单元。单元化的高能量密度储能模块为一个储能单元或至少两个储能单元并联而成；储能单元由功率型结构的电容型锂离子蓄电池电芯组成，每15个完全相同的所述电芯串联形成一个电芯串，然后6个相同的所述电芯串并联连接形成一个完整的封装组合，这个15串6并的所述封装组合通过一个BMS电路控制、保护和管理，并对外发送剩余容量信息，形成一个具有自我管理功能的储能单元。高能量密度的储能模块采用一种柔性的储能模块(Flex-ESS Flexible Energy Storage System)设计技术,这一技术包含三个要点一是采用电容型锂离子蓄电池将双电层超级电容器与锂离子电池的工作原理相结合，将锂离子电池的电极材料与超级电容器的电极材料相融合，形成一种既有电容的物理储能又有锂离子电池的化学储能的电池；二是在第一的基础上进一步优化，采取大容量能量型电芯结构设计，使得电芯的封装更可靠，电池管理系统(BMS)更简单；三是将储能模块单元化，用若干较小的储能单元组合起来形成一个大容量的储能模块，储能单元可以根据需求增减而不影响整套系统的工作，从而形成一种柔性的储能模块(Flex-ESS)。前述的分布式并网光伏系统电源，并网控制器包括串联的断路器和隔离变压器，交流母线通过串联的断路器和隔离变压器与电网相连。前述的分布式并网光伏系统电源，智能管理与控制模块还设有未来几天天气情况预报模块，用以采集气候条件并预判未来几天的工作模式；所述智能管理与控制模块还设有网络模块，用以通过网络登录查询和遥控分布式并网光伏系统电源的工作状态。使智能 管理与控制模块还具备了根据未来几天天气情况预报，预判未来几天的工作模式的功能；同时这一模块还具备网络功能，用户可以通过网络登录查询和遥控所使用的这一产品的工作状态。本发明的有益效果是
本发明可以保证大部分光伏发电自发自用，小部分可以卖给电网，必要时还可以从电网买电，使用者既可以使用太阳能这一清洁能源满足自身用电需求，又可以把剩余电量卖给电网从而赢得利润，同时又能保证在极端情况下(长期连续阴雨天以及蓄电池储能用尽)从电网取电，真正拥有一款不间断的清洁绿色电源。本发明的分布式并网光伏系统电源与常规的产品以及公开的技术方案相比，具有显著的优点光伏发电模块分布式控制；储能模块融合了先进的超级电容和锂离子蓄电池技术；能源管理与控制模块克服了常规控制-逆变的限制，具备了双向变流、并网-孤岛运行兼容、智能高效的特点。本发明由于使用了智能管理与控制模块，使本发明具有智能控制与能量管理的功能，具有发电与用电量可视化的功能，具有无线能量监控与远程系统查询与管控的功能。总之，本发明与其它同类产品相比具有运行稳定可靠、智能化程度高、以及方便使用的特点。
图I是本发明的电路结构图。图2是双向变流控制模块和智能管理与控制模块的电路结构图。图3是Alta-E技术配置的智能光伏发电模块的原理结构图。图4是48V直流储能模块与120V直流母线之间的Boost-Buck电路原理结构图。
具体实施例方式实施例I
本实施例提供一种分布式并网光伏系统电源，电路结构如图I所示，包括智能光伏发电模块I、单元化的高能量密度储能模块2、双向变流控制模块3和智能管理与控制模块4 ；双向变流控制模块3采用直流-交流双母线结构，如图2所示，智能光伏发电模块I、单元化的高能量密度储能模块2、直流负载以及辅助电源均联接在直流母线上，而交流母线则与交流负载5以及电网7相连，交流母线通过并网控制器6接至电网7，直流母线与交流母线之间通过双向变流器相连接。并网控制器6包括串联的断路器和隔离变压器，交流母线通过串联的断路器和隔离变压器与电网相连。智能光伏发电模块I通过一个MPPT控制器(最大功率点跟踪太阳能控制器)接至直流母线。单元化的高能量密度储能模块2通过电池管理系统(BMS)接至直流母线。双向变流器在并网和孤岛模式下采用相同的拓扑结构，即均采用单相全桥逆变器结构，但控制策略不同；在并网模式下，逆变器采用PQ控制，控制器跟踪的是电流参考量，此时逆变器的工作状态为电压源型电流逆变；在孤岛模式下，逆变器采用Vf控制，控制器跟踪的是电压参考信号，此时逆变器工作状态电压源型电压逆变；在并网模式下通过升压变压器与电网相联，而在离网模式下断开隔离开关，进行孤岛保护。智能管理与控制模块如图2所示，智能光伏发电模块I、单元化的高能量密度储能 模块2、双向变流控制模块3、直流负载、交流负载5和并网控制器6都与智能管理与控制模块4连接，智能管理与控制模块4采用微控机采集和存储与之连接的各模块发送的运行参数，并根据运行参数调控各模块的工作状态。采用微控机采集和存储由其它各模块发送的功率、气候条件、电量、电网信息、负载信息、故障检测、以及客户指令等信息，并通过对这些信息的计算分析找出最佳系统工作模式(储能模块充电还是放电或者待机状态；光伏模块发出的功率是直接传送给负载、还是向储能模块充电、还是向电网卖电)，然后向系统其它模块发送指令并检测整套系统的运行信息；微控机可以是51系列单片机或ARM系列单片机。这一模块还具备了根据未来几天天气情况预报，预判未来几天的工作模式的功能。同时这一模块还具备网络功能，用户可以通过网络登录查询和遥控所使用的这一产品的工作状态。智能管理与控制模块采用微控机，辅以一系列的数据采集、通讯及数据显示，保护控制电路，并通过驱动电路，向整套系统发送指令，并驱动显示电路显示必要的数据信息，使得用户可以通过显示屏清晰地了解系统产品的历史与即时状态。这一模块还与网络连接，使得使用者可以异地查询和控制整套产品的工作状态。单元化的高能量密度储能模块2通过一个Boost-Buck电路8与直流母线相连，使用直流斩波和稳压电路来充当直流辅助电源，直接从直流母线上获取智能管理与控制模块4所需的工作电压。如图3所示，用12块采用Alta-E技术封装而成的多晶硅光伏组件组成智能光伏发电模块，单元组件功率250W，智能光伏发电模块总功率3000W。这12块组件采取“4串3并”的连接方式，即每4块相串联形成3个组件串，然后3个组件串再并联连接。这12块光伏组件可以分散安装(比如屋顶的不同位置)，也可以集中安装(比如地面空地)。由于每个组件有各自的MPPT控制功能，所以即使某些组件因遮挡或者角度问题发电量较少，但整个发电模块的发电量也能得到最大优化。采用3. 2V/10Ah的功率型结构的电容型锂离子蓄电池电芯(单个电芯容量达到32ffh),每15个完全相同的电芯串联形成一个“电芯串”,然后6个相同的电芯串并联连接形成一个完整的封装(pack)组合，这个“15串6并”的pack组合的容量为48V/60Ah(2880ffh),由一个BMS电路控制、保护和管理这一 pack组合，并对外发送剩余容量信息，这样就形成了一个具有自我管理功能的“储能单元”。本实施例采用3个储能单元并联，形成一个48V/180Ah的单元化的高能量密度储能模块，单元化的高能量密度储能模块的能量密度可以高达 86Wh/kg，200KWh/m3。本发明实施例的双向变流控制模块采用120V直流母线和220V/50HZ交流母线结构。48V直流储能模块通过一个Boost-Buck电路与直流母线相连，如图4所示。使用直流斩波和稳压电路来充当直流辅助电源，直接从直流母线上获取控制电路所需的工作电压。双向变流器采用能够兼容并网和孤岛运行的单一逆变结构。在并网模式下，逆变器采用PQ控制，控制器跟踪的是电流参考量，此时逆变器的工作状态为电压源型电流逆变。在离网(孤岛)模式下，逆变器采用Vf控制策略，控制器跟踪的是电压参考信号，此时逆变器工作状态 电压源型电压逆变。而在两种工作模式下的逆变器的拓扑结构都是一样的，均采用单相全桥逆变器结构。在并网模式下通过升压变压器与电网相联，而在离网模式下断开隔离开关，进行孤岛保护。本发明实施例可以采用集成一体化产品外形设计，即智能光伏发电模块安装在室外之外，其余所有模块均集成在一个箱体内，箱体外形尺寸为1600X810X550 mm，正面为
显示屏。本实施例中每个模块和整套产品的具体技术参数的设置并不是要本发明保护的唯一内容，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.分布式并网光伏系统电源，其特征在于包括智能光伏发电模块(I)、单元化的高能量密度储能模块(2)、双向变流控制模块(3)和智能管理与控制模块(4)； 所述双向变流控制模块(3)采用直流-交流双母线结构，所述智能光伏发电模块(I)、单元化的高能量密度储能模块(2)、直流负载以及辅助电源均联接在直流母线上，而交流母线则与交流负载(5)以及电网(7)相连，交流母线通过并网控制器(6)接至电网(7)，直流母线与交流母线之间通过双向变流器相连接； 双向变流器在并网和孤岛模式下采用相同的拓扑结构，即均采用单相全桥逆变器结构，但控制策略不同；在并网模式下，逆变器采用PQ控制，控制器跟踪的是电流参考量，此时逆变器的工作状态为电压源型电流逆变；在孤岛模式下，逆变器采用Vf控制，控制器跟踪的是电压参考信号，此时逆变器工作状态电压源型电压逆变；在并网模式下通过升压变压器与电网相联，而在离网模式下断开隔离开关，进行孤岛保护； 所述智能光伏发电模块(I)、单元化的高能量密度储能模块(2)、双向变流控制模块(3)、直流负载、交流负载(5)和并网控制器(6)都与所述智能管理与控制模块(4)连接，所述智能管理与控制模块(4)采用微控机采集和存储与之连接的各模块发送的运行参数，并根据运行参数调控各模块的工作状态。
2.如权利要求I所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述单元化的高能量密度储能模块(2)通过一个Boost-Buck电路(8)与所述直流母线相连，使用直流斩波和稳压电路来充当直流辅助电源，直接从直流母线上获取智能管理与控制模块(4)所需的工作电压。
3.如权利要求I或2所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述微控机为51系列单片机或ARM系列单片机。
4.如权利要求I或2所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述智能光伏发电模块由采用Alta-E技术封装而成的多晶硅光伏组件组成，多晶硅光伏组件串联形成组件串，组件串再并联连接形成所述智能光伏发电模块。
5.如权利要求4所述的分布式并网光伏系统电源,其特征在于所述智能光伏发电模块由12块采用Alta-E技术封装而成的多晶硅光伏组件组成，这12块多晶硅光伏组件采取“4串3并”的连接方式，即每4块相串联形成3个组件串，然后3个组件串再并联连接。
6.如权利要求I或2所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述单元化的高能量密度储能模块为一个储能单元或至少两个储能单元并联而成；所述储能单元由功率型结构的电容型锂离子蓄电池电芯组成，至少两个完全相同的所述电芯串联形成一个电芯串，然后至少两个所述电芯串并联连接形成一个完整的封装组合，所述封装组合通过一个BMS电路控制、保护和管理，并对外发送剩余容量信息，形成一个具有自我管理功能的储能单元。
7.如权利要求6所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述储能单元由功率型结构的电容型锂离子蓄电池电芯组成，每15个完全相同的所述电芯串联形成一个电芯串，然后6个相同的所述电芯串并联连接形成一个完整的封装组合，这个15串6并的所述封装组合通过一个BMS电路控制、保护和管理，并对外发送剩余容量信息，形成一个具有自我管理功能的储能单元。
8.如权利要求I或2所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述并网控制器(6)包括串联的断路器和隔离变压器，交流母线通过串联的断路器和隔离变压器与电网相连。
9.如权利要求I或2所述的分布式并网光伏系统电源，其特征在于所述智能管理与控制模块(4)还设有未来几天天气情况预报模块，用以采集气候条件并预判未来几天的工作模式；所述智能管理与控制模块还设有网络模块，用以通过网络登录查询和遥控分布式并网光伏系统电源的工作状态。
全文摘要
本发明涉及光伏产品领域，是一种分布式并网光伏系统电源，包括智能光伏发电模块、单元化的高能量密度储能模块、双向变流控制模块和智能管理与控制模块；双向变流控制模块采用直流-交流双母线结构，智能光伏发电模块、单元化的高能量密度储能模块、直流负载以及辅助电源均联接在直流母线上，而交流母线则与交流负载以及电网相连，直流母线与交流母线之间通过双向变流器相连接；智能管理与控制模块作为本系统产品的中央管理器检测各模块的运行参数并据此调控各部件的工作状态和系统中的功率流。本发明既能并网运行，又能孤岛运行，既能满足自发自用，又能与电网功率互传，既能降低对电网的冲击，又能有效利用电网的峰谷来赢取利润。
文档编号H02J7/00GK102904278SQ201210353229
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者赵庆生, 于振瑞, 纪明友 申请人:江苏万丰光伏有限公司, 江苏万宇电能科技有限公司