专利名称：太阳能光伏离网并网多模式发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能光伏发电应用，尤其是能够以离网发电为主、直流应急负载和蓄电池消耗不了的多余电能能够并网发电的多模式光伏发电系统。
背景技术：
太阳能光伏发电可以代替和少用资源有限、不可再生的煤炭、石油、天然气等一次化石能源和由其转换成的二次能源。推广太阳能光伏发电应用，对减少化石能源的消费量和优化能源结构，具有重要意义。太阳能光伏发电没有损害大气和生态环境的污染物的排放，是与人类赖以生存的生态环境相协调的清洁能源、绿色能源。推广太阳能光伏发电应用，可以减少C02、S02以及颗粒物等污染物的排放量，对减轻大气污染和保护生态环境发挥很大的作用。目前，公知的太阳能光伏发电系统根据系统的运行模式不同可分为离网发电系统和并网发电系统。太阳能光伏离网发电系统一般由太阳能电池方阵、DC/DC变换器、充放电控制器、 蓄电池组、离网逆变器等组成。太阳能电池方阵将接收到的太阳能转换成直流电能，通过 DC/DC变换器的控制实现最大功率点跟踪，然后将光伏阵列的输出电能储存在蓄电池组中， 蓄电池组通过充放电控制器将能量提供给直流负载或再通过DC/AC逆变器变换为交流电供给交流负载。太阳能光伏离网发电系统是可适应无电地区的用电解决方案。太阳能光伏并网发电系统由太阳能电池方阵、并网逆变器及公用配电网等组成。 太阳能能量通过太阳能电池方阵转换成直流电能，再通过并网逆变器将直流电能转换为交流电能，其电流与公用配电网电压同频率、同相位。太阳能光伏并网发电系统可工作于有公用电网的地区，不需要储能装置是其一大优点。可是，对于离网发电型系统，当蓄电池组已被充满，且没有用电负载，此时太阳能电池方阵因为没有输出负载，将不能发电，太阳能电池方阵的可转换的电能没有被利用；而对于并网发电型系统，当配电网故障时，为防治孤岛效应，并网逆变器将不被允许工作，太阳能电池方阵的可转换的电能也没有被利用。针对单一太阳能光伏离网发电系统和并网发电系统的不足，为提高各种复杂运行条件下太阳能电池方阵的利用率，公开了 “太阳能光伏离网并网多模式发电系统”发明。太阳能光伏离网并网多模式发电系统可应用在楼道太阳能消防应急照明、家用太阳能直流应急电源等场合。
发明内容本发明的目的是为了充分利用太阳能电池方阵的发电能力，同时提高用户应急负载供电可靠性，设计了一种太阳能光伏离网并网多模式发电系统。太阳能光伏离网并网多模式发电系统由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流应急负载、并网逆变器、公用配电网等组成。太阳能电池方阵将接收到的太阳能转换成直流电能，通过对控制器内的DC/DC变换器的控制实现最大功率点跟踪，然后通过控制器内的直流母线将太阳能电池方阵的输出直流电能一部分提供给直流应急负载，另一部分储存在蓄电池组中。当控制器内的直流母线电压在正常工作范围值之外时，蓄电池组通过控制器内的充放电控制器将能量提供给直流应急负载，始终确保直流应急负载的可靠供电。而当蓄电池组充电完成，且控制器内的直流母线电压又在正常工作范围值之内时，经过太阳能电池方阵转换成的直流电能，通过控制器内的直流母线和直流升压变换器，再通过并网逆变器将多余的直流电能转换为满足并网条件的交流电能送入公用配电网。太阳能光伏离网并网多模式发电系统具有离网并网混合发电的功能，以离网发电为主，并网发电为辅。太阳能光伏离网并网多模式发电系统以蓄电池组端电压为主控变量， 实现了直流发电直流用电、即时发电即时用电、用不完的电能才馈入交流公用配电网，确保了直流应急负载的可靠供电。太阳能光伏离网并网多模式发电系统减少了电能变换环节， 提高了系统效率；太阳能光伏离网并网多模式发电系统有效提高了系统年发电时间，提高了系统年发电量。太阳能光伏离网并网多模式发电系统有效利用了各种复杂运行条件下太阳能电池方阵提供的清洁能源，具有良好的应用前景。
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是太阳能光伏离网并网多模式发电系统示意图。图2是太阳能光伏离网并网多模式发电系统中控制器示意图。图3是控制器中运行模式控制单元的继电器控制流程图。
具体实施方式
1、太阳能光伏离网并网多模式发电系统的电路拓扑在图1中，描述了太阳能光伏离网并网多模式发电系统的组成和连接。太阳能电池方阵的输出端接控制器的输入端，所述控制器有三路输出，其第一路输出接直流应急负载(如功率型LED照明负载、移动电器充电器等)；其第二路输出接蓄电池组；其第三路输出接并网逆变器的输入，所述并网逆变器的输出接公用配电网。在图2中，描述了太阳能光伏离网并网多模式发电系统中关键部件-控制器的组成和内部连接。控制器的组成是防电流倒灌二极管D3、最大功率点跟踪器、直流母线、充放电控制器、直流升压变换器、运行模式控制单元、应急输出切换继电器J1、并网输出继电器J2。控制器的内部连接是控制器的输入端通过防电流倒灌二极管D3接最大功率点跟踪器的输入端，所述最大功率点跟踪器的输出端接直流母线，所述直流母线通过应急输出切换继电器Jl的常开触点接控制器的第一路输出；所述直流母线还接充放电控制器的输入，所述充放电控制器有二路输出，其第一路输出通过应急输出切换继电器Jl的常闭触点接控制器的第一路输出，其第二路输出接控制器的第二路输出；所述直流母线还通过并网输出继电器J2的常开触点接直流升压变换器的输入，所述直流升压变换器的输出接控制器的第三路输出。在图2中，还描述了控制器中运行模式控制单元的组成。包括太阳能电池方阵电
5压采样电路、直流母线电压采样电路、蓄电池组电压采样电路以及微控制器MCU。直流母线电压的额定值应与直流应急负载的额定值相适应。直流升压变换器采用BOOST直流变换电路，依据并网逆变器输入电压与直流母线电压额定值之比，确定其开关器件的占空比，在所述直流升压变换器工作期间其开关器件的占空比始终是固定的，其输出输入直流电压变比也是不变的。充放电控制器使用功率MOSFET为主要开关器件，微控制器PIC为控制电路。并网逆变器使用全桥逆变器电路为主电路，数字信号处理器DSP为控制电路。2、太阳能光伏离网并网多模式发电系统的能量管理为达到充分利用太阳能电池方阵所转换的电能的目标，太阳能光伏离网并网多模式发电系统的能量管理策略是一个多目标协调控制策略，由运行模式控制单元、最大功率点跟踪器、充放电控制器、并网逆变器来共同完成，其具体实现方法最大功率点跟踪器的控制目标是在太阳辐射强度、环境温度、负载条件变化时自动实现太阳能电池方阵的最大功率输出；充放电控制器控制充电峰值电流，充满时断开充电回路和欠压时断开放电回路；并网逆变器运行期间具有输出功率自动调节功能，使得直流母线电压在工作范围内；运行模式控制单元的控制目标是优先将太阳能电池方阵转换的直流电能送给直流应急负载和蓄电池，然后才将多余的电能通过控制器内直流升压变换器，再通过并网逆变器转换为满足并网条件的交流电能送入公用配电网。在图3中说明了太阳能光伏离网并网多模式发电系统中运行模式控制单元的能
量管理策略。运行模式控制单元检测直流母线电压Vdc、蓄电池组电压Vbat，计算一定时间内的平均值，依据所述的平均值，以电平方式通过驱动开关管S1、S2确定继电器J1、J2的线圈通电状态，控制继电器J1、J2的触点状态，决定应急输出的来源和是否启动并网逆变。当直流母线电压Vdcjnin < Vdc < Vdc_max时，运行模式控制单元的Sl端输出高电平，应急输出切换继电器Jl的常开触点闭合，常闭触点断开，应急输出的电能来自直流母线，即来自太阳能电池方阵的实时发电；当直流母线电压Vdc<Vdc_min或者Vdc>Vdc_ max时，运行模式控制单元的Sl端输出低电平，应急输出切换继电器Jl的常开触点断开，常闭触点闭合，应急输出的电能来自充放电控制器的输出，即来自蓄电池组的储能。当蓄电池组电压Vbat ^ Vbat_max时，运行模式控制单元的S2端输出高电平，并网输出继电器J2的常开触点闭合，启动并网逆变；当蓄电池组电压Vbat < Vbat_max时， 运行模式控制单元的S2端输出低电平，并网输出继电器J2的常开触点断开，不启动并网逆变。
权利要求1.一种太阳能光伏离网并网多模式发电系统，包括控制器、太阳能电池方阵、蓄电池组、直流应急负载、并网逆变器、公用配电网，太阳能电池方阵的输出端接控制器的输入端， 控制器有三路输出，其第一路输出接直流应急负载(如功率型LED照明负载、移动电器充电器等)；其第二路输出接蓄电池组；其第三路输出经过并网逆变器接公用配电网，太阳能光伏离网并网多模式发电系统的特征是，控制器包括运行模式控制单元、防电流倒灌二极管D3、最大功率点跟踪器、直流母线、充放电控制器、直流升压变换器、应急输出切换继电器 J1、并网输出继电器J2。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征是，控制器的输入端通过防电流倒灌二极管 D3接最大功率点跟踪器的输入端，所述最大功率点跟踪器的输出端接直流母线，所述直流母线通过应急输出切换继电器Jl的常开触点接控制器的第一路输出；所述直流母线还接充放电控制器的输入，所述充放电控制器有二路输出，其第一路输出通过应急输出切换继电器Jl的常闭触点接控制器的第一路输出，其第二路输出接控制器的第二路输出；所述直流母线还通过并网输出继电器J2的常开触点接直流升压变换器的输入，所述直流升压变换器的输出接控制器的第三路输出。
3.根据权利要求1所述的运行模式控制单元，其特征是，包括太阳能电池方阵电压采样电路、直流母线电压采样电路、蓄电池组电压采样电路以及微控制器MCU。
4.根据权利要求1所述的运行模式控制单元，其特征是，检测直流母线电压Vdc、蓄电池组电压Vbat，计算一定时间内的平均值，依据所述的平均值，以电平方式驱动开关管Si、 S2，确定继电器J1、J2的线圈通电状态，控制继电器J1、J2的触点状态，决定应急输出的电能来源和是否启动并网逆变。
5.根据权利要求1所述的运行模式控制单元，其特征是，当直流母线电压Vdcjnin < Vdc < Vdc_max时，控制单元的Sl端输出高电平，应急输出切换继电器Jl的常开触点闭合，常闭触点断开，应急输出的电能来自直流母线，即来自太阳能电池方阵的实时发电；当直流母线电压Vdc < Vdcjnin或者Vdc > Vdc_max时，控制单元的Sl端输出低电平，应急输出切换继电器Jl的常开触点断开，常闭触点闭合，应急输出的电能来自充放电控制器的输出，即来自蓄电池组的储能。
6.根据权利要求1所述的运行模式控制单元，其特征是，当蓄电池组电压 Vbat ^ Vbat_max时，控制单元的S2端输出高电平，并网输出继电器J2的常开触点闭合，启动并网逆变；当蓄电池组电压Vbat<Vbat_maX时，控制单元的S2端输出低电平，并网输出继电器J2的常开触点断开，不启动并网逆变。
7.根据权利要求1所述的直流母线电压，其特征是，直流母线电压的额定值与直流应急负载的额定值相适应。
8.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征是，采用BOOST直流变换电路，依据并网逆变器输入电压与直流母线电压额定值之比，确定其开关器件的占空比，在所述直流升压变换器工作期间其开关器件的占空比始终是固定的，其输出输入直流电压变比也是不变的。
9.根据权利要求1所述的充放电控制器，其特征是，使用功率MOSFET为主要开关器件， 微控制器PIC为控制电路，控制充电峰值电流，充满时断开充电回路和欠压时断开放电回路。
10.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征是，使用全桥逆变器电路为主电路，数字信号处理器DSP为控制电路，运行期间具有输出功率自动调节功能，使得直流母线电压在工作范围内。
专利摘要本实用新型涉及一种太阳能光伏发电应用，尤其是能够以离网发电为主、直流应急负载和蓄电池消耗不了的多余电能能够并网发电的多模式光伏发电系统，包括控制器、太阳能电池方阵、蓄电池组、直流应急负载、并网逆变器、公用配电网。太阳能电池方阵输出的直流电能，通过直流母线一部分提供给直流应急负载，另一部分储存在蓄电池组中。当直流母线电压在正常范围之外时，蓄电池组通过充放电控制器将能量提供给直流应急负载。而当蓄电池组充电完成，且直流母线电压又在正常范围之内时，多余的直流电能通过直流升压变换器和并网逆变器转换交流电能送入公用配电网。太阳能光伏离网并网多模式发电系统提高了系统效率和系统年发电时间，具有良好的应用前景。
文档编号H02J7/35GK202068206SQ201120155539
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者吴玉蓉, 毛明科, 薛勇, 薛长远, 韩玉萍 申请人:武汉纺织大学