一种基于壁挂式光伏的电能传输系统及其工作方法

1.本发明涉及新能源利用领域，尤其涉及一种基于壁挂式光伏的电能传输系统及其工作方法。


背景技术：

2.近年来，为了缓解建筑用地紧张的局面，全世界范围内高层建筑越来越多，从而节约土地资源；同时人类面临愈加严峻能源危机，世界上各个国家都加快了对新能源产业的发展。电动汽车采用电力能源替代了传统能源，一辆电动汽车相当于一个移动分布式的储能单元，一般电动汽车的储能容量基本超过50千瓦时，电动汽车换电站用于解决电动汽车电池的续航问题，电动汽车和电动汽车换电站能存储相当容量的电能，从而成为了一种新型储能设备，配合电网使用可以减小电力系统负荷峰谷差，使发电、用电趋于平衡。
3.因此，本领域的技术人员致力开发一种基于建筑物表面的光伏发电作为电动汽车能源来源的发电系统。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于壁挂式光伏的电能传输系统及其工作方法，降低了传统光伏发电必须经过并网后在使用的线路传输损耗，降低电网、光伏发电系统分离使用时的器件成本和人力资源投入。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于壁挂式光伏的电能传输系统，包括：
6.若干并联的光伏发电单元，包括光伏板、谐振变换器和滤波电路；
7.储能单元，包括电动汽车换电站和若干并接的直流充电桩；
8.直流母线，用以实现光伏发电单元和储能单元之间的电能传输。
9.进一步的，所述光伏板安装在楼体墙面上构成光伏幕墙。
10.进一步的，所述一种基于壁挂式光伏的电能传输系统统包括桥式电路，所述直流母线通过桥式电路接入电网，所述桥式电路包括三相桥式电路和两相桥式电路。
11.进一步的，所述谐振变换器包括原边侧电路、高频变压器组和副边侧，原边侧电路包括五个并联的桥臂和五个谐振电路，所述副边侧电路包括五个并联的桥臂，原边侧的五个并联的桥臂分别通过高频变压器组与副边侧并联的五个桥臂建立电能传输。
12.本发明第二方面提供了一种基于壁挂式光伏的电能传输系统的工作方法，基于所述的一种基于壁挂式光伏的电能传输系统实现，包括光伏充电模式，该模式下，光伏幕墙将太阳能转化为直流电，所述谐振变换器工作于升压工作模式，具体包括：
13.所述原边侧电路工作于调频模式，用以将光伏幕墙的直流电转化为高频电压脉冲；
14.所述谐振电路在全负载范围内实现原边电路的各场效应管的零电压开通和零电流关断；
15.所述高频变压器将能量传递至副边电路，副边电路工作于同步整流模式，将电能
转化为纹波较小的高压直流电输出至充电桩和电动汽车换电站。
16.进一步，包括电网充电模式，该模式下，壁挂式光伏发电系统无电能输出，电网通过桥式电路为充电桩或电容汽车换电站提供电能；
17.接入三相电网时，电流流入三相桥式电路，将高压直流电至直流母线；
18.接入单相电网时，电流流入单相桥式电路，将高压直流电至直流母线；
19.直流母线电流经充电桩为电动汽车充电，和/或通过双向dc-dc变换器实现对电动汽车换电站充电。
20.进一步，包括并网模式，所述并网模式包括光伏并网模式、电动汽车换电站和电动汽车并网模式；
21.当壁挂式光伏发电系统发出的电能大于直流充电桩和电动汽车换电站所需电能时，启动光伏并网模式，光伏发电单元输出的能量通过桥式电路并入电网；
22.电动汽车换电站和电动汽车并网模式下当电网负荷过高时，电动汽车和电动汽车换电站向电网反馈电能；当电网负荷过低时，电动汽车和电动汽车换电站可存储电网过剩的电量。
23.进一步的，包括车辆互充模式，当电网和光伏发电单元均不能发电时，启动该模式，该模式下，在不用充电桩充电的电动汽车之间通过充电桩实现电能传输。
24.进一步的，包括电动汽车换电模式，该模式下，电动汽车更换电动汽车换电站内的电池。
25.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
26.1、本发明的光伏发电单元利用建筑墙面采光面积大的优势，在墙壁安装光伏板形成光伏幕墙，将光伏幕墙产生的电能直接存储在电动汽车和电动汽车换电站中，或者通过逆变并网将电能传输到电网中，既节约了建筑传统装饰的成本，又利用了清洁能源，提高建筑的空间利用率。
27.2、本发明的光伏发电系统，可将来自建筑壁挂式光伏发电单元的电能经变换后直接给电动汽车或电动汽车换电站充电，降低了传统光伏发电必须经过并网后再使用的线路传输损耗，使用三相桥式电路和单相桥式电路一方面可以实现从电网向车辆充电，另一方面也可以实现光伏发电系统并网运行，降低电网、光伏发电系统分离使用时的器件成本和人力资源投入。当使用单相桥式电路并网时，可实现独栋建筑或区域建筑内部的应急使用。
28.3、本发明的充电系统可实现能量的多向流动，不仅可以为电动汽车、电动汽车换电站充电，也可实现车-车之间、换电站-车之间的能量传递，电动汽车、电动汽车换电站、光伏发电系统还可以将能量转化为三相交流或单相交流电，向电网侧反馈能量。
29.4、本发明可以利用电动汽车和电动汽车换电站为电网调峰填谷，当电网负荷过高时，电动汽车和电动汽车换电站向电网反馈电能；而当电网负荷过低时，电动汽车和电动汽车换电站可存储电网过剩的电量，实现电网的调峰填谷。
30.5、本发明的能量传输系统的各部分采用模块化结构，安装位置灵活，可以以社区、园区或者小区为单位进行安装，在建筑车库或就近位置安装直流充电桩或逆变装置便可以为电动汽车充电，解决了现有充电桩有限，电动汽车充电困难的问题，并且在使用过程中，可以根据需要对整体的能量传输结构进行调整。
31.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以
充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
32.图1是本发明一具体实施例的电能传输系统的整体结构示意图；
33.图2是本发明一具体实施例的电能传输系统的电路原理图。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
36.为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
37.如图1-图2所示，在一具体实施例中，提供了一种基于壁挂式光伏的电能传输系统，包括：若干并联的光伏发电单元、直流母线、储能单元和桥式电路，光伏发电单元的产生的电能通过直流母线传输至储能单元中，通过充电桩为电动汽车充电或通过双向变换器为电动汽车换电站充电。
38.现有技术中的光伏板通常安装在空旷的野外，光伏板产生的电能并入电网中通过远程电能传输为负载供电，当电网中的电能充足时，光伏板产生的电能通常需要使用储能电池等进行储能，光伏板产生的电能在并网和传输过程中会造成电能的损失，并且，使用的储能电池的成本很高，储能电池的寿命也会逐渐降低。
39.为了解决上述问题，本发明将光伏发电单元应用在负载侧，直接将电能提供给负载。本实施例的光伏发电单元包括光伏板、谐振变换器和滤波电路，具体如图1所示，光伏板作为电能的发生部件，产生电能，但由于光伏幕墙发出电流与光照的强弱有关，也就使光伏幕墙输出的直流电电压变化范围较宽，通过谐振变换器对光伏幕墙发出的电压进行调节，输出波纹较小且稳定的高压直流电，满足电动汽车群和电动汽车换电站充电的要求，所示滤波电路进一步降低输出电压中的波纹，提高传输电压的品质。
40.本实施例的光伏发电单元基于城市建筑群的特点，将光伏板安装在建筑物的表面，尤其是建筑物光照时间长、接收光线最好的外墙墙面上，形成光伏幕墙，进而建立电能传输系统，由于电能传输系统主要以光伏幕墙为主要能源源头，光伏板可以位于小区中的楼体外侧，也可以位于写字楼或商场的楼体外侧等，具有应用灵活性，相应建立的电能传输系统也具有灵活性，光伏幕墙产生的电能直接为电动汽车或电动汽车换电站充电，减少了能量的损失，也无需使用大功率的储能系统存储多余的电能。
41.如图2所示，所述谐振变换器为多相llc谐振器，包括原边侧电路、高频变压器组和
副边侧，原边侧电路包括五个并联的桥臂和五个谐振电路，原边侧的五个桥臂分别由两个串联的碳化硅场效应管构成，第一桥臂由碳化硅场效应管q1和q2构成，第二桥臂由碳化硅场效应管q3和q4构成，第三桥臂由碳化硅场效应管q5和q6构成，第四桥臂由碳化硅场效应管 q7和q8构成，第五桥臂由碳化硅场效应管q9和q
10
构成，五个谐振电路由于谐振电容c
r1-c
r5
、谐振电感l
r1-l
r5
和励磁电感l
m1-l
m5
构成，谐振电路在全负载范围内实现场效应管q1和q2的零电压开通和零电流关断。
42.所述副边侧电路包括五个并联的桥臂，副边侧电路的五个桥臂分别由两个串联的碳化硅场效应管构成，副边侧的第一桥臂由碳化硅场效应管q
11
和q
12
构成，第二桥臂由碳化硅场效应管q
13
和q
14
构成，第三桥臂由碳化硅场效应管q
15
和q
16
构成，第四桥臂由碳化硅场效应管q
17
和q
18
构成，第五桥臂由碳化硅场效应管q
19
和q
20
构成。
43.原边侧的五个桥臂的电能分别通过高频变压器组中的五个高频变压器t1-t5将电能传输至副边侧电路中。
44.直流母线，用以将光伏发电单元产生的直流电向外传输，或者实现储能单元之间、储能单元和电网之间的电能传输。
45.所述储能单元，包括电动汽车换电站和若干并接的直流充电桩1-n，充电桩和电动汽车换电站可一个根据实际需要设定安装位置，直流充电桩1-n通过高压电缆连接电动汽车1-n，实现高压直流母线和电动汽车间能量的双向流动，一方面可以通过直流充电桩为电动汽车充电，另一方面电动汽车中存储的电能也可以通过直流充电桩变换至直流母线。所述双向 dc-dc变换器能够自动匹配直流母线与电动汽车换电站之间的电压等级，实现高压直流母线与电动汽车换电站间能量的双向流动。在充电模式时，调节直流母线输出的高压直流电，使之与电动汽车换电站电压等级匹配，为电动汽车换电站充电；在逆变模式时，将电动汽车换电站作为能量供给端，将其电能反向传输至高压直流母线。
46.桥式电路包括三相桥式电路和两相桥式电路，单相桥式电路连接三相电网，单相桥式电路连接单相电网，如图2所示，本实施例的三相桥式电路包括滤波电容c
dc0
、碳化硅场效应管s
1-s6和交流电感l
1-l3构成，所述单相桥式电路包括滤波电容c
dc1
、碳化硅场效应管s
7-s
10
构成的两个桥臂和交流电感l4。三相桥式电路和单相桥式电路均可工作在整流和逆变两种工作模式，当工作于整流模式时，三相桥式电路和单相桥式电路分别将三相电网和单相电网中的交流电转变为直流电，同时具备功率因数校正的功能，使输入电压和电流同相位，减小后级电流对公用电网产生的污染；工作于逆变模式时，三相桥式电路和单相桥式电路将直流母线输出的高压直流电分别转变为三相交流电和单相交流电，实现并网的功能。
47.基于上述基于壁挂式光伏的电能传输系统，其工作方法包括光伏充电模式、电网充电模式、联合充电模式、并网模式、车辆互充模式和电动汽车换电模式，通过不同的工作模式实现电能的多方向传输。
48.所述光伏充电模式通常在光照充足时启动，该充电模式下，光伏幕墙将光能转化为直流电，经过多相交错llc谐振变换器将直流电进一步升压。原边侧电路中的碳化硅场效应管 q
1-q
10
采用调频模式，场效应管q
1-q
10
负责将来自光伏幕墙直流电转化为高频电压脉冲，谐振电路通过谐振电容c
r1-c
r5
、谐振电感l
r1-l
r5
、励磁电感l
m1-l
m5
的相互作用，在全负载范围内实现场效应管q
1-q
10
的零电压开通和零电流关断，通过高频变压器t
1-t5将能量传递
至副边侧电路，副边侧电路中的碳化硅场效应管q
11-q
20
工作于同步整流模式，将通过高频变压器传输的直流电转化为纹波较小的高压直流输出，保证直流母线电压稳定在设定值，满足电动汽车群和电动汽车换电站充电要求。该工作模式下，光伏产生的电能直接通过转换电路为直流充电桩和电动汽车换电站提供电能，无需再将产生的电能并网后在进行分配，大大减小了能量传输过程中造成的电能损失。
49.相对于单相llc谐振变换器而言，本实施例采用多相交错llc谐振变换器在电流纹波以及容量方面有着显著优势。单相llc谐振变换器次级纹波电流较大，约为输出电流的二分之一，在输出大电流工作模式下，其所需滤波电容数量较多。而多相交错llc谐振变换器采用交错并联技术，输出电流在一个周期内脉动五次，可有效减小电流纹波，输出滤波电容数量也明显减少，有助于提高功率密度；而且，在大电流场合下，降低了元器件的电流负担，使元器件的选型更为容易，因此可以提高变换器的单机容量。本实施例中的多相交错llc谐振变换器采用变频控制，即改变开关频率固定百分之五十占空比来调节输出电压，五组桥臂之间驱动信号依次相差72
°
，同一桥臂上下管互补导通。
50.所述电网充电模式通常在不能进行光伏充电模式时作为补充充电模式，例如，当夜晚时，光照强度严重不足，此时光伏发电单元不能发出电能，此时的电能来源则于电网，电网电能由直流母线传输至储能单元中。直流母线中直流电通过直流充电桩对电动汽车进行充电，通过dc-dc变换器对电动汽车换电站充电。当接入三相电网时，电网电流通过l1、l2、l3端子流入三相桥式电路中，此时的三相电路中的三个桥臂作为功率因数校正电路，三相桥臂中的碳化硅场效应管s
1-s6依次导通，滤波电容c
dc0
两端输出高压直流电至直流母线；当接入单相电网时，电网电流通过l-n端子流入单相桥式电路，此时的单相桥式电路作为单相功率因数校正电路，控制碳化硅场效应管s
7-s
10
的导通顺序，滤波电容c
dc1
两端输出高压直流电至直流母线。
51.所述联合充电模式在光伏发电单元有电能输出，但光伏发电单元发出的电能小于直流充电桩和电动汽车换电站所需的电能时启动，该模式下光伏发电单元和电网同时为直流充电桩和电动汽车换电站充电。
52.所述并网模式在光伏发电单元发出的电能大于直流充电桩1-n和电动汽车换电站所需电能时启动，该模式下，光伏发电单元输出的能量通过桥式电路并入电网；当光伏发电单元输出的电能由三相桥式电路并入三相电网时，三相桥式电路工作于逆变状态，将直流母线电能转换为三相交流电并入三相电网中；当并入单相电网中时，单相桥式电路工作于逆变状态，将直流母线的电能转换为单相交流电并入单相电网中，单相电网用以为光伏幕墙所在建筑物或所在区域内的建筑物提供单相交流电，例如应急电源等提供电能。
53.所述并网模式还包括电动汽车换电站并网模式和电动汽车群并网模式，在电动汽车换电站并网模式下，电动汽车换电站中的电能通过双向dc-dc变换器传输至直流母线，电动汽车换电站输出的能量可通过三相桥式电路或单相桥式电路并入电网，此时三相桥式电路和单相桥式电路与光伏并网模式时工作状态相同；
54.所述电动汽车群并网模式在电网负荷过高且电动汽车动力电池电量充足，经电动汽车同意后配合后启动，该模式下，电动汽车动力电池中的电能通过直流充电桩和三相桥式电路传输至直流母线，电动汽车动力电池输出的电能可通过三相桥式电路或单相桥式电路并入电网，此时三相桥式电路和单相桥式电路与光伏并网模式时工作状态相同。
55.电动汽车换电站和电动汽车并网模式下，当电网负荷过高时，电动汽车和电动汽车换电站向电网反馈电能；当电网负荷过低时，电动汽车和电动汽车换电站可存储电网过剩的电量。
56.所述包括车辆互充模式在电网和光伏发电单元均不能发电时启动，该模式下，三相桥式电路和单相桥式电路处于锁止状态且壁挂式光伏发电系统无电能输出时，直流母线无电能输出，直流充电桩1-n无电能输入，若多辆电动汽车同时接入直流充电桩时，互充车辆连接充电桩，动力电池电量多的车辆通过充电桩向动力电池电量少的车辆充电，该系统可实现车
‑ꢀ
车之间的能量传递，为动力电池能量少的电动汽车提供电能。
57.所述电动汽车换电模式在没有空余充电桩或充电时间紧迫的情况下，电动汽车可以通过电动汽车换电站更换动力电池，过程仅需数分钟，换电站对电动汽车用户更换下来的待充电电池进行统一管理，并选择在电网负荷低谷时期进行电能补充。此工作模式下可提升电动汽车续航里程并解决充电时间过长的问题。
58.所述基于壁挂式光伏的电能传输系统能够根据电网负荷、电动汽车电量以及电动汽车换电站的电量来触发系统实现调峰和填谷，当检测到电网处于高负荷状态，若有动力电池电能多的电动汽车接入直流充电桩或电动汽车换电站储存的电能多时，则电动汽车和电动汽车换电站分别通过直流充电桩和双向dc/dc变换器把储存电能传输至直流母线，然后再通过三相桥式电路逆变并网，向电网反馈电能；当检测到电网处于低负荷状态，若有动力电池电能少的电动汽车接入直流充电桩或电动汽车换电站储存的电能少时，三相桥式电路把电网中交流电整流输出至直流母线，电动汽车和电动汽车换电站分别通过直流充电桩和双向dc/dc变换器存储电网过剩的电量，实现电网的调峰填谷。
59.本发明一种将光伏幕墙和直流充电桩、电网、电动汽车换电站相连接，采用壁挂式光伏发电系统和充电储能及逆变并网系统完成为多辆电动汽车和电动汽车换电站充电储能的功能，在保持各部分功能不变的同时，将多个独立系统有机结合，具有减小总体设备体积与重量、降低成本与损耗、提高系统功率密度等优势，为建筑行业、光伏行业、电动汽车行业以及储能行业的有机结合提供有力支撑。
60.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。