CN101685970A - 一种多用途太阳能发电系统 - Google Patents

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马斌
王任杰
陈洪
林小玲
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Abstract

一种多用途太阳能发电系统，由太阳能电池板组件彼此串联或并联构成光伏阵列，其通过并网逆变模块接至电网，所述并网逆变模块包括并网逆变单元、最大功率点跟踪控制单元和电网状态检测单元，所述电网状态检测单元可实时检测所述电网的运行状态，并在所述电网运行状态不正常时切断所述并网逆变模块与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生；所述并网逆变模块在与所述电网的连接端处还并联智能充电器、并通过所述智能充电器接至蓄电池，从而为该蓄电池充电；所述智能充电器在与所述蓄电池的连接端处还并联一台离网逆变器，所述离网逆变器用于向交流负载供电。该太阳能发电系统可适应电网上各种正常和非正常状况的并网发电，系统的健壮性和容错性强。

Description

一种多用途太阳能发电系统
技术领域
本发明涉及一种多用途太阳能发电系统，特别是可适应电网上各种正常和非正常状况的并网发电的光伏发电系统。
技术背景
20世纪以来，随着社会经济的发展和生活水平的提高，使人们对能源的需求量不断增长。同时由于化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注，因此从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。在新能源和可再生能源家族中，太阳能是最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的领域。
光伏发电技术是太阳能利用中极其重要的一面，近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电池可以说是无处不在。目前，光伏发电产品主要有三大方面的应用：一是为没有电网的偏远地区提供电源，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯等；三是并网发电，这在一些发达国家已经大面积推广实施。
申请号为200610164466.0的发明专利申请提出了一种小型的多用途太阳能发电系统，不论是独立使用还是并网发电均可。但是此发明未提及其所用逆变器提供防孤岛效应的功能。孤岛效应是根据美国Sandia国家实验室提供的报告而提出的概念，具体是指：当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网路，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，比如会危及电网输电线路上维修人员的安全、影响配电系统上的保护开关的动作程序、冲击电网保护装置、影响传输电能质量、电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定、当电网供电恢复后会造成的相位不同步、单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电等，因此对于一个并网系统必须能够进行反孤岛效应检测，防止孤岛效应的发生。如果在第200610164466.0号发明专利申请的基础上，增加防孤岛效应的功能，则当电网故障时，此发明提出的方案就无法为用电负载提供电力，既无法利用太阳能，也无法利用蓄电池中存储的能量。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种兼顾并网光伏发电和独立光伏发电的多用途的光伏发电系统，最大限度地发挥光伏发电系统的工作能力。
为实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：太阳能电池板组件彼此串联或并联构成光伏阵列经由带有最大功率点跟踪(MPPT)和防孤岛效应的并网逆变器接至电网，同时，并网逆变器的输出端经智能充电器接至蓄电池和直流用电负载，或接至蓄电池以及通过离网逆变器接至交流用电负载。
具体地，本发明提供一种多用途太阳能发电系统，包括太阳能电池板和并网逆变模块，所述太阳能电池板接至所述并网逆变模块的输入端、所述并网逆变模块的输出端接至电网；所述并网逆变模块除了包括最大功率点跟踪(MPPT)控制单元、并网逆变单元之外，还包括电网状态检测单元，其可实时检测所述电网状态，并在所述电网状态不正常的情况下切断所述并网逆变模块与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生；所述太阳能发电系统还包括接在所述并网逆变模块的输出端的智能充电器，所述智能充电器的输出端接至蓄电池从而为该蓄电池充电以及可通过DC/DC变换器接至直流负载从而为该直流负载供电；当用电负载为交流负载时，所述智能充电器的输出端可通过一离网逆变器接至交流负载，从而用于向交流负载供电。
较佳地，还可以在以上技术方案中加入切换控制器和MPPT充电器，具体地，将该切换控制器接在太阳能电池板的输出端(也即所述并网逆变模块的输入端)和所述智能充电器的输入端(也即所述并网逆变模块的输出端)之间，并且将MPPT充电器接在所述智能充电器的输出端(也即所述离网逆变器的输入端)和所述切换控制器之间；切换控制器对电网运行状态进行监测，在电网运行状态正常的情况下，切换控制器断开太阳能电池板与该MPPT充电器的连接，切换控制器监测到电网运行状态不正常(此时并网逆变模板切断了其与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生)时，接通太阳能电池板与该MPPT充电器的连接，由太阳能电池板为蓄电池充电和为负载供电。
利用本发明的技术方案，兼顾了独立使用和并网发电，当电网正常、太阳能充足的时候，光伏阵列将接收到的太阳辐射能量转变成高压直流电，然后通过并网逆变器逆变后向电网输出与电网电压电流同频同相的单相正弦交流电，同时并网逆变器通过智能充电器给蓄电池输送能量，以保证用电负载的正常工作；当电网正常、太阳能不足的时候，由电网通过智能充电器给蓄电池输送能量，并保证用电负载的正常工作；当电网出现故障时，由蓄电池输出直流电或通过离网逆变器输出交流电，以保证直流或交流用电负载的正常工作。
特别是，在利用本发明上述的较佳方案时，当电网出现故障、太阳能充足的时候，切换控制器会检测到电网的故障并合上切换开关(检测到电网正常之后也会及时断开切换开关)，使得光伏阵列接收到的太阳辐射能量可通过MPPT充电器给蓄电池送电和为用电负载供电，以保证用电负载的正常工作，不单独依靠蓄电池为负载供电，从而进一步提高了系统的健壮性。
因此，采用本发明的多用途太阳能发电系统，兼顾了并网光伏发电和独立光伏发电，最大限度地发挥了光伏发电系统的工作能力，使得用电负载的供电可靠性进一步提高；同时，该系统使得用电负载在电网正常且太阳能充足、电网正常但太阳能不足、电网故障但太阳能充足、电网故障且太阳能不足等各种情况下都能维持用电负载的正常的工作，大幅度地提高了系统的容错性和健壮性。
附图说明
图1是本发明第一个用于交流用电负载的实施例的系统原理框图。
图2是本发明第二个用于交流用电负载的实施例的系统原理框图。
图3是本发明第三个用于直流用电负载的实施例的系统原理框图。
图4是本发明第四个用于直流用电负载的实施例的系统原理框图。
图5是本发明实施例中使用的切换控制器的原理图。
具体实施方式
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。
图1是本发明一个实施例的系统原理框图，其用于交流用电负载。在该实施例中，采用无锡尚德电力的STP170S-24/Ac型光伏电池组件6块彼此串联或并联构成光伏阵列，形成太阳能电池板，经由一并网逆变器至电网，该并网逆变器采用德国SMA公司的Sunny Boy系列的SB2100TL并网逆变器，其同时带有最大功率点跟踪(MPPT)功能和防孤岛效应功能(即可对电网的运行状态进行实时监测、并在电网因故障事故或停电维修而跳脱时断开其与电网的连接)(图中未具体示出这三个功能模块)；同时，并网逆变器的输出端通过一智能充电器接至蓄电池、以及通过离网逆变器接至用电负载。
由于太阳能电池的输出功率并不是恒定值，也不单单和太阳光的光照强度呈正比，其输出特性是上部凸出的山形曲线，并根据日照强度、光线角度、气温和负载等因素变化而形成的曲线族。因此，要在任何条件下发挥出光伏阵列的输出功率的最大潜力，就需要最大功率点跟踪(MPPT)控制器，其主要工作是：检测主回路直流侧电流电压，计算出光伏阵列的输出功率，同时发出控制信号完成最大功率的跟踪，在本实施例中所选的并网逆变器就具有此功能。该并网逆变器将光伏阵列发出的直流电变换成与电网电压电流同频同相的单相交流电，另外，该型号的并网逆变器还具有并网发电中重要的防孤岛效应的功能以及电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护等功能。其优于第200610164466.0号发明专利申请中所描述的方案(其中，MPPT控制器和并网逆变器是单独分别配置的、且没有防孤岛效应功能)。
在该实施例中，为了有效实施对蓄电池的管理控制，采用了智能充电器来完成蓄电池充放电管理、过充过放电控制及设备保护等功能。本实例中采用了上海施能公司的CZC3-30A/24V型智能充电器。此充电器采用恒流→恒压→小恒流等多阶段的充电方式以及科学的充电电量控制技术，以确保蓄电池的电能充足并实现不过充、不欠充；并具有断电记忆自启动、充足自动关机；开路、接反、过载、短路、过热等保护功能。
对于蓄电池来讲，其容量是个比较重要的物理量，蓄电池的容量的选择直接影响到系统的可靠性和价格。蓄电池的容量的选择一般要遵循以下原则：首先在满足负载工作时限的前提下，同时还要能够存储满足连续阴雨天和电网故障所需要的电能。在本实施例中，蓄电池采用奥特多阀控密封式铅酸电池OT200-12型4节，2节串联再并联使用，此电池单节输出电压为12V，容量为200Ah。
在本实施例中，离网逆变器采用的是德国Conergy公司生产的MIC 700型离网逆变器，Conergy MIC独立逆变器将直流电池电压转变为稳定的交流电压，以满足交流负载的正常工作需要，而且精确度极高，可满足对灵敏度的高要求。输出电压是真正的正弦电压，可以在任何负载情况下保持最佳的精确度。设备的操作非常简单，用户通过LED即可了解设备的运行状况。发生异常情况时，还会有声音信号提示。Conergy MIC独立逆变器还具有电子防护功能，电子安全功能可防止逆变器短路、过载和温度过高，还能防护欠电压和过电压。Conergy MIC系列逆变器配备特殊的设备防护，可持续运行很长时间。此外，高质量的风扇根据负载和温度进行控制，为设备降温。Conergy MIC系列产品的频率可以根据需求调整为50Hz或60Hz。逆变器的输入电压可以是12V或24V，输出电压可以是110V和230V。
图2是本发明另一个对上述实施例进行优化后的实施例的系统原理框图，其也是用于交流用电负载。在该实施例中加入了切换控制器和MPPT充电器。具体地，将该切换控制器接在太阳能电池板的输出端(也即所述并网逆变模块的输入端)和所述智能充电器的输入端(也即所述并网逆变模块的输出端)之间，并且将MPPT充电器接在所述智能充电器的输出端(也即所述离网逆变器的输入端)和所述切换控制器之间；切换控制器对电网运行状态进行监测，在电网运行状态正常的情况下，切换控制器断开太阳能电池板与该MPPT充电器的连接，切换控制器监测到电网运行状态不正常(此时并网逆变模板切断了其与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生)时，接通太阳能电池板与该MPPT充电器的连接，由太阳能电池板为蓄电池充电和为交流负载供电。在该实施例中，MPPT充电器选用了合肥阳光电源有限公司的SD2450光伏控制器，此控制器具有人性化的操作界面；控制电路与主电路完全隔离，具有极高的抗干扰能力；各路充电压检测具有“回差”控制功能，可防止开关进入振荡状态；工作模式有普通充放电模式、一点式工作模式、光开光断模式、光开时断模式、时钟控制模式、光开时断凌晨亮模式；并具有过压、欠压、过载、短路等保护报警。切换控制器则采用了奥博电气有限公司的AOB194U-5K1型单相交流电压表(带继电器触点输出)来控制继电器的动作予以实现，其原理图可见图5。AOB194U-5K1型单相交流电压表可设置上、下限报警点和报警动作延迟时间，但由于此型电压表所带有的继电器的触点容量只有DC30V/2A，因此需要外加触电容量为300V/10A的继电器。当电网出现故障时，电网电压跌落到单相交流电压表的下限报警点以下时，其继电器触点有输出，也带动外加大容量继电器闭合，即完成并网到独立切换；当电网恢复之后，电网电压恢复到正常值后，电压表的继电器触点无输出，也带动外加大容量继电器断开，即恢复正常并网工作。
在该优化的系统中，当太阳能充足但电网不正常时，仍能依靠太阳能为负载供电和为蓄电池充电，不单独依靠蓄电池为负载供电，从而进一步提高了系统的健壮性。
图3是本发明第三个实施例的系统原理框图，其用于直流用电负载。在该实施例中，将第一个实施例中的离网逆变器改换成针对相应电压等级和功率的直流负载的DC/DC变换器即可。
图4是本发明第四个实施例的系统原理框图，对上述第三个实施例进行了优化，其用于直流用电负载。在该实施例中，将第二个实施例中的离网逆变器改换成针对相应电压等级和功率的直流负载的DC/DC变换器即可。
以上实施例中，所采用的并网逆变器包括了并网逆变单元、最大功率点跟踪控制单元和电网状态检测单元。本领域的普通技术人员应该能够了解，该三个单元也可以设置为三个独立的元件；而切换转换器对电网运行状态的检测也可以直接从电网状态检测单元所测得的信息获得，从而根据该信息决定接通和断开MPPT充电器的动作。
从以上各个实施例中可了解到，本发明所提供的技术方案，兼顾了独立使用和并网发电，当电网正常、太阳能充足的时候，光伏阵列将接收到的太阳辐射能量转变成高压直流电，然后通过并网逆变器逆变后向电网输出与电网电压电流同频同相的单相正弦交流电，同时并网逆变器通过智能充电器给蓄电池输送能量，以保证用电负载的正常工作；当电网正常、太阳能不足的时候，由电网通过智能充电器给蓄电池输送能量，以保证用电负载的正常工作；当电网出现故障、太阳能充足的时候，切换控制器会检测到电网的故障并合上切换开关(检测到电网正常之后也会及时断开切换开关)，使得光伏阵列接收到的太阳辐射能量通过MPPT充电器给蓄电池输送能量，以保证用电负载的正常工作；当电网出现故障、太阳能不足的时候，由蓄电池通过离网逆变器输出交流电，以保证用电负载的正常工作。是一种可适应电网上各种正常和非正常状况的并网发电的光伏发电系统。
综上所述，本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (4)

1.一种多用途太阳能发电系统，由太阳能电池板组件彼此串联或并联构成光伏阵列，其通过并网逆变模块接至电网，其特征在于：所述并网逆变模块包括并网逆变单元、最大功率点跟踪控制单元和电网状态检测单元，所述电网状态检测单元可实时检测所述电网的运行状态，并在所述电网的运行状态不正常时切断所述并网逆变模块与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生；所述并网逆变模块在与所述电网的连接端处并联智能充电器、并通过所述智能充电器接至蓄电池，从而为该蓄电池充电；所述智能充电器在与所述蓄电池的连接端处并联有一离网逆变器，所述离网逆变器用于向交流负载供电。
2.如权利要求1所述的多用途太阳能发电系统，其特征在于，在所述太阳能电池板还通过切换控制器接至MPPT充电器、并再接至所述离网逆变器；所述切换控制器还与所述电网连接并监测所述电网运行状态，并在监测到电网运行状态正常的情况下，断开所述太阳能电池板与所述MPPT充电器的连接，在监测到电网运行状态不正常时，接通所述太阳能电池板与所述MPPT充电器的连接，向所述蓄电池充电和向交流负载供电。
3.一种多用途太阳能发电系统，由太阳能电池板组件彼此串联或并联构成光伏阵列，其通过并网逆变模块接至电网，其特征在于：所述并网逆变模块包括并网逆变单元、最大功率点跟踪控制单元和电网状态检测单元，所述电网状态检测单元可实时检测所述电网的运行状态，并在所述电网运行状态不正常时切断所述并网逆变模块与所述电网的连接、防止孤岛效应的产生；所述并网逆变模块在与所述电网的连接端处还并联智能充电器、并通过所述智能充电器接至蓄电池，从而为该蓄电池充电；所述智能充电器在与所述蓄电池的连接端处并联有一DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于向直流负载供电。
4.如权利要求3所述的多用途太阳能发电系统，其特征在于，在所述太阳能电池板还通过切换控制器接至MPPT充电器、并再接至所述DC/DC变换器；所述切换控制器还与所述电网连接并监测所述电网运行状态，并在监测到电网运行状态正常的情况下，断开所述太阳能电池板与所述MPPT充电器的连接，在监测到电网运行状态不正常时，接通所述太阳能电池板与所述MPPT充电器的连接，向所述蓄电池充电和向直流负载供电。
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