CN101841188A - 电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源 - Google Patents

电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源 Download PDF

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Abstract

电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源，属于电力电子领域，本发明为解决现有光网混合供电的不间断电源不能最大限度的利用太阳能的问题。本发明在电网正常时，太阳能电池电能控制模块工作于最大功率输出模式，网电能量控制模块采用直流电压恒定控制模式，由充放电控制模块对蓄电池进行充电控制，自动实现电能流出电网还是回馈到电网，以最大化利用太阳能；在电网失电时，由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电，太阳能电池电能控制模块根据直流电压值决定处于最大功率输出模式还是处于直流电压恒定控制模式，进而实现长期不间断运行。

Description

电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源
技术领域
本发明涉及电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源，属于电力电子领域。
背景技术
不间断电源能够在主供电电源失电时为负载提供持续电能供应，在各行业、各领域，尤其是实时性很强的重要系统、重要部门和重要的用电设备，具有重要的实用价值。为了实现不间断电源的节能运行，提高其持续运行时间，目前有些专利公开了太阳能、电网混合供电的太阳能电池，获得了一定的节能效果，并有效提高了持续运行时间。在现有技术方案中，一种是将太阳能的发电电能用于不间断电源中蓄电池的充电，而不直接参与负载的供电，在蓄电池充满电后太阳能电池不再输出电能，如图1所示。还有一种将电网电压经过不控整流桥和滤波电路后转化为直流电压，再和太阳能电池经过直流母线并联后共同为负载提供电能，在不间断电源轻载和空载情况下太阳能电池同样不输出电能，如图2所示。显而易见，上述方案均没有实现太阳能电池的最大功率输出，没有最大限度的利用太阳能，无法达到不间断电源的最优节能效果。
发明内容
本发明目的是为了解决现有光网混合供电的不间断电源不能最大限度的利用太阳能的间题，提供了电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源。
本发明包括网电能量控制模块、太阳能电池板、太阳能电池电能控制模块、充放电控制模块、蓄电池、直流-交流逆变模块、能量管理模块和储能电容，
网电能量控制模块用于对交流电网供电能量进行控制，将交流电转换成直流母线电压，或将直流母线电压转换成交流电回馈交流电网，网电能量控制模块还用于向能量管理模块发送电网是否正常的状态信息；
储能电容并联在直流母线两端，用于缓冲直流母线电压；
太阳能电池电能控制模块并联在直流母线两端，太阳能电池板为太阳能电池电能控制模块提供电源，太阳能电池电能控制模块用于接收能量管理模块的控制命令，来决定太阳能电池板工作于最大功率输出模式或恒压模式；
充放电控制模块并联在直流母线两端，用于检测蓄电池的电量信息，并发送给能量管理模块，还用于接收能量管理模块的控制命令，来决定充放电控制模块工作于直流电压闭环控制模式、给蓄电池充电模式或停止工作；
直流交流逆变模块将直流母线电压转换成交流电压输出给负载。
本发明的优点：将太阳能发电技术与UPS电源技术相结合，采用光伏电和网电混合式的供电方式；通过对能量进行统一控制，充分利用太阳能电池产生的电能，不足部分由电网补充，多余部分回馈到电网，实现不间断电源的最大化节能、长期持续运行。
附图说明
图1和图2是背景技术涉及的方法原理图，图3是本发明结构示意图，图4是网电能量控制模块原理结构示意图。图5为太阳能电池电能控制模块原理结构示意图。图6为充放电控制模块原理结构示意图。图7为直流交流逆变模块原理结构示意图，图8是本发明装置控制方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式包括网电能量控制模块1、太阳能电池板2、太阳能电池电能控制模块3、充放电控制模块4、蓄电池5、直流-交流逆变模块6、能量管理模块7和储能电容C，
网电能量控制模块1用于对交流电网供电能量进行控制，将交流电转换成直流母线电压，或将直流母线电压转换成交流电回馈交流电网，网电能量控制模块1还用于向能量管理模块7发送电网是否正常的状态信息；
储能电容C并联在直流母线两端，用于缓冲直流母线电压；
太阳能电池电能控制模块3并联在直流母线两端，太阳能电池板2为太阳能电池电能控制模块3提供电源，太阳能电池电能控制模块3用于接收能量管理模块7的控制命令，来决定太阳能电池板2工作于最大功率输出模式或恒压模式；
充放电控制模块4并联在直流母线两端，用于检测蓄电池5的电量信息，并发送给能量管理模块7，还用于接收能量管理模块7的控制命令，来决定充放电控制模块4工作于直流电压闭环控制模式、给蓄电池5充电模式或停止工作；
直流-交流逆变模块6将直流母线电压转换成交流电压输出给负载。
参见图3所示，本发明采用网电能量控制模块1对交流电网供电能量进行控制，将交流电转换成直流母线电压，或将直流母线电压转换成交流电回馈交流电网。
网电能量控制模块1的输入端接交流电网，负责输入电流的正弦化控制以及电网输出电能的控制；网电能量控制模块1的输出端为直流母线，直流母线的两端连接储能电容C。
图4为网电能量控制模块1的结构示意图，网电能量控制模块1包括滤波器1-1、全桥逆变器1-2、电网电压检测电路1-3、电网电流检测电路1-4、隔离驱动电路1-5、直流母线电压检测电路1-6、CUP电路1-7和接口电路1-8，
全桥逆变器1-2的两个输入端接交流电网8，在交流电网8和全桥逆变器1-2之间设置有滤波器1-1，全桥逆变器1-2输出端为直流母线，
电网电压检测电路1-3采集交流电网8的电压信号，并输出给CPU电路1-7，电网电流检测电路1-4采样交流电网8的电流信号，并输出给CPU电路1-7，直流母线电压检测电路1-6采样直流母线电压，并输出给CPU电路1-7，CPU电路1-7的输出的全桥逆变器驱动信号经隔离驱动电路1-5输出给全桥逆变器1-2，CPU电路1-7的电网状态信息通过接口电路1-8输出给能量管理模块7。
网侧输入端采用PWM控制技术，实现网侧输入电流正弦化运行，最大程度的降低对电网的谐波和无功污染。
采用储能电容C进行直流母线的电能缓冲，储能电容C并联在直流母线的两端，采用直流母线电压检测电路1-6采样直流母线电压，实现时，只要采样储能电容C两端电压即可。
采用太阳能电池电能控制模块3控制太阳能电池板2是否输出电能；太阳能电池电能控制模块3与太阳能电池板2相连，用于控制太阳能电池2的输出电能；具体结构示意图如图5所示，采用最大功率点跟踪控制方法，可以使太阳能电池输出最大发电功率。
采用充放电控制模块4对蓄电池5的充放电状态进行控制；充放电控制模块原理结构示意图如图6所示，采用双向变换器结构，有两种工作模式，分别为升压模式和降压模式，降压模式用于实现蓄电池5的充电控制，升压模式用于对蓄电池5输出电能。
采用直流-交流逆变模块6将直流母线电压转换成交流电压输出给负载；直流-交流逆变电路的输出端与负载相连，产生稳定的交流输出电压；直流-交流逆变模块原理结构示意图如图7所示，用于将直流母线电压逆变成具有恒定幅值和频率的交流输出电压，以便为负载供电。
采用能量管理模块7对网电能量控制模块1、太阳能电池电能控制模块3、充放电控制模块4和直流-交流逆变模块6进行电能的统一协调控制，
具体实现不间断逆变电源的控制方法包括以下步骤：
步骤一、判断电网是否正常，
判断结果为是，执行步骤二；判断结果为否，网电能量控制模块7控制网电能量控制模块1停止工作，然后执行步骤三，
步骤二、能量管理模块7控制网电能量控制模块1工作于直流电压闭环控制模式，太阳能电池电能控制模块3在网电能量控制模块7的控制下，控制太阳能电池板2工作于最大功率输出模式，由电网和太阳能电池板2共同为负载提供能量，然后执行步骤五，
网电能量控制模块1的功率自动控制原理是：由CPU电路1-7经过电网电压检测电路1-3采集电网交流电压，获得交流电压的幅值和相位信号，一方面用于判断网电是否正常，另一方面用于产生交流输入电流的同步相位信号。CPU电路1-7还通过直流母线电压检测电路1-6采集直流母线的电压信号，与设定的直流电压比较后，其结果经过调节器作为交流输入电流的幅值给定量，幅值给定量与交流输入电流的同步相位信号相乘获得交流输入电流的瞬时给定值，通过电网电流检测电路1-4采集交流电网8的电流信号，所述瞬时给定值与采集到的电网交流电流信号反馈量进行比较，其结果经过比较器后作为逆变电压的给定量，再经过脉宽调制算法产生各个功率开关管的开关信号，经过隔离驱动电路1-5后驱动全桥逆变器1-2中的功率开关管。
直流电压闭环控制模式，指基于直流电压闭环控制模式实现功率自动控制的原理：若供电功率突然大于负载功率，剩余电能将导致直流电压上升，此时直流电压大于直流电压给定值，二者的比较结果小于零，经过闭环调节器的调节以后，调节结果也将小于零，该结果再与交流输入电流的同步相位信号相乘，将获得与电网电压相位相反的交流输入电流的瞬时给定值，此时能量将从直流母线流向交流电网，直流电压下降，直到直流电压等于其给定值时，二者比较结果为零，闭环调节器的输出也保持恒定，系统达到稳态。
若供电功率突然小于负载功率，直流电压将下降，此时直流电压小于直流电压给定值，二者的比较结果大于零，经过闭环调节器的调节以后，调节结果也将大于零，该结果再与交流输入电流的同步相位信号相乘，将获得与电网电压相位相同的交流输入电流的瞬时给定值，此时能量将从交流电网流向直流母线，直流电压上升，直到直流电压等于其给定值时，二者比较结果为零，闭环调节器的输出也保持恒定，系统达到稳态。
由此，通过对直流母线电压进行闭环控制，即可实现供电电源与负载之间的能量平衡。
步骤三、判断直流母线电压是否大于上限阈值，
判断结果为是，执行步骤四，判断结果为否，执行步骤七，
步骤四、太阳能电池电能控制模块3在网电能量控制模块7的控制下，控制太阳能电池板2工作于恒压模式，网电能量控制模块7控制充放电控制模块4停止输出电能，
步骤五、判断蓄电池5的电量是否不足，
判断结果为是，执行步骤六，判断结果为否，执行步骤九，
步骤六、能量管理模块7控制充放电控制模块4工作，为蓄电池5充电，然后执行步骤九，
步骤七、充放电控制模块4工作于直流电压闭环控制模式，蓄电池5处于放电状态，为负载提供电能，太阳能电池电能控制模块3在网电能量控制模块7的控制下，控制太阳能电池板2工作于最大功率输出模式，
由太阳能电池板2和蓄电池5共同为负载供电，
最大功率输出模式：取一个固定的时间间隔，在每一个时间间隔，先检测太阳能电池板的输出电压和输出电流，将输出电压与输出电流相乘，获得当前太阳能电池板的输出功率P1，对开关器件的占空比进行微小的改变，则太阳能电池板的输出电压和输出电流均发生变化，再计算相应的太阳能电池板的输出功率P2，并与开关器件占空比变化前的输出功率P1进行比较，若P2＞P1，说明输出功率变化率大于零，需要进一步增加占空比，并重复上述步骤直到P2与P1接近时，说明达到最大输出功率点；若P2＜P1，说明输出功率变化率小于零，需要减小占空比，并重复上述步骤，直到P2与P1接近时，说明达到最大输出功率点。由此可以保证太阳能电池板始终处于最大功率输出点，实现最大功率发电。
步骤八、判断蓄电池5的输出电压是否低于欠压保护阈值，
判断结果为是，输出报警信息并停机，判断结果为否，执行步骤九，
步骤九、直流-交流逆变模块6将直流母线电压转换成交流电提供给负载，完成光网混合供电不间断逆变电源的电能控制。
电能控制方法的工作原理：
通过能量管理模块7对各个模块进行能量协调控制。能量管理模块7接收网电能量控制模块1发送的网电状态信号，若网电正常，则能量管理模块7通知充放电控制模块4不输出电能，若蓄电池5输出电压值低于充电允许值，则充放电控制模块4处于降压模式，为蓄电池5充电，太阳能电池电能控制模块3处于最大功率输出模式，网电能量控制模块1工作于直流电压恒定控制模式，直流-交流逆变模块6正常工作。
在太阳能小于负载电能时，网电能量控制模块1的直流电压调节器自动输出为正值，此时交流输入电流的相位与电网电压相同，电网输出电能，由太阳能和电网共同为负载和蓄电池5共同提供电能。在太阳能大于负载电能时，网电能量控制模块1的直流电压调节器自动输出为负值，此时交流输入电流的相位与电网电压相反，电能回馈到电网，太阳能的一部分提给负载和蓄电池5，另一部分回馈到电网。
在电网失电时，网电能量控制模块1停止工作，系统对直流母线电压设定有上限阈值，在直流母线电压高于上限阈值时，太阳能电池电能控制模块3工作于直流电压恒定控制模式；在直流母线电压低于上限阈值时，太阳能电池电能控制模块3工作于最大功率输出控制模式，能量管理模块7控制充放电控制模块4工作于直流电压恒定控制模式，由太阳能电池板2和蓄电池5共同为负载供电；系统对蓄电池5设定有蓄电池5输出电压欠压保护值，若蓄电池5输出电压高于欠压保护值，直流-交流逆变模块6正常工作，若蓄电池5输出电压低于欠压保护值，充放电控制模块4发出停机报警信号，直流-交流逆变模块6停止工作。

Claims (2)

1.电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源，其特征在于，它包括网电能量控制模块(1)、太阳能电池板(2)、太阳能电池电能控制模块(3)、充放电控制模块(4)、蓄电池(5)、直流-交流逆变模块(6)、能量管理模块(7)和储能电容(C)，
网电能量控制模块(1)用于对交流电网供电能量进行控制，将交流电转换成直流母线电压，或将直流母线电压转换成交流电回馈交流电网，网电能量控制模块(1)还用于向能量管理模块(7)发送电网是否正常的状态信息；
储能电容(C)并联在直流母线两端，用于缓冲直流母线电压；
太阳能电池电能控制模块(3)并联在直流母线两端，太阳能电池板(2)为太阳能电池电能控制模块(3)提供电源，太阳能电池电能控制模块(3)用于接收能量管理模块(7)的控制命令，来决定太阳能电池板(2)工作于最大功率输出模式或恒压模式；
充放电控制模块(4)并联在直流母线两端，用于检测蓄电池(5)的电量信息，并发送给能量管理模块(7)，还用于接收能量管理模块(7)的控制命令，来决定充放电控制模块(4)工作于直流电压闭环控制模式、给蓄电池(5)充电模式或停止工作；
直流-交流逆变模块(6)将直流母线电压转换成交流电压输出给负载。
2.根据权利要求1所述的电能回馈式光网混合供电不间断逆变电源，其特征在于，网电能量控制模块(1)包括滤波器(1-1)、全桥逆变器(1-2)、电网电压检测电路(1-3)、电网电流检测电路(1-4)、隔离驱动电路(1-5)、直流母线电压检测电路(1-6)、CUP电路(1-7)和接口电路(1-8)，
全桥逆变器(1-2)的两个输入端接交流电网(8)，在交流电网(8)和全桥逆变器(1-2)之间设置有滤波器(1-1)，全桥逆变器(1-2)输出端为直流母线，
电网电压检测电路(1-3)采集交流电网(8)的电压信号，并输出给CPU电路(1-7)，电网电流检测电路(1-4)采样交流电网(8)的电流信号，并输出给CPU电路(1-7)，直流母线电压检测电路(1-6)采样直流母线电压，并输出给CPU电路(1-7)，CPU电路(1-7)的输出的全桥逆变器驱动信号经隔离驱动电路(1-5)输出给全桥逆变器(1-2)，CPU电路(1-7)的电网状态信息通过接口电路(1-8)输出给能量管理模块(7)。
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