CN102427266A

CN102427266A - 一种多功能光伏ups系统及其控制方法

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Publication number: CN102427266A
Application number: CN2012100006691A
Authority: CN
Inventors: 韩军良; 徐海波
Original assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Current assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN102427266B

Abstract

本发明公开了一种多功能光伏UPS系统及其控制方法，包括光伏电池、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、DC/DC单元、蓄电池、双向DC/DC单元、逆变器单元及控制器单元，所述控制器单元与所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第五开关单元电性连接，所述逆变器单元、双向DC/DC单元及DC/DC单元分别与所述控制器单元电性连接。本发明通过控制器单元控制第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第五开关单元的通断，系统具有UPS、光伏离网发电及光伏并网发电功能，控制器单元优化系统工作模式，提高光伏资源的利用效率，最大限度地发挥效用。

Description

一种多功能光伏UPS系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变电源领域，尤其是涉及一种多功能光伏UPS系统及其控制方法。

背景技术

随着世界能源需求的持续增长和环境污染问题的日益严重，开发新能源和可再生能源日益受到世界各国的重视。光伏发电作为一种新能源产业，具有绿色、环保的优点。UPS是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成的恒压恒频的不间断电源，为负载提供不间断供电。

目前市场上的光伏发电产品和UPS产品功能单一，造成资源得不到充分的利用。光伏发电包括光伏离网发电及光伏并网发电两种模式，目前光伏电池极板的价格偏高，造成光伏发电成本较高，将光伏离网发电、UPS及光伏并网发电功能结合起来，实现资源的最大化利用，具有重要的价值。

发明内容

本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种采用模块化设计，同时具有UPS功能、光伏离网发电及光伏并网发电的功能，可自动优化系统工作模式，提高光伏资源的利用效率，最大限度地发挥效用的一种多功能光伏UPS系统其控制方法。

为实现上述目的，本发明公开了一种多功能光伏UPS系统，其包括光伏电池、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、DC-DC单元、蓄电池、双向DC-DC单元、逆变器单元及控制器单元，所述光伏电池与所述第一开关单元及第二开关单元一端电性连接，所述第二开关单元另一端与所述DC-DC单元的输入端电性连接，所述DC-DC单元的输出端与所述蓄电池电性连接；所述第三开关单元一端与所述蓄电池电性连接，所述第一开关单元另一端及所述第三开关单元另一端与所述双向DC-DC单元的低压侧电性连接，所述双向DC-DC单元的高压侧与所述逆变器单元的输入端电性连接，所述双向DC-DC单元的高压侧与所述逆变器单元的输入端之间并联连有母线电容组，所述逆变器单元的第一连接端与所述第四开关单元一端电性连接，所述逆变器单元的第二连接端与所述第五开关单元一端电性连接，所述第四开关单元另一端电性连接有电网，所述第五开关单元另一端电性连接有用电负载，所述控制器单元与所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第五开关单元电性连接，所述逆变器单元控制端、双向DC-DC单元控制端及DC-DC单元控制端分别与所述控制器单元电性连接。

进一步地，所述控制器单元还电性连接有显示装置、人机接口及通信单元。

进一步地，所述逆变器单元设置有逆变电路及与逆变电路电性连接的滤波电路，所述逆变电路一端对应所述逆变器单元的输入端，所述滤波电路一端对应所述逆变器单元的第二连接端。

本发明公开了一种多功能光伏UPS系统的控制方法，其包括如下步骤：

（A）、所述控制器单元通过人机接口获取用户设置的系统工作模式，所述系统工作模式设置为UPS模式、光伏离网逆变器模式或光伏并网逆变器模式；

（B）、所述控制器单元通过人机接口获取用户设置的用电负载的额定输入功率值；

（C）、所述控制器单元根据用户设置实现系统工作模式切换，当系统工作模式为UPS模式时，则转入步骤D；当系统工作模式为光伏离网逆变器模式时，所述控制器单元检测光伏电池实际输出功率，如果光伏电池的实际输出功率≥用电负载的额定输入功率时，则转入步骤E，如果光伏电池的实际输出功率＜用电负载的额定输入功率时，则转入步骤F；当系统工作模式为光伏并网逆变器模式时，则转入步骤G；

（D）、所述控制器单元控制所述第一开关单元及第二开关单元断开，第三开关单元、第四开关单元及第五开关单元闭合，此时蓄电池、双向DC/DC单元、母线电容组、逆变器单元、控制器单元、用电负载与电网构成UPS系统；

（E）、所述控制器单元控制第三开关单元及第五开关单元断开，第一开关单元、第二开关单元及第四开关单元闭合，此时光伏电池、双向DC/DC单元、母线电容组、逆变器电路单元、控制器单元及用电负载构成第一光伏离网逆变器系统，双向DC/DC单元和DC/DC单元联合工作于MPPT模式，光伏电池直接为用电负载供电，并同时通过DC/DC单元给蓄电池充电；

（F）、所述控制器单元控制第一开关单元及第五开关单元断开，第二开关单元、第三开关单元及第四开关单元闭合，此时光伏电池、DC/DC单元、蓄电池、双向DC/DC单元、母线电容组、逆变器电路单元、控制器单元及用电负载构成第二光伏离网逆变器系统， DC/DC单元工作于MPPT模式，此时光伏电池与蓄电池共同为用电负载供电；

（G）、所述控制器单元控制第二开关单元、第三开关单元及第四开关单元断开，第一开关单元及第五开关单元闭合，此时光伏电池、双向DC/DC单元、母线电容组、逆变器单元、控制器单元及电网构成光伏并网逆变器系统，双向DC/DC单元工作于MPPT模式，光伏电池吸收太阳光能转化的电能经所述双向DC/DC单元升压并通过逆变器单元逆变后并联入电网进行发电。

进一步地，所述逆变器单元工作在整流状态时，所述逆变电路及滤波电路构成功率因数校正电路。

综上所述，本发明一种多功能光伏UPS系统及其控制方法通过设置第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元及第五开关单元并通过控制器单元控制通断状态，采用模块化设计方案，系统可运行于三种工作模式：UPS模式、光伏离网逆变器模式、光伏并网逆变器模式，具有UPS功能、光伏离网发电及光伏并网发电功能，控制器单元根据系统运行状态参数自动优化系统工作模式，采用MPPT方式，确保光伏电池在不同环境条件下处于最大功率值输出状态，提高光伏资源的利用效率，最大限度地发挥效用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明UPS系统的结构示意图。

图3为本发明第一光伏离网逆变器系统的结构示意图。

图4为本发明第二光伏离网逆变器系统的结构示意图。

图5为本发明光伏并网逆变器系统的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种多功能光伏UPS系统包括光伏电池100、第一开关单元K1、第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4、第五开关单元K5、DC/DC单元200、蓄电池300、双向DC/DC单元400、逆变器单元500及控制器单元600，所述光伏电池100与所述第一开关单元K1及第二开关单元K2一端电性连接，所述第二开关单元K2另一端与所述DC/DC单元200的输入端电性连接，所述DC/DC单元200的输出端与所述蓄电池300电性连接；所述第三开关单元K3一端与所述蓄电池300电性连接，所述第一开关单元K1另一端及所述第三开关单元K3另一端与所述双向DC/DC单元400的低压侧电性连接，所述双向DC/DC单元400的高压侧与所述逆变器单元500的输入端电性连接，所述双向DC/DC单元400的高压侧与所述逆变器单元500的输入端之间并联连有母线电容组C，所述母线电容组C用来平衡所述双向DC/DC单元400与所述逆变器单元500的瞬时功率；所述逆变器单元500的第一连接端与所述第四开关单元K4一端电性连接，所述逆变器单元500的第二连接端与所述第五开关单元K5一端电性连接，所述第四开关单元K4另一端电性连接有用电负载700，所述第五开关单元K5另一端电性连接有电网800；所述逆变器单元500设置有逆变电路510及与逆变电路510电性连接的滤波电路520，所述逆变电路510一端对应所述逆变器单元500的输入端，所述滤波电路520一端对应所述逆变器单元500的第二连接端。

所述控制器单元600与所述第一开关单元K1、第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4及第五开关单元K5电性连接，用以控制所述第一开关单元K1、第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4及第五开关单元K5的通断，所述逆变器单元500控制端、双向DC/DC单元400控制端及DC/DC单元200控制端分别与所述控制器单元600电性连接，所述控制器单元600控制所述逆变器单元500、双向DC/DC单元400及DC/DC单元200作相应动作。

所述控制器单元600还电性连接有显示装置900、人机接口1000及通信单元1100，所述显示装置900显示系统的设定参数及系统运行状态参数，所述人机接口1000实现系统参数设置功能，所述通信单元1100实现系统和外界通信功能。

本发明一种多功能光伏UPS系统控制方法通过如下步骤实现：

（A）、所述控制器单元600通过人机接口1000获取用户设置的系统工作模式，所述系统工作模式设置为UPS模式、光伏离网逆变器模式或光伏并网逆变器模式；

（B）、所述控制器单元600通过人机接口1000获取用户设置的用电负载700的额定输入功率P_L；

（C）、所述控制器单元600根据用户设置实现系统工作模式切换，当系统工作模式为UPS模式时，则转入步骤D；当系统工作模式为光伏离网逆变器模式时，所述控制器单元600检测光伏电池100实际输出功率P_PV，如果光伏电池100实际输出功率P_PV≥用电负载700的额定输入功率P_L时，则转入步骤E，如果光伏电池100实际输出功率P_PV＜用电负载700的额定输入功率P_L时，则转入步骤F；当系统工作模式为光伏并网逆变器模式时，则转入步骤G；

（D）、如图2所示，所述控制器单元600控制所述第一开关单元K1及第二开关单元K2断开，第三开关单元K3、第四开关单元K4及第五开关单元K5闭合，此时蓄电池300、双向DC/DC单元400、母线电容组C、逆变器单元500、控制器单元600、用电负载700与电网800构成UPS系统；

当电网800正常工作时，电网800通过所述逆变器单元500及双向DC/DC单元400对蓄电池300进行充电，逆变器单元500工作在整流状态，所述逆变电路510及滤波电路520构成功率因数校正电路；

当电网800出现故障时，所述蓄电池300通过所述双向DC/DC单元400及逆变器电路单元500为用电负载700提供后备不间断电源；

（E）、如图3所示，所述控制器单元600控制第三开关单元K3及第五开关单元K5断开，第一开关单元K1、第二开关单元K2及第四开关单元K4闭合，此时光伏电池100、双向DC/DC单元400、母线电容组C、逆变器电路单元500、控制器单元600及用电负载700构成第一光伏离网逆变器系统，双向DC/DC单元400和DC/DC单元200联合工作于MPPT模式，控制器单元600实时侦测光伏电池100的输出电压值和输出电流值，并追踪光伏电池100的最大输出功率值，确保光伏电池100在不同环境条件下处于最大功率值输出状态，光伏电池100直接为用电负载700供电，并同时给蓄电池300充电，以减少蓄电池300的充放电次数，延长蓄电池300的使用寿命；

（F）、如图4所示，所述控制器单元600控制第一开关单元K1及第五开关单元K5断开，第二开关单元K2、第三开关单元K3及第四开关单元K4闭合，此时光伏电池100、DC/DC单元200、蓄电池300、双向DC/DC单元400、母线电容组C、逆变器电路单元500、控制器单元600及用电负载700构成第二光伏离网逆变器系统，DC/DC单元200工作于MPPT模式，控制器单元600实时侦测光伏电池100的输出电压值和输出电流值，并追踪光伏电池100的最大输出功率值，确保光伏电池100在不同环境条件下处于最大功率值输出状态，此时光伏电池100与蓄电池300共同为用电负载700供电；

（G）、如图5所示，所述控制器单元600控制第二开关单元K2、第三开关单元K3及第四开关单元K4断开，第一开关单元K1及第五开关单元K5闭合，此时光伏电池100、双向DC/DC单元400、母线电容组C、逆变器单元500、控制器单元600及电网800构成光伏并网逆变器系统，双向DC/DC单元400工作于MPPT模式，控制器单元600实时侦测光伏电池100的输出电压值和输出电流值，并追踪光伏电池100的最大输出功率值，确保光伏电池100在不同环境条件下处于最大功率值输出状态，光伏电池100吸收太阳光能转化的电能经所述双向DC/DC单元400升压并通过逆变器单元500逆变后并联入电网800进行发电。

综上所述，本发明一种多功能光伏UPS系统及其控制方法通过设置第一开关单元K1、第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4及第五开关单元K5并通过控制器单元600控制通断状态，采用模块化设计方案，系统可运行于三种工作模式：UPS模式、光伏离网逆变器模式、光伏并网逆变器模式，具有UPS功能、光伏离网发电及光伏并网发电功能，控制器单元600根据系统运行状态参数自动优化系统工作模式，采用MPPT方式，确保光伏电池在不同环境条件下处于最大功率值输出状态，提高光伏资源的利用效率，最大限度地发挥效用。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多功能光伏UPS系统，其特征在于：包括光伏电池（100）、第一开关单元（K1）、第二开关单元（K2）、第三开关单元（K3）、第四开关单元（K4）、第五开关单元（K5）、DC/DC单元（200）、蓄电池（300）、双向DC/DC单元（400）、逆变器单元（500）及控制器单元（600），所述光伏电池（100）与所述第一开关单元（K1）及第二开关单元（K2）一端电性连接，所述第二开关单元（K2）另一端与所述DC/DC单元（200）的输入端电性连接，所述DC/DC单元（200）的输出端与所述蓄电池（300）电性连接；所述第三开关单元（K3）一端与所述蓄电池（300）电性连接，所述第一开关单元（K1）另一端及所述第三开关单元（K3）另一端与所述双向DC/DC单元（400）的低压侧电性连接，所述双向DC/DC单元（400）的高压侧与所述逆变器单元（500）的输入端电性连接，所述双向DC/DC单元（400）的高压侧与所述逆变器单元（500）的输入端之间并联连有母线电容组（C），所述逆变器单元（500）的第一连接端与所述第四开关单元（K4）一端电性连接，所述逆变器单元（500）的第二连接端与所述第五开关单元（K5）一端电性连接，所述第四开关单元（K4）另一端电性连接有用电负载（700），所述第五开关单元（K5）另一端电性连接有电网（800），所述控制器单元（600）与所述第一开关单元（K1）、第二开关单元（K2）、第三开关单元（K3）、第四开关单元（K4）及第五开关单元（K5）电性连接，所述逆变器单元（500）控制端、双向DC/DC单元（400）控制端及DC/DC单元（200）控制端分别与所述控制器单元（600）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能光伏UPS系统，其特征在于：所述控制器单元（600）还电性连接有显示装置（900）、人机接口（1000）及通信单元（1100）。

3.根据权利要求1所述的一种多功能光伏UPS系统，其特征在于：所述逆变器单元（500）设置有逆变电路（510）及与逆变电路（510）电性连接的滤波电路（520），所述逆变电路（510）一端对应所述逆变器单元（500）的输入端，所述滤波电路（520）一端对应所述逆变器单元（500）的第二连接端。

4.根据权利要求1~3所述的一种多功能光伏UPS系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（A）、所述控制器单元（600）通过人机接口（1000）获取用户设置的系统工作模式，所述系统工作模式设置为UPS模式、光伏离网逆变器模式或光伏并网逆变器模式；

（B）、所述控制器单元（600）通过人机接口（1000）获取用户设置的用电负载（700）的额定输入功率值；

（C）、所述控制器单元（600）根据用户设置实现系统工作模式切换，当系统工作模式为UPS模式时，则转入步骤D；当系统工作模式为光伏离网逆变器模式时，所述控制器单元（600）检测光伏电池（100）的实际输出功率，如果光伏电池（100）的实际输出功率≥用电负载（700）的额定输入功率时，则转入步骤E，如果光伏电池（100）的实际输出功率＜用电负载（700）的额定输入功率时，则转入步骤F；当系统工作模式为光伏并网逆变器模式时，则转入步骤G；

（D）、所述控制器单元（600）控制所述第一开关单元（K1）及第二开关单元（K2）断开，第三开关单元（K3）、第四开关单元（K4）及第五开关单元（K5）闭合，此时蓄电池（300）、双向DC/DC单元（400）、母线电容组（C）、逆变器单元（500）、控制器单元（600）、用电负载（700）与电网（800）构成UPS系统；

（E）、所述控制器单元（600）控制第三开关单元（K3）及第五开关单元（K5）断开，第一开关单元（K1）、第二开关单元（K2）及第四开关单元（K4）闭合，此时光伏电池（100）、双向DC/DC单元（400）、母线电容组（C）、逆变器电路单元（500）、控制器单元（600）及用电负载（700）构成第一光伏离网逆变器系统，双向DC/DC单元（400）和DC/DC单元（200）联合工作于MPPT模式，光伏电池（100）直接为用电负载（700）供电，并同时通过DC/DC单元（200）给蓄电池（300）充电；

（F）、所述控制器单元（600）控制第一开关单元（K1）及第五开关单元（K5）断开，第二开关单元（K2）、第三开关单元（K3）及第四开关单元（K4）闭合，此时光伏电池（100）、DC/DC单元（200）、蓄电池（300）、双向DC/DC单元（400）、母线电容组（C）、逆变器电路单元（500）、控制器单元（600）及用电负载（700）构成第二光伏离网逆变器系统， DC/DC单元（200）工作于MPPT模式，此时光伏电池（100）与蓄电池（300）共同为用电负载（700）供电；

（G）、所述控制器单元（600）控制第二开关单元（K2）、第三开关单元（K3）及第四开关单元（K4）断开，第一开关单元（K1）及第五开关单元（K5）闭合，此时光伏电池（100）、双向DC/DC单元（400）、母线电容组（C）、逆变器单元（500）、控制器单元（600）及电网（800）构成光伏并网逆变器系统，双向DC/DC单元（400）工作于MPPT模式，光伏电池（100）吸收太阳光能转化的电能经所述双向DC/DC单元（400）升压并通过逆变器单元（500）逆变后并联入电网（800）进行发电。

5.根据权利要求4所述的一种多功能光伏UPS系统的控制方法，其特征在于：所述逆变器单元（500）工作在整流状态时，所述逆变电路（510）及滤波电路（520）构成功率因数校正电路。