CN102694393B - 一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，包括检测控制装置、主切换器和四个接线端；所述检测控制装置包括逻辑锁定模块以及分别与其连接的电网故障检测模块、第一光伏控制模块、第二光伏控制模块；所述逻辑锁定单元与主切换器连接，用于根据电网故障检测模块、第一光伏控制模块和第二光伏控制模块的检测信息，控制主切换器完成并网光伏发电系统和离网光伏发电系统之间的切换。本发明通过逻辑锁定模块控制主切换器快速切换并网或离网光伏发电方式，保证了用户的负载或重要负载可不受市电故障或断电的影响而得以连续不间断的运行，有效地将并网光伏发电系统和离网光伏发电系统良好地融合在一起。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器。
背景技术
目前主流的光伏发电应用技术有并网光伏发电系统和离网光伏发电系统两种形式。并网光伏发电系统主要是依附于公共电网的一种发电方式，由于并网光伏逆变器属于电流源型逆变器，并网光伏发电系统无法解决公共电网故障或停电问题；而在离网光伏发电系统中，储能设备（如蓄电池）对离网光伏发电系统所产生的电能起着储存与分配作用，但蓄电池所需容量较大，运行成本较高，限制了离网光伏发电系统的应用。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，将上述两种主流的光伏发电系统良好地融合在一起，实现无缝切换，使用户负载在切换过程中可以连续不间断运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，分别与交流电网、光伏电站、储能设备和用户负载连接成回路，包括检测控制装置、主切换器和四个接线端；
所述四个接线端分别为交流电网端、光伏电站端、用户负载端和储能设备端；
所述检测控制装置包括逻辑锁定模块以及分别与其连接的电网故障检测模块、第一光伏控制模块、第二光伏控制模块；
所述电网故障检测模块与交流电网端连接，用于检测交流电网是否故障，并将故障信号和恢复信号传递到逻辑锁定模块；
所述第一光伏控制模块与储能设备端连接，用于在主切换器将并网光伏发电系统切换到离网光伏发电系统的过程中，检测储能设备供电的稳定性并计算储能设备与用户负载连接的持续时间；
所述第二光伏控制模块与交流电网端连接，用于在主切换器将离网光伏发电系统切换到并网光伏发电系统的过程中，检测交流电网供电的稳定性并计算交流电网与用户负载连接的持续时间；
所述逻辑锁定单元与主切换器连接，用于根据电网故障检测模块、第一光伏控制模块和第二光伏控制模块的检测信息，控制主切换器完成并网光伏发电系统和离网光伏发电系统之间的切换。
当储能设备与用户负载的连接时间超过第一预设时间且储能设备供电稳定时，第一光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号；当交流电网与用户负载的连接时间超过第二预设时间且储能设备供电稳定时，第二光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号。
所述主切换器包括切换电路和开关电路；
所述切换电路的两个输入端分别连接交流电网端和储能设备端，切换电路的输出端连接用户负载端，用于切换用户负载的供电电源；
所述开关电路的输入端连接光伏电站端，输出端连接用户负载端，用于在并网与离网光伏发电系统的相互切换过程中控制光伏电站的断开和接入。
当逻辑锁定模块收到电网故障检测模块发来的故障信号时，控制切换电路将用户负载端与储能设备端连接，同时将开关电路断开；
当逻辑锁定模块收到电网故障检测模块发来的恢复信号时，控制切换电路将用户负载端与交流电网端连接，同时将开关电路断开；
当逻辑锁定模块收到第一光伏控制模块或第二光伏控制模块发来的通知信号时，控制开关电路闭合。
还包括与逻辑锁定模块连接的状态显示模块，所述状态显示模块包括多个指示灯，用于显示光伏发电系统当前所处的并网或离网发电状态。
还包括与逻辑锁定模块连接的手动控制模块，所述手动控制模块包括至少一个手动切换部件，用于向逻辑锁定模块发送手动操作指令信号，使逻辑锁定模块控制主切换器强制进行并网与离网光伏发电系统的相互切换。
还包括接线端子排，所述四个接线端固定于接线端子排中。
所述储能设备端在外部通过一双向逆变器与储能设备连接。
本发明提供的用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，有效地将并网光伏发电系统和离网光伏发电系统良好地融合在一起，当交流电网发生故障时，本发明将能迅速切断用户负载与交流电网的连接，改由储能设备经双向逆变器与光伏电站共同对用户的负载或重要负载供电，若交流电网供电恢复正常，本发明将断开双向逆变器而重新把交流电网自动接入用户负载，光伏电站也将恢复为并网发电工作状态。通过逻辑锁定模块控制主切换器快速切换并网或离网光伏发电方式，保证了用户的负载或重要负载可不受市电故障或断电的影响而得以连续不间断的运行。
附图说明
图1是本发明实施例的工作原理图。
图2是本发明实施例的内部模块结构示意图。
具体实施方式
下文将结合附图与具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，包括检测控制装置、主切换器和四个接线端；
所述四个接线端分别为交流电网端1、光伏电站端2、用户负载端3和储能设备端4；交流电网端1与交流电网连接，光伏电站端2与光伏电站连接，用户负载端3与用户负载连接，储能设备端4在外部通过一双向逆变器与储能设备连接。在本发明实施例中，所述储能设备为蓄电池组，所述光伏电站包括依次连接的并网光伏逆变器和光伏阵列。所述四个接线端固定安装于一接线端子排中，以方便控制器与外部线路的连接。
所述主切换器包括切换电路KM1和开关电路KM2；
所述切换电路KM1的两个输入端分别连接交流电网端1和储能设备端4，切换电路KM1的输出端连接用户负载端3，用于在并网与离网光伏发电系统的相互切换过程中将交流电网和储能设备中的一个与用户负载连接，以切换用户负载的供电电源；
所述开关电路KM2的输入端连接光伏电站端2，输出端连接用户负载端3，用于在并网与离网光伏发电系统的相互切换过程中控制光伏电站的断开和接入。
如图2所示，所述检测控制装置包括逻辑锁定模块以及分别与其连接的电网故障检测模块、第一光伏控制模块、第二光伏控制模块。
所述电网故障检测模块与交流电网端1连接，用于检测交流电网是否故障，并将故障信号和恢复信号传递到逻辑锁定模块。
所述第一光伏控制模块与储能设备端4连接，用于在主切换器将并网光伏发电系统切换到离网光伏发电系统的过程中，检测储能设备供电的稳定性并计算储能设备与用户负载连接的持续时间；当储能设备与用户负载的连接时间超过第一预设时间且储能设备供电稳定时，第一光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号。
所述第二光伏控制模块与交流电网端1连接，用于在主切换器将离网光伏发电系统切换到并网光伏发电系统的过程中，检测交流电网供电的稳定性并计算交流电网与用户负载连接的持续时间；当交流电网与用户负载的连接时间超过第二预设时间且储能设备供电稳定时，第二光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号。
所述逻辑锁定单元与主切换器连接，用于根据电网故障检测模块、第一光伏控制模块和第二光伏控制模块的检测信息，控制主切换器完成并网光伏发电系统和离网光伏发电系统之间的切换。
本发明实施例还包括一控制显示面板，所述控制显示面板内设有与逻辑锁定模块连接的状态显示模块和手动控制模块。所述状态显示模块包括多个指示灯，用于显示光伏发电系统当前所处的并网或离网发电状态。所述手动控制模块包括至少一个手动切换部件，用于向逻辑锁定模块发送手动操作指令信号，使逻辑锁定模块控制主切换器强制进行并网与离网光伏发电系统的相互切换。
由于本发明加入了手动控制模块，用户可根据自身的使用需求，选择本发明的工作模式为半自动模式或全自动模式。在半自动模式下，市电断电后由人通过手动切换部件手动启动离网光伏发电系统，市电恢复供电时控制器自动切回并网光伏发电系统；在全自动模式下，市电断电及市电恢复时，控制器都会自动完成并网与离网光伏发电系统之间的相互切换。
作为改进，还可将状态显示模块与手动控制模块集成到一起，制作成一个带发光显示功能的按钮。通过发光亮度的不同，指示光伏发电系统所处的不同状态；以及通过设置不同的按钮方式，实现仅使用一个按钮即可进行工作模式的切换和光伏发电系统手动切换的功能。
本发明实施例的主切换器使用接触器控制系统，整机电气部分没有使用集成电路、晶体管、场效应管或绝缘栅双极晶体管等有源器件，只有二极管及选用在通信、电力控制等领域经数十年实际运行验证有高可靠性的无源元件组成。
本发明在并网与离网光伏发电系统中进行相互切换操作的过程如下：
1、利用检测控制装置中的电网故障检测模块对交流电网进行持续地监测，当交流电网供电正常时，主切换器中的切换电路KM1保持交流电网与用户负载连通，开关电路KM2保持光伏电站与用户负载连通，交流电网与光伏电站组成并网光伏发电系统向用户负载供电，与传统并网光伏发电系统的工作状态一致；若与储能设备端4连接的双向逆变器处于待机状态，则系统可实现自动切换功能，此时控制显示面板中状态显示模块的指示灯处于微亮状态。
2、当检测控制装置中的电网故障检测模块检测到交流电网出现故障或停电时，发送故障信号到逻辑锁定模块，逻辑锁定模块控制主切换器中的切换电路KM1断开交流电网端1与用户负载端3的连接，将用户负载端3切换到与储能设备端4连接，由双向逆变器将蓄电池组输出的直流电转变为交流电向用户负载供电；同时逻辑锁定模块控制开关电路KM2断开，使光伏电站从供电系统中断开。
当用户负载端3与储能设备端4连通时，第一光伏控制模块开始检测储能设备供电的稳定性并计算储能设备与用户负载连接的持续时间。由于储能设备经双向逆变器与用户负载刚刚连接时，供电参数尚未完全稳定，所以还不能将光伏电站接入供电系统中。然而如果仅仅依靠供电参数的稳定性判断光伏电站的接入时机，仍有出现误判的可能性。因此本发明实施例在检测储能设备供电稳定性的同时，还加入时间控制条件。
正常情况下，在储能设备与用户负载持续连接至少第一预设时间后，供电系统才可能达到完全稳定状态。其中，所述第一预设时间的长短与储能设备和双向逆变器的具体型号和参数有关，一般为1~5秒。本发明实施例将该第一预设时间设置于第一光伏控制模块中，当储能设备与用户负载的连接时间超过第一预设时间且储能设备供电稳定时，第一光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号；逻辑锁定模块收到该通知信号时，控制开关电路KM2闭合，将光伏电站接入供电系统中，此时切换工作完成，蓄电池组、双向逆变器和光伏电站组成离网光伏发电系统向用户负载供电，控制显示面板中状态显示模块的指示灯处于常亮状态。光伏电站通过并网光伏逆变器将光伏阵列产生的电量发送到用户负载，若光伏电站发出的电量比用户负载用电量大，则光伏电站将通过双向逆变器向蓄电池组充电，以便在夜间或阴雨天气均能对用户负载稳定输出电量。若光伏电站发出的电量不足以提供给用户负载，则所缺的电量将由蓄电池组经双向逆变器补充给负载使用。
3、当检测控制装置中的电网故障检测模块检测到交流电网恢复正常供电时，发送恢复信号到逻辑锁定模块，逻辑锁定模块控制主切换器中的切换电路KM1断开储能设备端4与用户负载端3的连接，将用户负载端3切换到与交流电网端1连接，由交流电网向用户负载供电；同时逻辑锁定模块控制开关电路KM2断开，使光伏电站从供电系统中断开。
当用户负载端3与交流电网端1连通时，第二光伏控制模块开始检测交流电网供电的稳定性并计算交流电网与用户负载连接的持续时间。正常情况下，在交流电网与用户负载持续连接至少第二预设时间后，供电系统才可能达到完全稳定状态。其中，所述第二预设时间的长短与交流电网和用户负载的具体参数有关，一般为0.5~3秒，稍短于第一预设时间。本发明实施例将该第二预设时间设置于第二光伏控制模块中，当交流电网与用户负载的连接时间超过第二预设时间且交流电网供电稳定时，第二光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号；逻辑锁定模块收到该通知信号时，控制开关电路KM2闭合，将光伏电站重新接入供电系统中，此时切换工作完成，供电系统变回到正常的并网光伏发电系统。
4、当公共交流电网因大型灾害而导致严重破坏时，恢复时间可能长达数十天。这时虽然许多建筑物屋顶都铺装有各种大小的光伏阵列，而且这些光伏阵列有不少数量在大灾后都还可能保持完好，但是由于并网光伏逆变器有防孤岛保护，交流电网没有恢复供电之前光伏系统是完全无法工作的。这时可以利用本发明的控制显示面板中手动控制模块的切换按钮等手动切换部件，向逻辑锁定模块发送手动操作指令信号，实现与步骤2同样的运行切换过程，实现手动启动离网光伏发电系统。蓄电池容量虽然很有限，但是由于每到太阳出来屋顶光伏阵列的能量就源源不断地供给进来，只要我们对日夜用电负荷进行一定的合适分配，光伏系统将可以很好地维持电力的输出。面对发生大型灾害后市电恢复前艰难的数十个日日夜夜，这些电力显得特别的珍贵，这种脱离交流电网后最长可持续独立供电达数年的离网光伏备用电源给了人们更多生存的希望。
在手动切换操作实现离网光伏发电方式后，若交流电网恢复正常供电，本发明将同样按照步骤3的切换过程，自动切换为并网光伏发电运行状态，真正达到方便、快捷、安全。
本发明在一个白天的实际运行测试如下：
测试当天在并网光伏发电状态与离网光伏发电状态之间进行了数十次的切换操作，包含手动切换模式及全自动切换模式的测试。测试负载为1台1.5匹冷暖空调与1台台式计算机并联接入本发明的用户负载端3。测试当日的8：58－16：00期间，有95%以上的时间光伏发电系统处于离网运行状态（脱离市电独立运行），切换测试的整个过程中没有发现两个负载有任何的异样，一直连续正常工作。整个测试期间天气多云间晴，天空以多云为主，太阳有时突破云层出现明显的直射光，偶尔会见到强烈阳光。其中空调机的工作温度从9：18开始直到测试结束一直固定设置在17℃。蓄电池组在供电过程中由于双向逆变器对其充电，剩余电量由测试开始时测量的84.7%变为测试结束时测量的88.6%。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案相对具有如下优点：
1、安全性高：即使本发明自身出现故障甚至在极端情况下受到完全的破坏，本发明也不会对组成系统的其它任何设备产生不利影响。
2、简单而可靠的设计：本发明整机电气部分的设计符合极简工业设计原则，采用无源元件组成，拥有很高的可靠性和很长的设计寿命。
3、装机灵活：除了光伏电站的规划新建设计方案以外，本发明可对现有并网光伏电站较方便地整体改造，也可依据客户用电量的需求轻松地只对原有光伏电站中的部分光伏装机容量实现改造。
4、配置蓄电池成本较低：通过本发明组建的系统，根据用户负载的用电需求分析、用户所在地的太阳辐射资源等因素推荐配备的最佳蓄电池容量一般均小于常规离网系统蓄电池容量的1/2以上，而且该系统的蓄电池实际运行设计寿命可较常规离网光伏发电系统的蓄电池寿命长一倍或以上。
5、兼容性高：通过本发明组建的系统中多个品牌的并网光伏逆变器可良好地协同工作，含多台微逆变器亦可。
本发明提供的用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，有效地将并网光伏发电系统和离网光伏发电系统良好地融合在一起，当交流电网发生故障时，本发明将能迅速切断用户负载与交流电网的连接，改由储能设备经双向逆变器与光伏电站共同对用户的负载或重要负载供电，若交流电网供电恢复正常，本发明将断开双向逆变器而重新把交流电网自动接入用户负载，光伏电站也将恢复为并网发电工作状态。通过逻辑锁定模块控制主切换器快速切换并网或离网光伏发电方式，保证了用户的负载或重要负载可不受市电故障或断电的影响而得以连续不间断的运行。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种用于并网与离网光伏发电系统切换的控制器，分别与交流电网、光伏电站、储能设备和用户负载连接成回路，其特征在于：包括检测控制装置、主切换器和四个接线端；
所述四个接线端分别为交流电网端、光伏电站端、用户负载端和储能设备端；
所述检测控制装置包括逻辑锁定模块以及分别与其连接的电网故障检测模块、第一光伏控制模块、第二光伏控制模块；
所述电网故障检测模块与交流电网端连接，用于检测交流电网是否故障，并将故障信号和恢复信号传递到逻辑锁定模块；
所述第一光伏控制模块与储能设备端连接，用于在主切换器将并网光伏发电系统切换到离网光伏发电系统的过程中，检测储能设备供电的稳定性并计算储能设备与用户负载连接的持续时间；
所述第二光伏控制模块与交流电网端连接，用于在主切换器将离网光伏发电系统切换到并网光伏发电系统的过程中，检测交流电网供电的稳定性并计算交流电网与用户负载连接的持续时间；
所述逻辑锁定模块与主切换器连接，用于根据电网故障检测模块、第一光伏控制模块和第二光伏控制模块的检测信息，控制主切换器完成并网光伏发电系统和离网光伏发电系统之间的切换。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，当储能设备与用户负载的连接时间超过第一预设时间且储能设备供电稳定时，第一光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号；当交流电网与用户负载的连接时间超过第二预设时间且交流电网供电稳定时，第二光伏控制模块向逻辑锁定模块发送通知信号。
3.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述主切换器包括切换电路和开关电路；
所述切换电路的两个输入端分别连接交流电网端和储能设备端，切换电路的输出端连接用户负载端，用于切换用户负载的供电电源；
所述开关电路的输入端连接光伏电站端，输出端连接用户负载端，用于在并网与离网光伏发电系统的相互切换过程中控制光伏电站的断开和接入。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，当逻辑锁定模块收到电网故障检测模块发来的故障信号时，控制切换电路将用户负载端与储能设备端连接，同时将开关电路断开；
当逻辑锁定模块收到电网故障检测模块发来的恢复信号时，控制切换电路将用户负载端与交流电网端连接，同时将开关电路断开；
当逻辑锁定模块收到第一光伏控制模块或第二光伏控制模块发来的通知信号时，控制开关电路闭合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制器，其特征在于，还包括与逻辑锁定模块连接的状态显示模块，所述状态显示模块包括多个指示灯，用于显示光伏发电系统当前所处的并网或离网发电状态。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制器，其特征在于，还包括与逻辑锁定模块连接的手动控制模块，所述手动控制模块包括至少一个手动切换部件，用于向逻辑锁定模块发送手动操作指令信号，使逻辑锁定模块控制主切换器强制进行并网与离网光伏发电系统的相互切换。
7.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括接线端子排，所述四个接线端固定于接线端子排中。
8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述储能设备端在外部通过一双向逆变器与储能设备连接。
9.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述第二预设时间短于第一预设时间。
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