CN103219761B - 可扩展控制逆变一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展控制逆变一体机，属于太阳能光伏技术领域，其结构由：电池管理模块、蓄电池、逆变输出模块、辅助电源、MCU主控芯片、检测电路、LCD显示电路、PWM1模块等构成，其中电池管理模块的输入端使用导线与太阳能电池板相连，电池管理模块的输出端通过导线与蓄电池相连，蓄电池通过导线与逆变输出模块相连，辅助电源分别与MCU主控芯片、PWM驱动连接，MCU主控芯片通过显示排线与LCD显示电路相连，PWM1模块、PWM2模块通过PWM驱动分别与电池管理模块、逆变输出模块的端口连接；本发明实现了一机多用，可控制蓄电池充放电、可作为离网或并网逆变功能，实现精确控制电能。

Description

可扩展控制逆变一体机

技术领域

本发明涉及一种太阳能充放电控制与逆变装置，尤其涉及一种可扩展控制逆变一体机。

背景技术

目前，光伏离网发电系统一般由太阳能板阵列、充放电控制器、逆变器及蓄电池等构成，传统设计方法是将控制器和逆变器分开设置，这样需要在控制器和逆变器上分别安装显示电路，但采用此种设计存在的弊端如下：1）因该装置属于专业电气设备，一般用于难以正确连接和调试，日常管理中难以操作；2）由于设备分散，导致占用的空间大，设备体积大；3）由于设备分开设置，需要安装的显示电路数量多，相配套的零部件较多，导致成本居高不下；4）两种设备兼容性差，导致系统运行不稳定，且效率低下等。

控制逆变一体机是针对太阳能光伏发电组件所发的直流电能进行转变(专业术语称“逆变”)为常用负载所需的交流电，同时对与发电组建配套的蓄电池的充放电进行控制。近年来，国内太阳能光伏产业发展迅速，但是基本上都未取得核心技术的突破，其中控制逆变器还未有成熟的产品投入市场。其主要技术难题在于：1）、逆变技术的电子线路设计不够完善，导致输出电流波形效果差，对负载伤害大，逆变效率低；2）、结构设计粗糙，外观不好看，体型大；3）、制造工艺差，质量与性能不稳定。设计的产品能够实现控制环节和逆变环节是两个独立的功能，在传统的产品中这两个功能环节的载体是两个独立的产品——控制器、逆变器，在实际应用中十分不便。

随着光伏发电不断市场化，磷酸铁锂等电池性能不断提高，微网技术不断发展，模块化、多功能化、微型化的户用光伏发电系统也在不断发展，能够更好解决边远地区、高原地区和特殊条件下的用电需求。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术存在的弊端，而提供一种可扩展控制逆变一体机，将传统的电池充放电控制器与逆变器整合在一起，实现一机多用，可控制蓄电池充放电、可作为离网或并网逆变功能，同时采用了ARM芯片能够实现精确控制电能，且能够显示各种参数，扩大了产品的使用范围。

本发明是通过以下的技术方案来实现的：

可扩展控制逆变一体机，其结构由：电池管理模块、蓄电池、逆变输出模块、辅助电源、MCU主控芯片、检测电路、LCD显示电路、PWM1模块、PWM驱动、ADC1模块、ADC2模块构成，其中电池管理模块的输入端使用导线与太阳能电池板相连，电池管理模块的输出端通过导线与蓄电池相连，蓄电池通过导线与逆变输出模块相连，辅助电源分别与MCU主控芯片、PWM驱动连接，MCU主控芯片通过显示排线与LCD显示电路相连，PWM1模块、PWM2模块通过PWM驱动分别与电池管理模块、逆变输出模块的端口连接，电池管理模块中的检测端口通过检测电路1与ADC1模块连接，逆变输出模块中的检测端口通过检测电路2与ADC2模块连接；

所述的电池管理模块，其由主电路、充电电流检测电路、电池板电压检测电路、蓄电池电流以及方向检测电路、蓄电池电压检测电路构成，其中电池板电压检测电路的一端分别通过引脚与主电路一侧的输入端连接，另一端设置有太阳能电池板引线端口，充电电流检测电路一端的两个端口并联连接于主电路上，蓄电池电压检测电路通过引脚与主电路一侧的输出端连接，蓄电池电流以及方向检测电路与充电电流检测电路的另一端连接；

所述的逆变输出模块，其由升压部分电路、交流电调制电路、mos管驱动电路、电网电压测量电路构成，其中交流电调制电路的一端两个引线接口与升压部分电路右侧接口对应连接，mos管驱动电路中的PWM+、PWM-两引脚与升压部分电路中的PWM+、PWM-两引脚连接，逆变输出模块是实现由12V或24V经过逆变产生交流220V50HZ的电能，升压部分电路采用两组变压器次级串联方式，将电压提升到400V，然后由后端的交流电调制电路实现输出交流电能，电能输出分为离网模式和并网模式。

所述的辅助电源，其分别通过线缆与MCU主控芯片、PWM驱动连接，为整个系统提供一个稳定可靠的供电系统，能够保证太阳能电池板以及蓄电池双重供电系统的可靠工作；

所述的MCU主控芯片，其采用ARM内核32位处理器STM32F103RBT6，利用PWM模块和ADC模块；

所述的LCD显示电路，其型号采用LCD1602，显示当前的电池板电压、充电电流、电池电量、放电电流、交流输出电压、交流输出电流、电池温度信息；

所述的检测电路，其包括检测电路1、检测电路2，检测电路1具有能够检测电池板电压、蓄电池电压、充电电流、放电电流的功能；检测电路2起到检测输出电压、输出电流的功能。

本发明可扩展控制逆变一体机，其工作原理为：在太阳照射下，太阳能电池板的电压为一定值时，控制核心MCU主控芯片会启动电池管理模块，给蓄电池充电，同时MCU主控芯片会监测电池板发电的参数，进行最大功率跟踪；如此时有负载连接，MCU主控芯片会启动逆变输出模块，自动判断离网模式或并网模式并发电输出功率，并且通过检测电路检测到输出的电压、电流参数，同时MCU主控芯片会通过LCD显示电路显示电量、电压参数；

离网模式由MCU主控芯片控制升压部分电路中PWM+、PWM-输出互补的PWM波形，让场效晶体管Q2、Q4、Q6和Q3、Q5、Q7形成互补导通，在变压器T1、T2、T3次级输出以一定频率改变方向的电流，经过D11、D12、D13、D14整流形成高电压直流，再经过交流电调制电路的N沟道功率场效晶体管RF1、RF2、RF3、RF4所组成的全桥逆变电路形成交流电压，即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值能够调节逆变电路输出电压的频率和幅值，在离网输出时，其输出固定220V/50HZ的电能，并且根据负载功率的大小，调节升压部分电路中的PWM占空比，控制不同功率输出，而且通过U7霍尔电流传感器采集到输出电流值，通过PT1、PT2采集到输出电压值，将这些参数发送给MCU，形成一个控制回路，起到输出短路保护，自动稳压的功能；

并网模式下，与离网模式所不同的是，升压部分电路始终是以最大功率模式输出，以检测电网电压作为输出电压，即输出电压跟随电网电压，范围是180V-276VAC，输出频率也是跟随电网频率，范围在45Hz-65Hz，符合国家标准，符合孤岛保护功能和低压穿越功能；

孤岛保护功能采用被动式和主动式方案，被动式方案就是通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应；主动式方案通过引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。

由于采用了以上技术，本发明较现有技术或产品相比，具有的有益效果如下：

1）将传统的电池充放电控制器与逆变器在功能上整合到了一起，实现了一机多用。

2）可以控制蓄电池充放电、可以作为离网或并网逆变。

3）由于采用ARM芯片实现精确控制电能，并且将主要的参数显示出来，更加方便使用。

4）具有集成并网发电、离网发电、电池管理等功能，实现离网、并网双模式运行于一体。

5）具有逆变、储能一体化光伏组件，实现户用光伏系统模块化集成，达到用户光伏发电“DIY”，解决了偏远地区、高原地区等特殊条件下的供电问题。

附图说明

图1、为本发明的结构框图。

图2、为本发明中的电池管理模块电路图。

图3、为本发明中的逆变输出模块电路图。

图4、为本发明中的辅助电源电路图。

图5、为本发明中的MCU主控芯片电路图。

图6、为本发明中的显示模块电路图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明的结构及工作原理做进一步说明：

如图1所示，可扩展控制逆变一体机，其结构由：电池管理模块、蓄电池、逆变输出模块、辅助电源、MCU主控芯片、检测电路、LCD显示电路、PWM1模块、PWM驱动、ADC1模块、ADC2模块等构成，其中电池管理模块的输入端使用导线与太阳能电池板相连，电池管理模块的输出端通过导线与蓄电池相连，蓄电池通过导线与逆变输出模块相连，辅助电源分别与MCU主控芯片、PWM驱动连接，MCU主控芯片通过显示排线与LCD显示电路相连，PWM1模块、PWM2模块通过PWM驱动分别与电池管理模块、逆变输出模块的端口连接，电池管理模块中的检测端口通过检测电路1与ADC1模块连接，逆变输出模块中的检测端口通过检测电路2与ADC2模块连接。

如图2所示，所述的电池管理模块，其由主电路、充电电流检测电路、电池板电压检测电路、蓄电池电流以及方向检测电路、蓄电池电压检测电路构成，其中电池板电压检测电路的一端分别通过引脚与主电路一侧的输入端连接，另一端设置有太阳能电池板引线端口，充电电流检测电路一端的两个端口并联连接于主电路上，蓄电池电压检测电路通过引脚与主电路一侧的输出端连接，蓄电池电流以及方向检测电路与充电电流检测电路的另一端连接，通过采用电压法对电池板做最大功率跟踪，并且具有锂电池恒流恒压充电等功能，电池管理模块具有MPPT电池充放电功能，其由单片机输出一定占空比的PWM，经过PWM驱动形成可以驱动功率mos管的波形，驱动BUCK降压电路，给蓄电池充电，并且实时监测电池板的电压、蓄电池的电压、充电电流、电池板温度等，将这些数据发给MCU主控芯片，由MCU主控芯片经过一系列处理调节PWM的占空比，实现充电可控性和对电池板的最大功率跟踪。

如图3所示，所述的逆变输出模块，其由升压部分电路、交流电调制电路、mos管驱动电路、电网电压测量电路构成，其中交流电调制电路的一端两个引线接口与升压部分电路右侧接口对应连接，mos管驱动电路中的PWM+、PWM-两引脚与升压部分电路中的PWM+、PWM-两引脚连接，逆变输出模块是实现由12V或24V经过逆变产生交流220V50HZ的电能，升压部分电路采用两组变压器次级串联方式，将电压提升到400V，然后由后端的交流电调制电路实现输出交流电能，电能输出分为离网模式和并网模式。

如图4所示，所述的辅助电源，其分别通过线缆与MCU主控芯片、PWM驱动连接，为整个系统提供一个稳定可靠的供电系统，能够保证太阳能电池板以及蓄电池双重供电系统的可靠工作。

如图5所示，所述的MCU主控芯片，其采用ARM内核32位处理器STM32F103RBT6，利用PWM模块和ADC模块，具有主频高、资源丰富、性价比高、供货稳定。

如图6所示，所述的LCD显示电路，其型号采用LCD1602，可以显示当前的电池板电压、充电电流、电池电量、放电电流、交流输出电压、交流输出电流、电池温度等信息。

所述的检测电路，其包括检测电路1、检测电路2，检测电路1具有能够检测电池板电压、蓄电池电压、充电电流、放电电路的功能；检测电路2起到检测输出电压、输出电流的功能。

本发明可扩展控制逆变一体机，其工作原理为：在太阳照射下，太阳能电池板的电压为一定值时，控制核心MCU主控芯片会启动电池管理模块，给蓄电池充电，同时MCU主控芯片会监测电池板发电的参数，进行最大功率跟踪；如此时有负载连接，MCU主控芯片会启动逆变输出模块，自动判断离网模式或并网模式并发电输出功率，并且通过检测电路检测到输出的电压、电流参数，同时MCU主控芯片会通过LCD显示电路显示电量、电压参数；

离网模式由MCU主控芯片控制升压部分电路中PWM+、PWM-输出互补的PWM波形，让场效晶体管Q2、Q4、Q6和Q3、Q5、Q7形成互补导通，在变压器T1、T2、T3次级输出以一定频率改变方向的电流，经过D11、D12、D13、D14整流形成高电压直流，再经过交流电调制电路的N沟道功率场效晶体管RF1、RF2、RF3、RF4所组成的全桥逆变电路形成交流电压，即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值能够调节逆变电路输出电压的频率和幅值，在离网输出时，其输出固定220V/50HZ的电能，并且根据负载功率的大小，调节升压部分电路中的PWM占空比，控制不同功率输出，而且通过U7霍尔电流传感器采集到输出电流值，通过PT1、PT2采集到输出电压值，将这些参数发送给MCU，形成一个控制回路，起到输出短路保护，自动稳压的功能；

并网模式下，与离网模式所不同的是，升压部分电路始终是以最大功率模式输出，以检测电网电压作为输出电压，即输出电压跟随电网电压，范围是180V-276VAC，输出频率也是跟随电网频率，范围在45Hz-65Hz，符合国家标准，符合孤岛保护功能和低压穿越功能；

孤岛保护功能采用被动式和主动式方案，被动式方案就是通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应；主动式方案通过引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。

Claims (3)

1.可扩展控制逆变一体机，其结构由：电池管理模块、蓄电池、逆变输出模块、辅助电源、MCU主控芯片、检测电路、LCD显示电路、PWM1模块、PWM驱动、ADC1模块、ADC2模块构成，其特征在于：其中电池管理模块的输入端使用导线与太阳能电池板相连，电池管理模块的输出端通过导线与蓄电池相连，蓄电池通过导线与逆变输出模块相连，辅助电源分别与MCU主控芯片、PWM驱动连接，MCU主控芯片通过显示排线与LCD显示电路相连，PWM1模块、PWM2模块通过PWM驱动分别与电池管理模块、逆变输出模块的端口连接，电池管理模块中的检测端口通过检测电路1与ADC1模块连接，逆变输出模块中的检测端口通过检测电路2与ADC2模块连接；

所述的电池管理模块，其由主电路、充电电流检测电路、电池板电压检测电路、蓄电池电流以及方向检测电路、蓄电池电压检测电路构成，其中电池板电压检测电路的一端分别通过引脚与主电路一侧的输入端连接，另一端设置有太阳能电池板引线端口，充电电流检测电路一端的两个端口并联连接于主电路上，蓄电池电压检测电路通过引脚与主电路一侧的输出端连接，蓄电池电流以及方向检测电路与充电电流检测电路的另一端连接；

所述的逆变输出模块，其由升压部分电路、交流电调制电路、mos管驱动电路、电网电压测量电路构成，其中交流电调制电路的一端两个引线接口与升压部分电路右侧接口对应连接，mos管驱动电路中的PWM+、PWM-两引脚与升压部分电路中的PWM+、PWM-两引脚连接，逆变输出模块是实现由12V或24V经过逆变产生交流220V50HZ的电能，升压部分电路采用两组变压器次级串联方式，将电压提升到400V，然后由后端的交流电调制电路实现输出交流电能，电能输出分为离网模式和并网模式。

2.如权利要求1所述的可扩展控制逆变一体机，其特征在于：所述的辅助电源，其分别通过线缆与MCU主控芯片、PWM驱动连接，为整个系统提供一个稳定可靠的供电系统，能够保证太阳能电池板以及蓄电池双重供电系统的可靠工作；

所述的MCU主控芯片，其采用ARM内核32位处理器STM32F103RBT6；

所述的LCD显示电路，其型号采用LCD1602，显示当前的电池板电压、充电电流、电池电量、放电电流、交流输出电压、交流输出电流、电池温度信息；

所述的检测电路，其包括检测电路1、检测电路2，检测电路1具有能够检测电池板电压、蓄电池电压、充电电流、放电电流的功能；检测电路2起到检测输出电压、输出电流的功能。

3.如权利要求1所述的可扩展控制逆变一体机，其特征在于：其工作原理为：在太阳照射下，太阳能电池板的电压达到一定值时，控制核心MCU主控芯片会启动电池管理模块，给蓄电池充电，同时MCU主控芯片会监测电池板发电的参数，进行最大功率跟踪；如此时有负载连接，MCU主控芯片会启动逆变输出模块，自动判断离网模式或并网模式并发电输出功率，并且通过检测电路检测到输出的电压、电流参数，同时MCU主控芯片会通过LCD显示电路显示电量、电压参数；

离网模式由MCU主控芯片控制升压部分电路中PWM+、PWM-输出互补的PWM波形，让场效晶体管Q2、Q4、Q6和Q3、Q5、Q7形成互补导通，在变压器T1、T2、T3次级输出以一定频率改变方向的电流，经过D11、D12、D13、D14整流形成高电压直流，再经过交流电调制电路的N沟道功率场效晶体管RF1、RF2、RF3、RF4所组成的全桥逆变电路形成交流电压，即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值能够调节逆变电路输出电压的频率和幅值，在离网输出时，其输出固定220V/50HZ的电能，并且根据负载功率的大小，调节升压部分电路中的PWM占空比，控制不同功率输出，而且通过U7霍尔电流传感器采集到输出电流值，通过PT1、PT2采集到输出电压值，将这些参数发送给MCU，形成一个控制回路，起到输出短路保护，自动稳压的功能；

并网模式下，与离网模式所不同的是，升压部分电路始终是以最大功率模式输出，以检测电网电压作为输出电压，即输出电压跟随电网电压，范围是180V-276VAC，输出频率也是跟随电网频率，范围在45Hz-65Hz，符合国家标准，符合孤岛保护功能和低压穿越功能；

孤岛保护功能采用被动式和主动式方案，被动式方案就是通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应；主动式方案通过引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。