CN103683312A - 一种集成智能光伏发电组件及其方法 - Google Patents

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孙耀杰
林燕丹
陈文良
陈木辉
陈达腾
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Abstract

本发明涉及一种集成智能光伏发电组件，同时提供一种光伏电池能量转换的方法。集成智能光伏发电组件，包括光伏电池、DC-DC变换器、DC-AC逆变器、控制器、反并联二极管，所述的光伏电池与反并联二极管相连，反并联二极管还与DC-DC变换器、DC-AC逆变器依次相连；所述的控制器与DC-DC变换器、DC-AC逆变器相连，用于控制DC-DC变换器、DC-AC逆变器。采用光伏电池组与反并联二极管、DC-DC变换器、DC-AC逆变器并联的结构，除了更好地解决电池组错误接入方式造成损坏之外，还能实现提高光伏系统的利用效率、降低阴影遮挡的影响、线路设计简单、安装方便、有效避免直流拉弧的危害等有益效果。

Description

一种集成智能光伏发电组件及其方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电领域，更具体地说，涉及一种集成智能光伏发电组件，同时提供一种光伏电池能量转换的方法，适用于独立光伏并网发电系统。
背景技术
在当今能源短缺的现状下，太阳能作为一种可再生的能源，具有清洁、分布广泛且取之不尽等优点，大力发展光伏发电对于缓解能源的短缺、环境污染以及人类的可持续发展具有重要的意义和具有巨大的发展潜力。
目前国内外的光伏组件都采用集中式的方式应用，发电效率易受光伏组件的不匹配特性影响，特别是光伏阴影遮挡，不仅极大地制约发电效率，还可能由于局部“热斑”造成光伏发电系统不可靠。
现有解决方法有：
（1）通过改变光伏组件的连接结构，将集中式系统改为串式或多串式系统，甚至采用直流模块化结构；
（2）研究阴影遮挡下多峰值曲线的MPPT算法；
（3）通过变换输出侧电力电子变换装置，即改变输出的电压、电流形式来提高效率和降低光伏阴影遮挡的影响。
例如，把单个光伏组件作为独立电源的形式通过DC-DC变换器并对其进行单独MPPT控制，或则通过微型逆变器的形式来把光伏组件构成独立的发电系统，从而提高光伏系统的利用效率降低阴影遮挡的影响。
而外加变换器（DC-DC变换器、微型逆变器）在提高光伏组件利用效率的同时也有其不足之处，如要添加连接线路、接地回路、外壳和支架，不但增加成本，线路设计较复杂，安装时间更长，特别存在直流拉弧的危害。
中国实用新型专利ZL201020625501.6公开了一种光伏发电装置，包括PV源和逆变电路，所述光伏发电装置还包括防反接电路、电压检测装置以及控制器；所述防反接电路包括二极管、电阻以及开关，所述二极管与所述电阻串接形成第一支路，所述第一支路与所述开关并接，所述防反接电路还包括电容，所述电容与所述逆变电路并联联接后与所述开关串接；所述电压检测装置用于检测所述电容两极的电压；所述控制器与所述电压检测装置电连接，并用于控制所述开关的开闭。本实用新型的光伏发电装置可解决PV源反接时可能造成的损坏的问题。
上述实用新型专利的技术方案仅提供解决PV源反接时可能造成的损坏的问题，对于其他不足，诸如：光伏系统的利用效率低、阴影遮挡的影响大、线路设计复杂、安装费时、存在直流拉弧的危害等不足等问题都仍然存在。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高光伏系统的利用效率、降低阴影遮挡的影响、线路设计简单、安装方便、有效避免直流拉弧的一种集成智能光伏发电组件，并提供了基于此装置的光伏电池能量转换的方法。
本发明的技术方案如下：
一种集成智能光伏发电组件，包括光伏电池、DC-DC变换器、DC-AC逆变器、控制器、反并联二极管，所述的光伏电池与反并联二极管相连，反并联二极管还与DC-DC变换器、DC-AC逆变器依次相连；所述的控制器与DC-DC变换器、DC-AC逆变器相连，用于控制DC-DC变换器、DC-AC逆变器。
作为优选，所述的光伏电池具有多个串联输出接线端子，形成串联电池组；反并联二极管与串联电池组的输出线并联。
作为优选，所述的光伏电池、DC-DC变换器、DC-AC逆变器、控制器、反并联二极管集成在一块电路上，形成集成电路。
作为优选，所述的集成电路置于光伏组件接线盒内。
作为优选，DC-AC逆变器输出的电流经组件输出接线端子输出。
一种光伏电池能量转换的方法，基于上述中任一项所述的集成智能光伏发电组件，步骤如下：
1）光伏电池与反并联二极管并联，反并联二极管将电压输出至DC-DC变换器；
2）DC-DC变换器对反并联二极管输入的电压进行变压；
3）经DC-DC变换器变换后的电压输出至DC-AC逆变器；
4）DC-AC逆变器对DC-DC变换器输入的电压进行逆变，成为交流电流；
5）DC-AC逆变器输出的交流电流经输出接线端子输出。
作为优选，DC-DC变换器、DC-AC逆变器通过控制器进行控制。
本发明的有益效果如下：
采用光伏电池组与反并联二极管、DC-DC变换器、DC-AC逆变器并联的结构，除了更好地解决电池组错误接入方式造成损坏之外，还能实现提高光伏系统的利用效率、降低阴影遮挡的影响、线路设计简单、安装方便、有效避免直流拉弧的危害等有益效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的实施例的具体结构示意图；
图3是本发明的控制器的结构示意图；
图中：1是光伏电池，2是反并联二极管，3是DC-DC变换器，4是DC-AC逆变器，5是控制器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示，一种集成智能光伏发电组件，包括光伏电池1、DC-DC变换器3、DC-AC逆变器4、控制器5、反并联二极管2，所述的光伏电池1与反并联二极管2相连，反并联二极管2还与DC-DC变换器3、DC-AC逆变器4依次相连；所述的控制器5与DC-DC变换器3、DC-AC逆变器4相连，用于控制DC-DC变换器3、DC-AC逆变器4。DC-AC逆变器4输出的电流经组件输出接线端子输出。
所述的光伏电池1具有多个串联输出接线端子，形成串联电池组；反并联二极管2与串联电池组的输出线并联。
DC-DC变换器3的输入与反并联二极管2的输出相连，DC-DC变换器3输出为经变换器变换后的电压。DC-DC变换器3输出的直流电压经DC-AC逆变器4变换成为合乎用户需求的电压电流。其中控制器5产生对于DC-DC变换器3和DC-AC逆变器4的控制信号，用于控制DC-DC变换器3和DC-AC逆变器4的开关器件。
所述的光伏电池1、DC-DC变换器3和DC-AC逆变器4、控制器5、反并联二极管2集成在一块电路上，形成集成电路。所述的集成电路置于光伏组件接线盒内。
本发明还提供了一种光伏电池1能量转换的方法，基于所述的集成智能光伏发电组件，步骤如下：
1）光伏电池1与反并联二极管2并联，反并联二极管2将电压输出至DC-DC变换器3；
2）DC-DC变换器3对反并联二极管2输入的电压进行变压；
3）经DC-DC变换器3变换后的电压输出至DC-AC逆变器4；
4）DC-AC逆变器4对DC-DC变换器3输入的电压进行逆变，成为交流电流；
5）DC-AC逆变器4输出的交流电流经输出接线端子输出。
在转换过程中，DC-DC变换器3、DC-AC逆变器4的开关通过控制器5进行控制。
实施例具体由图2和图3进行详细的电路结构和控制策略分析。
图2是本发明提出一种集成智能光伏发电组件的主电路结构框图。若干串联光伏电池1组串联输出，每一个都并联有反并联二极管2。光伏电池1输出侧与DC-DC变换器3的输入侧直接相连，本例中的DC-DC变换器3采用Boost升压变换器，其中续流二极管使用同一个半桥模块的伴生桥臂。C1是光伏电池1输出储能电容，Cdc是DC-DC升压后的储能电容。经DC-DC变换器3升压后，得到稳定的高直流电压，然后经DC-AC逆变器4逆变器输出符合要求的交流电。Lfa/Cfa，Lfb/Cfb，Lfc/Cfc是二阶载波滤波器器，滤除高频PWM载波，获得所需要的交流波形，最后通过连接器接入电网，完成从不规则的光伏直流电到电网或用户需要的规定交流电。
图3是本发明提出一种集成智能光伏发电组件的控制器5原理框图，主要完成3个关键控制：
（1）检测光伏输出的直流电压VPV和IPV，通过最大功率跟踪算法（MPPT），实现光伏电池1的最大功率输出，算法获得的控制信号直接作用于DC-DC变换器3，实现控制；
（2）为了使得输出交流电波形得到较好的控制，本发明的实例中还要维持DC-AC逆变器4输入侧的直流电压稳定可调，实现的方式是通过采样直流侧电压Vdc与系统设定的电压值
Figure BDA00002098187500051
比较后的误差值，通过调节器Gdc来给出控制信号
Figure BDA00002098187500052
（3）对于DC-AC逆变器4的控制是先对要输入的电网的电压进行PLL锁相环进行相位的提取，所得的相位信息与直流电压调节量进行相位乘积，获得的量作为输出给定的电流值
Figure BDA00002098187500053
与输出电流采样值is，经电流调节器GIs调节后作为电压控制的参考值与采样的电网电压vs比较及调节器GVs控制后就是所需要PWM控制信号量。
经以光伏能量，直流侧电压和输出电压及电流的控制的三个环节的控制，就可以完成所需的控制任务。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种集成智能光伏发电组件，包括光伏电池、DC-DC变换器、DC-AC逆变器、控制器，其特征在于，还包括反并联二极管，所述的光伏电池与反并联二极管相连，反并联二极管还与DC-DC变换器、DC-AC逆变器依次相连；所述的控制器与DC-DC变换器、DC-AC逆变器相连，用于控制DC-DC变换器、DC-AC逆变器的开关。
2.根据权利要求1所述的集成智能光伏发电组件，其特征在于，所述的光伏电池具有多个串联输出接线端子，形成串联电池组；反并联二极管与串联电池组的输出线并联。
3.根据权利要求1所述的集成智能光伏发电组件，其特征在于，所述的光伏电池、DC-DC变换器、DC-AC逆变器、控制器、反并联二极管集成在一块电路上，形成集成电路。
4.根据权利要求3所述的集成智能光伏发电组件，其特征在于，所述的集成电路置于光伏组件接线盒内。
5.根据权利要求1所述的集成智能光伏发电组件，其特征在于，DC-AC逆变器输出的电流经组件输出接线端子输出。
6.一种光伏电池能量转换的方法，其特征在于，基于权利要求1至5中任一项所述的集成智能光伏发电组件，步骤如下：
1）光伏电池与反并联二极管并联，反并联二极管将电压输出至DC-DC变换器；
2）DC-DC变换器对反并联二极管输入的电压进行变压；
3）经DC-DC变换器变换后的电压输出至DC-AC逆变器；
4）DC-AC逆变器对DC-DC变换器输入的电压进行逆变，成为交流电流；
5）DC-AC逆变器输出的交流电流经输出接线端子输出。
7.根据权利要求6所述的光伏电池能量转换的方法，其特征在于，DC-DC变换器、DC-AC逆变器的开关通过控制器进行控制。
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