CN103928962A - 利用光伏能源实现节能的在线ups系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用光伏能源实现节能的在线UPS系统及其控制方法。该系统包括与交流电网连接的第一有功电表、光伏电池、蓄电池组、充电电路、第二有功电表，还包括：整流电路、逆变器、DC/DC变换电路、二极管D1和旁路开关，所述第一有功电表的输出端与整流电路的输入端、旁路开关的一端相连，所述整流电路的输出端、光伏电池均与逆变器的输入端、充电电路的输入端相连；所述蓄电池组与二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与逆变器的输入端相连；所述逆变器的输出端和旁路开关的另一端均与第二有功电表的输入端相连。本发明克服了光伏发电依赖电网的缺点，实现了光伏电能的最大化利用。

Description

利用光伏能源实现节能的在线UPS系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏电源领域，尤其涉及利用光伏能源实现节能的在线UPS系统及其控制方法。

背景技术

光伏发电技术作为一种新兴清洁能源产业，最近几年发展迅速，与传统的能源相比，具有环保、可重复利用等优点。在美国、日本、德国、法国等国家已实施了光伏屋顶发电系统，UPS作为重要负载的断点保护装置已经广泛应用于工业生产以及居民生活的各个场合。将光伏电池与UPS结合起来可以更好的发挥两者的优势，无需增加额外成本即可实现光伏资源的最大利用。

发明内容

本发明提出了将光伏发电与UPS系统相结合，在不增加额外成本的条件下实现光伏的离网发电，实现了功能最优化的在线UPS系统及其控制方法。

为实现上述设计，本发明采用以下技术方案：

一方面采用利用光伏能源实现节能的在线UPS系统，包括与交流电网连接的第一有功电表、光伏电池、蓄电池组、与蓄电池组相连的充电电路、与负载连接的第二有功电表，还包括：整流电路、逆变器、DC/DC变换电路、二极管D1和旁路开关，所述第一有功电表的输出端与整流电路的输入端、旁路开关的一端相连，所述整流电路的输出端、光伏电池均与逆变器的输入端、充电电路的输入端相连；所述蓄电池组与二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与逆变器的输入端相连；所述逆变器的输出端和旁路开关的另一端均与第二有功电表的输入端相连。

其中，当光伏电池的工作电压与逆变器的工作电压相同时，所述光伏电池与逆变器的输入端直接相连。

其中，当光伏电池的工作电压与逆变器的工作电压不相同时，还包括DC/DC变换电路，所述光伏电池通过DC/DC变换电路与逆变器的输入端相连。

其中，还包括功率因素校正电路，所述功率因素校正电路的一端与整流电路相连，另一端与逆变器相连。

其中，还包括切换开关，所述切换开关的一个连接状态串联在整流电路和第一有功电表之间，另一个连接状态串联在发电机和整流电路之间。

其中，所述蓄电池组设置有检测装置，当检测装置检测到蓄电池组中的电量低于阈值时，输出用于启动所述发电机的触点信号。

另一方面采用利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的控制方法，包括：

当市电供电正常，没有光伏电池供电时，由市电为负载供电和蓄电池组充电；

当没有市电供电，没有光伏电池供电时，由蓄电池组为负载供电直至蓄电池组放电终止；

当没有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率时，负载由光伏电池供电，光伏电池的剩余电量为蓄电池组充电；

当没有市电供电，光伏电池的供电功率小于负载的功率时，负载由光伏电池和蓄电池组同时供电；

当有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率时，负载由光伏电池供电，光伏电池的剩余电量为蓄电池组充电，市电作为备用电源；

当有市电供电，光伏电池的供电功率小于负载的功率时，负载由光伏和市电同时供电，实现了市电的节能；

当有市电供电，逆变器故障时，接通旁路开关，市电为负载供电，市电为蓄电池组供电，如果有光伏电池供电，光伏电池为蓄电池组充电；

当有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率，且蓄电池组未接或无效时，由光伏电池为负载供电。

其中，还包括：

当无市电供电，且蓄电池组的检测装置检测到蓄电池组中的电量低于阈值时，输出触点信号启动发电机为负载供电。

本发明的有益效果在于：系统利用了UPS的原理构架，实现了光伏与UPS的结合，克服了光伏发电依赖电网的缺点，非常适用于需要连续供电且需利用光伏节能节电的场合，能够在任何条件下实现了光伏电能的最大化利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的结构方框图。

图2是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的另一结构方框图。

图3是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图4是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图5是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图6是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图7是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图8是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图9是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图10是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

图11是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的一个工作状态下的电流流动示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其是本发明实施例提供的利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的结构方框图。本实施例的主要用于光伏发电的节能应用，特别适用于光源充足、有足够屋顶面积、需要连续供电，又要实现节能减排的场所，例如大型商业大厦等，本发明能够利用UPS现有的电路构架在不增加额外成本的情况下实现光伏的节能与发电。如图所示，该在线UPS系统，包括与交流电网连接的第一有功电表110、光伏电池111、蓄电池组112、与蓄电池组112相连的充电电路113、与负载114连接的第二有功电表115，还包括：整流电路116、逆变器117、二极管D1和旁路开关119，所述第一有功电表110的输出端与整流电路116的输入端、旁路开关119的一端相连，所述整流电路116的输出端、光伏电池111均与逆变器117的输入端、充电电路113的输入端相连；所述蓄电池组112与二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与逆变器117的输入端相连；所述逆变器117的输出端和旁路开关119的另一端均与第二有功电表115的输入端相连。当光伏电池111的工作电压与逆变器117的工作电压相同时，所述光伏电池111与逆变器117的输入端直接相连。

系统利用了UPS的原理构架，实现了光伏与UPS的结合，克服了光伏发电依赖电网的缺点，非常适用于需要连续供电且需利用光伏节能节电的场合，能够在任何条件下实现了光伏电能的最大化利用。光伏电池111作为恒流源为电路供电，整个系统能够根据电路状态自动调整电流的流向，实现最合理的电能的传输和利用。

其中的第一有功电表110和第二有功电表115能够分别得到市电的计量数和负载耗电的计量数，有助于分析电能消耗的构成，直观了解光伏电池111带来的能源开支的减少。当光伏电池111的工作电压与逆变器117的工作电压相同时，光伏电池111直接为逆变器117供电，用户可以根据其中的光伏电池111和逆变器117的参数组织合适的系统。特别如果将光伏电池111和逆变器117的工作电压设置为相同，能够省略DC/DC变换电路，降低系统的建设成本。这就验证了在不用增加额定成本的条件，利用了UPS现有构架实现光伏的节能发电。

进一步的，如图2所示，所述在线UPS系统，还包括功率因素校正电路，所述功率因素校正电路的一端与整流电路116相连，另一端与逆变器117相连。还包括切换开关120，所述切换开关120的一个连接状态串联在整流电路116和第一有功电表110之间，另一个连接状态串联在发电机121和整流电路116之间。所述蓄电池组112设置有检测装置，当检测装置检测到蓄电池组112中的电量低于阈值时，输出用于启动所述发电机111的触点信号。当光伏电池111的工作电压与逆变器117的工作电压不相同时，还包括DC/DC变换电路118，所述光伏电池111通过DC/DC变换电路118与逆变器117的输入端相连。

特别说明的，在此的DC/DC变换电路118为了实现工作电压不同的光伏电池111和逆变器117之间的电流流动，调整使得逆变器117输入的电压与工作电压相同。

本方案中的在线UPS系统，由电路方式自身的设计，整个电路的状态将会自动跳转，自动将光伏处于最佳利用状态，无需根据电路中的电流状态进行条件判断以及对应的逻辑跳转，光伏电池111作为恒流源为电路供电，整个系统能够根据电路状态自动调整电流的流向，实现最合理的电能的传输和利用。

以下为该在线UPS系统的控制方法的实施例，其基于在图1或图2所示的在线USP系统的基础上实现。

当市电正常供电但是光伏电池111无法供电时，此时的在线UPS系统可以看为一个现有的普通UPS电源，此时的蓄电池组112及负载114均有市电供电，而市电经过整流电路116和和逆变器117之后，已经具有稳定的频率和电压，能够为负载114提供高质量的用电，而输送到蓄电池组112的电流经过充电电路113之后变得相当稳定，此时的电流流动方向如图3中的箭头方向所示。

当无市电无光伏电时，在线UPS系统只能通过蓄电池组112供电，直至放电终止，例如蓄电池组112中的电能耗完、市电或光伏电重新供电，在蓄电池组112供电的过程中，电流的流动如图4中的箭头方向所示。

当无市电且光伏功率大于负载功率时，这种情况意味着光伏电池111产生的电能除了供应负载114的消耗还有多余，此时将多余的电能经过DC/DC变换电路118变压稳压，再经过充电电路113转换为蓄电池组112的充电电压，输送到蓄电池组112进行电能存储，在这种情况下的电流流动的方向如图5所示。

当无市电且光伏功率小于负载功率时，这种情况下仅仅依靠光伏电池111产生的电能无法满足负载114的电能需求，作为补充，蓄电池组112通过二极管D1，将直流电经过逆变同时向负载114供电，保证负载114在额定功率或接近额定功率的供电条件下工作，延长使用寿命，提高工作效率，在这种情况下的电流流动的方向如图6所示。

当有市电且光伏功率大于负载功率时，此时从可行性来讲市电和光伏电池111都可以为负载114供电，但是由于光伏功率大于负载功率，只由光伏电池111即可满足负载114的电能需求同时还可为蓄电池组112供电，但是由于光源的多变性，可能会出现光伏电池111的供电能力下降的情况，此时市电也加入到供电行列中，具体如图7所示，其中点虚线为光伏电池111独立供电时的电流流动方向，当光伏电池111的供电能力下降，线段虚线所示的市电也加入供电行列中。

当有市电且光伏功率小于负载功率时，此时光伏电池111全力供电，市电补充供电，这种工作状态实际上就是前一工作状态中变化后的情况，具体的电流的流动方向如图8所示。

当有市电有光伏，逆变器损坏时，此时旁路开关119闭合，负载114通过旁路由市电供电，同时光伏电池111和市电仍然可以为蓄电池组112供电，具体的电流的流动方向如图9所示。

当有市电无蓄电池且光伏功率大于负载功率时，也就是蓄电池组112损坏或未接时，负载114可以完全由光伏电池111供电，但是这种状态由于少了蓄电池组112的平滑功能，光伏电池111供电的不稳定性会影响负载114供电的可靠性，故而这种状态需要天气非常好的时候作为紧急使用，例如光照强烈的夏天的正午前后时段，此时只有一个电流的流动方向，具体如图10所示。

进一步的，在图2所示的在线UPS系统上，丰富设置控制方法。

当无市电供电，且蓄电池组112的检测装置检测到蓄电池组112中的电量低于阈值时，输出触点信号启动发电机121为负载114供电。

在这一改进方案中，主要是用于无市电的情况下，因为光伏电的不稳定性，在没有市电的情况下，如果光伏功率一直小于负载功率，蓄电池组112中储存的电能也会被耗光，此时可以通过发电机121和光伏电池111配合向负载114和蓄电池组112供电，当然，当光伏电池111的供电停止时，亦可由发电机121独立供电。其中，功率因素校正电路有利于进一步提供能量的利用率。

上述的各种工作状态，均由电路自动调节，无需独立的检测装置来进行条件判断和逻辑跳转，自动即可完成良好的节能效果，提供能量的利用率，降低生产生活的能源开支，有利于建立低碳环境。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.利用光伏能源实现节能的在线UPS系统，包括与交流电网连接的第一有功电表、光伏电池、蓄电池组、与蓄电池组相连的充电电路、与负载连接的第二有功电表，其特征在于，还包括：整流电路、逆变器、二极管D1和旁路开关，所述第一有功电表的输出端与整流电路的输入端、旁路开关的一端相连，所述整流电路的输出端、光伏电池均与逆变器的输入端、充电电路的输入端相连；所述蓄电池组与二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与逆变器的输入端相连；所述逆变器的输出端和旁路开关的另一端均与第二有功电表的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种在线UPS系统，其特征在于，当光伏电池的工作电压与逆变器的工作电压相同时，所述光伏电池与逆变器的输入端直接相连。

3.根据权利要求1所述的在线UPS系统，其特征在于，当光伏电池的工作电压与逆变器的工作电压不相同时，还包括DC/DC变换电路，所述光伏电池通过DC/DC变换电路与逆变器的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的在线UPS系统，其特征在于，还包括功率因素校正电路，所述功率因素校正电路的一端与整流电路相连，另一端与逆变器相连。

5.根据权利要求1所述的在线UPS系统，其特征在于，还包括切换开关，所述切换开关的一个连接状态串联在整流电路和第一有功电表之间，另一个连接状态串联在发电机和整流电路之间。

6.根据权利要求5所述的在线UPS系统，其特征在于，所述蓄电池组设置有检测装置，当检测装置检测到蓄电池组中的电量低于阈值时，输出用于启动所述发电机的触点信号。

7.利用光伏能源实现节能的在线UPS系统的控制方法，其特征在于，包括：

当市电供电正常，没有光伏电池供电时，由市电为负载供电和蓄电池组充电；

当没有市电供电，没有光伏电池供电时，由蓄电池组为负载供电直至蓄电池组放电终止；

当没有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率时，负载由光伏电池供电，光伏电池的剩余电量为蓄电池组充电；

当没有市电供电，光伏电池的供电功率小于负载的功率时，负载由光伏电池和蓄电池组同时供电；

当有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率时，负载由光伏电池供电，光伏电池的剩余电量为蓄电池组充电，市电作为备用电源；

当有市电供电，光伏电池的供电功率小于负载的功率时，负载由光伏和市电同时供电，实现了市电的节能；

当有市电供电，逆变器故障时，接通旁路开关，市电为负载供电，市电为蓄电池组供电，如果有光伏电池供电，光伏电池为蓄电池组充电；

当有市电供电，光伏电池的供电功率大于负载的功率，且蓄电池组未接或无效时，由光伏电池为负载供电。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

当无市电供电，且蓄电池组的检测装置检测到蓄电池组中的电量低于阈值时，输出触点信号启动发电机为负载供电。