CN103944252B

CN103944252B - 一种家庭用的光伏控制系统

Info

Publication number: CN103944252B
Application number: CN201410205061.1A
Authority: CN
Inventors: 华正才
Original assignee: GUANGZHOU OMARTE LIGHTING Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Omarte Lighting Co., Ltd.
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN103944252A

Abstract

本发明公开一种家庭用的光伏控制系统，包括有转动架、太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池组以及光伏逆变器；通过将太阳能电池板可翻转地设置于转动架上，利用第一电机带动转动架旋转，利用第二电机带动太阳能电池板翻转，同时配合将太阳能跟踪器设置于太阳能电池板的表面中心，利用太阳能跟踪器控制第一电机和第二电机的工作，以使得太阳能电池板获得最大的光辐射正射面积，尽可能多地接受太阳能量，实现高效的采集和利用太阳能，以及，配合由三相主电抗器和三相副电抗器共用一中轭，该中轭截面积以特定设计，可减小中轭截面积，降低材料成本，又可保证共用中轭的温升达到要求，又可使噪音降低，整机效率亦得以提升。

Description

一种家庭用的光伏控制系统

技术领域

本发明涉及光伏领域技术，尤其是指一种家庭用的光伏控制系统。

背景技术

太阳能作为一种新能源，取之不尽，用之不竭，同时由于太阳能是一种洁净的能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，绝对不会造成污染和公害，因此在高倡环保的今天，广为被人们所青睐。太阳能发电是一种常见的太阳能利用方式，现行的太阳能发电都采用大规模的发电站进行太阳能发电，大规模的太阳能发电站由于其规模大、成本高、占地面积大，只适用于公共用电发电，而不适用于普通家庭使用。

而对于普通家庭来说，电费开支也成为其中不可省略的部分，对于部分家庭而言，更是成为了沉重的负担。特别是某些地广人稀的地方，由于公共资源还欠发达，很多地方都没有公共电力设施进行供电，因此根本无法使用电视、洗衣机、冰箱、电饭煲等现代流行、方便的家用电器，极大地限制了人们生活质量的提高。因此，寻找可以替代的可再生能源，减少常规能源的消耗，成为了人们一直渴望解决而尚未得到有效解决的难题。目前太阳能光伏发电所遇到的关键问题是如何高效的采集和利用太阳能，光伏电池产生的直流电经逆变而成的交流电与电网电压的相位不同，如何进行调节，并且逆变后的交流电如何消除高次谐波，以免带给电网污染，以上问题使得两种交流电源很难叠加使用。此外，目前光伏逆变器中一般采用两台独立的三相电抗器组成滤波线路，如此不仅材料成本高，而且使整体体积大，占地空间多，装配及操作复杂、繁琐，显然阻碍了现今光伏并网发电的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种家庭用的光伏控制系统，其能够高效的采集和利用太阳能，具有稳定性高、安装方便、操作简单等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种家庭用的光伏控制系统，包括有转动架、太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池组以及光伏逆变器；

该转动架安装于室外，转动架由第一电机带动旋转；

该太阳能电池板可翻转地安装于转动架上，太阳能电池板由第二电机带动翻转，且该太阳能电池板的表面中心设置有太阳能跟踪器，该太阳能跟踪器连接第一电机和第二电机，太阳能跟踪器控制第一电机和第二电机的工作；

该充放电控制器连接太阳能电池板；

该蓄电池组的输入端连接充放电控制器，蓄电池组的输出端连接家庭负载；

该光伏逆变器的输入端连接充放电控制器，光伏逆变器的输出端连接家庭负载，且该光伏逆变器包括有：包括升压电路、逆变电路、滤波电路，该升压电路与该逆变电路相连接，该逆变电路和滤波电路相连接，该滤波电路由电抗器组成；

该电抗器包括有框架，该框架由上轭、上芯柱、中轭、下芯柱、下轭构成，该上芯柱位于上轭与中轭之间，该下芯柱位于下轭与中轭之间，并于上芯柱和下芯柱上分别对应绕制第一线圈、第二线圈，其中由下轭、下芯柱、第二线圈和前述中轭共同构成三相主电抗器，由上轭、上芯柱、第一线圈和中轭共同构成三相副电抗器，所述主电抗器和副电抗器产生磁通在中轭上得以部分抵消，所述主电抗器、副电抗器所通过的额定电流I_L相同，且该主电抗器的电感是副电抗器的电感两倍，所述主电抗器的磁感应强度B_Z设定在0.8T～1.04T之间，所述副电抗器的磁感应强度B_Z设定在1.1T～1.25T之间,所述第二线圈的匝数N₂大于第一线圈匝数N₁，所述下轭截面积为S₁，所述中轭截面积为S₂=M×S₁×1.2，M为中轭上抵消后剩下磁通Φ₁/下轭上磁通Φ₂。

优选的，所述上芯柱为无取向硅钢片，所述下芯柱为取向硅钢片。

优选的，所述充放电控制器通过MPPT装置连接交直流控制器，交直流控制器中包含自补偿控制电路和单片机，交直流控制器的输入端接太阳能电池板，输出端通过MPPT装置接充放电控制器。

优选的，所述交直流控制器还连接外部电网。

优选的，所述转动架为绝缘材质，转动架的周缘设置有导电层，该导电层与太阳能电池板电性连接，交直流控制器的输入端连接有接触弹片，随转动架的转动，该接触弹片与导电层保持接触电连接。

优选的，所述光伏逆变器进一步包括有控制电路和防逆流电路，该控制电路与所述逆变电路相连接，所述防逆流电路与所述控制电路相连接，所述防逆流电路包括依次相连接的用于实时检测家庭负载用电情况的功率采集模块、根据所采集到的用电信息智能判断光伏逆变器的功率输出状态的决策模块、控制模块。

优选的，所述控制电路包括 DSP 芯片。

优选的，所述升压电路包括 DC－DC 变换器、DC-AC 变换器和设置在所述 DC－DC变换器、DC-AC 变换器之间的直流滤波电容。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

一、通过将太阳能电池板可翻转地设置于转动架上，利用第一电机带动转动架旋转，利用第二电机带动太阳能电池板翻转，同时配合将太阳能跟踪器设置于太阳能电池板的表面中心，利用太阳能跟踪器控制第一电机和第二电机的工作，以使得太阳能电池板获得最大的光辐射正射面积，尽可能多地接受太阳能量，实现高效的采集和利用太阳能，以及，配合由三相主电抗器和三相副电抗器共用一中轭，该中轭截面积以特定设计，可减小中轭截面积，降低材料成本，又可保证共用中轭的温升达到要求，又可使噪音降低，整机效率亦得以提升。

二、通过将防逆流电路直接集成于光伏逆变器中，用户可自行设置是否开启该功能。无需额外装置，即可根据用户实时的负载用电量大小，智能控制光伏逆变器的功率输出状态，用户可以最大程度减少对电网电能的消费；不向电网馈电，造成电网对用户误收费；如果遇到天气等原因而无法充裕的向用户供电时，可实现市电和光伏发电互补，由电网和光伏逆变器同时向家庭负载供电，光伏逆变器始终运行在 MPPT装置上，当光伏逆变器的电产能大于家庭负载所需要的功率而发生逆流时，防逆流电路作出判断决策，光伏逆变器单独向家庭负荷供电，并且不再运行在 MPPT装置上，家庭负载需要多少电，光伏逆变器就输出多少电能，不让电能反馈到电网上。可见，本发明可以根据家庭用电情况，自动控制运行在最大功率点跟踪状态或是运行在与跟踪家庭负荷消耗功率状态。解决了由于普通电度表无法判断供电和馈电入网时出现的误收费情况。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的结构原理示意图；

图2是本发明之较佳实施例中光伏逆变器的结构原理图；

图3是本发明之较佳实施例中电抗器的整体构架平面示意图；

图4是本发明之较佳实施例中电抗器的原理示意图。

附图标识说明：

10、转动架 20、太阳能电池板

30、充放电控制器 40、蓄电池组

50、光伏逆变器 51、升压电路

52、逆变电路 53、滤波电路

54、控制电路 55、防逆流电路

61、MPPT装置 62、交直流控制器

101、第一电机 102、第二电机

103、太阳能跟踪器 104、导电层

105、接触弹片 100′、电抗器

10′、副电抗器 11′、上轭

12′、上芯柱 13′、第一线圈

20′、中轭 30′、主电抗器

31′、下芯柱 32′、下轭

33′、第二线圈

具体实施方式

请参照图1至图4所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有转动架10、太阳能电池板20、充放电控制器30、蓄电池组40以及光伏逆变器50。

该转动架10安装于室外，转动架10由第一电机101带动旋转。

该太阳能电池板20可翻转地安装于转动架10上，太阳能电池板20由第二电机102带动翻转，在本实施例中，该太阳能电池板20是绕其一侧边翻转，不以为限，且该太阳能电池板20的表面中心设置有太阳能跟踪器103，该太阳能跟踪器103连接第一电机101和第二电机102，太阳能跟踪器103控制第一电机101和第二电机102的工作，以使得太阳能电池板获得最大的光辐射正射面积，尽可能多地接受太阳能量。

该充放电控制器30连接太阳能电池板20，在本实施例中，该充放电控制器30通过MPPT装置61连接交直流控制器62；该MPPT装置 61用于对太阳能电池板20进行功率的追踪与控制，保证太阳能电池板20始终在最大功率状态运，交直流控制器62中包含自补偿控制电路和单片机，交直流控制器62的输入端接太阳能电池板20，输出端通过MPPT装置61接充放电控制器30，该交直流控制器62还连接外部电网，以根据需要切换至由外部电网进行供电，通过交直流控制器62自动切换供电电源，并在光照强度不足时开启交流输入，以补偿蓄电池组40的充电阀值，延长有效日照时间，最大限度地利用太阳能提高系统的转换效率。以及，在本实施例中，该转动架10为绝缘材质，转动架10的周缘设置有导电层104，该导电层104与太阳能电池板20电性连接，交直流控制器62的输入端连接有接触弹片105，随转动架10的转动，该接触弹片105与导电层104保持接触电连接。

该蓄电池组40用于储存多余电量，在本实施例中，该蓄电池组40的一个较好的选择是磷酸铁锂蓄电池，该种电池体积小、重量轻、寿命长、效率高、有较平坦的充电电压平台，该蓄电池组40的输入端连接充放电控制器30，蓄电池组40的输出端连接家庭负载，蓄电池组40可为家庭负载直接供电。

该光伏逆变器50的输入端连接充放电控制器30，光伏逆变器50的输出端连接家庭负载，且该光伏逆变器50包括有升压电路51、逆变电路52、滤波电路53，该升压电路51包括 DC－DC 变换器、DC-AC 变换器和设置在所述 DC－DC变换器、DC-AC 变换器之间的直流滤波电容，该升压电路51与该逆变电路52相连接，该逆变电路52和滤波电路53相连接，该滤波电路53由电抗器100′组成。

具体而言，该电抗器100′包括有框架，该框架由上轭11′、上芯柱12′、中轭20′、下芯柱31′、下轭32′构成，该上芯柱12′位于上轭11′与中轭20′之间，该下芯柱31′位于下轭32′与中轭20′之间，并于上芯柱12′和下芯柱31′上分别对应绕制第一线圈13′、第二线圈33′，其中由下轭32′、下芯柱31′、第二线圈33′和前述中轭20′共同构成三相主电抗器30′，由上轭11′、上芯柱12′、第一线圈13′和中轭20′共同构成三相副电抗器10′，所述主电抗器30′和副电抗器10′产生磁通在中轭20′上得以部分抵消，所述主电抗器30′、副电抗器10′所通过的额定电流IL相同，且设定该主电抗器30′的电感是副电抗器10′的电感两倍，所述主电抗器30′的磁感应强度B_Z设定在0.8T～1.04T之间，所述副电抗器10′的磁感应强度B_Z设定在1.1T～1.25T之间,所述第二线圈33′的匝数N₂大于第一线圈13′匝数N₁，所述下轭32′截面积为S₁，所述中轭20′截面积为S₂，依据S₂=M×S₁×1.2设计中轭20′截面积，M为中轭上抵消后剩下磁通Φ₁/下轭上磁通Φ₂。所述中轭20′上抵消后剩下磁通依据Φ₁=K×（N₂-N₁）×I_L得出，所述下轭32′上磁通依据Φ₂=K×N₂×I_L得出，其中K为磁通与NI转换系数。所述上芯柱12′为无取向硅钢片，所述下芯柱31′为取向硅钢片，这样选择材料方便，有利于降低成本，并亦不会影响运行效率。

以0.05mH/1100A三相电抗器作为副电抗器，0.1mH/1100A三相电抗器作为主电抗器为例，采用前述公式设计中轭20′的截面面积，相比传统共用铁轭面积可以更加缩小，不仅减少中轭20′材料成本，并且在500KVA光伏逆变器满载运行下测得中轭的温升仅有70℃，完全达到要求，同时噪音亦得到降低，尤其是整体运行效率在98.5%以上，大幅提升运行效率。

另外，该光伏逆变器50进一步包括有控制电路54和防逆流电路55，该控制电路54与所述逆变电路52相连接，该控制电路54包括 DSP 芯片，所述防逆流电路55与所述控制电路54相连接，所述防逆流电路55包括依次相连接的用于实时检测家庭负载用电情况的功率采集模块、根据所采集到的用电信息智能判断光伏逆变器的功率输出状态的决策模块、控制模块。功率采集模块包括 AD 转换芯片，用于采集家庭电路中的电压电流；决策模块以处理器芯片为核心，对采集到的信息进行运算处理；控制模块对光伏逆变器50的输出进行控制。防逆流电路可以保证光伏逆变器输出功率控制的准确性和迅速性。用户可自行设置是否开启该功能。

该控制电路54以处理器芯片为核心，采集太阳能电池板20的直流电压电流，芯片内部的比较单元处理，计算后输出控制信号，经过光耦隔离后产生 IGBT 开通或关断的 PWM 信号，将输入的直流信号逆变为交流信号。升压电路51采用了 Boost 升压电路，它可以将光伏列阵的输出电压提升到合适的可并网逆变的输出电压值。此外为了最大限度的转换光伏阵列的输出功率，升压电路51还需实现最大功率跟踪（MPPT）。逆变电路52为全桥逆变电路，它将直流电逆变成交流电以供家用负荷使用。控制电路54对升压电路51及逆变电路52进行控制。

该防逆流电路55，为了防止光伏逆变器50产生的电能倒送回电网，功率采集模块实时采集家庭负荷用电的电压电流信号以及检测是否有逆流情况发生，并将信号传输给决策模块。决策模块根据接收到的电压电流信号经过运算处理后，对光伏逆变器50的输出作出正确的判断。决策模块作出决策后，与之相连的控制模块触发，控制光伏逆变器50运行在跟踪负载功率状态或是运行在跟踪最大功率点状态。

该功率采集模块实时监测家庭负荷消耗功率和逆变器的输出功率。当家庭负荷功率大于光伏逆变器50输出功率时，程序自动判断和决策，控制光伏逆变器50全程投入工作，并且运行在跟踪最大功率点状态，直接供用户使用，用户可以最大程度的减少家用负荷从电网取电，节约家庭用电成本。当家用负荷用电功率减少时，程序自动判断和决策，控制光伏逆变器50限功率工作，运行在跟踪负荷功率状态，光伏逆变器50输出功率与家庭负荷功率相等。并且，用户可以自行设置是否启用该功能。若不启用该功能，光伏逆变器50便始终运行在 MPPT装置61 上。本发明中的光伏逆变器50，在给用户供电的方式上作出判断和切换动作，帮助用户合理使用电能，减少不必要的能量损失和家庭电费的损失。

本发明的设计重点是：

首先，通过将太阳能电池板可翻转地设置于转动架上，利用第一电机带动转动架旋转，利用第二电机带动太阳能电池板翻转，同时配合将太阳能跟踪器设置于太阳能电池板的表面中心，利用太阳能跟踪器控制第一电机和第二电机的工作，以使得太阳能电池板获得最大的光辐射正射面积，尽可能多地接受太阳能量，实现高效的采集和利用太阳能，以及，配合由三相主电抗器和三相副电抗器共用一中轭，该中轭截面积以特定设计，可减小中轭截面积，降低材料成本，又可保证共用中轭的温升达到要求，又可使噪音降低，整机效率亦得以提升。

其次，通过将防逆流电路直接集成于光伏逆变器中，用户可自行设置是否开启该功能。无需额外装置，即可根据用户实时的负载用电量大小，智能控制光伏逆变器的功率输出状态，用户可以最大程度减少对电网电能的消费；不向电网馈电，造成电网对用户误收费；如果遇到天气等原因而无法充裕的向用户供电时，可实现市电和光伏发电互补，由电网和光伏逆变器同时向家庭负载供电，光伏逆变器始终运行在 MPPT装置上，当光伏逆变器的电产能大于家庭负载所需要的功率而发生逆流时，防逆流电路作出判断决策，光伏逆变器单独向家庭负荷供电，并且不再运行在 MPPT装置上，家庭负载需要多少电，光伏逆变器就输出多少电能，不让电能反馈到电网上。可见，本发明可以根据家庭用电情况，自动控制运行在最大功率点跟踪状态或是运行在与跟踪家庭负荷消耗功率状态。解决了由于普通电度表无法判断供电和馈电入网时出现的误收费情况。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：包括有转动架、太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池组以及光伏逆变器；

该转动架安装于室外，转动架由第一电机带动旋转；

该充放电控制器连接太阳能电池板；

该电抗器包括有框架，该框架由上轭、上芯柱、中轭、下芯柱、下轭构成，该上芯柱位于上轭与中轭之间，该下芯柱位于下轭与中轭之间，并于上芯柱和下芯柱上分别对应绕制第一线圈、第二线圈，其中由下轭、下芯柱、第二线圈和前述中轭共同构成三相主电抗器，由上轭、上芯柱、第一线圈和中轭共同构成三相副电抗器，所述主电抗器和副电抗器产生磁通在中轭上得以部分抵消，所述主电抗器、副电抗器所通过的额定电流I_L相同，且该主电抗器的电感是副电抗器的电感两倍，所述主电抗器的磁感应强度B_Z设定在0.8T～1.04T之间，所述副电抗器的磁感应强度B_Z设定在1.1T～1.25T之间,所述第二线圈的匝数N₂大于第一线圈匝数N₁，所述下轭截面积为S₁，所述中轭截面积为S₂＝M×S₁×1.2，M为中轭上抵消后剩下磁通Φ₁/下轭上磁通Φ₂；

所述充放电控制器通过MPPT装置连接交直流控制器，交直流控制器中包含自补偿控制电路和单片机，交直流控制器的输入端接太阳能电池板，输出端通过MPPT装置接充放电控制器。

2.如权利要求1所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述上芯柱为无取向硅钢片，所述下芯柱为取向硅钢片。

3.如权利要求1所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述交直流控制器还连接外部电网。

4.如权利要求1所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述转动架为绝缘材质，转动架的周缘设置有导电层，该导电层与太阳能电池板电性连接，交直流控制器的输入端连接有接触弹片，随转动架的转动，该接触弹片与导电层保持接触电连接。

5.如权利要求1所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述光伏逆变器进一步包括有控制电路和防逆流电路，该控制电路与所述逆变电路相连接，所述防逆流电路与所述控制电路相连接，所述防逆流电路包括依次相连接的用于实时检测家庭负载用电情况的功率采集模块、根据所采集到的用电信息智能判断光伏逆变器的功率输出状态的决策模块、控制模块。

6.如权利要求5所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述控制电路包括DSP芯片。

7.如权利要求5所述的一种家庭用的光伏控制系统，其特征在于：所述升压电路包括DC－DC变换器、DC-AC变换器和设置在所述DC－DC变换器、DC-AC变换器之间的直流滤波电容。