CN105450138A - 一种太阳能光伏变频器及光伏扬水系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光伏领域，提供了一种太阳能光伏变频器及光伏扬水系统，该变频器包括：交流/直流切换单元，其直流输入端与光伏电池连接，其交流输入端与市电连接；整流单元，其输入端与交流/直流切换单元的交流输出端连接；MPPT控制单元，其输入端与光伏电池连接；变频调速控制单元，其输入端同时与整流单元的输出端和交流/直流切换单元的直流输出端连接，其控制端与MPPT控制单元的输出端连接，其输出端与电动机连接。本发明在光线不足时可以切换至市电供电，从而实现全天时间的扬水需求，并且通过采集光伏电池的输出功率实现最大功率追踪，可使光伏电池的使用效率到达98％以上大大增加了能源利用率。

Description

一种太阳能光伏变频器及光伏扬水系统

技术领域

本发明属于光伏领域，尤其涉及一种太阳能光伏变频器及光伏扬水系统。

背景技术

随着光伏电池板转化效率的提高以及价格的降低，光伏扬水系统应用越来越广泛，特别在一些日照条件好，市电紧张或市电不易到达的地方。传统的光伏扬水控制器大多采用固定电压输出，不能跟踪光伏电池板的最大功率造成资源的浪费，并且，目前光伏扬水系统中的变频器不能使输入电源在交流电(市电)和直流电(光伏阵列)之间切换，在光线长时间不充足的时候，难以保证水泵全天候的连续运行。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种太阳能光伏变频器，旨在解决目前光伏扬水系统中的变频器不能使输入电源在交流电与直流电之间切换的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种太阳能光伏变频器，所述变频器连接于光伏电池与电动机之间，其特征在于，所述变频器还与市电连接，所述变频器包括：

交流/直流切换单元，用于检测环境光线，并在环境光线充足时切换到直流电源供电，在环境光线不足时切换到交流电源供电，所述交流/直流切换单元的直流输入端与所述光伏电池连接，所述交流/直流切换单元的交流输入端与所述市电连接；

整流单元，用于对交流电源电压进行整流，输出直流电压，所述整流单元的输入端与所述交流/直流切换单元的交流输出端连接；

MPPT控制单元，用于采集光伏电池的输出功率，根据所述输出功率输出变频控制信号，并通过扰动所述变频控制信号确定最大输出功率，所述MPPT控制单元的输入端与所述光伏电池连接；

变频调速控制单元，用于根据所述变频控制信号控制所述电动机的输出频率变化，所述变频调速控制单元的输入端同时与所述整流单元的输出端和所述交流/直流切换单元的直流输出端连接，所述变频调速控制单元的控制端与所述MPPT控制单元的输出端连接，所述变频调速控制单元的输出端与所述电动机连接。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述太阳能光伏变频器的光伏扬水系统。

本发明实施例在光线不足时可以通过交流/直流切换单元切换至市电供电，从而实现全天时间的扬水需求，保证在日照强度突变下扬水系统的稳定运行，并且通过采集光伏电池的输出功率实现最大功率追踪，可使光伏电池的使用效率到达98％以上，大大增加了能源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的太阳能光伏变频器的结构图；

图2为本发明一优选实施例提供的太阳能光伏变频器的结构图；

图3为本发明实施例提供的太阳能光伏变频器中交流/直流切换单元和MPPT控制单元的结构图；

图4为本发明实施例提供的太阳能光伏变频器中开关控制单元的示例电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例在光线不足时将变频器切换至市电供电，从而实现全天时间的扬水需求，保证在日照强度突变下扬水系统的稳定运行，并且通过采集光伏电池的输出功率实现最大功率追踪，提高光伏电池的使用效率。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图1示出了本发明实施例提供的太阳能光伏变频器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该太阳能光伏变频器1可以应用于任何光伏扬水系统中。

该太阳能光伏变频器1连接于光伏电池2与电动机4之间，太阳能光伏变频器1还与市电3连接，包括：

交流/直流切换单元11，用于检测环境光线，并在环境光线充足时切换到直流电源(光伏电池)供电，在环境光线不足时切换到交流电源(市电)供电，交流/直流切换单元11的直流输入端与光伏电池2连接，交流/直流切换单元11的交流输入端与市电3连接；

整流单元12，用于对交流电源电压进行整流，输出直流电压，整流单元12的输入端与交流/直流切换单元11的交流输出端连接；

MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功率点跟踪)控制单元13，用于采集光伏电池的输出功率，根据输出功率输出变频控制信号，并通过扰动变频控制信号确定最大输出功率，MPPT控制单元13的输入端与光伏电池2连接；

变频调速控制单元14，用于根据变频控制信号控制电动机的输出频率变化，变频调速控制单元14的输入端同时与整流单元12的输出端和交流/直流切换单元11的直流输出端连接，变频调速控制单元14的控制端与MPPT控制单元13的输出端连接，变频调速控制单元14的输出端与电动机4连接。

在本发明实施例中，太阳能光伏变频器1同时与光伏电池2和市电3连接，在日照充足时由光伏电池2供电，在日照不足时切换到市电3供电，以保证水泵5运行不受日照影响。

在切换到市电3供电时，整流单元12将市电的交流电转化为直流电输出给变频调速控制单元14供电。

对于交流异步电动机4来说，当负载越大时，其所需要消耗的电能越多，电能的功率与电动机的输出频率的立方成正比。因此可以通过调整电动机4的输出频率从而确定光伏电池2的输出最大功率点。

当切换到光伏电池2(光伏阵列)供电时，MPPT控制单元13对光伏电池2在不同日照和温度下电流及电压采样来确定其输出功率，由于电动机4的输出频率与光伏电池2提供的功率成一定比例关系，因此可以对电动机4的输出频率以一定的步长不断扰动，并判断光伏电池2输出功率的变化，从而确定光伏电池2的输出最大功率点，完成对光伏阵列的MPPT控制。

在本发明实施例中，可以通过变频控制信号改变电动机4的输出频率。

变频调速控制单元14根据MPPT控制单元13输出的变频控制信号进行频率调整，进而完成对交流异步电机4的调速控制。

本发明实施例在光线不足时可以通过交流/直流切换单元切换至市电供电，从而实现全天时间的扬水需求，保证在日照强度突变下扬水系统的稳定运行，并且通过采集光伏电池的输出功率实现最大功率追踪，可使光伏电池的使用效率到达98％以上，大大增加了能源利用率。

图2示出了本发明一优选实施例提供的太阳能光伏变频器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该太阳能光伏变频器1还包括：

打干保护单元15，用于根据电动机4的输出电流判断是否处于打干状态，并于打干状态下控制电动机4停机，打干保护单元15的输入端与电动机4的电流输出端连接，打干保护单元15的输出端与电动机4的控制端连接。

作为本发明一优选实施例，该打干保护单元15包括：

打干检测模块151，用于在不同输出频率下检测电动机4的输出电流，打干检测模块151的输入端为打干保护单元15的输出入端；

在本发明实施例中，该打干检测模块151可以采用电流采样电路实现。

打干判断模块152，用于当输出电流低于预设值时，输出打干判断信号，大干判断模块152的输入端与打干检测模块151的输出端连接；

在本发明实施例中，该打干判断模块152可以采用比较电路实现。

打干控制模块153，用于根据打干判断信号控制电动机4停机，打干控制模块153的输入端与打干判断模块152的输出端连接，打干控制模块153的输出端为打干保护单元15的输出端。

在本发明实施例中，打干保护单元15检测水泵的输出电流，当电流过小时控制电动机4停机，实现打干保护功能，其中打干检测模块151可以与变频器内部具有的电流检测功能的电路模块共用。

休眠控制单元16，用于采集光伏电池2的输出电压，当光伏电池2的输出电压低于预设值时，控制光伏电池2进入休眠状态，休眠控制单元16的输入端与光伏电池2的输出端连接，休眠控制单元16的输出端与光伏电池2的休眠控制端连接。

作为本发明一优选实施例，该休眠控制单元16包括：

休眠采集模块161，用于采集光伏电池的输出电压，休眠采集模块161的输入端为休眠控制单元16的输入端；

在本发明实施例中，该休眠采集模块161可以采用电压采样电路实现。

休眠判断模块162，用于当光伏电池的输出电压小于预设值值时生成休眠信号，休眠判断模块162的输入端与休眠采集模块的输出端连接；

在本发明实施例中，该休眠判断模块162可以采用比较电路实现。

休眠控制模块163，用于根据休眠信号控制光伏电池进入休眠状态，休眠控制模块163的输入端与休眠采集模块的输出端连接，休眠控制模块163的输出端为休眠控制单元16的输出端。

在本发明实施例中，休眠控制单元16在电动机4不工作的时候通过光伏电池的输出电压判断是否需要休眠，在电动机4工作的时候可以通过光伏电池的输出电压和电动机4的输出电流来确定输出功率，并根据输出功率与预设功率值进行比较判断是否需要休眠，当输出电压小于预设电压一段时间后，进入休眠保护状态，或输出功率小于预设功率一段时间后，也进入休眠保护状态。

并且，休眠控制单元16可以共用打干保护单元15中的打干检测模块151进行对电动机4输出电流的检测。

在本发明实施例中，通过实时采样电动机4的输出电流来判断水泵是否处于打干状态，进入打干状态后控制水泵停止运行一段时间(进入休眠)，在预设时间(休眠时间)后再次运行。

本发明实施例通过电动机的输出电流判断水泵的打干状态，相比于现有采用水位传感器的方案检测减少了技术故障点，降低了生产成本；相比于现有使用水泵空载电流判断打干状态，避免了由于不同水泵空载电流不同造成的判断不准确。并且本发明实施例还在打干状态或者光伏电池的输出功率不能满足设定的最少输出频率时，进行休眠控制，并在休眠设定的时间后退出休眠状态，再次进行打干判断。

图3示出了本发明实施例提供的太阳能光伏变频器中交流/直流切换单元和MPPT控制单元的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该交流/直流切换单元11包括：

感光模块111，用于根据环境光生成相应的电信号；

在本发明实施例中，可以采用光敏器件或光传感器件感应环境光。

电流比较单元112，用于将电信号与阈值信号比较，输出开关控制信号，电流比较单元112的输入端与感光模块111的输出端连接；

在本发明实施例中，可以采用比较电路实现电信号与阈值信号的比较。

开关控制单元113，用于根据开关控制信号实现对直流电源与交流电源之间的切换，开关控制单元113的控制端与电流比较单元112的输出端连接，开关控制单元113的直流输入端为交流/直流切换单元11的直流输入端，开关控制单元113的交流输入端为交流/直流切换单元11的交流输入端，开关控制单元113的直流输出端为交流/直流切换单元11的直流输出端，开关控制单元113的交流输出端为交流/直流切换单元11的交流输出端。

参见图4，开关控制单元113包括：

第一保险丝FU1、第二保险丝FU2、第三保险丝FU3、第四保险丝FU4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一继电器KM1、第二继电器KM2、热保护器件FR、第三开关SB1、第四开关S4以及第五开关S5；

第三保险丝FU3、第四保险丝FU4的一端分别为开关控制单元113的两直流输入端与光伏电池的正、负输出端连接，第三保险丝FU3、第四保险丝FU4的另一端分别与第二继电器KM2的双路受控开关1132B的一侧导通双端连接，第二继电器KM2的双路受控开关1132B的另一侧导通双端分别与第一二极管D1、第二二极管D2的阳极连接，第一二极管D1、第二二极管D2的阴极分别为开关控制单元113的两直流输出端，第一保险丝FU1、第二保险丝FU2的一端分别为开关控制单元113的两交流输入端与市电的零线和火线连接，第一保险丝FU1、第二保险丝FU2的另一端分别与第一继电器KM1的双路受控开关1131B的一侧导通双端连接，第一继电器KM1的双路受控开关1131B的另一侧导通双端分别为开关控制单元113的两交流输出端，与市电火线连接的开关控制单元113的一交流输入端还与热保护器件FR的一端连接，热保护器件FR的另一端与第三开关SB1的一导通端连接，第三开关SB1的另一导通端与第四开关S4的一导通端连接，第四开关S4的另一导通端与第一继电器KM1的线圈1131A一导通端连接，第四开关S4的控制端为开关控制单元113的第一控制端，第一继电器KM1的线圈1131A另一导通端为开关控制单元113的另一交流输入端与市电零线连接，第五开关S5的一导通端为开关控制单元113的一直流输入端与光伏电池的负极连接，第五开关S5的另一导通端与第二继电器KM2的线圈1132A一导通端连接，第二继电器KM2的线圈1132A另一导通端为开关控制单元113的另一直流输入端与光伏电池的正极连接，第五开关S5的控制端为开关控制单元113的第二控制端。

作为本发明一优选实施例，该变频器1还可以包括：

第一双端开关QS1和第二双端开关QS2；

第一双端开关QS1串接于光伏电池2与MPPT控制单元13之间，第一双端开关QS1的一侧双导通端分别与光伏电池2的正、负输出端连接，第一双端开关QS1的另一侧双导通端分别与MPPT控制单元13的双输入端连接；

第二双端开关QS2串接于市电3与交流/直流切换单元11之间，第二双端开关QS2的一侧双导通端分别与市电3的火线、零线连接，第二双端开关QS2的另一侧双导通端分别与交流/直流切换单元11的两交流输入端连接。

MPPT控制单元13包括：

采样模块131，用于实时采集光伏电池2的输出电流和输出电压，采样模块131的输入端为MPPT控制单元13的输入端；

在本发明实施例中，采样模块131可以采用电流电压采样电路实现对电流和电压的采样。

运算模块132，用于根据输出电流和输出电压确定光伏电池2的输出功率，运算模块132的第一、第二输入端分别与采样模块131的电流输出端和电压输出端连接；

处理模块133，用于对变频控制信号以预设步长进行扰动，来判断光伏电池2的输出功率变化，进而确定光伏电池2的最大输出频率对应的变频控制信号，处理模块133的输入端与运算单元132的输出端连接，处理模块133的输出端为MPPT控制单元13的输出端。

在本发明实施例中，可以通过单片机集成运算模块132和处理模块133，并通过下述步骤进行光伏电池2的最大功率追踪(通过扰动变频控制信号确定最大输出功率)：

步骤1，按预设步长减小电动机4的输出频率(或变频控制信号)；

步骤2，判断光伏电池2的输出功率是否增加；

若是，则返回执行步骤2；

若否，则执行步骤3，按预设步长增加电动机4的输出频率(或变频控制信号)；

步骤4，判断光伏电池2的输出功率是否增加；

若是，则返回执行步骤4；

若否，则确定此时光伏电池2的输出功率为最大功率。

在本发明实施例中，在增加输出频率过程中，若光伏电池2输出功率增加，则可继续增加输出频率，若光伏电池2输出功率降低，则减小输出频率；在减少输出频率过程中，若光伏电池2的输出功率增加，则继续减小输出频率，否则增加输出频率，即可得到输出频率对应光伏阵列最大功率点。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述太阳能光伏变频器的光伏扬水系统。

本发明实施例在光线不足时可以通过交流/直流切换单元切换至市电供电，从而实现全天时间的扬水需求，保证在日照强度突变下扬水系统的稳定运行，并且通过采集光伏电池的输出功率实现最大功率追踪，可使光伏电池的使用效率到达98％以上，大大增加了能源利用率。同时，本发明实施例还可以通过电动机的输出电流判断水泵的打干状态，无需水位检测器，减少了技术故障点，降低了生产成本，准确性更高，以及在打干状态或者光伏电池输出不足时，进入休眠状态，以降低能耗。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能光伏变频器，所述变频器连接于光伏电池与电动机之间，其特征在于，所述变频器还与市电连接，所述变频器包括：

交流/直流切换单元，用于检测环境光线，并在环境光线充足时切换到直流电源供电，在环境光线不足时切换到交流电源供电，所述交流/直流切换单元的直流输入端与所述光伏电池连接，所述交流/直流切换单元的交流输入端与所述市电连接；

整流单元，用于对交流电源电压进行整流，输出直流电压，所述整流单元的输入端与所述交流/直流切换单元的交流输出端连接；

MPPT控制单元，用于采集光伏电池的输出功率，根据所述输出功率输出变频控制信号，并通过扰动所述变频控制信号确定最大输出功率，所述MPPT控制单元的输入端与所述光伏电池连接；

变频调速控制单元，用于根据所述变频控制信号控制所述电动机的输出频率变化，所述变频调速控制单元的输入端同时与所述整流单元的输出端和所述交流/直流切换单元的直流输出端连接，所述变频调速控制单元的控制端与所述MPPT控制单元的输出端连接，所述变频调速控制单元的输出端与所述电动机连接。

2.如权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括：

打干保护单元，用于根据所述电动机的输出电流判断是否处于打干状态，并于打干状态下控制所述电动机停机，所述打干保护单元的输入端与所述电动机的电流输出端连接，所述打干保护单元的输出端与所述电动机的控制端连接。

3.如权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括:

休眠控制单元，用于采集光伏电池的输出电压，当光伏电池的输出电压低于预设值时，控制所述光伏电池进入休眠状态，所述休眠控制单元的输入端与所述光伏电池的输出端连接，所述休眠控制单元的输出端与所述光伏电池的休眠控制端连接。

4.如权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述交流/直流切换单元包括：

感光模块，用于根据环境光生成相应的电信号；

电流比较单元，用于将所述电信号与阈值信号比较，输出开关控制信号，所述电流比较单元的输入端与所述感光模块的输出端连接；

开关控制单元，用于根据所述开关控制信号实现对直流电源与交流电源之间的切换，所述开关控制单元的控制端与所述电流比较单元的输出端连接，所述开关控制单元的直流输入端为所述交流/直流切换单元的直流输入端，所述开关控制单元的交流输入端为所述交流/直流切换单元的交流输入端，所述开关控制单元的直流输出端为所述交流/直流切换单元的直流输出端，所述开关控制单元的交流输出端为所述交流/直流切换单元的交流输出端。

5.如权利要求4所述的变频器，其特征在于，所述开关控制单元包括：

第一保险丝(FU1)、第二保险丝(FU2)、第三保险丝(FU3)、第四保险丝(FU4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一继电器(KM1)、第二继电器(KM2)、热保护器件(FR)、第三开关(SB1)、第四开关(S4)以及第五开关(S5)；

所述第三保险丝(FU3)、所述第四保险丝(FU4)的一端分别为所述开关控制单元的两直流输入端与所述光伏电池的正、负输出端连接，所述第三保险丝(FU3)、所述第四保险丝(FU4)的另一端分别与所述第二继电器(KM2)的双路受控开关的一侧导通双端连接，所述第二继电器(KM2)的双路受控开关的另一侧导通双端分别与所述第一二极管(D1)、所述第二二极管(D2)的阳极连接，所述第一二极管(D1)、所述第二二极管(D2)的阴极分别为所述开关控制单元的两直流输出端，所述第一保险丝(FU1)、所述第二保险丝(FU2)的一端分别为所述开关控制单元的两交流输入端与所述市电的零线和火线连接，所述第一保险丝(FU1)、所述第二保险丝(FU2)的另一端分别与所述第一继电器(KM1)的双路受控开关的一侧导通双端连接，所述第一继电器(KM1)的双路受控开关的另一侧导通双端分别为所述开关控制单元的两交流输出端，与所述市电火线连接的所述开关控制单元的一交流输入端还与所述热保护器件(FR)的一端连接，所述热保护器件(FR)的另一端与所述第三开关(SB1)的一导通端连接，所述第三开关(SB1)的另一导通端与所述第四开关(S4)的一导通端连接，所述第四开关(S4)的另一导通端与所述第一继电器(KM1)的线圈一导通端连接，所述第四开关(S4)的控制端为所述开关控制单元的第一控制端，所述第一继电器(KM1)的线圈另一导通端为所述开关控制单元的另一交流输入端与所述市电零线连接，所述第五开关(S5)的一导通端为所述开关控制单元的一直流输入端与所述光伏电池的负极连接，所述第五开关(S5)的另一导通端与所述第二继电器(KM2)的线圈一导通端连接，所述第二继电器(KM2)的线圈另一导通端为所述开关控制单元的另一直流输入端与所述光伏电池的正极连接，所述第五开关(S5)的控制端为所述开关控制单元的第二控制端。

6.如权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括：

第一双端开关(QS1)和第二双端开关(QS2)；

所述第一双端开关(QS1)串接于所述光伏电池与所述MPPT控制单元之间，所述第一双端开关(QS1)的一侧双导通端分别与所述光伏电池的正、负输出端连接，所述第一双端开关(QS1)的另一侧双导通端分别与所述MPPT控制单元的双输入端连接；

所述第二双端开关(QS2)串接于所述市电与所述交流/直流切换单元之间，所述第二双端开关(QS2)的一侧双导通端分别与所述市电的火线、零线连接，所述第二双端开关(QS2)的另一侧双导通端分别与所述交流/直流切换单元的两交流输入端连接。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MPPT控制单元包括：

采样模块，用于实时采集所述光伏电池的输出电流和输出电压，所述采样模块的输入端为所述MPPT控制单元的输入端；

运算模块，用于根据所述输出电流和所述输出电压确定所述光伏电池的输出功率，所述运算模块的第一、第二输入端分别与所述采样模块的电流输出端和电压输出端连接；

处理模块，用于对所述变频控制信号以预设步长进行扰动，来判断所述光伏电池的输出功率变化，进而确定所述光伏电池的最大输出频率对应的变频控制信号，所述处理模块的输入端与所述运算单元的输出端连接，所述处理模块的输出端为所述MPPT控制单元的输出端。

8.如权利要求2所述的变频器，其特征在于，所述打干保护单元包括：

打干检测模块，用于在不同输出频率下检测所述电动机的输出电流，所述打干检测模块的输入端为所述打干保护单元的输出入端；

打干判断模块，用于当所述输出电流低于预设值时，输出打干判断信号，所述大干判断模块的输入端与所述打干检测模块的输出端连接；

打干控制模块，用于根据所述打干判断信号控制所述电动机停机，所述打干控制模块的输入端与所述打干判断模块的输出端连接，所述打干控制模块的输出端为所述打干保护单元的输出端。

9.如权利要求3所述的变频器，其特征在于，所述休眠控制单元包括：

休眠采集模块，用于采集所述光伏电池的输出电压，所述休眠采集模块的输入端为所述休眠控制单元的输入端；

休眠判断模块，用于当所述光伏电池的输出电压小于预设值值时生成休眠信号，所述休眠判断模块的输入端与所述休眠采集模块的输出端连接；

休眠控制模块，用于根据所述休眠信号控制所述光伏电池进入休眠状态，所述休眠控制模块的输入端与所述休眠采集模块的输出端连接，所述休眠控制模块的输出端为所述休眠控制单元的输出端。

10.一种光伏扬水系统，所述光伏扬水系统包括如权利要求1至8任一项所述的太阳能光伏变频器。