CN111600377B - 一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器 - Google Patents

一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，包括太阳能光伏控制器、逆变器、NE555计时器、继电器JC3和TL431基准源，所述太阳能光伏控制器的输入端连接太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端，太阳能光伏控制器的输出端分别蓄电池组接入端和直流负载接入端，蓄电池组接入端连接蓄电池组E3的正极，本发明把太阳能光伏发电系统作为主电源，把国家电网作为辅助电源，研究与设计双路电源控制器，把双路电源控制器作为太阳能发电系统的通用控制模块，用于监测太阳能光伏发电系统的输出电压，当太阳能光伏发电系统的输出电压低于负载供电要求的下限电压值时，双路电源控制器控制负载自动切换接入到国家电网供电。

Description

一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体是一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器。
背景技术
人口持续增长与能源日益短缺的矛盾一直是现代社会面临的一大难题，这一问题在人口众多、人均资源严重不足的中国尤为突出。在可再生能源中，太阳能是取之不尽理想的清洁安全可再生能源。因此，发展太阳能光伏发电产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一，多年来，我国政府高度重视新能源的开发利用。目前，国内外太阳能光伏发电系统由于受天气、昼夜等变化因素影响，存在着输出电压时常达不到负载供电要求的下限电压以上的问题；还存在着在长期阴天与雨雪天气，不能向负载供电的问题。上述问题使太阳能光伏发电系统的使用受到限制，严重影响了太阳能光伏发电系统的技术推广与应用市场的拓展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，包括太阳能光伏控制器、逆变器、NE555计时器、继电器JC3和TL431基准源，所述太阳能光伏控制器的输入端连接太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端，太阳能光伏控制器的输出端分别蓄电池组接入端和直流负载接入端，蓄电池组接入端连接蓄电池组E3的正极，蓄电池组E3的负极连接蓄电池组E2的正极、电容C1和LM317稳压器的端口3，LM317稳压器的端口LM317稳压器的端口1连接电阻R1和电阻R2，LM317稳压器的端口2连接电阻R1的另一端、电阻R6、继电器JC4的触点JC4-4和继电器JC1的触点JC1-3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接电阻R7、继电器JC3、继电器JC3的触点JC3-3、NE555计时器的端口4和NE555计时器的端口8，电阻R2的另一端连接电容C1的另一端、电容C2的另一端和地，蓄电池组E2的负极连接蓄电池组E1的正极和电阻R3，电阻R3的另一端连接电阻R5、电阻R4和TL431基准源的端口1，电阻R5的另一端连接继电器JC1的触点JC1-1，继电器JC1的触点JC1-1的另一端连接电阻R4、TL431基准源的端口2、继电器JC2、继电器JC4、电容C3、继电器JC3的触点JC3-1、继电器JC2的触点JC2-3，电阻R6的另一端连接继电器JC1，继电器JC1的另一端连接TL431基准源的端口3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接继电器JC1的触点JC1-2，继电器JC1的触点JC1-2的另一端连接继电器JC2的另一端，电阻R7的另一端连接电容C3的另一端、继电器JC3的触点JC3-1的另一端、NE555计时器的端口2和NE555计时器的端口6，NE555计时器的端口3连接继电器JC3的触点JC3-3的另一端和继电器JC3另一端，继电器JC2的触点JC2-3的另一端连接继电器JC4的另一端，直流负载接入端连接继电器JC2的触点JC2-1，继电器JC2的触点JC2-1的另一端连接继电器JC4的触点JC4-2、逆变器和太阳能光伏发电机的直流负载输入端，逆变器的另一端连接继电器JC2的触点JC2-2，继电器JC2的触点JC2-2的另一端连接继电器JC4的触点JC4-3和太阳能光伏发电系统的交流负载输入端，继电器JC4的触点JC4-3的另一端分别连接220V交流电网和继电器JC4的触点JC4-1，继电器JC4的触点JC4-1的另一端连接整流器T的输入端，整流器T的输出端连接继电器JC4的触点JC4-2的另一端。
作为本发明的进一步技术方案：所述LM317稳压器、电阻R1、电阻R2和电容C2组成双向电源自动控制器稳压电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述继电器JC1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、继电器JC2和TL431基准源组成电压检测以及欠压切换电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述NE555计时器组成延时电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述继电器JC3和继电器JC组成延时电路的执行控制电路。
作为本发明的进一步技术方案：所述太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端的电压为36V。
作为本发明的进一步技术方案：所述继电器JC1、继电器JC2、继电器JC3和继电器JC4均为中间继电器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明把太阳能光伏发电系统作为主电源，把国家电网作为辅助电源，研究与设计双路电源控制器，把双路电源控制器作为太阳能发电系统的通用控制模块，用于监测太阳能光伏发电系统的输出电压，当太阳能光伏发电系统的输出电压低于负载供电要求的下限电压值时，双路电源控制器控制负载自动切换接入到国家电网供电；当太阳能光伏发电系统的输出电压恢复到负载供电要求的下限电压值以上时，双路电源控制器自动完成光伏发电系统向负载供电的复位切换，从而保障了光伏发电系统向负载供电的连续性与可靠性，满足了负载的供电要求。
附图说明
图1是TL431电路中的符号图与功能模块示意图。
图2是太阳能光伏发电系统和双路电源控制器电路工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-2，实施例1：一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，包括太阳能光伏控制器、逆变器、NE555计时器、继电器JC3和TL431基准源，所述太阳能光伏控制器的输入端连接太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端，太阳能光伏控制器的输出端分别蓄电池组接入端和直流负载接入端，蓄电池组接入端连接蓄电池组E3的正极，蓄电池组E3的负极连接蓄电池组E2的正极、电容C1和LM317稳压器的端口3，LM317稳压器的端口LM317稳压器的端口1连接电阻R1和电阻R2，LM317稳压器的端口2连接电阻R1的另一端、电阻R6、继电器JC4的触点JC4-4和继电器JC1的触点JC1-3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接电阻R7、继电器JC3、继电器JC3的触点JC3-3、NE555计时器的端口4和NE555计时器的端口8，电阻R2的另一端连接电容C1的另一端、电容C2的另一端和地，蓄电池组E2的负极连接蓄电池组E1的正极和电阻R3，电阻R3的另一端连接电阻R5、电阻R4和TL431基准源的端口1，电阻R5的另一端连接继电器JC1的触点JC1-1，继电器JC1的触点JC1-1的另一端连接电阻R4、TL431基准源的端口2、继电器JC2、继电器JC4、电容C3、继电器JC3的触点JC3-1、继电器JC2的触点JC2-3，电阻R6的另一端连接继电器JC1，继电器JC1的另一端连接TL431基准源的端口3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接继电器JC1的触点JC1-2，继电器JC1的触点JC1-2的另一端连接继电器JC2的另一端，电阻R7的另一端连接电容C3的另一端、继电器JC3的触点JC3-1的另一端、NE555计时器的端口2和NE555计时器的端口6，NE555计时器的端口3连接继电器JC3的触点JC3-3的另一端和继电器JC3另一端，继电器JC2的触点JC2-3的另一端连接继电器JC4的另一端，直流负载接入端连接继电器JC2的触点JC2-1，继电器JC2的触点JC2-1的另一端连接继电器JC4的触点JC4-2、逆变器和太阳能光伏发电机的直流负载输入端，逆变器的另一端连接继电器JC2的触点JC2-2，继电器JC2的触点JC2-2的另一端连接继电器JC4的触点JC4-3和太阳能光伏发电系统的交流负载输入端，继电器JC4的触点JC4-3的另一端分别连接220V交流电网和继电器JC4的触点JC4-1，继电器JC4的触点JC4-1的另一端连接整流器T的输入端，整流器T的输出端连接继电器JC4的触点JC4-2的另一端。
LM317稳压器、电阻R1、电阻R2和电容C2组成双向电源自动控制器稳压电路。继电器JC1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、继电器JC2和TL431基准源组成电压检测以及欠压切换电路。NE555计时器组成延时电路。继电器JC3和继电器JC组成延时电路的执行控制电路。欠压切换电路包括欠压稳定切换电路和欠压恢复稳定切换电路，太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端的电压为36V。继电器JC1、继电器JC2、继电器JC3和继电器JC4均为中间继电器。
太阳能供电原理：如图2中所示，天气晴朗，阳光充足时，光伏发电系统发电正常，此时，蓄电池组A点的电压工作范围为44.1V至28.5V以上，对应的欠压稳定切换电路取样电压点D点的电压在9.5V以上，TL431的1脚控制极(R)电压在2.53V以上，阴极(K)的电压基本保持在1.98V,中间继电器JC1的线圈保持在吸合电流以上，中间继电器JC1的常闭触点JC1-1与JC1-3保持断开，JC1-1保持断开切断了欠压稳定切换电路，JC1-3保持断开切断了延时电路的15V供电电源；常开触点JC1-2保持吸合，使继电器JC2线圈保持通电，JC2的常开触点JC2-1与JC2-2保持吸合，分别使光伏发电系统向直流负载供电回路与逆变器的220V交流负载供电回路保持在接通供电状态。常闭触点JC2-3保持断开，使国家电网220伏的控制继电器JC4的线圈保持断电，继电器JC2线圈通路与继电器JC4的线圈通路形成互锁，保证控制系统的工作安全。
欠压稳定切换电路的工作原理：如图2中所示，由于天气、昼夜等因素，当太阳能发电量不足，蓄电池组A点的的端电压下降至28.5V以下时，对应的欠压切换电路取样电压点D点的电压下降至9.5V以下，TL431的1脚控制极(R)电压下降至2.53V以下，3脚阴极(K)与2脚阳极(A)间关断,中间继电器JC1的线圈断电，JC1的常闭触点JC1-1闭合，接通了欠压稳定切换电路，使控制极(R)端的分压电阻由R4下降为R4与R5的并联值，TL431的1脚控制极(R)的电压在2.53V以下陡然下降，从而使3脚阴极(K)与2脚阳极(A)间稳定地关断；中间继电器JC1线圈因断电使常开触点JC1-2断开，使继电器JC2线圈断电，JC2的常开触点JC2-1与JC2-2断开，分别使太阳能发电系统向直流负载供电回路与逆变器的220V交流负载供电回路转换为断开状态；中间继电器JC1的线圈因断电使常闭触点JC1-3闭合，接通了延时电路的Vcc为15V的直流电源，Vcc经R7对C3充电.由于电容具有端电压不能突变的特性,在Vcc刚接通时,NE555集成电路的2脚和6脚为低电平,555定时器内部的电压比较器，SR锁存器控制OC输出的放电管截止,中间继电器JC3的线圈不通电.随着时间的延长,C3上的电压越来越高，经延时tp1≈0.7R7C3≈3秒后，C3上的电压达到大于2Vcc/3时,555定时器内部的放电管导通(相当于脚7与脚1接通),中间继电器JC3因线圈得电吸合，常开触点JC3-2闭合，提供中间继电器JC3线圈的自保持工作电源；常开触点JC3-1闭合，将C3短接,确保下一次断电复供电时，C3从零电位开始充电,有效地提高了延时精度；常开触点JC3-3闭合，使继电器JC4线圈得电吸合，JC4的常开触点JC4-1、JC4-2、与JC4-3闭合，分别使国家电网向光伏发电系统的直流负载与逆变器的220V交流负载供电。常闭触点JC4-4断开，继电器JC4的线圈通路与继电器JC2线圈通路形成互锁，使继电器JC2的线圈确保断电而保证了控制系统的工作安全。
欠压恢复稳定切换电路的工作原理：如图2中所示，当太阳能发电量恢复时，蓄电池组A点的端电压上升到欠压恢复点设置电压30V时，对应的取样电压点D点的电压上升到10V，TL431的1脚控制极(R)电压上升至2.53V，3脚阴极(K)与2脚阳极(A)间导通,中间继电器JC1的线圈得电吸合，JC1的常闭触点JC1-3断开，切断了延时电路的Vcc为15V的直流电源，中间继电器JC3的线圈与继电器JC4线圈断电，切断了国家电网向光伏发电系统的直流负载与交流负载供电回路；JC1的常闭触点JC1-1断开，使控制极(R)端的分压电阻由R4与R5的并联值上升为R4，TL431的1脚控制极(R)的电压在2.53V陡然上升，从而使3脚阴极(K)与2脚阳极(A)间稳定地导通；中间继电器JC1线圈因得电吸合，JC1常开触点JC1-2闭合，使继电器JC2线圈得电吸合，JC2的常开触点JC2-1与JC2-2闭合，分别使光伏发电系统直流负载供电回路与逆变器的220V交流负载供电回路转换为接通状态而正常供电。
实施例2，在实施例1的基础上，本设计所采用的各个零部件选择如下：电阻R3、可变电阻器R4构成蓄电池电压检测电路，选择电阻R5与中间继电器JC1的常闭触点JC1-1构成欠压稳定切换电路。在设计实例36V输出的太阳能发电系统中，负载供电要求的蓄电池组A点的下限电压值设置在28.5V，对应的电压检测取样电压点D点的欠压稳定切换电压值应为9.5V。设计中电压检测取样电阻R3值选取2KΩ，由可控精密集成电路TL431的工作性能可知，要使TL431的3脚阴极(K)与2脚阳极(A)间在取样电压点D点为9.5V时饱和导通实现中间继电器JC1吸合控制，控制极(R)的电压关系式应为：2.53＝9.5R4/(2KΩ+R4)，由此关系式可算出电压检测电路中可变电阻器R4接入电路的电阻值应调到0.726KΩ。在电路调试中可通过调整变电阻器R4接入电路的电阻值来选择欠压稳定切换的电压设定值。为消除在欠压切换点D点的电压为9.5V时的频繁动作，增加发电系统供电的稳定性，选用中间继电器JC1的常闭触点JC1-1与电阻R5串联设计成欠压稳定切换电路。为使用欠压稳定切换电路兼作欠压恢复稳定切换电路，电阻R5电阻值应通过如下计算选取：设计实例中蓄电池组的欠压恢复点A点的电压设置在30V，对应的取样电压欠压恢复点D点的电压应为10V，由可控精密集成电路TL431的工作性能与电阻并联关系算式可知，把关系式2.53＝10R并/(2+R并)同式R并＝0.726R5/(0.7266+R5)联立求解，可算出R5的电阻值应选取为10KΩ。如果选取R5为15KΩ的可变电阻器可以灵活选择欠压恢复点的设定电压值。
为保证发电系统工作的安全性，需要设计延时电路。当蓄电池组的端电压下降到欠压切换点28.5V，欠压稳定切换电路先切断太阳能发电系统向负载供电的交直流供电，由延时电路延时5秒后把负载切换接入到国家电网供电。如图2中双路电源控制器电路原理图所示，延时电路选用集成电路NE555定时器为主控器件,定时电阻R7电阻值选取100KΩ,定时电容C3选取47μF。
太阳能发电系统在工作过程中，由蓄电池工作性能可知，三个单体电池组串联的A点浮充工作电压最高可达44.1V，蓄电池组电量不足时A点下限电压为28.5V，为保证双向电源控制器稳定工作，必需要设计有稳压电路。设计的稳压电路输入电压取自两个单体电池组串联的B点电压，可推算出对应的B点输入电压波动量为29.4V-19V。选用3端集成电压稳压器LM317作为稳压电路的主控器件，图2稳压电路图中LM317的1引脚为电压调节脚，2引脚为电压输出脚,3引脚为电压输入脚，R1选取240Ω，R2选取2.64KΩ，当1脚的R2阻值增大时,输出电压便会升高。3端集成电压稳压器输出电压特性表达为:Vcc＝1.25(1+R2/R1),由此式代入设计选择的电阻值可算出设计的稳压电路稳定输出电压：Vcc＝1.25(1+2.64KΩ/240Ω)＝15V，此15V输出电压作为双向电源控制器的直流供电电压。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，包括太阳能光伏控制器、逆变器、NE555计时器、继电器JC3和TL431基准源，其特征在于，所述太阳能光伏控制器的输入端连接太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端，太阳能光伏控制器的输出端分别蓄电池组接入端和直流负载接入端，蓄电池组接入端连接蓄电池组E3的正极，蓄电池组E3的负极连接蓄电池组E2的正极、电容C1和LM317稳压器的端口3，LM317稳压器的端口LM317稳压器的端口1连接电阻R1和电阻R2，LM317稳压器的端口2连接电阻R1的另一端、电阻R6、继电器JC4的触点JC4-4和继电器JC1的触点JC1-3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接电阻R7、继电器JC3、继电器JC3的触点JC3-3、NE555计时器的端口4和NE555计时器的端口8，电阻R2的另一端连接电容C1的另一端、电容C2的另一端和地，蓄电池组E2的负极连接蓄电池组E1的正极和电阻R3，电阻R3的另一端连接电阻R5、电阻R4和TL431基准源的端口1，电阻R5的另一端连接继电器JC1的触点JC1-1，继电器JC1的触点JC1-1的另一端连接电阻R4、TL431基准源的端口2、继电器JC2、继电器JC4、电容C3、继电器JC3的触点JC3-1、继电器JC2的触点JC2-3，电阻R6的另一端连接继电器JC1，继电器JC1的另一端连接TL431基准源的端口3，继电器JC1的触点JC1-3的另一端连接继电器JC1的触点JC1-2，继电器JC1的触点JC1-2的另一端连接继电器JC2的另一端，电阻R7的另一端连接电容C3的另一端、继电器JC3的触点JC3-1的另一端、NE555计时器的端口2和NE555计时器的端口6，NE555计时器的端口3连接继电器JC3的触点JC3-3的另一端和继电器JC3另一端，继电器JC2的触点JC2-3的另一端连接继电器JC4的另一端，直流负载接入端连接继电器JC2的触点JC2-1，继电器JC2的触点JC2-1的另一端连接继电器JC4的触点JC4-2、逆变器和太阳能光伏发电机的直流负载输入端，逆变器的另一端连接继电器JC2的触点JC2-2，继电器JC2的触点JC2-2的另一端连接继电器JC4的触点JC4-3和太阳能光伏发电系统的交流负载输入端，继电器JC4的触点JC4-3的另一端分别连接220V交流电网和继电器JC4的触点JC4-1，继电器JC4的触点JC4-1的另一端连接整流器T的输入端，整流器T的输出端连接继电器JC4的触点JC4-2的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述LM317稳压器、电阻R1、电阻R2和电容C2组成双向电源自动控制器稳压电路。
3.根据权利要求1所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述继电器JC1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、继电器JC2和TL431基准源组成电压检测以及欠压切换电路
4.根据权利要求1所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述NE555计时器组成延时电路。
5.根据权利要求1所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述继电器JC3和继电器JC组成延时电路的执行控制电路。
6.根据权利要求1所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述太阳能光伏发电系统光伏发电组件接入端的电压为36V。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种中小型太阳能发电系统通用双路电源控制器，其特征在于，所述继电器JC1、继电器JC2、继电器JC3和继电器JC4均为中间继电器。
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