CN112331044A - 教学用光伏发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，提出了教学用光伏发电系统，包括依次连接的光伏组件、DC/DC电路和DC/AC电路，DC/AC电路的输出端用于与电网连接，DC/DC电路和DC/AC电路均与主控电路连接，还包括过零检测电路，过零检测电路包括依次连接的比较电路和滤波电路，比较电路的输入端用于与电压传感器连接，滤波电路包括三极管Q1、三极管Q2和与非门芯片U2。通过上述技术方案，解决了现有技术中教学用光伏发电系统输出波形差、影响学生体验的问题。

Description

教学用光伏发电系统
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体的，涉及教学用光伏发电系统。
背景技术
当今社会面临着极为严重的环境污染和能源短缺问题,太阳能光伏发电由于其自身有着可靠性高、清洁度高的特点，以其取之不尽用之不竭的优点成为各国争相研究的对象。教学用光伏并网发电系统旨在为学生提供教学实验平台,使之了解太阳能作为一种新型能源提供能量并掌握该系统的工作原理。基于对整个平台的观摩和学习，了解并熟悉掌握光伏发电系统的开发依据与安装注意事项。目前市场上的教学用光伏并网发电系统输出波形差、影响学生体验。
发明内容
本发明提出教学用光伏发电系统，解决了现有技术中教学用光伏发电系统输出波形差、影响学生体验的问题。
本发明的技术方案如下：包括依次连接的光伏组件、DC/DC电路和DC/AC电路，所述DC/AC电路的输出端用于与电网连接，所述DC/DC电路和DC/AC电路均与主控电路连接，还包括过零检测电路，所述过零检测电路包括依次连接的比较电路和滤波电路，所述比较电路的输入端用于与电压传感器连接，所述滤波电路包括三极管Q1、三极管Q2和与非门芯片U2，
所述三极管Q1的基极与所述比较电路的输出端连接，所述三极管Q1的射极接地，所述三极管Q1的集电极通过电阻R3连接电源5V，
所述三极管Q1的集电极还与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的射极接地，所述三极管Q2的集电极通过电阻R4连接电源5V，所述三极管Q2的集电极还与所述与非门芯片U2的A2端连接，所述三极管Q2的集电极还依次通过电阻R2、二极管D1与所述与非门芯片U2的B2端连接，所述三极管Q2的集电极还与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C1远离地的一端通过电阻R4与电源5V连接，所述与非门芯片U2的Y2端同时接入所述与非门芯片U2的A1端和B1端，所述与非门芯片U2的Y1端通过电阻R5接入所述与非门芯片U2的B2端，所述与非门芯片U2的Y2端与所述主控电路连接。
进一步，所述比较电路包括运放U1，所述运放U1的同相输入端用于与电压传感器连接，所述运放U1的反相输入端接地，所述运放U1的输出端通过电阻R1连接三极管Q1的基极。
进一步，所述过零检测电路还包括电平转换电路，所述电平转换电路包括MOS管Q4，所述MOS管Q4的G极通过电阻R12与电源5V连接，所述MOS管Q4的S极通过电阻R14与电源5V连接，所述MOS管Q4的S极还与所述与非门芯片U2的Y2端连接，所述MOS管Q4的D极通过电阻R16与电源3.3V连接，所述MOS管Q4的D极还与所述主控电路连接。
进一步，所述MOS管Q4的G极通过电容C3接地。
进一步，所述与非门芯片U2的A4端、B4端、A3端、B3端均通过上拉电阻连接电源5V。
进一步，还包括稳压电源电路，所述稳压电源电路包括运放U3和三极管Q3，所述运放U3的同相输入端通过电阻R11连接电源5V，所述运放U3的同相输入端还通过稳压管D3接地，
所述运放U3的输出端通过电阻R10连接三极管Q3的基极，所述三极管Q3的集电极连接电源5V，所述三极管Q3的射极依次通过电阻R13、电阻R15、电阻R17接地，所述电阻R15和电阻R17的串联点接入所述运放U3的反相输入端，所述电阻R13和所述电阻R15的串联点作为电源3.3V。
进一步，所述稳压电源电路还包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与所述三极管Q3的射极连接，所述三极管Q7的集电极连接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q7的射极通过电阻R18接地，所述三极管Q7的射极还与电源3.3V连接。
进一步，所述稳压电源电路还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极连接电源5V，所述二极管D2的阴极与所述电阻R11、所述运放U3的供电端、所述三极管Q3的集电极均连接。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中光伏组件输出的直流电压依次经过DC/DC电路升压、DC/AC电路逆变之后，输出与电网电压同相位的交流电压并入电网，实现光伏发电。DC/DC电路和DC/AC电路的控制信号均由主控电路提供，主控电路通过过零检测电路得到电网电压的过零点，并以电网电压过零点为基准，对DC/AC电路的输出电压相位进行实时校正，以保证较好的并网电流波形。
过零检测电路的工作原理为：比较电路将电网电压与零点进行比较，电网电压大于零时，比较电路输出高电平，反之，比较电路输出低电平，这样，通过比较电路将电网电压转换为方波信号，由于干扰信号的存在，电网电压在过零点会出现抖动的情况，比较电路输出的方波信号中存在窄脉冲，影响主控电路对电网电压过零点的判断，导致DC/AC电路的输出电压相位不能实时跟踪电网电压、并网电流波形差。本发明中通过设置滤波电路，对比较电路输出的方波信号进行滤波，滤除其中的窄脉冲，使主控电路对电网过零点的判断更准确，有利于减小并网电流中的谐波含量，得到完美的并网电流波形。
滤波电路的工作原理为：当比较电路的输出为低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电平，与非门芯片U2的A2端和B2端均为低电平，与非门芯片U2的Y2端输出高电平；当比较电路的输出为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2截止，与此同时，电源5V通过电阻R4为电容C1充电，如果比较电路输出的高电平时间大于电容C1的充电时间，当电容C1充电完成后，与非门芯片U2的A2端和B2端均为高电平，与非门芯片U2的Y2端输出低电平；否则，如果比较电路输出的高电平时间(即窄脉冲)小于电容C1的充电时间，在电容C1充电完成之前，比较电路的输出由高电平跳变为低电平，三极管Q1截止，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电平，与非门芯片U2的A2端和B2端均为低电平，与非门芯片U2的Y2端输出高电平，窄脉冲被滤除，不会被主控电路接收到。
电阻R2、二极管D1和电阻R5分压，用于设置与非门U2的门槛电压，当与非门芯片U2的B2端电压高于门槛电压时，被识别为高电平，通过调节门槛电压的大小，可以调节电容C1的充电时间，实现对不同时间的窄脉冲进行滤波。
与非门芯片U2的Y2端同时输入到与非门芯片U2的A1端和B1端，且与非门芯片U2的Y1端连接至与非门芯片U2的B2端，形成正反馈，当比较电路的输出电平发生变化时，与非门芯片U2的Y1端能够迅速翻转，及时跟踪比较电路输出的变化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明电路原理框图；
图2为本发明中过零检测电路原理图；
图3为本发明中电平转换电路原理图；
图4为本发明中稳压电源电路原理图；
图中：1-过零检测电路，101-比较电路，102-滤波电路，103-电平转换电路，2-稳压电源电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本实施例教学用光伏发电系统包括依次连接的光伏组件、DC/DC电路和DC/AC电路，DC/AC电路的输出端用于与电网连接，DC/DC电路和DC/AC电路均与主控电路连接，还包括过零检测电路，过零检测电路包括依次连接的比较电路和滤波电路，比较电路的输入端用于与电压传感器连接，图2中P1接口为电压传感器接口，滤波电路包括三极管Q1、三极管Q2和与非门芯片U2，
三极管Q1的基极与比较电路的输出端连接，三极管Q1的射极接地，三极管Q1的集电极通过电阻R3连接电源5V，
三极管Q1的集电极还与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的射极接地，三极管Q2的集电极通过电阻R4连接电源5V，三极管Q2的集电极还与与非门芯片U2的A2端连接，三极管Q2的集电极还依次通过电阻R2、二极管D1与与非门芯片U2的B2端连接，三极管Q2的集电极还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电容C1远离地的一端通过电阻R4与电源5V连接，与非门芯片U2的Y2端同时接入与非门芯片U2的A1端和B1端，与非门芯片U2的Y1端通过电阻R5接入与非门芯片U2的B2端，与非门芯片U2的Y2端与主控电路连接。
本实施例中光伏组件输出的直流电压依次经过DC/DC电路升压、DC/AC电路逆变之后，输出与电网电压同相位的交流电压并入电网，实现光伏发电。DC/DC电路和DC/AC电路的控制信号均由主控电路提供，主控电路通过过零检测电路得到电网电压的过零点，并以电网电压过零点为基准，对DC/AC电路的输出电压相位进行实时校正，以保证较好的并网电流波形。
过零检测电路的工作原理为：比较电路将电网电压与零点进行比较，电网电压大于零时，比较电路输出高电平，反之，比较电路输出低电平，这样，通过比较电路将电网电压转换为方波信号，由于干扰信号的存在，电网电压在过零点会出现抖动的情况，比较电路输出的方波信号中存在窄脉冲，影响主控电路对电网电压过零点的判断，导致DC/AC电路的输出电压相位不能实时跟踪电网电压、并网电流波形差。本实施例中通过设置滤波电路，对比较电路的输出方波信号进行滤波，滤除其中的窄脉冲。
滤波电路的工作原理为：当比较电路的输出为低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电平，与非门芯片U2的A2端和B2端均为低电平，与非门芯片U2的Y2端输出高电平；当比较电路的输出为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2截止，与此同时，电源5V通过电阻R4为电容C1充电，如果比较电路输出的高电平时间大于电容C1的充电时间，当电容C1充电完成后，与非门芯片U2的A2端和B2端均为高电平，与非门芯片U2的Y2端输出低电平；否则，如果比较电路输出的高电平时间(即窄脉冲)小于电容C1的充电时间，在电容C1充电完成之前，比较电路的输出由高电平跳变为低电平，三极管Q1截止，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电平，与非门芯片U2的A2端和B2端均为低电平，与非门芯片U2的Y2端输出高电平，窄脉冲被滤除，不会被主控电路接收到。
电阻R2、二极管D1和电阻R5分压，用于设置与非门U2的门槛电压，当与非门芯片U2的B2端电压高于门槛电压时，被识别为高电平，通过调节门槛电压的大小，可以调节电容C1的充电时间，实现对不同时间的窄脉冲进行滤波。
与非门芯片U2的Y2端同时输入到与非门芯片U2的A1端和B1端，且与非门芯片U2的Y1端连接至与非门芯片U2的B2端，形成正反馈，当比较电路的输出电平发生变化时，与非门芯片U2的Y1端能够迅速翻转，及时跟踪比较电路输出的变化。
进一步，如图2所示，比较电路包括运放U1，运放U1的同相输入端用于与电压传感器连接，运放U1的反相输入端接地，运放U1的输出端通过电阻R1连接三极管Q1的基极。
电压传感器输出与电网电压成比例的交流电压，电压传感器的输出接入运放U1的同相输入端，运放U1的反相输入端接地，在交流电压的正半周，运放U1的输出端为高电平，在交流电压的负半周，运放U1的输出端为低电平，这样，运放U1的输出端为方波信号。
进一步，如图3所示，过零检测电路还包括电平转换电路，电平转换电路包括MOS管Q4，MOS管Q4的G极通过电阻R12与电源5V连接，MOS管Q4的S极通过电阻R14与电源5V连接，MOS管Q4的S极还与与非门芯片U2的Y2端连接，MOS管Q4的D极通过电阻R16与电源3.3V连接，MOS管Q4的D极还与主控电路连接。
滤波电路的输出高电平为5V，通过电平转换电路将滤波电路输出的5V电压转换为主控电路能够识别的3.3V电压，便于主控芯片的准确读取。具体工作过程为：与非门芯片U2的Y2端输出CP_1为低电平时，MOS管Q4的D极与S极导通，D极输出低电平；当与非门芯片U2的Y2端输出CP_1为高电平时，MOS管Q4截止，D极输出高电平；实现5V方波信号到3.3V方波信号的转换。
进一步，如图3所示，MOS管Q4的G极通过电容C3接地。
MOS管Q4的G极通过电容C3接地，用于滤波高频干扰信号，避免高频干扰信号造成MOS管Q4误导通。
进一步，如图2所示，与非门芯片U2的A4端、B4端、A3端、B3端均通过上拉电阻连接电源5V。
与非门芯片U2的A4端、B4端、A3端、B3端均为输入端，相当于悬空的PN结电容，干扰信号会通过这些电容进入，造成电路开关翻转速度变慢。本实施例分别通过上拉电阻R6～R8将A4端、B4端、A3端、B3端与电源5V连接，以提高这些引脚的输入噪声容限、增强抗干扰能力。
进一步，如图3所示，还包括稳压电源电路，稳压电源电路包括运放U3和三极管Q3，运放U3的同相输入端通过电阻R11连接电源5V，运放U3的同相输入端还通过稳压管D3接地，
运放U3的输出端通过电阻R10连接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接电源5V，三极管Q3的射极依次通过电阻R13、电阻R15、电阻R17接地，电阻R15和电阻R17的串联点接入运放U3的反相输入端，电阻R13和电阻R15的串联点作为电源3.3V。
本实施例稳压电源电路用于为主控电路提供稳定的3.3V电压，保证主控电路输出稳定的控制信号，控制DC/AC电路输出稳定的波形。稳压电源电路的具体工作过程为：运放U3的同相输入端连接电源5V，且运放U3的同相输入端被稳压管D3钳位在2V，运放U3的输出端通过电阻R13、电阻R15和电阻R17的分压反馈至运放U3的反相输入端，在电路刚开始工作时，运放U3同相输入端和反相输入端之间存在电压差，运放U3的输出端将该电压差放大输出，三极管Q3导通，电阻R13、电阻R15和电阻R17接入三极管Q3的射极，电阻R15和电阻R17的分压作为稳压电源电路的输出，当稳压电路的输出增加时，运放U3的同相输入端和反相输入端之间的电压差减小，三极管Q3的射极电流减小，电阻R15和电阻R17的分压减小，稳压电路的输出电压减小；当稳压电路的输出电压减小时，运放U3的反相输入端电压减小，运放U3的同相输入端和反相输入端之间的电压差增加，运放U3的输出电压增加，三极管Q3的射极电流增加，电阻R15和电阻R17的分压增加，输出电压增加，最终实现将输出电压稳定在3.3V，运放U3的反相输入端电压稳定在2V。
进一步，如图3所示，稳压电源电路还包括三极管Q7，三极管Q7的基极与三极管Q3的射极连接，三极管Q7的集电极连接三极管Q3的基极，三极管Q7的射极通过电阻R18接地，三极管Q7的射极还与电源3.3V连接。
当稳压电源电路的输出短路时，输出电流变大，电阻R3端电压增加，三极管Q7导通，将三极管Q3反向偏置，三极管Q3截止，及时将电路输出关闭，避免对稳压电源电路造成损坏。在三极管Q7的射极连接电阻R18，起到限流作用，避免短路时过大的电流流过三极管Q7。
进一步，如图3所示，稳压电源电路还包括二极管D2，二极管D2的阳极连接电源5V，二极管D2的阴极与电阻R11、运放U3的供电端、三极管Q3的集电极均连接。
本实施例中，二极管D2起到反向截止作用，避免电流倒流入电源5V，对电源5V造成损坏。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.教学用光伏发电系统，包括依次连接的光伏组件、DC/DC电路和DC/AC电路，所述DC/AC电路的输出端用于与电网连接，所述DC/DC电路和DC/AC电路均与主控电路连接，其特征在于，还包括过零检测电路(1)，所述过零检测电路(1)包括依次连接的比较电路(101)和滤波电路(102)，所述比较电路(101)的输入端用于与电压传感器连接，所述滤波电路(102)包括三极管Q1、三极管Q2和与非门芯片U2，
所述三极管Q1的基极与所述比较电路(101)的输出端连接，所述三极管Q1的射极接地，所述三极管Q1的集电极通过电阻R3连接电源5V，
所述三极管Q1的集电极还与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的射极接地，所述三极管Q2的集电极通过电阻R4连接电源5V，所述三极管Q2的集电极还与所述与非门芯片U2的A2端连接，所述三极管Q2的集电极还依次通过电阻R2、二极管D1与所述与非门芯片U2的B2端连接，所述三极管Q2的集电极还与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C1远离地的一端通过电阻R4与电源5V连接，所述与非门芯片U2的Y2端同时接入所述与非门芯片U2的A1端和B1端，所述与非门芯片U2的Y1端通过电阻R5接入所述与非门芯片U2的B2端，所述与非门芯片U2的Y2端与所述主控电路连接。
2.根据权利要求1所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述比较电路(101)包括运放U1，所述运放U1的同相输入端用于与电压传感器连接，所述运放U1的反相输入端接地，所述运放U1的输出端通过电阻R1连接三极管Q1的基极。
3.根据权利要求1所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述过零检测电路(1)还包括电平转换电路(103)，所述电平转换电路(103)包括MOS管Q4，所述MOS管Q4的G极通过电阻R12与电源5V连接，所述MOS管Q4的S极通过电阻R14与电源5V连接，所述MOS管Q4的S极还与所述与非门芯片U2的Y2端连接，所述MOS管Q4的D极通过电阻R16与电源3.3V连接，所述MOS管Q4的D极还与所述主控电路连接。
4.根据权利要求3所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述MOS管Q4的G极通过电容C3接地。
5.根据权利要求1所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述与非门芯片U2的A4端、B4端、A3端、B3端均通过上拉电阻连接电源5V。
6.根据权利要求1所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，还包括稳压电源电路(2)，所述稳压电源电路(2)包括运放U3和三极管Q3，所述运放U3的同相输入端通过电阻R11连接电源5V，所述运放U3的同相输入端还通过稳压管D3接地，
所述运放U3的输出端通过电阻R10连接三极管Q3的基极，所述三极管Q3的集电极连接电源5V，所述三极管Q3的射极依次通过电阻R13、电阻R15、电阻R17接地，所述电阻R15和电阻R17的串联点接入所述运放U3的反相输入端，所述电阻R13和所述电阻R15的串联点作为电源3.3V。
7.根据权利要求6所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述稳压电源电路(2)还包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与所述三极管Q3的射极连接，所述三极管Q7的集电极连接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q7的射极通过电阻R18接地，所述三极管Q7的射极还与电源3.3V连接。
8.根据权利要求6所述的教学用光伏发电系统，其特征在于，所述稳压电源电路(2)还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极连接电源5V，所述二极管D2的阴极与所述电阻R11、所述运放U3的供电端、所述三极管Q3的集电极均连接。
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