CN112994610B - 一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，包括：光伏板(1)、防反接倒灌电路(2)、DC‑DC降压电路(3)、DC‑AC逆变电路(4)、储能组件(5)、直流侧支撑电容(6)和输出隔离变压器(7)。本发明的电源特别适用于岛礁高盐高湿环境，能够承受制水机启动过载适应制水机短时大过载启动，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于光伏电源技术领域，更具体地，涉及一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源。
背景技术
岛礁环境下，采用压缩空气制水或者雾化冷凝的淡化设备制水，是较为简单可靠的获取淡水的方式。制水机的核心是制冷压缩机，由异步电机驱动，因此存在5-7倍的启动电流，持续时间1～3秒。当前主流的光伏逆变电源主要针对新能源并网逆变的应用，典型的拓扑为BOOST升压到300-400V之后，进行逆变，并直接接入电网，这种类型的光伏逆变电源虽然具有体积小、成本低的特点，但由于存在高压直流环节，在岛礁环境下，湿气、盐雾会对高压部分的绝缘产生极其不利的影响；采用电池作为储能元件时，还需要增加额外的充放电电路；这类电源设计本身并未考虑异步电机的启动电流问题，因此常规的光伏逆变电源并不适合用于岛礁环境的光伏制水机。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，能够承受启动过载，且能够在高湿度、高盐雾环境下可靠工作。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，包括：光伏板(1)、防反接倒灌电路(2)、DC-DC降压电路(3) 、DC-AC逆变电路（4）、储能组件（5）、直流侧支撑电容(6)和输出隔离变压器（7），所述光伏板(1)的输出端与所述防反接倒灌电路(2)的输入端电连接，所述防反接倒灌电路(2)的输出端与所述DC-DC降压电路(3)输入端电连接，所述DC-DC降压电路(3)输出端与所述DC-AC逆变电路（4）的输入端电连接，所述DC-AC逆变电路（4）的输出端与所述输出隔离变压器（7）的低压侧电连接，所述输出隔离变压器（7）的高压侧用于对外引出作为电源输出端，所述储能组件(5)和所述直流侧支撑电容(6)并联接地，所述储能组件(5)和所述直流侧支撑电容(6)的另一共用端与所述DC-DC降压电路(3)输出端电连接。
优选的，所述DC-DC降压电路(3)包括2组降压变换器，2组所述降压变换器按照载波交错的方式运行。
优选的，所述DC-AC逆变电路（4）包括至少1组桥式逆变器，且所述DC-AC逆变电路（4）的运行纹波电流有效值能够被所述直流侧支撑电容(6)完全吸收而不引起过热。
优选的，所述防反接倒灌电路(2)包括并联的防反接二极管（2a）和继电器（2b），所述防反接二极管（2a）正极与所述光伏板(1)的输出端电连接，所述防反接二极管（2a）负极与所述DC-DC降压电路(3)输入端电连接，所述继电器（2b）触点两极分别连接所述防反接二极管(2a)的正负极，所述继电器（2b）触点在电源启动时处于不闭合状态，当触点两极的相对电压满足预设启动条件时，所述继电器（2b）触点才被触发闭合。
优选的，所述储能组件(5)包括用于控制充电放电软启动的软启动电路。
优选的，所述输出隔离变压器包括用于控制负载软启动的软启动电路。
优选的，所述输出隔离变压器(7)采用单相工频升压变压器，其短时过载能力为额定容量的8倍以上且短路阻抗不超过额定负载的10%。
优选的，还包括控制单元，所述控制单元用于：
采集所述DC-AC逆变电路（4）输入端的电压和电流，并依据采集电压和电流的乘积进行负载功率的监控，设定不低于10倍额定输出电流的阈值作为输出过载的判定条件；
采集所述防反接倒灌电路(2)输入端的电压和电流，并依据采集电压和电流的乘积进行光伏最大功率点自动跟踪，始终保持光伏功率在最大值附近；
采集所述输出隔离变压器(7)高压侧电压作为输出电压有效值反馈控制的依据。
总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：
（1）采用低压侧逆变的方案，使得电路板上最高工作电压不超过光伏板的最高电压，这对缓解盐雾条件下的电化学腐蚀有积极作用，能够应对岛礁高湿度和高盐雾的环境；
（2）防反接倒灌电路的防反二极管在正常启动后被触点短接，避免了二极管产生的损耗，提高了转换效率；
（3）DC-DC降压电路采用2组交错的方式，增大输出功率的同时还能够抵消纹波电流；
（4）直流支撑电容和DC-AC逆变电路以及隔离变压器的设计参数能够支撑短时8倍以上的过载，因此足够支持光伏制水机的启动过载电流；
（5）在设计方案中，采用最大功率点跟踪，能够始终维持最大的光伏功率；
（6）储能组件、隔离变压器均内置了软启动的触点和电阻，使得设备任何端口的上电和掉电都能够平滑进行，具备高度的可靠性；
（7）在结构上进一步改进，功率部分的电路板安装在密封的腔体内且采用有机硅导热凝胶灌封，最大程度地隔离了湿气和盐雾。
附图说明
图1是本发明实施例的光伏制水机电源的整体示意图；
图2是本发明实施例的防反接倒灌电路示意图；
图3是本发明实施例的储能组件示意图；
图4是本发明实施例的隔离变压器示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，包括：光伏板(1)、防反接倒灌电路(2)、DC-DC降压电路(3)、DC-AC逆变电路（4）、储能组件（5）、直流侧支撑电容(6)和输出隔离变压器（7），光伏板(1)的输出端与防反接倒灌电路(2)的输入端电连接，防反接倒灌电路(2)的输出端与DC-DC降压电路(3)输入端电连接，DC-DC降压电路(3)输出端与DC-AC逆变电路（4）的输入端电连接，DC-AC逆变电路（4）的输出端与输出隔离变压器（7）的低压侧电连接，输出隔离变压器（7）的高压侧用于对外引出作为电源输出端，储能组件(5)和直流侧支撑电容(6)并联接地，储能组件(5)和直流侧支撑电容(6)的另一共用端与DC-DC降压电路(3)输出端电连接。
上述技术方案中，由于采用低压侧逆变的方案，使得电路板上最高工作电压不超过光伏板的最高电压，这对缓解盐雾条件下的电化学腐蚀有积极作用，能够应对岛礁高湿度和高盐雾的环境。
下面具体说明每个模块的优选实现方式。
优选的， DC-DC降压电路(3)包括2组降压变换器，2组降压变换器按照载波交错的方式运行。这种方式可以在增大输出功率的同时还能够抵消纹波电流。
优选的，DC-AC逆变电路（4）包括至少1组桥式逆变器，且DC-AC逆变电路（4）的运行纹波电流有效值能够被直流侧支撑电容(6)完全吸收而不引起过热。直流侧支撑电容的设计参数需要结合具体的电源容量，比如1kw输出容量，低压侧电池电压48V，根据单相逆变器的原理计算，在低压侧纹波电流约12A，降压变换器的高频纹波可以控制在5A，据此可以选择1000uF/100V低阻抗电容8颗并联，单颗电容可耐受2.5A纹波。而对于不同的电源容量，直流侧支撑电容的设计参数是不同的，只要满足直流电容要能够吸收全部的纹波，且能够耐受这个最大的纹波而不过热即可。
优选的，如图2所示，防反接倒灌电路(2)包括并联的防反接二极管（2a）和继电器（2b），防反接二极管（2a）正极与光伏板(1)的输出端电连接，防反接二极管（2a）负极与DC-DC降压电路(3)输入端电连接，继电器（2b）触点两极分别连接防反接二极管(2a)的正负极，继电器（2b）触点在电源启动时处于不闭合状态，当触点两极的相对电压满足预设启动条件时，继电器（2b）触点才被触发闭合。这样，防反接二极管正常启动后被触点短接，避免了二极管产生的损耗，提高了转换效率。
优选的，储能组件（5）可以采用铅酸电池、锂电电池或者超级电容作为储能元件。
如图3所示，优选的，储能组件(5)包括用于控制充电放电软启动的软启动电路，在储能元件正极设置触点(5a)和与触点并联的软起电阻(5b)构成完整的储能组件。
上述储能组件、输出隔离变压器均内置了软启动电路，使得设备任何端口的上电和掉电都能够平滑进行，具备高度的可靠性。
优选的，输出隔离变压器(7)采用单相工频升压变压器，其短时过载能力为额定容量的8倍以上且短路阻抗不超过额定负载的10%，因此足够支持光伏制水机的启动过载电流。
如图4所示，优选的，输出隔离变压器包括用于控制负载软启动的软启动电路。
优选的，还包括控制单元，控制单元用于实现信号的采集与反馈调节。具体地，控制单元包括第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元和控制器。
（1）第一采集单元采集DC-AC逆变电路（4）输入端的电压和电流，控制器依据采集电压和电流的乘积进行负载功率的监控，设定不低于10倍额定输出电流的阈值作为输出过载的判定条件；当输出电流在8倍额定容量以内时，不进行任何保护动作，当输出电流在8-10倍额定容量范围时，将输出电压下调10-20%，当输出电流超过10倍额定容量时，关断输出且产生告警；
（2）第二采集单元采集防反接倒灌电路(2)输入端的电压和电流，控制器依据采集电压和电流的乘积进行光伏最大功率点自动跟踪，任何时刻都会把降压变换器的输出电压在当前值±0.1V的位置进行微调并计算该乘积，并将其中的最大值作为下一轮控制的输入，这样控制器就始终在动态的寻找光伏的最大功率并始终保持光伏功率在最大值附近；
（3）第三采集单元采集输出隔离变压器(7)高压侧电压，控制器依据高压侧电压作为输出电压有效值反馈控制的依据。当采集到的隔离变压器(7)高压侧电压偏高时，将DC-AC逆变电路（4）的输出目标值调低，反之则提高DC-AC逆变电路（4）的输出电压目标值，这样输出电压就可以稳定在标称的220V有效值附近。
上述控制的优点在于：
（1）制水机的制冷压缩机是单相异步电机驱动的，单相异步电机的启动电流约为额定电流的5-7倍，本发明在8倍电流容量过载范围以内不进行保护，不会影响单相异步电机的启动，8-10倍电流容量过载略微降低输出电压，可以避免功率容量超过8倍，而10倍电流容量就会迅速保护，避免设备或电机损坏；
（2）最大功率点跟踪则使得光伏的发电潜力被充分发挥出来，尽可能地延长了制水机的工作时间，尽量多制水；
（3）对高压侧的电压进行反馈，则可以动态地维持制冷压缩机的工作电压，避免其在不同工况下的电源波动，有利于设备的长期稳定运行。
为了进一步提高电源在岛礁环境的适用性，解决现有功率电子设备在高盐雾环境下的散热问题，本实施例的光伏制水机电源还在结构上做了改进。
光伏制水机电源的防反接倒灌电路(2)、DC-DC降压电路(3) 、DC-AC逆变电路（4）、储能组件（5）、直流侧支撑电容(6)、第一采集单元、第二采集单元构成了第一单元，输出隔离变压器（7）、第三采集单元构成了第二单元，控制器构成了第三单元。第一单元、第二单元、第三单元在工作时的发热量是依次降低的，并封装于不同的腔体结构内，第一单元被封装在第一腔体结构中，第二单元被封装在第二腔体结构中，第三单元被封装在第三腔体结构中。
第一单元的这些电子元器件布置在功率电路板上，第一单元还包括设置在该功率电路板上的第一散热元件和第二散热元件，第一散热元件和第二散热元件分设于功率电路板的两侧。且第一单元所处腔体结构内设置有导热塑封材料，功率电路板（包括功率电路板上的电子元器件）和第一散热元件包覆在导热塑封材料内。
本发明通过将光伏制水机电源的第一单元、第二单元和第三单元分别分装在三个不同腔体结构内，具有以下优点：
（1）能够大大提高电子封装设备内部的散热效率。不仅能够大大降低各单元结构中不同电子元器件之间相互导热的问题，避免对温度敏感的元器件损坏或故障，并且通过将各电子元器件分隔的形式，能够避免各类电子元器件在一个腔体内相互产热影响，造成腔体内温度急剧升高。通过多个分离腔体结构的设置，还能够大大增加功率电子设备的总散热表面积，更加利于其内部电子元器件的散热。
（2）通过将功率电路板和第一散热元件包覆在导热塑封材料内，在保证功率电路板和第一散热元件良好的散热效率的同时，降低功率电路板上的电子元器件被外部环境中高盐雾环境侵蚀的效率，并且腔体结构使得其内部电子元器件发生故障时能够对应打开进行快速维修工作，大大提升了功率电子设备的维修效率。
（3）在高盐雾环境下，单纯依靠各电子元器件的电气间隙和爬电距离，远不能保证各电子元器件之间的绝缘强度，通过将各电子元器件单独封装的形式，还能有效解决各电子元器件之间爬电问题，避免各电子元器件之间相互干涉。
进一步地，通过将不同电子元器件单独封装的形式，能够针对第一单元、第二单元、第三单元采取不同的封装形式。第一单元和第二单元以盖板封装于腔体结构内。第三单元完全密封在腔体结构内。对应第一单元和第二单元所处的腔体结构分别设置有散热翅片，散热翅片贴设于对应腔体结构的外侧。
第一腔体结构中功率电路板和第一散热元件和第二散热元件发热相对严重，第一腔体结构中的功率电路板及其上的电子元器件采用导热塑封材料部分灌封形式，利用散热翅片和盖板进行散热同时，在第一腔体结构内预留空间，加快第一腔体结构内部热量向外部扩散；第二腔体结构中的第二单元为次要发热元件，第二腔体结构中的电子元器件采用全部灌封形式，利用盖板进行热量传递即可；第三腔体结构中的控制器为控制器件，其在工作时基本不发热，并且工作较为稳定，基本不存在多频次维修问题，因此第三腔体结构中的控制器优选采用整体密封形式，可有效避免高盐雾环境的侵蚀。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (6)
1.一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，包括：光伏板(1)、防反接倒灌电路(2)、DC-DC降压电路(3)、DC-AC逆变电路（4）、储能组件（5）、直流侧支撑电容(6)、输出隔离变压器（7）和控制单元，所述光伏板(1)的输出端与所述防反接倒灌电路(2)的输入端电连接，所述防反接倒灌电路(2)的输出端与所述DC-DC降压电路(3)输入端电连接，所述DC-DC降压电路(3)输出端与所述DC-AC逆变电路（4）的输入端电连接，所述DC-AC逆变电路（4）的输出端与所述输出隔离变压器（7）的低压侧电连接，所述输出隔离变压器（7）的高压侧用于对外引出作为电源输出端，所述储能组件(5)和所述直流侧支撑电容(6)并联接地，所述储能组件(5)和所述直流侧支撑电容(6)的另一共用端与所述DC-DC降压电路(3)输出端电连接；
所述DC-DC降压电路(3)包括2组降压变换器，2组所述降压变换器按照载波交错的方式运行；
所述控制单元用于采集预设处的信号并根据采集信号进行反馈控制，所述控制单元包括第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元和控制器：
所述第一采集单元用于采集所述DC-AC逆变电路（4）输入端的电压和电流，所述控制器依据采集电压和电流的乘积进行负载功率的监控；
所述第二采集单元用于采集所述防反接倒灌电路(2)输入端的电压和电流，所述控制器依据采集电压和电流的乘积进行光伏最大功率点自动跟踪，始终保持光伏功率在最大值附近；
所述第三采集单元用于采集所述输出隔离变压器(7)高压侧电压，所述控制器依据高压侧电压进行输出电压有效值反馈控制；
所述防反接倒灌电路(2)、所述DC-DC降压电路(3) 、所述DC-AC逆变电路（4）、所述储能组件（5）、所述直流侧支撑电容(6)、所述第一采集单元、所述第二采集单元构成了第一单元，所述输出隔离变压器（7）、所述第三采集单元构成了第二单元，所述控制器构成了第三单元，所述第一单元被封装在第一腔体结构中，所述第二单元被封装在第二腔体结构中，所述第三单元被封装在第三腔体结构中。
2.如权利要求1所述的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，所述DC-AC逆变电路(4)包括至少1组桥式逆变器，且所述DC-AC逆变电路(4)的运行纹波电流有效值能够被所述直流侧支撑电容(6)完全吸收而不引起过热。
3.如权利要求1所述的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，所述防反接倒灌电路(2)包括并联的防反接二极管（2a）和继电器（2b），所述防反接二极管（2a）正极与所述光伏板(1)的输出端电连接，所述防反接二极管（2a）负极与所述DC-DC降压电路(3)输入端电连接，所述继电器（2b）触点两极分别连接所述防反接二极管(2a)的正负极，所述继电器（2b）触点在电源启动时处于不闭合状态，当触点两极的相对电压满足预设启动条件时，所述继电器（2b）触点才被触发闭合。
4.如权利要求1所述的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，所述储能组件(5)包括用于控制充电放电软启动的软启动电路。
5.如权利要求1所述的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，所述输出隔离变压器(7)包括用于控制负载软启动的软启动电路。
6.如权利要求1所述的一种用于岛礁环境下的光伏制水机电源，其特征在于，所述输出隔离变压器(7)采用单相工频升压变压器，其短时过载能力为额定容量的8倍以上且短路阻抗不超过额定负载的10％。
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