CN201813203U - 智能供电逆变装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能供电逆变装置，包括充电控制器、电流检测器、DC-AC转换控制器、CPU控制模块、电力切换器、AC-DC转换控制器和商用电力充电开关。本装置能根据用电器的所需电力以及太阳能电池和蓄电池实时所提供的电力水平，对不足部分的电力自动进行补充。在一定的条件下，可自动切换到直接使用商用电力进行供电的工作模式，并且当太阳能电池和蓄电池所提供的电力回升到一定的水平时，装置又能自动恢复到太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行的工作模式。对于因占地面积的限制，不能设置大量的太阳能电池的楼房住户，本实用新型提供了一个非常合理并充分、高效地使用清洁能源的手段。

Description

智能供电逆变装置

技术领域

本实用新型涉及供电电源的交直流互变和输出控制及太阳能电池和蓄电池的有效利用领域，尤其涉及一种智能节能型供电逆变装置。

背景技术

逆变器是一种电源转换装置，可将直流电转换成符合一般家用电器所需的交流电。随着工农业生产和人民生活水平的提高，对电力的需求量也随之越来越大。同时人类对环保重要性的认识的加强，要求更多地使用清洁能源减少污染。在太阳能及风能发电领域，逆变器是必不可少的设备之一。

但是，目前的智能供电逆变装置在通常情况下需要配备足够的太阳能电池或蓄电池来提供电力，当太阳能电池和蓄电池电力不够时就不能保持大负荷的用电器的正常工作，或者即使能让用电器短暂地维持工作但由于蓄电池容量的限制，当蓄电池的电压较低时就要输出很大的电流使得蓄电池发热，这样往往缩短了蓄电池的使用寿命。

有的智能供电逆变装置可以在用电量较小时通过太阳能电池和蓄电池供电，在用电量较大时通过商用电力单独供电，这种结构没有对电能进行充分高效地利用。目前，还没有一个智能供电逆变装置可以更充分、合理并高效地同时利用太阳能发电，蓄电池和商用电力进行供电。

发明内容

本实用新型目的是：针对现有技术的不足，提供一种智能化供电逆变装置，能更充分、合理并高效地同时利用太阳能、蓄电池和商用电力进行供电。在通常情况下由太阳能电池，蓄电池和商用电力同时运行的方式给用电器供电，本装置能够根据太阳能电池和蓄电池的输出电力情况调整商用电力的供给，并参考装置自身的综合效率，在太阳能电池和蓄电池的输出电力不足时，切换到商用电力直接供电。当蓄电池充满电或太阳能电池的输出功率达到一定的水平时，再切换到太阳能电池、蓄电池和商用电力同时运行的工作模式进行供电。

本实用新型的技术方案是：一种智能供电逆变装置，包括充电控制器、电流检测器、CPU控制模块、DC-AC转换控制器，还包括电力切换器、AC-DC转换控制器和商用电力充电开关；AC-DC转换控制器的输出端经由商用电力充电开关连接所述DC-AC转换控制器的第一输入端，所述电力切换器的输出端连接用电器，输入端为连接商用电力的A端口或连接DC-AC转换控制器输出端的B端口；所述CPU控制模块根据太阳能电池和蓄电池的实时输出电力水平和装置固有综合效率指数的乘积与用电器正常工作所需电力的关系，控制电力切换器的输入端在A端口和B端口之间切换。

本实用新型的智能供电逆变装置的更详细的技术方案是：

本供电智能供电逆变装置引入了商用电力作为对太阳能电池和蓄电池的输出电力不足的补充，并依据太阳能电池和蓄电池的实时输出电力水平和装置固有综合效率指数的乘积与用电器正常工作所需电力的关系，在太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行的工作模式和直接使用商业电力的工作模式之间智能地进行切换；用电器正常工作所需电力为Y，太阳能和蓄电池提供的电力为X，所述智能供电逆变装置固有的综合效率指数为ρ，则CPU控制模块在条件Y＜ρ·X满足时控制电力切换器的开关切换到B端口，使所述DC-AC转换控制器的输出给用电器供电，工作在“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的模式，所述CPU控制模块将根据太阳能电池和蓄电池实时所提供的电力水平，调节所述AC-DC转换控制器的电力输出，对太阳能电池和蓄电池供应的不足的电力部分自动进行补充；控制模块在条件Y≥ρ·X满足时，控制电力切换器的开关切换到A端口，直接使用商用电力对用电器供电，工作在“直接使用商用电力”的模式，并且当太阳能电池和蓄电池所提供的电力回升到满足条件Y＜ρ·X时，CPU控制模块又将电力切换器的开关切换到B端口，自动恢复到“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的工作模式。

具体实现时，根据电流的大小关系来进行切换：电力切换器的输入端在I_DC＜ρ·(I_PV+I_BT)时是连接DC-AC转换控制器输出的B端口，在I_DC≥ρ·(I_PV+I_BT)时是连接商用电力的A端口，其中I_DC为商用电力经由AC-DC转换控制器输出的电流，I_PV为太阳能电池的输出电流，I_BT为蓄电池的输出电流，ρ为所述智能供电逆变装置固有的综合效率指数。

所述商用电力充电开关有C和D两个端口，当拨向C端口时，AC-DC转换控制器连接所述充电控制器的第一输入端，当连接D端口时，AC-DC转换控制器连接所述DC-AC转换控制器的第一输入端；在所述智能供电逆变装置正常工作时，AC-DC转换控制器连接充电开关的D端口。

所述智能供电逆变装置还包括温度传感器，所述CPU控制模块接收来自温度传感器的蓄电池温度信息，并根据该温度信息，在蓄电池充电时控制充电控制器的输出电流，从而调节蓄电池的充电电流，或在蓄电池放电时控制AC-DC转换控制器的输出电流，进而调节蓄电池的放电电流。

所述CPU控制模块上备有通信接口，和计算机相连，用于设定智能供电逆变装置的工作参数和输出智能供电逆变装置的工作状态及履历。

本实用新型的优点是：

1.可以利用太阳能电池、蓄电池和商用电力同时进行供电，使超过蓄电池、太阳能电池所能提供的电力的大功率用电器也能正常工作。

2.在大负荷的用电器工作情况下，减轻了蓄电池的负担，可以延长电池的使用寿命。

3.在太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行的工作模式时，自动根据蓄电池的电力的情况，实时调节商用电力的供给。

4.将装置自身的综合效率纳入参考，在太阳能电池和蓄电池的输出电力不足时，能智能地切换到直接使用商用电力进行供电的工作模式，等蓄电池充满电后，再回到太阳能电池、蓄电池和商用电力同时运行的工作模式。这样能更充分、合理并高效地利用太阳能和蓄电池的电力及商用电力。

5.还可以利用商用电力，和太阳能一起给蓄电池充电，作为一个专用充电器使用，此外当商业电网发生停电时还可作为不间断电源使用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为智能供电逆变装置的实施例的功能结构示意图；

图2为商用电力与太阳能电池和蓄电池的输出功率补充控制关系图；

图3为智能供电逆变装置的实施例的电气构造示意图。

其中：1太阳能电池；2充电控制器；3电流检测器；4CPU控制模块；5DC-AC转换控制器；6电力切换器；7AC-DC转换控制器；8商用电力充电开关；9蓄电池；10温度传感器；11通信接口；12商用电力；13用电器。

具体实施方式

实施例：本实施例的智能供电逆变装置的电力流向可分为以下4种状态：

状态1：在通常用电量不大的情况下，由太阳能电池直接给用电器供电，如果用电器负荷较小，太阳能发电还有电量剩余，则多余的电量给蓄电池充电，此状态不补充商用电力；

状态2：如果用电器负荷较大，太阳能发电不能满足用电器所需电力，则蓄电池和太阳能电池同时给用电器供电，此状态不补充商用电力；

状态3：若用电器负荷很大，仅凭太阳能电池和蓄电池所提供的电力不能满足用电器的需要，则商用电力也提供部分电力，此状态为“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的工作模式。

状态4：在状态3时，由于蓄电池的电力的消耗，所提供的电力将逐渐减少，当蓄电池的输出电压低于其最低安全电压或者满足所述Y≥ρ·X的条件时，则自动切换到“直接使用商用电力单独供电”的工作模式。在蓄电池充满电后，再自动恢复到状态3的商用电力、太阳能电池、蓄电池一起给用电器供电的模式。

如图1所示，为本实施例的智能供电逆变装置的功能结构示意图。本实施例的供电智能供电逆变装置包括充电控制器2、电流检测器3、CPU控制模块4、DC-AC转换控制器5、电力切换器6、AC-DC转换控制器7和商用电力充电开关8。

充电控制器2的输出端一方面经电流检测器3连接到蓄电池9，给蓄电池充电，另一方面直接连接到DC-AC转换控制器5的第二输入端，用于给用电器13供电。本实施例的充电控制器2是具有MPPT(最大功率点跟踪，Maximum Power Point Tracking)功能的三段式以及均等充电式的充电控制器，将太阳能电池的电力有效地、最大化地存入蓄电池或者通过DC-AC转换控制器给用电器供电。充电控制器2向CPU控制模块4提供实时的太阳能电池的输出电压和电流信息并且接受来自CPU控制模块4的控制信号，对太阳能电池的最大功率点进行跟踪和对蓄电池的充电电流进行合理的调节。

电流检测器3用于蓄电池充放电的电流检测。AC-DC转换控制器7用于将商用交流电力12转换成适合DC-AC转换控制器5的直流并输出到DC-AC转换控制器的第一输入端。DC-AC转换控制器5将来自第一和第二输入端口的直流转换成适合用电器13使用的交流，并输出到电力切换器6的B端口。

所述电力切换器6输出端连接用电器13，输入为A端口或B端口，A端口连接商用电力12，B端口连接DC-AC转换控制器5的输出端。若电力切换器6的输入端切换到A端口，则商用电力和用电器直接相连，智能供电逆变装置工作在“直接使用商用电力”的模式；若电力切换器6的输入端切换到B端口，则DC-AC转换控制器5的输出连接用电器，装置工作在“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的模式。CPU控制模块4依据太阳能电池和蓄电池的实时输出电力水平和装置固有综合效率指数的乘积与用电器正常工作所需电力的关系，控制电力切换器6在A和B两个输入端口之间智能地进行切换。

本实施例的智能供电逆变装置，还包括温度传感器10，CPU控制模块4接收来自温度传感器的蓄电池的温度信息，并以此对进出蓄电池的电流强度进行控制。如果蓄电池处于充电状态，CPU控制模块将控制信号传递给充电控制器2，驱动充电控制器2调整其输出的充电电流的大小，如果蓄电池处于放电状态，CPU控制模块4将控制信号传递给AC-DC转换控制器，驱动AC-DC转换控制器调节其输出电流。

本实施例的CPU控制模块4上还带有通信接口11，用于和计算机进行通信，在计算机上用通信软件设置和修改智能供电逆变装置的各项工作参数，包括蓄电池的种类、指定时间段及其在此时间段内的平均放电电流的上限值I_max、平均充电电流的上限值I_maxc、电池放电下限电压值V_min(最低安全电压)、充电饱和电压V_max和各个充电阶段的电压范围等参数，还可查看智能供电逆变装置的工作履历和运行状态等信息。CPU控制模块4根据蓄电池的充电电流的上限，控制充电控制器2，限制其最大输出充电电流，并且根据蓄电池的放电电流的上限，在蓄电池的放电电流过大时增大AC-DC转换控制器7的输出电流，从而减小蓄电池的放电电流。CPU控制模块4根据电池的最低安全电压和充电饱和电压，控制充电控制器2的充电启停和电力切换器6的切换动作；当蓄电池的电压达到最高充电饱和电压时，充电控制器2将在CPU控制模块4的控制下进入浮动充电阶段，当蓄电池的电压低于或等于最低安全电压时，电力切换器6将在CPU控制模块4的控制下切换到直接使用商用电力工作模式的A端口；若智能供电逆变装置没有接蓄电池则不受所述电压参数的影响。

本实施例的AC-DC转换控制器7的输出和DC-AC转换控制器5的第一输入端之间还连接有商用电力充电开关8，商用电力充电开关8的输入端连接AC-DC转换控制器7的输出端，商用电力充电开关8的输出端有C和D两个端口，当拨向C端口时，AC-DC转换控制器7连接所述充电控制器2的第一输入端，当拨向D端口时，AC-DC转换控制器7连接所述DC-AC转换控制器5的第一输入端；在所述智能供电逆变装置正常工作时，商用电力充电开关8的输出拨向D端口。若未特别说明，都指智能供电逆变装置工作在正常模式，AC-DC转换控制器7连接商用电力充电开关8的D端口。

本实施例的CPU控制模块4和充电控制器2、电流检测器3、DC-AC转换控制器5、电力切换器6、AC-DC转换控制器7、温度传感器10之间分别连接有控制信号线。CPU控制模块4控制充电控制器2的输出电流及从它获取太阳能电池的输出电流、电压信息。CPU控制模块4接受电流检测器3的电流信息I_BT和蓄电池的电压信息V_BT以及控制AC-DC转换控制器7的输出电压V_DC及电流I_DC的大小。根据AC-DC转换控制器7的输出电力和太阳能电池、蓄电池的输出电力的比较关系并参考自身的固有综合效率来控制电力切换器6的动作，进行A口和B口之间的切换，此比较关系将在后面做详细说明。

当太阳能电池和蓄电池电力正常的情况下，CPU控制模块4将控制电力切换器6的输入切换到与DC-AC控制器5的电力输出相连的B端口，此时，商用电力12通过AC-DC转换控制器7经由商用电力充电开关8的D端口流入DC-AC转换控制器5。太阳能电池、蓄电池和商用电力经DC-AC转换控制器5同时给用电器供电。

在空间不足、不能大量设置太阳能电池板的地方，比如普通公寓的阳台，本实施例的智能供电逆变装置就能发挥它的特长，将所设置的少量太阳能电池加以充分利用，起到节电作用。例如，假使设置的太阳能电池和附加的蓄电池所能提供的功率是400W，无法直接带动一个800W的电饭锅，但是如果使用了本实施例的智能供电逆变装置，另由商用电力12提供400W来补充不足的功率，这样电饭锅就能正常运作了。相对于全部使用商用电力的场合，这样只使用了一半的电力。从而使得原本“半吊子”的电力既得到有效利用又促进了环保。此外，在使用大负荷用电器的场合，这么做还能适当减轻蓄电池的负担，起到延长电池寿命的作用。

假设太阳能电池和蓄电池提供的功率和为X，用电器消耗的功率为Y，AC-DC转换控制器7的效率为ρ₁，DC-AC转换控制器5的效率为ρ₂，则当

$Y=\frac{X\·{\mathrm{\ρ}}_2}{1-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}=\mathrm{\ρ}\·X---\left(1\right)$

时，太阳能电池和蓄电池所提供的电力正好全部被智能供电逆变装置自身工作消耗掉，商用电力提供的功率等于用电器消耗的功率。式(1)和(2)里的ρ＝ρ₂/(1-ρ₁·ρ₂)是本智能供电逆变装置的固有综合效率指数。因此当

$Y\≥\frac{X\·{\mathrm{\ρ}}_2}{1-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}=\mathrm{\ρ}\·X---\left(2\right)$

时，CPU控制模块4将产生控制信号，使电力切换器6切换到A端口，将商用电力12直接连接到用电器13上，同时使DC-AC转换控制器停止转换工作，进入睡眠节电状态。此时智能供电逆变装置将工作在“直接使用商用电力”的工作模式。

在具体实现时，将功率的关系式(2)转换成电流和电压的关系。定义I_PV为充电控制器2的输出电流，即来自太阳能电池的电流。I_BT为蓄电池的输出电流，I_max为蓄电池在指定时间段内的最大平均放电电流的上限(这是为了保护蓄电池而设置的可在一定时间段(比如16至256秒)内任意设定的平均输出电流的上限值)。I_DC为AC-DC转换控制器7的输出电流，V_BT为蓄电池的输出电压；V_min为蓄电池的下限电压，该参数是为了保护蓄电池而设置的，它与电池类型有关，电池种类和额定电压不同，V_min不同。比如，对于额定电压为25.9V的锂电池为21V，对于额定电压为24V的铅酸电池为20V。当

$I_{\mathrm{DC}}\≥\frac{(I_{\mathrm{PV}}+I_{\mathrm{BT}})\·{\mathrm{\ρ}}_2}{1-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(3\right)$

或者

V_BT≤V_min                    (4)

中任意一个式子成立时，智能供电逆变装置就自动切换到“直接使用商用电力”的工作模式。I_PV+I_BT的检测是由图1或图3所示的位于充电控制器2和DC-AC转换控制器5之间的电流检测器来实施的，其信息由CPU控制模块4定时采集。

例如，目前市面上提供的额定输出电压为24伏的AC-DC转换控制器及额定输入电压为24伏的DC-AC转换控制器的效率一般约85％，比较好的能达到90％以上。从理论上来说，如果转换效率皆为85％的情况下，将其带入式(3)可以得到I_DC≥3.063(I_PV+I_BT)，即若AC-DC转换控制器7的输出电流是充电控制器与蓄电池的输出电流的和的3倍以上，则切换成“直接使用商用电力”的模式。若转换效率皆为90％的情况下，由式(3)可知，当I_DC约是I_PV+I_BT的4.7倍以上时，则切换成“直接使用商用电力”的模式。

另外，在太阳能电池、蓄电池和商用电力的并用运行模式，当将AC-DC转换控制器7的商用电力输出调至最大时也不能使蓄电池的供电输出电流降至I_max以下或者即使是蓄电池的供电输出电流小于I_max但条件式(3)被满足时，CPU控制模块将发出信号给电力切换器使其切换至A端口，智能供电逆变装置进入“直接使用商用电力”的工作模式。

当智能供电逆变装置处于“直接使用商用电力”的工作模式时，太阳能电池给蓄电池充电，当蓄电池的电压V_BT(或DC-AC变换控制器的输入电压)再次回升到饱和电压V_max(电池充满电达到饱和状态时的电压)时，CPU控制模块4将产生控制信号，使电力切换器6输入切换到B端口，同时唤醒DC-AC转换控制器执行转换工作，装置又切换到太阳能电池、蓄电池和商用电力的并用运行模式。

本实施例的AC-DC转换控制器7自动对智能供电逆变装置运行时太阳能电池和蓄电池不足的电力部分进行补充，并且根据太阳能电池和蓄电池的电力输出状态对商用电力的补充量自动进行相应的调整。CPU控制模块定时采集经由电流检测器3的蓄电池输入输出电流强度，如果在指定的时间段(16～256秒)内蓄电池的输出电流I_BT平均值超过所设定的电流上限I_max时，将通过调节AC-DC转换控制器7的输出电压V_DC，增大其输出电流，从而实现减小蓄电池的输出电流。V_DC的值由以下条件决定：

在“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的工作模式下，如果处于蓄电池放电状态，说明此时仅凭太阳能电池的供电不能满足负荷所需电力，

V_DC＝V_max-α·Δ            (5)

其中，α为商用电力补充量的调整系数，它和太阳能电池和蓄电池的输出功率大小有关。通常0≤α≤1。Δ依据蓄电池的种类以及DC-AC转换控制器5的额定工作电压而设定，例如，对于DC-AC转换控制器的额定工作电压为24V，铅酸电池的充满饱和电压为28V的情况，Δ可以设为1～4V。Δ的值可以通过计算机或通信软件设置和修改。

当太阳能电池和蓄电池的电力满足用电器使用时，且蓄电池的输出电流I_BT＜I_max，CPU控制模块将设置α＝1。此时蓄电池的电压V_BT＞V_DC，AC-DC转换控制器没有电流输出，仅由太阳能电池和蓄电池给用电器供电。

当太阳能电池和蓄电池的电力不能满足用电器使用时，CPU控制模块设置0≤α＜1，用商用电力进行适当补充，设置的α越小，AC-DC转换控制器的输出电压越大，补充的商业电力就越多。若设置的α＝0而仍然存在I_BT≥I_max时，则切换到“直接使用商用电力”的工作模式。

在“太阳能电池和蓄电池以及商用电力同时运行”的工作模式下，如果蓄电池处于充电状态，则说明此时仅凭太阳能电池的供电就能满足负荷所需电力并有多余，此时

V_DC＝V_min+Δ            (6)

此时电压V_DC设定的相对较低，目的是不让AC-DC转换控制器有电流输出，仅由太阳能电池供电。图2是商用电力与太阳能电池和蓄电池的输出功率补充控制关系图。其中，横坐标I代表各电力部件的输出电流，纵坐标是各电力部件的输出电压，电压乘电流即为功率。图中竖条线区域是蓄电池与太阳能电池的输出叠加的功率曲线，图中的斜条线和横条线区域表示AC-DC转换控制器的输出特性。正常情况下，AC-DC转换控制器的输出为斜条线区域，当蓄电池的输出超过指定的放电最大值时，AC-DC转换控制器的输出为横条线区域。

本实施例的商用电力充电开关8为手动装置，在正常工作时，将开关拨向D侧，使AC-DC转换控制器7连接DC-AC转换控制器5的第一输入端，即为上述的智能供电逆变装置的正常工作方式。本实施例的智能供电逆变装置不仅支持用太阳能电池给蓄电池充电，而且在需要的时候，可以用商用电力给蓄电池充电。商用电力充电开关8拨向C侧时，使AC-DC转换控制器7的输出连接充电控制器2的第一输入端，充电控制器2的第二输入端连接太阳能电池1。充电控制器2将来自商用电网和太阳能的电力同时向蓄电池充电，从而缩短蓄电池的充电时间。此时CPU控制模块将向DC-AC转换控制器发出信号，停止其转换工作使其进入睡眠节电状态。

图3为本实施例的智能供电逆变装置的电气构造示意图。

以上所述，仅为本实用新型的优选实施例，并不能以此限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能供电逆变装置，包括充电控制器(2)、电流检测器(3)、CPU控制模块(4)、DC-AC转换控制器(5)，其特征在于：还包括电力切换器(6)、AC-DC转换控制器(7)和商用电力充电开关(8)；AC-DC转换控制器(7)的输出端经由商用电力充电开关(8)连接所述DC-AC转换控制器(5)的第一输入端，所述电力切换器(6)的输出端连接用电器(13)，输入端为连接商用电力(12)的A端口或连接DC-AC转换控制器(5)输出端的B端口；所述CPU控制模块(4)根据太阳能电池和蓄电池的实时输出电力水平和装置固有综合效率指数的乘积与用电器正常工作所需电力的关系，控制电力切换器(6)的输入端在A端口和B端口之间切换。

2.根据权利要求1中所述的智能供电逆变装置，其特征在于：所述商用电力充电开关(8)有C和D两个输出端口，当连接C端口时，AC-DC转换控制器(7)的输出端连接所述充电控制器(2)的第一输入端，当连接D端口时，AC-DC转换控制器(7)的输出端连接所述DC-AC转换控制器(5)的第一输入端。

3.根据权利要求1或2中所述的智能供电逆变装置，其特征在于：还包括用于监测蓄电池(9)的温度并与CPU控制模块(4)相连的温度传感器(10)。

4.根据权利要求1或2中所述的智能供电逆变装置，其特征在于：所述CPU控制模块(4)上还连接有用于和计算机相连的通信接口(11)。 

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