CN201821130U - 一种太阳能光伏发电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种太阳能光伏发电控制器，由太阳能光伏板、单片机充电控制电路、DSP核心控制电路、投切控制电路、过载检测电路、光伏充电电路、蓄电池组、逆变电路、市电检测及充电电路、市电输入、键控与显示组件、以太网控制电路、远程控制网络、负载组成。用于控制将太阳能转化为电能储备，并将储备电能根据需要转换成电网兼容的可调（输出电压和频率可调）交流电输出。同时，在以太阳能光伏供电优先的基础上，可实现市电与太阳能光伏供电自动和手动切换，网络功能接口使得单台仪器可进行网络管理、参数设置与控制；多台可组成分布式拓扑结构，便于进行区域化的供电网络信息管理。

Description

一种太阳能光伏发电控制器

技术领域

本实用新型属于新能源技术领域，特别涉及一种太阳能光伏发电控制器。

背景技术

太阳能是最好的可再生能源之一，作为最具可持续发展理想特征的太阳能光伏发电，将进入人类能源结构，并成为基础能源的重要组成部分。太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪音、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等优点。

利用太阳光发电有两大类途径，一类是利用建筑物屋顶和墙面。另一类就是建设集中的太阳能光伏发电电站。但建设集中的太阳能光伏发电电站是庞大的系统工程，建设投资成本巨大，受地域限制，其全面应用与普及，特别是在国内尚需很长一段时间；但对于小规模的，利用布置在建筑物屋顶和墙面的太阳能光板吸收太阳能并转换成电能储备并发电供给住宅使用的形式，是解决当前太阳能光伏发电快速普及，最行之有效的方式，其有投资成本相对较低，见效快等特点，成为国际国内新能源发电技术研究的热点之一。

目前，小规模利用太阳能进行光伏发电及控制的仪器通常由太阳能光伏板、蓄电池组、光伏充电模块、逆变及逆变控制单元、市电输入、市电检测及充电电路、投切控制电路和负载等几部分组成，其中，充电模块和逆变及逆变控制单元结构基本相对独立，关联性较小。充电模块（包括：光伏充电模块和市电充电电路）的主要功能为选择太阳能光伏板或市电为蓄电池组充电，达到电能储备的目的；逆变及逆变控制单元通常采用单一控制器（如单片机）为核心，主要实现将蓄电池组输出的直流（通常为：12V、24V或48V等）逆变为标准正弦波或准正弦波交流供电（220V/50Hz或110V/60Hz等）输出；投切控制电路即由装置自动切换逆变电或市电（当蓄电池电能不足时）输出。

由于一次性投入成本较高，国内外小规模利用太阳能进行光伏发电及控制的仪器普及程度不高。不仅如此，实际使用中存在的诸多不足也极大地限制了这类仪器的有效推广，其中包括：

① 仪器结构严格限制而造成的可配置性和兼容性较差。例如：蓄电池组输出电压只能为12V或24V，不可自适应；装置逆变输出只能为220V/50Hz或110V /60Hz，不可调配等。 

② 多采用充电与逆变控制独立无关联结构，自动化功能欠缺。例如：不能自动开关机；太阳能逆变输出与市电输出识别和切换的实时性不好；缺少状态显示和输入功能等。

③ 仪器处于不同的工作状态（关机状态、充电状态、逆变状态、切换状态和配置状态）时所需监测的电流和电压参数较多，单处理器控制难以做到系统多状态自我实时监测与保护。

④ 缺乏网络功能，不能对单台或多台装置进行远程监控和管理。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对上述背景技术的状况，通过融合先进的电子技术和可靠、高速和安全的现代网络技术，提供一种新型太阳能光伏发电控制器。

本实用新型的技术方案是：仪器由太阳能光伏板、单片机充电控制电路、DSP核心控制电路、投切控制电路、过载检测电路、光伏充电电路、蓄电池组、逆变电路、市电检测及充电电路、市电输入、键控与显示组件、以太网控制电路、远程控制网络、负载所组成。并且：

太阳能光伏板的一个输出端b₁-1连接到单片机充电控制电路的一个输入端a₂-1，太阳能光伏板的另一个输出端b₁-2连接到光伏充电电路的一个输入端a₆-1，单片机充电控制电路的输出端b₂连接到光伏充电电路的另一个输入端a₆-2，光伏充电电路的输出端b₆连接到蓄电池组的一个输入端a₇-1，蓄电池组的一个输出端b₇-1连接到单片机充电控制电路的一个输入端a₂-2，其另一个输出端b₇-2连接到逆变电路的一个输入端a₈-1；单片机充电控制电路的一个双向输入/输出端c₂-2连接到DSP核心控制电路的一个双向输入/输出端c₃-1，DSP核心控制电路的一个输出端b₃-2连接到逆变电路的另一个输入端a₈-2，逆变电路的输出端b₈连接到投切控制电路的一个输入端a₄-2，DSP核心控制电路的另一个输出端b₃-1连接到投切控制电路的一个输入端a₄-1，投切控制电路的输出端b₄连接到过载检测电路的输入端a₅，过载检测电路的一个输出端b₅-1连接到DSP核心控制电路的输入端a₃，其另一个输出端b₅-2连接到负载的输入端a₁₄。

市电输入的一个输出端b₁₀-1连接到市电检测及充电电路的输入端a₉，市电输入的另一个输出端b₁₀-2连接到投切控制电路的一个输入端a₄-3，市电检测及充电电路的双向输入/输出接口c₉连接到单片机充电控制电路的一个双向输入输出接口c₂-1，市电检测及充电电路的输出端b₉连接到蓄电池组的一个输入端a₇-2。

DSP核心控制电路一个双向输入/输出端c₃-2连接到键控与显示组件的双向输入/输出端c₁₁，其另一个双向输入/输出端c₃-3连接到以太网控制电路的一个双向输入/输出端c₁₂-1，以太网控制电路的另一个双向输入/输出端c₁₂-2连接到远程控制网络的双向输入/输出端c₁₃。

根据本实用新型制成的太阳能光伏发电控制器，在实际运行中：

1、太阳能光伏板的一个输出端b₁-1连接到单片机充电控制电路的一个输入端a₂-1，从而，单片机充电控制电路通过内部信号调理与数模转换（A/D）采样结构单元可实时监测太阳能光伏板的电压、太阳能光伏板的充电电流，并获知太阳能的存在。

2、太阳能光伏板的另一个输出端b₁-2连接到光伏充电电路的一个输入端a₆-1，单片机充电控制电路的输出端b₂连接到光伏充电电路的另一个输入端a₆-2，光伏充电电路的输出端b₆连接到蓄电池组的一个输入端a₇-1，依此连接方式，单片机充电控制电路可控制光伏充电电路，将太阳能光伏板的输出（电压和电流）供给蓄电池组充电。

3、蓄电池组的一个输出端b₇-1连接到单片机充电控制电路的一个输入端a₂-2，此时，由单片机充电控制电路实时监测蓄电池组的电压和放电电流，若监测到蓄电池组电量充足则控制逆变电路逆变输出；当蓄电池组电量不足时，同时还检测到太阳能或市电存在，则单片机充电控制电路控制太阳能或市电为蓄电池组充电，且太阳能的优先级大于市电。在单片机充电控制电路内部，通过由光电开关管为主要结构组成和由太阳能光伏板输出电压控制关开的电路可实现单片机充电控制电路中供电电路导通，从而实现仪器的自开机和投切控制。

4、蓄电池组的另一个输出端b₇-2连接到逆变电路的一个输入端a₈-1；单片机充电控制电路的一个双向输入/输出端c₂-2连接到DSP核心控制电路的一个双向输入/输出端c₃-1，DSP核心控制电路的一个输出端b₃-2连接到逆变电路的另一个输入端a₈-2。蓄电池组提供逆变电路正常工作所需的直流电压（12V、24V或48V等），单片机充电控制电路将监测到的蓄电池组电压电流等信息经内部串行端口和光耦隔离电路实时传递给DSP核心控制电路，而后，DSP核心控制电路控制逆变电路的输出，且采样母线电压实现电压反馈控制。逆变电路由推挽、高频升压、整流、逆变和滤波五级组成。根据输出功率的要求，由DSP核心控制电路产生的SPWM（正弦脉宽调制）控制逆变全桥的栅极；以IGBT作为逆变单元的控制元件，控制信号采用载波20K、调制信号50HZ正弦波的SPWM，经IGBT变换后产生峰值为350V的正弦调制电压，此电压经过LC低通滤波器滤除20KHz的载波，得到220V 50Hz的标准正弦波电压输出。通过单片机充电控制电路检测蓄电池组的输入电压和电流大小，将信息传递给DSP核心控制电路，并控制逆变的参数和输出实现蓄电池组输入（12V、24V或48V）的自适应。

5、逆变电路的输出端b₈连接到投切控制电路的一个输入端a₄-2，DSP核心控制电路的另一个输出端b₃-1连接到投切控制电路的一个输入端a₄-1，市电输入的一个输出端b₁₀-2连接到投切控制电路的另一个输入端a₄-3，投切控制电路的输出端b₄连接到过载检测电路的输入端a₅，过载检测电路的一个输出端b₅-2连接到负载的输入端a₁₄。由DSP核心控制电路根据蓄电池组电量是否充足、市电是否存在和负载是否过载等综合信息控制供给负载的供电来源（逆变输出还是市电输出）。过载检测电路的另一个输出端b₅-1连接到DSP核心控制电路的输入端a₃，除负载是否过载信息由DSP核心控制电路内部采样电路检测判断外，其余均由单片机充电控制电路监测后传递给DSP核心控制电路后处理。

6、市电输入的一个输出端b₁₀-1连接到市电检测及充电电路的输入端a₉，市电检测及充电电路的双向输入/输出接口c₉连接到单片机充电控制电路的一个双向输入输出接口c₂-1，市电检测及充电电路的输出端b₉连接到蓄电池组的一个输入端a₇-2。由单片机充电控制电路通过市电检测及充电电路监测到蓄电池组电量不足，同时还检测到无太阳能时，控制市电为蓄电池组充电；并通知DSP核心控制电路关闭逆变电路和控制投切控制电路选择市电输出供给负载。

7、DSP核心控制电路一个双向输入/输出端c₃-2连接到键控与显示组件的双向输入/输出端c₁₁。由DSP核心控制电路控制键控与显示组件中的液晶显示屏实时显示太阳能光伏板的电压和充电电流、市电的有无和充电电流、蓄电池组的电压和放电电流、以及仪器的输出电压和电流，实时指示仪器的电源指示、欠压、过流、通信、市电输出、逆变输出、市电充电或太阳能充电等状态；键控电路用于设置蓄电池组的欠压门限、输出交流电压、频率等数值，还可以设置市电输出或逆变输出。

8、DSP核心控制电路的另一个双向输入/输出端c₃-3连接到以太网控制电路的一个双向输入/输出端c₁₂-1，以太网控制电路的另一个双向输入/输出端c₁₂-2连接到远程控制网络的双向输入/输出端c₁₃。按照TCP/IP协议标准，通过总线DSP核心控制电路与以太网控制电路进行数据和控制信息交换，使得远程计算机或网络设备可以监控装置的运行状态和设置仪器的运行参数。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、采用最新的电力电子控制技术，以双主控核心电路（即单片机充电控制电路和DSP核心控制电路）协同控制，实现对蓄电池的充放电PWM信号的产生与控制、逆变SPWM信号的产生、以及负载电流、电压量的监测等，其结构简单，运行稳定可靠。

2、可自适应24V或48V蓄电池组的接入；并可根据需要调整逆变输出电压（如：110V或220V），且输出正弦波频率可调。

3、当蓄电池组电能不足时，仪器自动关机。处于关机状态下，仪器无电能损耗，可由市电或太阳能光伏板输出电压（即存在太阳光光照）激发，在无需人工干预迅速自动启动并进入充电或逆变输出工作状态。

4、具备网络接口，单台可进行网络管理、参数设置与控制；多台可组成分布式拓扑结构，可进行区域化的网络信息管理。

附图说明

附图1为本实用新型的工作原理框图。

附图1中：1—太阳能光伏板，2—单片机充电控制电路，3—DSP核心控制电路，4—投切控制电路，5—过载检测电路，6—光伏充电电路，7—蓄电池组，8—逆变电路，9—市电检测及充电电路，10—市电输入，11—键控与显示组件，12—以太网控制电路，13—远程控制网络，14—负载。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的介绍。本实用新型由太阳能光伏板(1)、单片机充电控制电路(2)、DSP核心控制电路(3)、投切控制电路(4)、过载检测电路(5)、光伏充电电路(6)、蓄电池组(7)、逆变电路(8)、市电检测及充电电路(9)、市电输入(10)、键控与显示组件(11)、以太网控制电路(12)、远程控制网络(13)、负载(14)组成。

其中，单片机充电控制电路（2）中采用ATMEL公司ATmega16单片机，经串行端口通过光耦隔离电路与以德州仪器的TMS320F2812型DSP（数字信号处理）芯片为核心的DSP核心控制电路（3）通信。同时，单片机充电控制电路（2）实时监测太阳能光伏板（1）的电压、太阳能光伏板（1）的充电电流、市电的有无、市电的充电电流、蓄电池组（7）的电压和放电电流。当蓄电池组（7）电量不足时，如果仪器检测到太阳能或市电存在，则单片机充电控制电路（2）控制太阳能或市电为蓄电池组（7）充电，且太阳能的优先级大于市电。通过由光电开关管为主要结构组成和由太阳能光伏板（1）输出电压控制关开的电路实现仪器的自开机和投切控制。

逆变电路（8）由推挽、高频升压、整流、逆变和滤波五级组成。推挽升压电路由PWM专用芯片SG3525控制，推挽电路开关管为IRFP4468，整流后的直流高压经过分压后反馈给SG3525，实现电压闭环反馈控制。

高频升压变压器满足在蓄电池电压最低（21V左右）时，副边电压经整流后仍然可以达到350V；高频升压变压器副边输出采用全桥整流方式，整流桥由两对FMGG36组成。

逆变电路由DSP核心控制电路（3）控制，采样母线电压实现电压反馈控制。根据输出功率的要求，输出电流有效值为10A，逆变桥由四个IMBH50D—060组成，IMBH50D—060的栅极由DSP核心控制电路（3）产生的SPWM（正弦脉宽调制）控制。以IGBT作为逆变单元的控制元件，控制信号采用载波20K、调制信号50HZ正弦波的SPWM，经IGBT变换后产生峰值为350V的正弦调制电压，此电压经过LC低通滤波器滤除20KHz的载波，得到220V 50Hz的标准正弦波电压输出。

滤波电路中滤波器时间常数为载波频率的1/15，滤波电容选用4.7uF/630V涤纶电容, 滤波电感L为1mH，磁芯为环形铁硅铝。

键控与显示组件（11）由显示电路和键控电路组成。显示电路包括一块128×64液晶屏和8个LED发光二极管，128×64液晶屏实时显示太阳能光伏板（1）的电压、太阳能光伏板（1）的充电电流、市电的有无、市电的充电电流、蓄电池组（7）的电压、蓄电池组（7）放电电流的大小、仪器输出电压和电流；LED发光二极管实时指示装置的电源指示、欠压、过流、通信、市电输出、逆变输出、市电充电或太阳能充电等状态；键控电路用于设置蓄电池组（7）的欠压门限、输出交流电压、频率等数值，还可以设置市电输出或逆变输出。

以太网控制电路（12）中控制器采用Davicom DM9000AE，按照TCP/IP协议标准，通过总线与DSP核心控制电路（3）进行数据交换，使得远程计算机或网络设备可以监控仪器的运行状态和设置仪器的运行参数。

Claims (4)

1.一种太阳能光伏发电控制器，其特征在于：由太阳能光伏板(1)、单片机充电控制电路(2)、DSP核心控制电路(3)、投切控制电路(4)、过载检测电路(5)、光伏充电电路(6)、蓄电池组(7)、逆变电路(8)、市电检测及充电电路(9)、市电输入(10)、键控与显示组件(11)、以太网控制电路(12)、远程控制网络(13)、负载(14)所组成，并且：

太阳能光伏板(1)的一个输出端b₁-1连接到单片机充电控制电路(2)的一个输入端a₂-1，太阳能光伏板(1)的另一个输出端b₁-2连接到光伏充电电路(6)的一个输入端a₆-1，单片机充电控制电路(2)的输出端b₂连接到光伏充电电路(6)的另一个输入端a₆-2，光伏充电电路(6)的输出端b₆连接到蓄电池组(7)的一个输入端a₇-1，蓄电池组(7)的一个输出端b₇-1连接到单片机充电控制电路(2)的一个输入端a₂-2，其另一个输出端b₇-2连接到逆变电路(8)的一个输入端a₈-1；单片机充电控制电路(2)的一个双向输入/输出端c₂-2连接到DSP核心控制电路(3)的一个双向输入/输出端c₃-1，DSP核心控制电路(3)的一个输出端b₃-2连接到逆变电路(8)的另一个输入端a₈-2，逆变电路(8)的输出端b₈连接到投切控制电路(4)的一个输入端a₄-2，DSP核心控制电路(3)的另一个输出端b₃-1连接到投切控制电路(4)的一个输入端a₄-1，投切控制电路(4)的输出端b₄连接到过载检测电路(5)的输入端a₅，过载检测电路(5)的一个输出端b₅-1连接到DSP核心控制电路(3)的输入端a₃，其另一个输出端b₅-2连接到负载(14)的输入端a₁₄；

市电输入(10)的一个输出端b₁₀-1连接到市电检测及充电电路(9)的输入端a₉，市电输入(10)的另一个输出端b₁₀-2连接到投切控制电路(4)的一个输入端a₄-3，市电检测及充电电路(9)的双向输入/输出接口c₉连接到单片机充电控制电路(2)的一个双向输入输出接口c₂-1，其一个输出端b₉连接到蓄电池组(7)的一个输入端a₇-2；

DSP核心控制电路(3)一个双向输入/输出端c₃-2连接到键控与显示组件(11)的双向输入/输出端c₁₁，其另一个双向输入/输出端c₃-3连接到以太网控制电路(12)的一个双向输入/输出端c₁₂-1，以太网控制电路(12)的另一个双向输入/输出端c₁₂-2连接到远程控制网络(13)的双向输入/输出端c₁₃。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电控制器，其特征在于：所述的单片机充电控制电路（2）中采用ATmega16单片机，经串行端口通过光耦隔离电路与以TMS320F2812型DSP芯片为核心的DSP核心控制电路（3）通信；同时，单片机实时监测太阳能光伏板（1）的电压、太阳能光伏板（1）的充电电流、市电的有无、市电的充电电流、蓄电池组（7）的电压和放电电流，当蓄电池组（7）电量不足时，如果检测到太阳能或市电存在，则单片机充电控制电路（2）控制太阳能或市电为蓄电池组（7）充电，且太阳能的优先级大于市电；通过由光电开关管为主要结构组成和由太阳能光伏板（1）输出电压控制关开的电路实现仪器的自开机和投切控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏发电控制器，其特征在于：所述的键控与显示组件（11）由显示电路和键控电路组成，其中：

显示电路包括一块128×64液晶屏和8个LED发光二极管，128×64液晶屏实时显示太阳能光伏板（1）的电压、太阳能光伏板（1）的充电电流、市电的有无、市电的充电电流、蓄电池组（7）的电压、蓄电池组（7）放电电流的大小、装置输出电压和电流；

键控电路用于设置蓄电池组（7）的欠压门限、输出交流电压、频率等数值，以及市电输出或逆变输出。

4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏发电控制器，其特征在于：所述的以太网控制电路（12）中控制器采用Davicom DM9000AE，按照TCP/IP协议标准，通过总线与DSP核心控制电路（3）进行数据交换，使得远程计算机或网络设备可以监控仪器的运行状态和设置仪器的运行参数。

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