CN202513591U - 一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及太阳能技术领域，具体涉及一种光伏发电系统。一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，包括太阳能电池板、升压模块、控制系统，控制系统包括低压控制系统、高压控制系统。低压控制系统包括低压DA全桥变换器、微型处理器系统，微型处理器系统连接低压DA全桥变换器的控制端。高压控制系统包括AD桥式整流滤波模块、高压DA全桥变换器，微型处理器系统分别连接AD桥式整流滤波模块和高压DA全桥变换器，高压DA全桥变换器的电流输出端连接交流负载。低压DA全桥变换器通过升压模块连接AD桥式整流滤波模块。由于采用上述技术，本实用新型不仅节能且经济，而且可以缓解电网用电高峰期用电紧张的形势。

Description

一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能技术领域，具体涉及一种光伏发电系统。

背景技术

随着日本地震核泄漏事故发生，化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。

太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。因而太阳能光伏发电系统的研究与应用成为当前较为重要的能源开发方向。根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。

并网光伏发电系统工作原理是将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相、同幅值的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日光照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网向负载补充电能。

目前，我国的光伏发电技术局限于独立运用的场合，并网逆变技术落后，其中的一些核心并网逆变器主要依赖国外的进口，因而并网光伏系统的成本很高，严重制约了并网型光伏发电系统的发展和推广。研发一套控制性能性安全可靠，又能提高控制效率和能源利用率的太阳能光伏并网逆变系统十分必要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，解决以上技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，包括一太阳能电池板、一升压模块、一控制系统，其特征在于，所述控制系统包括一低压控制系统、一高压控制系统；

所述低压控制系统包括一低压DA全桥变换器、一微型处理器系统，所述微型处理器系统通过一低压驱动电路连接所述低压DA全桥变换器的控制端；

所述高压控制系统包括一AD桥式整流滤波模块、一与所述AD桥式整流滤波模块连接的高压DA全桥变换器，所述微型处理器系统通过一高压驱动电路分别连接所述AD桥式整流滤波模块和所述高压DA全桥变换器的控制端，所述高压DA全桥变换器的电流输出端连接一交流负载；

所述低压DA全桥变换器的电流输出端通过所述升压模块连接所述AD桥式整流滤波模块的电流输入端。

由于在并网逆变器电气测量和控制中，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，高电压、强电流就很容易串入低压器件，并将其烧毁。因而在本实用新型中，将高压控制系统与低压控制系统隔离分开而来，两者之间通过升压模块连接，保护了低压端器件免受烧毁的危险。

还包括一电网信号采集系统，所述电网信号采集系统包括一电网供电模块、一用于采集电网的电压幅值和过零点的电压幅值与过零检测相位电路，所述高压DA全桥变换器的电流输出端还连接所述电网供电模块的电流输入端，所述电压幅值与过零检测相位电路的信号输出端连接所述微型处理器系统。在太阳能电池板所产生的交流电能超过负载所需时，可以并入电网供电模块中。为了能安全可靠的并入电网，需要实现逆变后的电压和电网电压的频率、相位、幅值一致。本实用新型通过电压幅值与过零检测相位电路来精确的采集电网交流电压的过零点(zero_crossing)、幅值信号(AC_volt)，并传送给微型处理器系统，微型处理器系统采用过零检测相位、数字锁相环算法，使得高压DA全桥变换器输出电压与电网电压同频同相。若同频同相同幅值，微型处理器系统产生一信号通过给高压控制系统，允许高压DA全桥变换器的继电气开关闭合并入电网。

所述高压控制系统还包括一光电隔离模块，所述电压幅值与过零检测相位电路通过所述光电隔离模块连接所述微型处理器系统，所述微型处理器系统通过所述光电隔离模块还连接所述高压驱动电路。本实用新型通过光电隔离模块将电压幅值与过零检测相位电路传送的高压信号转换为低压信号，传送给微型处理器系统。本实用新型在低压与高压的信号传送之间设置光电隔离模块后，实现的电气隔离、保护低压端器件的目的。并且还具有抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高等显著优点。

还包括一用于检测所述太阳能电池板输出的电流和电压的电流电压采样电路，所述电流电压采样电路的输入端连接所述太阳能电池板的电流输出端，所述电流电压采样电路的输出端连接所述微型处理器系统。为了提高光伏并网逆变发电系统效率，需要实时跟踪太阳能电池板的最大功率点。本实用新型采用电流电压采样电路，通过电阻分压采集太阳能电池板的当前输出电压(sol_volt)，采用精密电流传感电阻串联于太阳能电池板主回路，采集太阳能电池板当前输出电流(sol_amp)，并传送给微型处理器系统，微型处理器系统根据最大功率点跟踪算法，使整个系统工作在最大功率点范围内。

所述升压模块采用一升压变压器，所述升压变压器优选采用高频磁芯变压器。高频磁芯变压器体积小、重量轻，采用全桥结构，且工作频率在20KHZ以上，可实现后续高密度逆变。

所述微型处理器系统优选采用基于ARM结构的嵌入式处理器系统。ARM结构无需操作系统的支持，具有优异实时性能、功耗控制，还具有快速采集、处理数据等优点，可同时对多个模拟量进行快速采集。

还包括一计算机终端管理系统，所述计算机终端管理系统包括一计算机终端、一可视化软件系统，所述计算机终端连接所述可视化软件系统，所述计算机终端连接所述微型处理器系统。计算机终端与微型处理器系统建立信号连接，通过计算机终端读取微型处理器系统传送的数据信息，通过计算机终端还可以控制微型处理器系统的运行，实现可视化远程监控的目的。

所述计算机终端优选通过一RS232串口与所述微型处理器系统连接。

本实用新型的工作原理如下：首先将太阳能电池板两端输出的直流低压通过低压控制系统逆变为交流方波AC，通过升压模块升压后经高压控制系统的AD桥式整流滤波模块整流滤波后变为高压(110V以上)直流DC，然后经过第三级高压DA全桥变换器逆变为所需的工频交流(220V)；期间通过电压幅值与过零检测相位电路采集电网电压过零点，经过微型处理器系统计算出逆变系统与电网交流电压的相位差，运用数字锁相环算法使得逆变系统电压与电网电压同频同相，一旦检测到同频同相同幅值之后，闭合继电器并入电网。

有益效果：本实用新型基于并网光伏发电系统设计为依托，以近年来发展的光伏发电系统技术理论为指导，结合现代开关电源、逆变电源相关技术，适用于住宅家用型的光伏并网逆变系统。当有需要的时候，只需在房屋顶上安装上太阳能电池板，在阳光充足的天气下，接入宅家用的并网光伏逆变器，太阳能电池板两端的直流电压转换为家用220V/50HZ的交流电压，这样便能供电于家用电器等设备。如果在大白天外出情况下，住宅区没有电器设备用电，可以将多余转换为与电网同频、同相交流电供给主电网，这样不仅节能且经济，而且可以缓解电网用电高峰期(特别是夏季)用电紧张的形势。当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。本实用新型具有安全可靠、低价、高效等优点。

附图说明

图1为本实用新型的整体连接示意图；

图2为本实用新型电流电压采样电路的电路示意图；

图3为本实用新型低压控制系统的部分电路示意图；

图4为本实用新型电压幅值与过零检测相位电路的电路示意图；

图5为本实用新型微型处理器系统的电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。

参照图1，一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，包括太阳能电池板1、升压模块3、控制系统，太阳能电池板1能将太阳能转换为电能。升压模块3采用一升压变压器，升压变压器优选采用高频磁芯变压器。高频磁芯变压器体积小、重量轻。逆变器采用全桥结构，且工作频率在20KHZ以上，可实现后续高密度逆变。控制系统包括低压控制系统2、高压控制系统4。

参照图1、图3、图5，低压控制系统2包括低压DA全桥变换器21、微型处理器系统23，微型处理器系统23通过低压驱动电路22连接低压DA全桥变换器21的控制端。低压DA全桥变换器21优选采用4个高功率MOSFET管。低压驱动电路22优选采用IR公司的集成半桥驱动电路芯片，微型处理器系统23优选采用基于ARM结构的嵌入式处理器系统。ARM结构无需操作系统的支持，具有优异实时性能、功耗控制，还具有快速采集、处理数据等优点，微型处理器系统23是整个系统的CPU，数据存储、信号处理中心，优选采用意法半导体公司的stm32f103系列芯片，该芯片为32位嵌入式处理器，其具有2个以上高速设备ADC，转换速率可达1us，可同时对多个模拟量进行快速采集，这是一般的MCU所不具备的。

本实用新型低压控制系统2中，采用低压DA全桥变换器21的拓扑结构作为硬件基础，软件上结合SPWM波脉宽调制算法通过微型处理器系统23处理产生(20KHZ以上)4路PWM波，通过低压驱动电路驱动低压DA全桥变换器21中的两桥臂上MOSFET管工作，使得太阳能电池板1由直流低压转换为高频低压的交流方波电压。在低压控制系统2中，整体的工作电压都在太阳能电池板输出电压幅值范围内(12～18V)，属于低压控制区，这样分离于高压控制模块有利于安全保护微型处理器系统23的控制，以及有效隔离高压控制系统4所带来的EMI等信号干扰，实现精确的处理信息。

高压控制系统4包括AD桥式整流滤波模块41、与AD桥式整流滤波模块41连接的高压DA全桥变换器44，微型处理器系统23通过一高压驱动电路43分别连接AD桥式整流滤波模块41和高压DA全桥变换器44的控制端，高压DA全桥变换器44的电流输出端连接一交流负载5。低压DA全桥变换器21的电流输出端通过升压模块3连接AD桥式整流滤波模块41的电流输入端。上述结构的高压控制系统4采用AC-DC-AC两级逆变结构，即AD桥式整流滤波模块41和高压DA全桥变换器44。高频高压方波信号经过AD桥式整流滤波模块41之后转换为直流高压，最后经过高压DA全桥变换器44转换为工频正弦交流电(220V)。整个高压控制系统4的电压幅值范围在(110V以上)，工作于高压范畴。

本实用新型中的低压驱动电路和高压驱动电路均可以采用IR公司驱动集成芯片。集成的驱动集成芯片可以用于半桥驱动，只需两片便可实现全桥变换器驱动。该芯片内部集成了互相独立的控制驱动输出电路，可直接驱动两个功率半导体器件MOSFET或IGBT，动态响应快、驱动能力强、工作频率高，具有多种保护功能。如图3中，在2脚HIN中输入stm32型号的微型处理器系统23输出的stm_pwm1方波，3脚输入高或低电平开关信号shut_down1，当3脚为高电平时，7脚输出跟随2脚的方波，5脚输出与7脚互补的方波。在5脚输出高电平期间低电平MOSFET比如Q4导通时经过D1可以把C1充电到约14V左右(取决于充电时间)，在下一次2脚输入高电平时可以在7脚输出一个短时间的高电压使高电平侧MOSFET的导通。具体使用时，可以需要根据电压范围选择IR21xx的芯片。

参照图1、图4，还包括一电网信号采集系统6，电网信号采集系统6包括一电网供电模块61、一用于采集电网的电压幅值和过零点的电压幅值与过零检测相位电路62，高压DA全桥变换器44的电流输出端可以通过继电器连接电网供电模块61的电流输入端，继电器的控制端、电压幅值与过零检测相位电路62的信号输出端分别连接微型处理器系统23。在太阳能电池板1所产生的交流电能超过负载所需时，可以并入电网供电模块61中。为了能安全可靠的并入电网，需要实现逆变后的电压和电网电压的频率、相位、幅值一致。本实用新型通过电压幅值与过零检测相位电路62来精确的采集电网交流电压的过零点(zero_crossing)、幅值信号(AC_volt)，并传送给微型处理器系统23，微型处理器系统23采用过零检测相位、数字锁相环算法，使得高压DA全桥变换器44输出电压与电网电压同频同相。若同频同相同幅值，微型处理器系统23产生一信号通过给高压控制系统4，允许高压DA全桥变换器44的继电气开关闭合并入电网。

高压控制系统4还包括一光电隔离模块42，电压幅值与过零检测相位电路62通过光电隔离模块42连接微型处理器系统23，微型处理器系统23通过光电隔离模块42还连接高压驱动电路43。本实用新型通过光电隔离模块42将电压幅值与过零检测相位电路62传送的高压信号转换为电压信号，传送给微型处理器系统23。本实用新型在低压与高压的信号传送之间设置光电隔离模块42后，实现的电气隔离、保护低压端器件的目的。并且还具有抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高等显著优点。

参照图1、图2，还包括一用于检测太阳能电池板1输出的电流和电压的电流电压采样电路9，电流电压采样电路9的输入端连接太阳能电池板1的电流输出端，电流电压采样电路9的输出端连接微型处理器系统23。为了提高光伏并网逆变发电系统效率，需要实时跟踪太阳能电池板1的最大功率点。本实用新型采用电流电压采样电路9，通过电阻分压采集太阳能电池板1当前输出电压(sol_volt)，采用精密电流传感电阻串联于太阳能电池板1主回路，采集太阳能电池板1当前输出电流(sol_amp)，并传送给微型处理器系统23，微型处理器系统23根据最大功率点跟踪算法，使整个系统工作在最大功率点范围内。本实用新型的电流电压采样电路9优选采用美信的MAX4173集成芯片。

本实用新型中微型处理器系统23采用的最大功率点跟踪算法，原理如下：最大功率点跟踪算法是一个自动寻优的过程，通过对太阳能电池板当前输出电流与输出电压的测量，微型处理器系统23计算出当前的输出功率，将此功率与前一时刻输出功率进行比较，根据占空比与功率的关系，给予不同的占空比，使其不断靠近最大功率点，如此反复进行多次，控制目标将达到最大点附近的一个很小的区域内。当温度与外界光照强度发生明显改变时，系统会进行重复寻优。改变占空比D和脉宽调制信号，进而改变了太阳能电池板的工作负载。也即改变太阳能电池板的输出功率点位置，因此达到最大功率点的寻优目的。

还包括计算机终端管理系统7，计算机终端管理系统7包括计算机终端71、可视化软件系统72，计算机终端71连接可视化软件系统72，计算机终端71连接微型处理器系统23。计算机终端71与微型处理器系统23建立信号连接，通过计算机终端71读取微型处理器系统23传送的数据信息，通过计算机终端71还可以控制微型处理器系统23的运行，实现可视化远程监控的目的。计算机终端71优选通过RS232串口8与微型处理器系统23连接。

本实用新型的工作原理如下：首先将太阳能电池板1两端输出的直流低压通过低压控制系统2逆变为交流方波AC，通过升压模块3升压后经高压控制系统4的AD桥式整流滤波模块41整流滤波后变为高压(110V以上)直流DC，然后经过第三级高压DA全桥变换器44逆变为所需的工频交流(220V)；期间通过电压幅值与过零检测相位电路62采集电网电压过零点，经过微型处理器系统23计算出逆变系统与电网交流电压的相位差，运用数字锁相环算法使得逆变系统电压与电网电压同频同相，一旦检测到同频同相同幅值之后，闭合继电器并入电网。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，包括一太阳能电池板、一升压模块、一控制系统，其特征在于，所述控制系统包括一低压控制系统、一高压控制系统；

所述低压控制系统包括一低压DA全桥变换器、一微型处理器系统，所述微型处理器系统通过一低压驱动电路连接所述低压DA全桥变换器的控制端；所述高压控制系统包括一AD桥式整流滤波模块、一与所述AD桥式整流滤波模块连接的高压DA全桥变换器，所述微型处理器系统通过一高压驱动电路分别连接所述AD桥式整流滤波模块和所述高压DA全桥变换器的控制端，所述高压DA全桥变换器的电流输出端连接一交流负载；

所述低压DA全桥变换器的电流输出端通过所述升压模块连接所述AD桥式整流滤波模块的电流输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：还包括一电网信号采集系统，所述电网信号采集系统包括一电网供电模块、一用于采集电网的电压幅值和过零点的电压幅值与过零检测相位电路，所述高压DA全桥变换器的电流输出端还连接所述电网供电模块的电流输入端，所述电压幅值与过零检测相位电路的信号输出端连接所述微型处理器系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：所述高压控制系统还包括一光电隔离模块，所述电压幅值与过零检测相位电路通过所述光电隔离模块连接所述微型处理器系统，所述微型处理器系统通过所述光电隔离模块还连接所述高压驱动电路。

4.根据权利要求3所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：还包括一用于检测所述太阳能电池板输出的电流和电压的电流电压采样电路，所述电流电压采样电路的输入端连接所述太阳能电池板的电流输出端，所述电流电压采样电路的输出端连接所述微型处理器系统。

5.根据权利要求1所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：所述升压模块采用一升压变压器，所述升压变压器采用高频磁芯变压器。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：所述微型处理器系统采用基于ARM结构的嵌入式处理器系统。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：还包括一计算机终端管理系统，所述计算机终端管理系统包括一计算机终端、一可视化软件系统，所述计算机终端连接所述可视化软件系统，所述计算机终端连接所述微型处理器系统。

8.根据权利要求7所述的一种基于住宅家用的光伏并网逆变发电系统，其特征在于：所述计算机终端通过一RS232串口与所述微型处理器系统连接。

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