CN202634322U - 光伏离并网、市网及储能混合供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光伏离并网、市网及储能混合供电系统，包括：市网、光伏供电源、光伏双模逆变器、储能电池、储能双向变流器和用户负载。其中，市网用于对所述用户负载供电，以及承载光伏馈网电能；光伏供电源和光伏双模逆变器连接之后，用于对用户负载供电，以及向市网馈电；储能电池和储能双向变流器连接之后，与光伏供电源以及所述光伏双模逆变器连接，用于通过光伏供电源对所述储能电池充电，以及通过光伏双模逆变器对用户负载供电。该混合供电系统实现光伏离网和并网供电的优逆势互补，有利于最大化系统的优化设计。

Description

光伏离并网、市网及储能混合供电系统

技术领域

本实用新型涉及光伏供电领域，特别涉及一种家用的小型光伏离并网、市网及储能混合供电系统。

背景技术

目前市面上面向家庭单元的光伏供电产品主要有两种形式：(一)并网供电：光伏供电源产生的电能经过并网逆变器与市网融合共同为负载供电；(二)离网供电：光伏供电源产生的电能与市网隔离独立为负载供电。无论是并网还是离网，都需要配属一定容量的储能，以保证供电质量，并且可以充分利用光伏产生的电能。

并网供电的特点在于，光伏电能与市网接入同一母线，同时为负载供电。如果光伏电能超过负载功率，多于的光伏电能反向馈网；如果光伏电能不能满足负载功率，市网并流补充。因此并网供电模式的优点在于，系统设计的约束条件少，灵活性大。但其主要缺点是：在光伏并网供电模式下，并网逆变器是基于市网电压确定其输出电压幅值和相位的，即光伏供电受制于市网的供电状态，一旦市网掉电，并网逆变器就失去了参照基准，因此光伏并网供电不能在孤岛模式下运行。并且当市网掉电时，要求并网逆变器具有实时检测能力，并且即时停止工作，以避免光伏供电源产生的电流馈至市网，即要求具有防孤岛效应。

离网供电的优点是，离网逆变器可自主提供输出电压基准，不受制于市网的供电状态，即能在孤岛模式下运行。但其主要缺点是：系统设计的各环节的匹配要求高，应对负载变化的灵活性差。

因此，需要一种既可以在孤岛模式下运行，又能够并网运行的光伏混合供电系统。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决上述并离网技术的系统缺陷，特别是提出一种既可以在孤岛模式下运行，又能够并网运行的光伏离并网、市网及储能混合供电系统。

为实现上述目的，本实用新型提供一种光伏离并网、市网及储能混合供电系统，其特征在于，包括：市网、光伏供电源、光伏双模逆变器、储能电池、储能双向变流器和用户负载。其中：所述市网用于对所述用户负载供电，以及承载光伏馈网电能；所述光伏供电源和所述光伏双模逆变器连接之后，用于对所述用户负载供电，以及向所述市网馈电，其中，所述光伏双模逆变器用于跟随所述市网电压或者自整定输出电压；所述储能电池和所述储能双向变流器连接之后，与所述光伏供电源以及所述光伏双模逆变器连接，用于通过所述光伏供电源对所述储能电池充电，以及通过所述光伏双模逆变器对所述用户负载供电，其中，所述储能双向变流器用于控制对所述储能电池的充放电。

在本实用新型实施例中，所述光伏离并网、市网及储能混合供电系统还包括吸收负载，所述吸收负载和所述光伏供电源连接，用于消耗所述光伏供电源对所述用户负载供电以及对所述储能电池充电之后的剩余电能。

在本实用新型实施例中，所述光伏离并网、市网及储能混合供电系统可以在光伏并网及带载，光伏并网、带载、充电及馈网，光伏并网、带载、馈网及充电，储能电池并网及带载，市网带载，光伏离网、储能电池并网及带载，光伏离网、带载、充电及吸收，储能电池离网带载八种模式下工作。其中，本实用新型实施例中所述带载是指为负载供电。

对于光伏并网及带载模式，当所述用户负载功率小于所述光伏供电源的功率且所述储能电池经判断无需充电时，所述光伏供电源独立为所述用户负载供电，同时剩余电能馈至所述市网，以保证所述用户负载最大限度的利用光伏电源产生的电能，亦即尽可能少地消耗所述市网的电能。其中所述光伏双模逆变器输出电压跟随所述市网电压，所述储能双向变流器处于截止状态。

对于光伏并网、带载、充电及馈网模式，当所述用户负载功率小于所述光伏供电源的功率且所述储能电池经判断需优先充电时，所述光伏供电源独立为所述用户负载供电以及为所述储能电池充电，然后剩余电能馈至所述市网，以保证所述用户负载最大限度的利用光伏电源产生的电能，亦即尽可能少地消耗所述市网的电能。其中所述光伏双模逆变器输出电压跟随所述市网电压，所述储能双向变流器处于充电控制状态。

对于光伏并网、带载、馈网及充电模式，当所述用户负载功率小于所述光伏供电源的功率且所述市网经判断需优先馈电时，所述光伏供电源独立为所述用户负载供电以及向所述市网馈电，然后剩余电能为所述储能电池充电，其中所述光伏双模逆变器跟随所述市网电压输出电压，所述储能双向变流器处于充电控制状态。

对于储能电池并网及带载模式，当所述光伏供电源截止供电，所述市网有电，且所述储能电池经判断允许放电时，所述储能电池独立为所述用户负载供电，同时将其存储的部分电能向所述市网馈电，其中所述储能双向变流器控制所述储能电池的放电，所述光伏双模逆变器输出电压跟随所述市网电压。

对于市网带载模式，当所述光伏供电源截止供电，市网有电，且所述储能电池经判断不允许放电时，所述市网独立为所述用户负载供电，其中所述光伏双模逆变器和储能双向变流器处于截止状态。

对于光伏离网、储能电池并网及带载模式，当所述光伏供电源可以供电，所述市网断电，所述用户负载功率大于所述光伏供电源功率，且所述储能电池经判断允许放电时，所述光伏供电源与储能电池并网共同为所述用户负载供电，其中所述光伏双模逆变器自整定输出电压，所述储能双向变流器跟随所述光伏供电源的直流输出电压以控制所述储能电池的放电。

对于光伏离网、带载、充电及吸收模式，当所述光伏供电源可以供电，所述市网断电，所述用户负载功率小于所述光伏供电源功率，且所述储能电池经判断需要充电时，所述光伏供电源单独为所述用户负载供电，剩余电能优先为所述储能电池充电，然后还有剩余电能由所述吸收负载吸收，或者通过调节所述光伏供电源的输出功率以达到终端功率的匹配，即所述光伏供电源的输出功率为所述用户负载供电后的剩余功率恰好满足为所述储能电池充电。其中所述光伏双模逆变器自整定交流输出电压，所述储能双向变流器处于充电控制状态。

对于储能电池离网带载模式，当所述光伏供电源截止供电，所述市网断电，所述储能电池经判断可以放电时，由所述储能电池独立为所述用户负载供电，其中所述光伏双模逆变器自整定输出电压，所述储能双向变流器处于放电控制状态。

在本实用新型实施例中，所述光伏离并网、市网及储能混合供电系统还包括中央控制器，所述中央控制器与所述供电系统的上述各个组成部件建立通讯，实时采集所述各个组成部件的状态信号，并依据实时状态信息判断并控制所述供电系统的当前工作模式，即通过对所述供电系统各组成部件的当前状态进行判断，从而确定并控制所述供电系统运行于恰当的工作模式。

本实用新型提供一种适合家用的光伏离并网、市网及储能混合供电系统，通过设置并网时具有跟踪市网电压能力，离网时具有自整定输出电压的能力的光伏双模逆变器和储能双向变流器，将光伏离网和并网供电统一在同一供电系统中，以实现光伏离网和并网供电的优逆势互补，有利于最大化系统的优化设计。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例提供的光伏离并网、市网及储能混合供电系统的架构示意图；

图2为本实用新型实施例的光伏双模逆变器的电气原理图；

图3为本实用新型实施例的储能双向变流器的电气原理图；

图4为本实用新型实施例的光伏并网及带载模式的系统示意图；

图5为本实用新型实施例的光伏并网、带载、充电及馈网模式的系统示意图；

图6为本实用新型实施例的光伏并网、带载、馈网及充电模式的系统示意图；

图7为本实用新型实施例的储能电池并网及带载模式的系统示意图；

图8为本实用新型实施例的市网带载模式的系统示意图；

图9为本实用新型实施例的光伏离网、储能电池并网及带载模式的系统示意图；

图10为本实用新型实施例的光伏离网、带载、充电及吸收模式的系统示意图；

图11为本实用新型实施例的储能电池离网供电模式的系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

图1所示为本实用新型实施例提供的光伏离并网、市网及储能混合供电系统的架构示意图。如图1所示，本实用新型实施例的光伏离并网、市网及储能混合供电系统包括：市网100、光伏供电源200、光伏双模逆变器300、储能电池400、储能双向变流器500、用户负载600和吸收负载700。该混合供电系统包括三条供电支路：市电支路、光伏支路和储能支路，以及两条负载支路：用户负载支路，以及吸收负载支路(可选)。所有五条支路通过电气开关(例如电气开关K1、K2、K3、K4和K5)分别与AC(交流)总线连通。

其中，市电支路包括市网100，市网100用于对用户负载600供电以及承载光伏馈网的电能。在本实用新型实施例中，市电支路还必要包括与市网100串联的电表800(例如四象限电表800)用以实时检测显示并记录市网供电、并网馈电状态和数据；市电支路和AC总线之间包括开关K1用于控制市网100与AC总线的离并网。

光伏支路包括光伏供电源200和光伏双模逆变器300。光伏供电源200可以是任何太阳能供电源，例如光伏电池阵列。光伏供电源200和光伏双模逆变器300连接之后，再连接至AC总线，并可经由负载支路、储能支路和市电支路，对用户负载600供电、对储能电池400充电以及向市网100馈电。其中，光伏双模逆变器300用于跟随市网100的电压或者自整定输出交流电压。在本实用新型实施例中，光伏供电源200与光伏双模逆变器300连接之后，还可以串联电表900(例如PV电表900)以实时检测显示及记录光伏供电源的供电状态和数据。

储能支路包括储能电池400、储能双向变流器500和光伏双模逆变器300。储能电池400和储能双向变流器500连接之后，再连接至光伏双模逆变器300，最后连接至AC总线，可经由市电支路、光伏支路和负载支路，由光伏供电源200为其充电，向市网100馈电，以及为用户负载600供电。其中，储能双向变流器500用于控制储能电池充放电，光伏双模逆变器300用于跟随市网100的电压或者自整定输出交流电压。储能电池400和AC总线之间包括开关K3和K2用于控制储能电池400的离并网。

用户负载支路和吸收负载支路分别包括用户负载600和吸收负载700。用户负载600是整个供电系统的服务对象，系统的供电支路：市电支路、光伏支路以及储能支路都是为了满足用户负载600的供电需求而设计的。吸收负载700是当光伏离网供电且用户负载600和储能电池400均不再能吸纳光伏供电源200所产生的电能时吸收剩余电量的装置。在本实用新型实施例中，用户负载600和吸收负载700分别与AC总线连接，用户负载600和吸收负载700与AC总线之间的通断分别由电气开关K3和K5来控制。两种负载都附之各自的负载控制电路，以增加系统工作的自由度，更加有利于系统优化设计。

本实用新型实施例的光伏离并网、市网及储能混合供电系统还包括中央控制器(图1未示出)，该中央控制器与该供电系统的上述各个组成部件建立通讯，实时采集所述各个组成部件的状态信号，并依据实时状态信息判断并控制该供电系统的当前工作模式。也就是说，中央控制器通过对供电系统的市网100、光伏供电源200、光伏双模逆变器300、储能电池400、储能双向变流器500、用户负载600各个部件的当前状态信息进行采集，进而作出判断并向相应的组成部件发出指令，从而控制所述供电系统工作于恰当的工作模式。需说明的是，本实用新型各个实施例中所谓“经判断”或“经系统判断”等类似语句，若无特殊说明，均表示由中央控制器做出判断。

要实现本实用新型的既可以在离网模式下运行，又能够并网运行的光伏离并网、市网及储能混合供电系统，要求系统中的光伏双模逆变器300的控制电路能够工作在并网和离网两种控制模式下，具有在并网时具有跟踪市网电压的能力，以及离网时具有自整定输出电压的能力；还要求系统中的储能双向变流器500既能控制储能电池400的充电和放电。图2所示为本实用新型实施例的光伏双模逆变器300的电气原理图，光伏双模逆变器300包括单相/三相逆变器(主功率回路)301，采样电路302，以及控制计算电路303。逆变器功率电路拓扑根据交流输出可以分为单相和三相两类，本实施例选用其中任意一类；光伏逆变器根据控制模式可以分为离网和并网两种，本实施例所述的双模逆变器就是指光伏逆变器的控制电路可以实现离网和并网两种控制模式，由控制计算电路303整合实现两种控制模式并能根据工作模态互相切换；采样电路302用于采集光伏双模逆变器300的输出和输入电压和电流，以及相关状态参数的电路。图3所示为本实用新型实施例的储能双向变流器500的电气原理图，包括双向DC/DC变流器(主功率回路)501，采样电路502，以及控制计算电路503。本实施例所述的双向DC/DC变流器意指：主功率回路501的两个直流端口既可以作为直流输入端，也可以作为直流输出端；控制计算电路503除了实施双向直流变流控制之外，还具有跟随光伏供电源直流输出电压，以适时调控并流电流的能力；采样电路负责采集双向DC/DC变流器500的直流输入输出电压和电流，以及系统其它相关状态参数。

下面结合附图4-11描述本实用新型实施例的光伏离并网、市网及储能混合供电系统的各种工作模式。

图4所示为光伏并网及带载模式的系统示意图。参考图1，K1、K2和K4闭合，K3和K5断开。参考图4，光伏供电源200、市网100以及用户负载600分别与AC总线连通，储能支路和吸收负载700与之处于断开状态。此时用户负载600的功率小于光伏供电源200所能提供的功率且储能电池400经判断无需充电，由光伏供电源200独立为用户负载600供电，同时光伏供电源200的剩余电能馈至市网100，以保证用户负载600最大限度的利用光伏电源产生的电能，亦即尽可能少地消耗市网100的电能。其中光伏双模逆变器300输出交流电压跟随市网100的电压，此时储能双向变流器500处于截止状态。需指出的是，在本实用新型各实施例中，判断储能电池400处于需要充电、放电或者优先充电状态，由系统中央控制器判断。

图5所示为光伏并网、带载、充电及馈网模式的系统示意图。参考图1，K1、K2、K3和K4闭合，K5断开。参考图5，光伏供电源200、市网100、用户负载600以及储能电池400分别与AC总线连通，吸收负载700与之处于断开状态。此时用户负载600的功率小于光伏供电源200所能提供的功率，且储能电池400经判断需优先充电时，光伏供电源200独立为用户负载600供电，富余电量优先为储能电池400充电，若还剩余有电量向市网100馈电。这样可以保证所述用户负载最大限度的利用光伏电源产生的电能，亦即尽可能少地消耗所述市网的电能。此时，光伏双模逆变器300的交流输出电压跟踪市网100的电压，并且，储能双向变流器500控制储能电池400充电。需注意地是，该工作模式下，K1必须保持闭合，即市电支路处于待用状态，为大功率负载的接入提供备用电能。

图6所示为光伏并网、带载、馈网及充电模式的系统示意图。参考图1，K1、K2、K3和K4闭合，K5断开。参考图6，光伏供电源200、市网100、用户负载600以及储能电池400分别与AC总线连通，吸收负载700与之处于断开状态。此时用户负载600的功率小于光伏供电源200所能提供的功率，且中央控制器判断恰时向市网馈电，以及储能电池400经判断可以充电，光伏供电源200单独为用户负载600供电，富余电量优先向市网100馈电，若还剩余有电量则为储能电池400充电。此时，光伏双模逆变器300的交流输出电压跟踪市网100的电压，并且，储能双向变流器500处于待机或控制储能电池400充电状态。

图7所示为储能电池并网及带载模式的系统示意图。参考图1，K1、K2、K3和K4闭合，K5断开。参考图7，市网100、用户负载600以及储能电池400与AC总线连通，光伏供电源200和吸收负载700与之处于断开状态。此时光伏供电源200截止供电，且系统判断恰时向市网馈电，并且储能电池有足够电量为用户负载供电和向市网馈电，由储能双向变流器500控制储能电池400放电为用户负载600供电并将其存储的部分电能向市网100馈电。此时，光伏双模逆变器300工作于并网模式，其交流输出电压跟随市网电压，储能双向变流器500控制储能电池400放电。

图8所示为市网带载模式的系统示意图。参考图1，K1和K4闭合，K2、K3和K5断开。参考图8，市网100，用户负载600与AC总线连通，光伏支路、储能支路和吸收负载700与之处于断开状态。此时光伏供电源200截止供电，且储能电池400经判断不允许放电，由市网100独立为用户负载600供电。此时，光伏双模逆变器300和储能双向变流器500均处于截止状态。

图9所示为光伏离网、储能电池并网及带载模式的系统示意图。参考图1，K2、K3和K4闭合，K1和K5断开。参考图9，光伏供电源200、用户负载600、储能电池400与AC总线连通，市电支路和吸收负载700与之处于断开状态。此时市网100断电，用户负载600功率大于光伏供电源200功率，且储能电池400经判断允许放电；由光伏供电源200和储能电池400共同为用户负载600供电。此时，光伏双模逆变器300工作于离网状态模式自整定输出交流电压，储能双向变流器500控制储能电池400放电，其输出电压跟随光伏供电源200的直流输出电压。

图10所示为光伏离网、带载、充电及吸收模式的系统示意图。参考图1，K2、K3、K4和K5闭合，K1断开。参考图10，光伏供电源200、用户负载600、储能电池500与AC总线连通，市电支路与之处于断开状态。此时市网100断电，用户负载600功率小于光伏供电源200功率，且储能电池400经判断可以充电；由光伏供电源200独立为用户负载600供电，富余电量优先为储能电池400充电，若是还剩余有电量由吸收负载700吸收。在本实用新型一个可选的实施例中，供电系统中可以不包含吸收负载700，则可以通过中央控制器控制光伏供电源200的输出功率，使其匹配系统的终端功率，即避免光伏供电源200为用户负载600供电以及为储能电池400充电后剩余功率的产生。此时，光伏双模逆变器300工作于离网状态自整定输出交流电压，储能双向变流器500控制储能电池400充电。

图11所示为储能电池离网供电模式的系统示意图。参考图1，K2、K3和K4闭合，K1和K5断开。参考图11，用户负载600和储能电池400与AC总线连通，市电支路、光伏供电源200和吸收负载700与之处于断开状态。此时市网100断电，光伏供电源200截止供电，且储能电池400经判断可以放电；由储能电池400独立为用户负载600供电。此时，光伏双模逆变器300工作于离网模式自整定输出电压，储能双向变流器500控制储能电池400放电。

本实用新型提供一种适合家用的光伏离并网、市网及储能混合供电系统，通过设置并网时具有跟踪市网电压能力，离网时具有自整定输出电压的能力的光伏双模逆变器和储能双向变流器，将光伏离网和并网供电统一在同一供电系统中，以实现光伏离网和并网供电的优逆势互补，有利于最大化系统的优化设计。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (3)

1.一种光伏离并网、市网及储能混合供电系统，其特征在于，包括：市网、光伏供电源、光伏双模逆变器、储能电池、储能双向变流器和用户负载，其中：

所述市网用于对所述用户负载供电，以及承载光伏馈网电能；

所述光伏供电源和所述光伏双模逆变器连接之后，用于对所述用户负载供电，以及向所述市网馈电，其中，所述光伏双模逆变器用于跟随所述市网电压或者自整定输出电压；

所述储能电池和所述储能双向变流器连接之后，与所述光伏供电源以及所述光伏双模逆变器连接，用于通过所述光伏供电源对所述储能电池充电，以及通过所述光伏双模逆变器对所述用户负载供电，其中，所述储能双向变流器用于控制对所述储能电池的充放电。

2.如权利要求1所述的光伏离并网、市网及储能混合供电系统，其特征在于，还包括吸收负载，所述吸收负载和所述光伏供电源连接，用于消耗所述光伏供电源对所述用户负载供电以及对所述储能电池充电之后的剩余电能。

3.如权利要求1或2所述的光伏离并网、市网及储能混合供电系统，其特征在于，还包括中央控制器，所述中央控制器用于监控所述供电系统各组成部件的实时状态，并依据实时状态信息判断并控制所述供电系统的当前工作模式。 

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