CN202798011U - 家庭能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种家庭能源系统，并且该家庭能源系统连接在电网和负载之间，包括：太阳能电池模块；储能电池模块；双向导通逆变器，所述双向导通逆变器分别与所述太阳能电池模块和所述储能电池模块相连；第一控制器，所述第一控制器与所述双向导通逆变器相连，所述第一控制器控制所述双向导通逆变器在离网工作时，所述太阳能电池模块和所述储能电池模块共同为所述负载供电。该家庭能源系统具备并网发电和离网带载能力，且安全可靠、成本低、适应性强。

Description

家庭能源系统

技术领域

本实用新型涉及发电和供电技术领域，特别涉及一种家庭能源系统。

背景技术

目前，常规能源的储备正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。为了减少大气污染、保护生态环境、保证能源的长期稳定供应，逐步改变现有的能源结构，大力开发利用新能源，已成为各国的共识。

太阳能以其清洁、高效、永不枯竭的特点成为最具有发展前景的绿色能源。同时，为优化电网电源结构，改善电网的运行条件，提高系统运行的经济性、可靠性，各种形式的储能电站也开始初步推广。然而仅仅依靠大型光伏电站、储能电站根本无法满足日益增长的能源需求，因而相对方便、灵活小巧的家庭式能源系统具有广阔的发展前景。

当前光伏发电系统主要是两种形式：独立发电带载型和并网发电型。其中，并网发电型的光伏发电系统是当前光伏应用的主要形式，通常为三相三桥并网形式。用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器及光伏并网发电系统为三相四桥臂逆变器系统在光伏并网发电中的一种较好应用，能够适应不平衡电网并减小并网时输出电流的谐波。而独立发电带载型又称为离网发电带载型，这种形式的光伏发电系统在偏远地区运用较为广泛，普遍采用三相三桥臂逆变器后接三角变星型变压器构成四线系统以实现带不平衡负载功能。

然而，以上两种形式的光伏发电系统均具有明显的缺陷。首先，离网发电带载型的光伏发电系统灵活方便、适用性好、输出电能质量高，在一些偏远无电网地区已经有广泛应用，但对阳光状态依赖度过高，若长时间阴雨天气，系统就无法对外供电，同时由于成本高，不利于更大面积推广。其次，并网发电型的光伏发电系统需要依赖电网，并在电网出现异常时便无法正常工作，另外由于各种非线性不平衡负载的广泛应用，使得局部电网某相或某几相出现无功有功缺额、谐波超标，为提高电能质量就必须额外增加电力滤波器、无功补偿器等，不仅增加成本且往往补偿范围有限。

因此，高成本、低可靠性、低适应性这几个因素严重制约了家庭光伏发电系统的推广与发展。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术缺陷。

为此，本实用新型的目的在于提出一种家庭能源系统，具备并网发电和离网带载能力，且安全可靠、成本低、适应性强。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种家庭能源系统，其中，所述家庭能源系统连接在电网和负载之间，所述家庭能源系统包括：太阳能电池模块；储能电池模块；双向导通逆变器，所述双向导通逆变器分别与所述太阳能电池模块和所述储能电池模块相连；第一控制器，所述第一控制器与所述双向导通逆变器相连，所述第一控制器控制所述双向导通逆变器在离网工作时，所述太阳能电池模块和所述储能电池模块共同为所述负载供电。

根据本实用新型的家庭能源系统，不仅效率高、安全可靠、成本低，同时具备并网发电与离网带载能力，还能够适应各种类型负载和适应恶劣电网环境。此外，还具有电网综合补偿、微型储能电站的功能。

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为根据本实用新型实施例的家庭能源系统的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施例的家庭能源系统的进一步的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的家庭能源系统的电路示意图；和

图4为根据本实用新型实施例的家庭能源系统运行过程中能量流动示意图。

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。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本实用新型的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本实用新型的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本实用新型的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本实用新型的实施例的范围不受此限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的家庭能源系统。

如图1所示，该家庭能源系统连接在电网和负载之间，包括太阳能电池模块101、储能电池模块102、双向导通逆变器103和第一控制器104。

其中，双向导通逆变器103分别与太阳能电池模块101和储能电池模块102相连，第一控制器104与双向导通逆变器103相连。第一控制器104控制双向导通逆变器103在离网工作时，太阳能电池模块101和储能电池模块102共同为负载供电。而在第一控制器104控制双向导通逆变器103在并网工作时，电网、太阳能电池模块101和储能电池模块102共同为负载供电，并在电网处于低负荷状态时控制双向导通逆变器103反向导通以使电网向储能电池模块102充电。此外，在电网处于非线性高负荷例如不平衡非线性负载大量运用时，第一控制器104控制双向导通逆变器103正向导通以输出有功/无功对电网进行补偿。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，太阳能电池模块101包括太阳能电池单元201、单向DC/DC变换单元202和第二控制器203。其中，单向DC/DC变换单元202与太阳能电池单元201相连，第二控制器203与单向DC/DC变换单元202相连，并当太阳能电池单元201的输出电压高于预设启动电压时，第二控制器203控制单向DC/DC变换单元202启动。当太阳能电池单元201的输出电压低于预设停机电压时，第二控制器203控制单向DC/DC变换单元202关闭。

如图2所示，储能电池模块102包括储能电池单元204、双向DC/DC变换单元205和第三控制器206。其中，双向DC/DC变换单元205与储能电池单元204相连，第三控制器206与双向DC/DC变换单元205相连，当储能电池单元204的能量低于阈值且电网正常时，双向DC/DC变换单元205在第三控制器206的控制下通过电网和太阳能电池模块101为储能电池单元204充电。此外，储能电池单元还包括电池管理器（图中未示出），用于监控储能电池单元的容量、电压、电流等。

具体地，如图3所示，为了方便描述，单向DC/DC变换单元202、双向DC/DC变换单元205分别与太阳能电池单元201、储能电池单元204的连接端为低压端，另一侧为高压端。开关管T1至T12均由一个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）与一个二极管反并联构成。其中，太阳能电池单元201的输出端接防反冲二极管D1，避免能量反向流向太阳能电池单元201。

如图3所示，单向DC/DC变换单元202包括开关管T1和T2、电感L1、电容C1和C2。电容C1和C2分别与单向DC/DC变换单元202的低压端、高压端并联，电容C1分别与太阳能电池单元201输出端和电感L1相连。开关管T1分别与电容C1、电感L1相连，开关管T2分别与电感L1、电容C2相连，电容C2连接在直流母线之间。

如图3所示，双向DC/DC变换单元205包括开关管T3和T4、电感L2、电容C3和C4。其中，电容C3和C4分别与双向DC/DC变换单元205的低压端、高压端并联，电容C3与储能电池单元204的输出端、电感L2相连。开关管T3分别与电容C3、电感L2相连，开关管T4分别与电感L2、电容C4相连，电容C4连接直流母线之间。

如图3所示，双向导通逆变器103为三相四桥臂逆变器，以下简称四桥臂逆变器。四桥臂逆变器包括4个桥臂（a、b、c、n）、8个开关管（T5至T12）、4个滤波电感（La、Lb、Lc、Ln）、3个滤波电容（C6、C7、C8）和输入端电容C5。开关管T5、T6串联构成A相桥臂a，开关管T7、T8串联构成B相桥臂b，开关管T9、T10串联构成C相桥臂c，开关管T11、T12串联构成中线桥臂n，各相桥臂上两开关管连接点作为输出分别与滤波电感La、Lb、Lc、Ln相连，并且在三相桥臂（a、b、c）与中线桥臂n之间并联滤波电容C6、C7、C8。三相桥臂a、b、c经过滤波电感（La、Lb、Lc）、滤波电容（C6、C7、C8）后分别与电网（或负载）三相相连，中线桥臂n经过滤波电感Ln后与电网（或负载）中线相连。4个桥臂（a、b、c、n）上下端点分别连接在一起作为直流母线，上端为正极、下端为负极，输入端电容C5连接在直流母线正、负极之间。

其中，中线桥臂n可以直接控制中性点电压，从而获得三个独立的电压分量，中线桥臂n为零序电流分量提供通路，具有固有的不平衡处理能力。

具体地，如图2所示，太阳能电池模块101还包括直流采样电路21和驱动电路23，储能电池模块102还包括直流采样电路41和驱动电路43。此外，上述家庭能源系统还包括直流采样电路51、交流采样电路52和驱动电路54和监控模块6。监控模块6分别与太阳能电池模块101、储能电池模块102和第一控制器104相连，控制太阳能电池模块101、储能电池模块102和第一控制器104之间的信息交互。此外，监控模块6还用于实时监测显示各模块的工作状态、电压/电流/功率等信息，各模块之间通讯采用CAN、RS485或TCP\IP协议，以实现准确快速的信息交互。

其中，第一控制器104、第二控制器203、第三控制器206均采用DSP TMS320F2812或TMS320F28335。并且，直流采样电路包括电压互感器、电流变换器，交流采样捕获电路包括电压互感器、电流霍尔、电压过零检测电路。

如图2所示，太阳能电池单元201与单向DC/DC变换单元202的低压端相连，直流采样电路21设置在单向DC/DC变换单元202的低压端及高压端，用于获取太阳能电池单元201的电压/电流和单向DC/DC变换单元202的输出电压/电流并将采样信号传递给第二控制器203，第二控制器203对采样信息进行运算处理后产生控制信号并将其传递给驱动电路23，由驱动电路23驱动单向DC/DC变换单元202的运行。储能电池单元204与双向DC/DC变换单元205的低压端相连，直流采样电路41设置在双向DC/DC变换单元205的低压端及高压端，用于获取储能电池单元204输出的电压/电流、双向DC/DC变换单元205的高压端的电压/电流，并将采样信号传递给第三控制器206。第三控制器206对采样信息、监控模块6传递信息进行综合判断处理以确定双向DC/DC变换单元205的工作状态，并产生控制信号传递给驱动电路43，由驱动电路43驱动双向DC/DC变换单元205运行。四桥臂逆变器5的输入端通过电容C5分别与单向DC/DC变换单元202和双向DC/DC变换单元205的高压端相连，四桥臂逆变器5的输出端通过滤波电感（La、Lb、Lc、Ln）、滤波电容（C6、C7、C8）分别与电网（或负载）A、B、C三相和中线相连。直流采样电路51设置在四桥臂逆变器5直流输入端，用于测量直流母线电压/电流并将检测信号传递给第一控制器104；交流采样捕获电路53设置在四桥臂逆变器5输出端，用于测量四桥臂逆变器5输出三相电感/电流、中线电感/电流、电网三相电压/频率/幅值/相位，并将采样信号传递给第一控制器104。第一控制器104对采样信息、监控系统6传递信息进行综合判断处理以确定四桥臂逆变器5工作状态，并产生控制信号传递给驱动电路53，由驱动电路53驱动四桥臂逆变器5运行。

根据电网环境、负载、阳光状态的不同，家庭能源系统中各模块会以不同工作模式运行。

单向DC/DC变换单元202的运行模式由阳光状态决定，用于太阳能电池单元201的最大功率跟踪。第二控制器203通过直流采样电路21检测太阳能电池单元201输出电压高于预设启动电压后（例如天气晴朗的早晨）控制单向DC/DC变换单元202启动运行，并对采样信息进行处理以实现对太阳能电池最大功率跟踪控制。第二控制器203还通过直流采样电路21检测太阳能电池单元201的输出电压低于预设停机电压后（例如晚间、阴雨天气）控制单向DC/DC变换单元202停机。

双向DC/DC变换单元205、四桥臂逆变器5的运行模式由电网环境、负载、阳光状态、储能电池单元204的能量共同决定。储能电池单元204的能量极低即低于阈值且电网正常（例如系统初次运行或经历长时间停电）时，四桥臂逆变器5工作在整流模式恒定直流母线电压，双向DC/DC变换单元205以恒定电池端直流电流模式给储能电池单元204充电，以快速恢复储能电池单元204的能量，能量从电网、太阳能电池单元201（阳光充足时）流向储能电池单元204。

储能电池单元204的能量在正常范围内且电网正常（大部分时间系统均处于该环境）时，双向DC/DC变换单元205恒定直流母线电压，并且四桥臂逆变器5并网运行。根据太阳能电池单元201的输出功率、储能电池单元204的能量共同确定四桥臂逆变器5并网输入/输出功率。此时，若四桥臂逆变器5输出功率大于负载功率则多余能量由家庭能源系统流向电网，若四桥臂逆变器5输出功率小于负载功率，则不足部分能量由电网补充。当局部电网出现各相有功/无功不平衡、电压/电流谐波升高时，也就是电网处于非线性高负荷时，四桥臂逆变器5输出有功、无功补偿电网功率缺额，产生与电网谐波大小相同方向相反的谐波使电网总谐波含量为零。同时，通过对储能电池单元204容量的合理控制，在夜间（或电网负荷轻时）通过电网给储能电池单元204充电，白天（或电网负荷重时）再将储能电池单元204的能量向电网回馈，起到小型储能电站的作用。

储能电池单元204的能量在正常范围内且无电网（停电）时，双向DC/DC变换单元205恒定直流母线电压，四桥臂逆变器5作为电压源离网带各种类型非线性不平衡负载运行，能量从储能电池单元204、太阳能电池单元201（阳光充足）流向负载。

综上所述，本实用新型的家庭能源系统运行过程中的可能出现的能量流动情况如图4所示。其中，双箭头表示能量可双向流动，单箭头表示能量只能够单向流动。太阳能电池单元将太阳能转换为电能，通过单向DC/DC变换单元202传入系统，电能只能单向流动。储能电池单元204能够根据实际需求通过双向DC/DC变换单元205吸收有功功率或释放有功功率，电能可以双向流动。三相四桥臂逆变器5并网运行时能够向电网吸收或释放有功/无功，电能可以双向流动，而离网运行时能将太阳能电池单元201、储能电池单元204的能量传递给负载，电能只能单向流动。

根据电网环境、负载类型、阳光状态、储能电池单元的储存能量的不同，该家庭能源系统会以不同状态运行，以适应各种各样的用电需求。

根据本实用新型实施例的家庭能源系统，以并网模式运行时不仅具有普通的太阳能发电功能，还能够根据实际需求作为电网补偿系统，实现对电网各单相无功/有功缺额、谐波进行快速准确的补偿，提高局部电网质量。以离网模式运行时，可以带任意类型强不平衡非线性负载，具体是指一类负载，例如电焊机、不控整流设备等会使得电网电压谐波升高、畸变、不平衡。在电网出现严重异常或停电时，系统还能够离网运行，通过储能电池单元、太阳能电池单元为负载供电，作为后备式能源系统，大大提高了供电的可靠性。此外，系统发电量超过家庭用电量后，多余部分电量可以向电网回馈获取收益，在夜间通过电网给储能电池单元充电，白天再将储能电池单元的能量向电网回馈，起到微型储能电站（削峰填谷）的作用的同时还能够从各地区广泛采用的“峰谷电价”获取差价收益。并且，由于其兼具光伏并网、无功/有功补偿、谐波补偿、后备电源多项功能，可减少设备采购，有助于降低成本。最后，还能够满足不同地区、不同供电环境下家庭、小型企业用户、分布式电网的供电需求，在能源危机日渐显现的时代具有极大的发展前景。

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。

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 (7)

1.一种家庭能源系统，其特征在于，所述家庭能源系统连接在电网和负载之间，所述家庭能源系统包括：

太阳能电池模块；

储能电池模块；

双向导通逆变器，所述双向导通逆变器分别与所述太阳能电池模块和所述储能电池模块相连；

第一控制器，所述第一控制器与所述双向导通逆变器相连，所述第一控制器控制所述双向导通逆变器在离网工作时，所述太阳能电池模块和所述储能电池模块共同为所述负载供电。

2.如权利要求1所述的家庭能源系统，其特征在于，所述第一控制器控制所述双向导通逆变器在并网工作时，所述电网、所述太阳能电池模块和所述储能电池模块共同为所述负载供电，并在所述电网处于低负荷状态时控制所述双向导通逆变器反向导通以使所述电网向所述储能电池模块充电。

3.如权利要求2所述的家庭能源系统，其特征在于，在所述电网处于非线性高负荷时，所述第一控制器控制所述双向导通逆变器正向导通以输出有功/无功对所述电网进行补偿。

4.如权利要求1所述的家庭能源系统，其特征在于，所述太阳能电池模块包括：

太阳能电池单元；

单向DC/DC变换单元，所述单向DC/DC变换单元与所述太阳能电池单元相连；

第二控制器，所述第二控制器与所述单向DC/DC变换单元相连，当所述太阳能电池单元的输出电压高于预设启动电压时，所述第二控制器控制所述单向DC/DC变换单元启动。

5.如权利要求4所述的家庭能源系统，其特征在于，当所述太阳能电池单元的输出电压低于预设停机电压时，所述第二控制器控制所述单向DC/DC变换单元关闭。

6.如权利要求1所述的家庭能源系统，其特征在于，所述储能电池模块包括：

储能电池单元；

双向DC/DC变换单元，所述双向DC/DC变换单元与所述储能电池单元相连；

第三控制器，所述第三控制器与所述双向DC/DC变换单元相连，当所述储能电池单元的能量低于阈值且所述电网正常时，所述双向DC/DC变换单元在所述第三控制器控制下通过所述电网和所述太阳能电池模块为所述储能电池单元充电。

7.如权利要求1所述的家庭能源系统，其特征在于，还包括：

监控模块，所述监控模块分别与所述太阳能电池模块、所述储能电池模块和所述第一控制器相连，控制所述太阳能电池模块、所述储能电池模块和所述第一控制器之间的信息交互。

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