CN203219215U - 一种包括功率优化装置的太阳能系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种包括有功率优化装置太阳能系统。通过包括有功率优化装置的太阳能电池板优化每块太阳能电池板的工作状态，从而提高产能输出。通过高升压电路，可以把一些功率源较低的输出电压转换成较高输出电压。通过太阳能无桥逆变器，将从太阳能电池板得到的直流电变为符合的交流电输出。本实用新型所述的包括功率优化装置的太阳能系统，可以克服现有技术中电池板无法实现功率最大化输出，可以克服现有技术中成本高、额外损耗大、功率转换效率低与环保性差等缺陷，以实现成本低、额外损耗小、功率转换效率高与环保性好的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能发电系统领域，具体地，涉及太阳能电池板优化、高升压电路、太阳能逆变器与太阳能电池系统。
背景技术
太阳能发电系统主要包括集中式太阳能并网发电系统和分布式太阳能并网发电系统，其中的分布式太阳能并网发电系统由于其能优化太阳能电池板的工作状态，在多数情况下可以提高系统的年发电量，目前日益得到重视并成为一个研究热点。目前流行的分布式太阳能并网发电系统包括基于太阳能微逆变器的发电系统和采用了太阳能电池板最大功率优化装置的系统。这两种结构都可以优化每块太阳能电池板的工作状态，从而提高功率产出。
但是在太阳能并网发电系统实际应用时，整块电池板被遮挡的情况很少，往往是一块电池板的一部分被遮挡或一块电池板上的部分电池出现故障，这种情况下整个电池板的输出曲线变得复杂，往往会有多个峰值出现，一个太阳能电池板最大功率优化装置只能跟踪一个峰值，如果只跟踪最早的峰值则无法保证跟踪出的峰值是实际的最大峰值，而如果要跟踪完所有的峰值最终确定最大的峰值附近为最大功率输出点，在跟踪的过程中会损失大量功率，同样无法实现整个电池板的最大功率输出。
同时太阳能微逆变器的核心是高效升压电路、逆变电路及其控制技术。升压电路主要包括反激变换器及其衍生电路。众所周知，功率元件如功率二极管与功率场效应管（MOS）等，都是电压越高价格越贵；允许通过的电流越大，所用器件的成本越高。那么，由功率元件构成的变换器，工作于高压、大电流情况下，会产生更多的损耗，这将大大降低变换器的效率。
太阳能的电能收集主要来自太阳能电池板组件，该电能并不能直接提供给电网，还需要功率转换。应将电能收集装置收集到电能通过转换为一个稳定的直流输出电，再通过DC/AC逆变器，将直流电逆变为AC交流电，最后并网到电网，为电网中的负载提供功率。AC/DC的逆变器，其主要是用全桥结构的晶体开关所组成。由于逆变桥的存在，负载或者并网输出电流会流过逆变桥，随即产生损耗，降低逆变器的效率，而且逆变器的晶体开关由于损耗的存在还会产生热，这样逆变器还需要额外的考虑散热。不仅增加电路成本，还会增大体积。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对现有技术中的太阳能系统无法实现最大功率输出以及由于在逆变器中设置逆变桥产生损耗的问题，提出了一种包括功率优化装置的太阳能系统。
为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种包括功率优化装置的太阳能系统，包括：
太阳能发电装置，包括多块太阳能电池板和多个功率优化装置，所述功率优化装置的输入端与一块太阳能电池板相连，所述功率优化装置的输出端串联连接；
基于高升压电路的太阳能无桥逆变器，与所述功率优化装置连接；
电网和/或电器设备，与所述太阳能无桥逆变器连接；
所述功率优化装置优化后输出的电压与电流，经所述太阳能无桥逆变器处理后，供给所述电网和/或电器设备。
进一步地所述功率优化装置进一步包括：
最大功率跟踪控制器，与所述太阳能电池板的输出端相连，采集所述太阳能电池板的输出电压或者/和电流信号，跟踪计算出所述太阳能电池板的最大输出功率形成控制参考信号并输出；
DC/DC变换器，接收所述最大功率跟踪控制器输出的所述控制参考信号，在所述控制参考信号的控制下将所述太阳能电池板的输出功率变换到所述最大功率跟踪控制器跟踪出的最大功率值附近进行输出。
进一步地所述的高升压电路，包括：
半波整流电容CIN，连接于所述DC/DC变换器的输出端；与所述半波整流电容CIN并联的第一有源箝位反激变换器和第二有源箝位反激变换器。
进一步地所述第一有源箝位反激变换器及所述第二有源箝位反激变换器的连接关系为：
所述半波整流电容CIN正极经第一箝位电容CCL1后，与第一箝位开关Q21的漏极、以及Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阴极连接；依次经第一变压器漏感或额外添加的电感Lr1及第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1后，与第一箝位开关Q21的源极、Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阳极、第一功率半导体开关Q11的漏极、以及Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阴极连接；经第二箝位电容CCL2后，与第二箝位开关Q22的漏极、以及Q22的的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阴极连接；以及，依次经第二变压器漏感或额外添加的电感Lr2及第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2后，与第二箝位开关Q22的源极、Q22的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阳极、第二功率半导体开关Q12的漏极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阴极连接；
所述半波整流电容CIN的负极，经半波整流电容CIN后与第一功率半导体开关Q11的源极、Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阳极、第二功率半导体开关Q12的源极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阳极连接；
所述第一功率半导体开关Q11的栅极、以及第二功率半导体开关Q12的栅极，用于输入占空比为D的脉冲信号；第一箝位开关Q21的栅极、以及第二箝位开关Q22的栅极，用于输入占空比为1-D的脉冲信号；
第一变压器的原边线圈，并联在第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1的两端；第一变压器副边线圈的第一连接端，与第一输出二极管D11的阳极连接；第一输出二极管D11的阴极，经第一输出电容C11后与第一变压器副边线圈的第二连接端、以及及第二输出二极管D12的阴极连接；
第二变压器的原边线圈，并联在第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2的两端；第二变压器副边线圈的第一连接端，与第二输出二极管D12的阳极连接；第二输出二极管D12的阴极，经第二输出电容C12后与第二变压器副边线圈的第二连接端连接；
所述第一输出二极管D11与第一输出电容C11的公共端为直流输出电压的第一端子，第二输出二极管D12与第二输出电容C12的公共端为直流输出电压的第二端子。
进一步地所述太阳能无桥逆变器包括电能收集装置、至少两个多相并联或者多相交错并联的所述高升压电路以及DSP控制器；
所述电能收集装置收集，为所述高升压电路供电；
所述DSP控制器，向所述高升压电路发送控制信号，使多个所述高升压电路在预设的一个工频周期内分时工作，每一所述高升压电路同一个工频周期内的不同时刻输出正弦波信号，将每一所述高升压电路输出的信号叠加后得到完整的正弦波信号；所述完整的正弦波信号输出至所述电网和/或电器设备。
进一步地所述太阳能无桥逆变器包括两个两相并联的第一高升压电路和第二高升压电路；在所述DSP控制器的控制下，在一个工频周期的前半个周期所述第一高升电路输出半个正弦波信号；在同一个工频周期的后半个周期所述第二高升压电路输出半个正弦波信号。
（1）本实用新型提出的包括功率优化装置的太阳能系统，每一太阳能发电装置均包括多个太阳能电池板与多个能量优化装置，每个能量优化装置的输入端用于与一个太阳能电池板连接，当太阳能电池板部分遮挡或者电部分损坏时，能量优化装置输出的电压或者电流曲线相对简单，峰值为一个或者有限的几个，可方便实现一个太阳能发电装置输出能量的最大化，进而实现整个太阳能系统输出能量的最大化。
（2）本实用新型提出的包括功率优化装置的太阳能系统，其中的太阳能无桥逆变器包括高升压比变换器，可以将原来的DC/DC加DC/AC的方案简化为一级，直接使用SPWM调制（正弦脉宽调制）和DSP实现交流电流输出，提高效率，减少元器件的数量，同时降低成本；从而可以克服现有技术中损耗大、能量利用率低的缺陷，具有损耗小、能量利用率高的优点。
（3）本实用新型提出的包括功率优化装置的太阳能系统，其中的高升压电路的结构是将两个有源箝位反激电路的输入并联，输出串联，输入由于是低压，电流比较大，并联的结构减少了各个有源箝位反激电路的电流，降低损耗，分散热量。而副边是高压，串联的结构降低了各个反激的输出电压，而且变压器的匝比也可以降低，减少副边的匝数，直接效果是减小变压器绕组的电阻，降低绕组损耗，进一步提高效率。从而可以克服现有技术中成本高、额外损耗大、能量转换效率低与环保性差的缺陷，以实现成本低、额外损耗小、能量转换效率高与环保性好的优点。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中，
图1为设置有功率优化装置的太阳能发电装置的结构框图；
图2为高升压电路电气原理示意图；
图3为无桥逆变电路的电气原理示意图；
图4为图2所示无桥逆变电路的关键波形示意图；
图5为包括能量优化装置的太阳能系统实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例一
如图1所示，一种包括功率优化装置的太阳能系统，提供了一种太阳能优化装置，包括太阳能电池板PV、DC/DC变换器，DC/DC变换器的输入端连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给高升压电路，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上，DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为高升压电路提供电源。DC/DC变换器的输入仍然为太阳能电池板；但是它的输出没有直接接负载或逆变器，而是与太阳能电池板的输出电压串联相加，共同为高升压电路供电。假设太阳能电池板的电压为VPV，DC/DC变换器的输出电压为VDC/DC，负载或逆变器端的电压为VOUT，那么以下关系式（1）成立：
VPV+VDC/DC=VOUT (1)
假设流进负载或逆变器的直流电流为IOUT，且系统中功率的转换传输效率为100%，那么以下关于发电系统的功率表达式成立：
PPV=VPV×IPV=VOUT×IOUT （2）
对于该DC/DC变换器，它处理的功率为：
PDC/DC=VDC/DC×IOUT （3）
所以，该DC/DC变换器处理的功率与其输出的电压有关：其输出的电压越低，处理的功率越小。对于分布式发电场合，其输出电压一般只占VOUT电压的小部分。由于其只处理了一小部分功率，从根本上降低了功率转换过程中的损耗。所以，该DC/DC变换器的功率等级可以设计的比发电系统的功率等级小很多，它的尺寸，重量以及制造成本都得到极大的降低。
实施例二
一种包括功率优化装置的太阳能系统包括基于高升压电路的太阳能无桥逆变器，作为优选实施方式，如图2所示，本实施例中的高升压电路的半波整流电容CIN的正极，经第一箝位电容CCL1后，与第一箝位开关Q21的漏极、以及Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阴极连接；依次经第一变压器漏感或额外添加的电感Lr1及第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1后，与第一箝位开关Q21的源极、Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阳极、第一功率半导体开关Q11的漏极、以及Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阴极连接；经第二箝位电容CCL2后，与第二箝位开关Q22的漏极、以及Q22的的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阴极连接；以及，依次经第二变压器漏感或额外添加的电感Lr2及第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2后，与第二箝位开关Q22的源极、Q22的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阳极、第二功率半导体开关Q12的漏极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阴极连接。
所述半波整流电容CIN的负极，经半波整流电容CIN后与第一功率半导体开关Q11的源极、Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阳极、第二功率半导体开关Q12的源极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阳极连接。
第一功率半导体开关Q11的栅极、以及第二功率半导体开关Q12的栅极，用于输入占空比为D的脉冲信号；第一箝位开关Q21的栅极、以及第二箝位开关Q22的栅极，用于输入占空比为1-D的脉冲信号。
第一变压器T1的原边线圈，并联在第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1的两端；第一变压器T1副边线圈的第一连接端，与第一输出二极管D11的阳极连接；第一输出二极管D11的阴极，经第一输出电容C11后与第一变压器T1副边线圈的第二连接端、以及及第二输出二极管D12的阴极连接。
第二变压器T2的原边线圈，并联在第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2的两端；第二变压器T2副边线圈的第一连接端，与第二输出二极管D12的阳极连接；第二输出二极管D12的阴极，经第二输出电容C12后与第二变压器T2副边线圈的第二连接端连接。
第一输出二极管D11与第一输出电容C11的公共端为直流输出电压的第一端子，第二输出二极管D12与第二输出电容C12的公共端为直流输出电压的第二端子。
将两个反激电路的输入并联，输出串联，则形成图4所示结构，如前面介绍，输入由于是低压，电流比较大，并联的结构减少了各个反激电路的电流，降低损耗，分散热量，增加电路的可靠性。而副边是高压，串联的结构降低了各个反激的输出电压，D11和D12可以使用低压的二极管，价格便宜很多，而且变压器的匝比也可以降低，减少副边的匝数，直接效果是减小变压器绕组的电阻，降低绕组损耗，进一步提高效率。原本使用一个反激电路实现同样的升压，变压器的原边与副边的匝数比是1：N，而使用原边并联，副边串联的结构后，可以将原来变压器的匝数比降低为2：N，减少变压器体积。
由于单块太阳能电池板电压比较低，而逆变电路需要并网，则需要用到高升压电路，这种高升压电路的输入电压很低，输出电压很高，而输入电流比较大，输出电流很小，因此使用本实用新型可以很好的降低损耗，提高变换器效率，还能减少成本。
实施例三
本实施例提供的一种包括功率优化装置的太阳能系统，包括基于高升压电路的太阳能无桥逆变器，如图3所示太阳能无桥逆变器包括两个两相并联的第一高升压电路和第二高升压电路；在所述DSP控制器的控制下，在一个工频周期的前半个周期所述第一高升压电路输出半个正弦波信号；在同一个工频周期的后半个周期所述第二高升压电路输出半个正弦波信号。图4所示为本实施例涉及到的波形示意图。如图所示，Vout1为第一高升压电路输出的波形图，Vout2为第二高升压电路输出的波形图。显然二者的波形叠加后能够组成Vac的波形图。从图5中可以看出，在每一高升压电路的输出端设置有控制开关，在第一高升压电路的输出端设置有第一控制开关Q1，在第二高升压电路的输出端设置有第二控制开关Q2,通过所述DSP控制器，分别控制所述第一控制开关Q1和所述第二控制开关Q2在不同的时间导通，则可以控制Vout1和Vout2的输出波形。以控制在整个工频周期内，第一高升压电路工作时，第二高升压电路停止工作；第二高升压电路工作时，第一高升压电路停止工作。
对于第一高升压电路或者第二高升压电路，他们都只有半个工频周期工作，而停止工作的半个工频周期中并不产生损耗，并且输出侧不再使用桥式逆变结构，减少了逆变桥上的损耗，因此该方案可以有效提高逆变器的效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于，包括：
太阳能发电装置，包括多块太阳能电池板和多个功率优化装置，所述功率优化装置的输入端与一块太阳能电池板相连，所述功率优化装置的输出端串联连接；
基于高升压电路的太阳能无桥逆变器，与所述功率优化装置连接；
电网和/或电器设备，与所述太阳能无桥逆变器连接；
所述功率优化装置优化后输出的电压与电流，经所述太阳能无桥逆变器处理后，供给所述电网和/或电器设备。
2.根据权利要求1所述的包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于
所述功率优化装置进一步包括：
最大功率跟踪控制器，与所述太阳能电池板的输出端相连，采集所述太阳能电池板的输出电压或者/和电流信号，跟踪计算出所述太阳能电池板的最大输出功率形成控制参考信号并输出；
DC/DC变换器，接收所述最大功率跟踪控制器输出的所述控制参考信号，在所述控制参考信号的控制下将所述太阳能电池板的输出功率变换到所述最大功率跟踪控制器跟踪出的最大功率值附近进行输出。
3.根据权利要求2所述的包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于，所述的高升压电路，包括：
半波整流电容CIN，连接于所述DC/DC变换器的输出端；与所述半波整流电容CIN并联的第一有源箝位反激变换器和第二有源箝位反激变换器。
4.根据权利要求3所述的包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于，所述第一有源箝位反激变换器及所述第二有源箝位反激变换器的连接关系为：
所述半波整流电容CIN正极经第一箝位电容CCL1后，与第一箝位开关Q21的漏极、以及Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阴极连接；依次经第一变压器漏感或额外添加的电感Lr1及第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1后，与第一箝位开关Q21的源极、Q21的体二极管或额外的并联二极管DQ21的阳极、第一功率半导体开关Q11的漏极、以及Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阴极连接；经第二箝位电容CCL2后，与第二箝位开关Q22的漏极、以及Q22的的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阴极连接；以及，依次经第二变压器漏感或额外添加的电感Lr2及第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2后，与第二箝位开关Q22的源极、Q22的体二极管或额外的并联二极管DQ22的阳极、第二功率半导体开关Q12的漏极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阴极连接；
所述半波整流电容CIN的负极，经半波整流电容CIN后与第一功率半导体开关Q11的源极、Q11的体二极管或额外的并联二极管DQ11的阳极、第二功率半导体开关Q12的源极、以及Q12的体二极管或额外的并联二极管DQ12的阳极连接；
所述第一功率半导体开关Q11的栅极、以及第二功率半导体开关Q12的栅极，用于输入占空比为D的脉冲信号；第一箝位开关Q21的栅极、以及第二箝位开关Q22的栅极，用于输入占空比为1-D的脉冲信号；
第一变压器的原边线圈，并联在第一变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm1的两端；第一变压器副边线圈的第一连接端，与第一输出二极管D11的阳极连接；第一输出二极管D11的阴极，经第一输出电容C11后与第一变压器副边线圈的第二连接端、以及及第二输出二极管D12的阴极连接；
第二变压器的原边线圈，并联在第二变压器原边励磁电感或者额外并联的电感Lm2的两端；第二变压器副边线圈的第一连接端，与第 二输出二极管D12的阳极连接；第二输出二极管D12的阴极，经第二输出电容C12后与第二变压器副边线圈的第二连接端连接；
所述第一输出二极管D11与第一输出电容C11的公共端为直流输出电压的第一端子，第二输出二极管D12与第二输出电容C12的公共端为直流输出电压的第二端子。
5.根据权利要求4所述的包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于：
所述太阳能无桥逆变器包括电能收集装置、至少两个多相并联或者多相交错并联的所述高升压电路以及DSP控制器；
所述电能收集装置收集，为所述高升压电路供电；
所述DSP控制器，向所述高升压电路发送控制信号，使多个所述高升压电路在预设的一个工频周期内分时工作，每一所述高升压电路同一个工频周期内的不同时刻输出正弦波信号，将每一所述高升压电路输出的信号叠加后得到完整的正弦波信号；所述完整的正弦波信号输出至所述电网和/或电器设备。
6.根据权利要求5所述的包括功率优化装置的太阳能系统，其特征在于，所述太阳能无桥逆变器包括两个两相并联的第一高升压电路和第二高升压电路；在所述DSP控制器的控制下，在一个工频周期的前半个周期所述第一高升压电路输出半个正弦波信号；在同一个工频周期的后半个周期所述第二高升压电路输出半个正弦波信号。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Solar energy system comprising power optimizing apparatus Effective date of registration: 20150604 Granted publication date: 20130925 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Wuxi science and Technology Branch Pledgor: LeadSolar Energy Co.,Ltd. Registration number: 2015990000431 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130925 Termination date: 20200419 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220831 Granted publication date: 20130925 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Wuxi science and Technology Branch Pledgor: LEADSOLAR ENERGY Co.,Ltd. Registration number: 2015990000431 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |