CN203984305U - 一种并网型家用自适应光伏发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种并网型家用自适应光伏发电装置。其特征在于并网型家用自适应光伏发电装置由光伏电池组件（1）、电网（2）、升压逆变装置（3）和用户端（4）四部分组成，光伏电池组件（1）、电网（2）和用户端（4）分别与升压逆变装置（3）相连，升压逆变装置（3）上设有升压电路（5）、逆变电路（6）、电压检装置（7）、电流检测装置（8）、频率检测装置（9）、控制核心模块（10）、并网装置（11）、驱动模块（13）、光伏板电流电压采样装置（14）、为钟表式相位跟踪系统（15）和数据采集和中心控制系统（12）组成。一种新型钟表式相位跟踪技术能实现自适应并网，同时装置能够跟踪太阳能最大功率，装置体积小，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种并网型家用自适应光伏发电装置。
背景技术
目前，绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，又因为太阳能是一种取之不竭、用之不尽的绿色能源，太阳能已成为目前发展最为迅速、前景最为看好的可再生能源产业之一。太阳能光伏发电具有过程简单、无污染、无噪声的优点，而被广泛的应用于日常生活和工业生产中。但是，现有的光伏发电装置的光电转化效率低，生产成本却较高。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供了一种并网型家用自适应光伏发电装置。
本实用新型的技术方案是：一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于并网型家用自适应光伏发电装置由光伏电池组件(1)、电网(2)、升压逆变装置(3)和用户端(4)四部分组成，光伏电池组件(1)、电网(2)和用户端(4)分别与升压逆变装置(3)相连，升压逆变装置(3)由升压电路(5)、逆变电路(6)、电压检测装置(7)、电流检测装置(8)、频率检测装置(9)、STM32单片机控制核心模块(10)、并网装置(11)、驱动模块(13)、光伏板电流电压采样装置(14)、钟表式相位跟踪系统(15)和数据采集和中心控制系统(12)组成，光伏电池组件(1)将太阳能转化为电能输送至升压电路(5)和光伏板电压电流采样装置(14)，光伏板电压电流采样装置(14)采样后传至STM32单片机控制核心模块(10)，升压电路(5)将电能升压然后传至逆变电路(6)，经逆变电路(6)逆变后，送至电压检测装置(7)、电流检测装置(8)、 频率检测装置(9)进行检测，检测结果送至STM32单片机控制核心模块(10)，同时电网经频率检测装置(9)检测电网(2)频率、经电压检测装置(7)检测电网(2)电压，同时频率和电压检测结果也会送至STM32单片机控制核心模块(10)，STM32单片机控制核心模块(10)再将所有采样的电压、电流信号送入数据采集和中心控制系统(12)处理，将频率信号送入钟表式相位跟踪系统(15)处理，若逆变检测结果与电网检测结果不一致，STM32单片机控制核心模块(10)控制驱动模块(13)运作，驱动模块(13)作用于升压电路(5)和逆变电路(6)，使逆变后的电压、电流、频率与电网一致，逆变检测结果与电网检测结果一致后，STM32单片机控制核心模块(10)控制并网装置(11)，接收逆变电路(6)送至的电能，并网装置(11)将电能送到电网(2)，并网装置(11)另一端还与电网(2)相连使用户端(4)在光伏电池组件(1)不发电的情况下直接从电网(2)取电。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的STM32单片机控制核心模块(10)将所有数据交由钟表式相位跟踪系统(15)及数据采集和中心控制系统(12)分析，钟表式相位跟踪系统(15)在STM32单片机控制核心模块(10)内模拟一个钟表时钟系统，通过时针和分针的角度差θ来模拟电网(2)和逆变电路(6)的相位差φ，而钟表秒针的调节能实现对分针的精确控制，从而实现对角度差θ的精确控制，角度差θ为零时，电网(2)和逆变电路(6)的相位差φ也为零，此时通过单片机STM32单片机控制核心模块(10)控制并网装置(11)实现并网；此种相位跟踪技术和指针式钟表运行方式极为相似，秒针的调节就相当于系统频率的调节，根据这种原理就能像时钟一样准确地调节相位差φ；这种单片机钟表式相位跟踪系统(15)能快速、准确的实现并网，而且单片机控制逆变电路(6)后的频率移动速度在此系统中得到最优化的控制；STM32单片机控制核心模块(10)具有12位AD能快速准确采集网电(2)和逆变电路(6)后的电压电流情况，通过控制并网装置(11)对整个系统实施保护 和并网；STM32单片机控制核心模块(10)控制升压功率管的占空比对系统进行扰动以实现最大功率点的跟踪。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的升压电路(5)为高频变压器式推挽升压电路，高频变压器式推挽升压电路，包括匝数比1:20的EC42型400W高频变压器、高电压大电流快恢复二极管RHRP8120组成的整流桥，担任高频开关任务的功率管IRF2807，4700UF滤波电容。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的逆变电路(6)为DC-AC全桥式逆变电路，DC-AC全桥式逆变电路包括担任全桥式逆变任务的功率管IRF840，LCL滤波的1MH电感和2.5UF/50HZ/450V启动电容，STM32单片机控制核心模块(10)产生的四路SPWM波分别通过两片IR2110驱动芯片后连接于全桥逆变电路功率管上，IR2110高压侧悬浮端驱动全桥逆变的高压侧功率管Q1、Q4，IR2110低压侧驱动全桥逆变的低压侧功率管Q2、Q3。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的电压检测装置(7)通过电压互感器将高压交流变成低压交流，两片真有效值转换芯片AD637将低压交流转换成直流信号送到STM32单片机控制核心模块(10)中实现采样。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的电流检测装置(8)通过电流互感器，互感器感生电压经放大后送入真有效值转换芯片AD637转化为直流信号送入到STM32单片机控制核心模块(10)采样端口。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的频率检测装置(9)使用双运放芯片OPA2228U，通过过零检测电路将逆变电压和网电电压整成3.3V方波，送入STM32单片机控制核心模块(10)频率检测端口。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的驱动模块(13)为IR2110组成的驱动电路，包括IR2110驱动芯片，起到隔离作用的高速光耦6N137和IR2110芯片外围的电容、电阻、快恢复二极管。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置，太阳能光伏电池组件方阵在太阳光的照射下，产生一定的直流电压和电流，升压后传输到MOSFET管全桥逆变，同时实现电流电压检测及相位频率跟踪控制和MPPT算法对系统进行最大功率跟踪，最后将直流电转换成频率50Hz、电压220V的交流电，并可将该交流电并网到电网中,当电网电压和频率波动时能表现出自适应的能力，电网停电后能实现孤岛检测。
本实用新型一种并网型家用自适应光伏发电装置在自适应并网光伏发电的工作过程中，单片机STM32对本系统不断采样、检测，实时监测整个系统的运行情况，保持和电网的同步，实现自适应接入公共电网，且能够跟踪太阳能最大功率，提高太阳能发电的利用效率，系统同时配备孤岛检测，电流环反馈系统输出功率等功能，装置体积小，成本低。
附图说明
附图1是一种并网型家用自适应光伏发电装置的结构示意图；
附图2是一种并网型家用自适应光伏发电装置的连接示意图；
附图3是推挽式变压器升压系统的电路原理；
附图4是DC-AC全桥式逆变系统的电路原理图；
附图5是逆变部分驱动电路原理图；
附图6是升压部分驱动电路原理图；
附图7是频率、相位检测的电路原理图；
附图8是电网、逆变、光伏板数据采样的原理电路图；
附图9是逆变电流采样和并网继电保护的原理电路图；
附图10是单片机STM32控制核心的电路方框图；
附图中：1-为光伏电池组件；2-为电网；3-为升压逆变装置；4-为用户端；5-为升压电路；6-为逆变电路；7-为电压检测装置；8-为电流检测装置；9-为频率检测装置；10-为控制核心模块；11-为并网装置；12-为数据采集和中心控制 系统；13-为驱动模块；14-为光伏板电流电压采样装置；15-为钟表式相位跟踪系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
实施例1：一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于并网型家用自适应光伏发电装置由光伏电池组件1、电网2、升压逆变装置3和用户端4四部分组成，光伏电池组件1、电网2和用户端4分别与升压逆变装置3相连，升压逆变装置3上设有升压电路5、逆变电路6、电压检测装置7、电流检测装置8、频率检测装置9、控制核心模块10、并网装置11、驱动模块13、光伏板电流电压采样装置14、钟表式相位跟踪系统15和数据采集和中心控制系统12组成，光伏电池组件1将太阳能转化为电能输送至升压电路5和光伏板电流电压采样装置14，光伏板电流电压采样装置14采样后传至控制核心模块10，升压电路5将电能升压后传至逆变电路6，经逆变电路6逆变后，送至电压检测装置7、电流检测装置8、频率检测装置9进行检测，检测结果送至控制核心模块10，同时电网经频率检测装置9检测电网2频率、经电压检测装置7检测电网2电压，同时频率和电压检测结果也会送至控制核心模块10，若逆变检测结果与电网检测结果不一致，控制核心模块10控制驱动模块13运作，驱动模块13作用于升压电路5和逆变电路6，使逆变后的电压、电流、频率与电网一致，逆变检测结果与电网检测结果一致后，控制核心模块10控制并网装置11，接收逆变电路6送至的电能，并网装置6将电能送到电网2，并网装置11另一端还与电网2相连使用户端4在光伏电池组件1不发电的情况下直接从电网2取电；控制核心模块10为单片机STM32装置，包括STM32F103ZET6型单片机钟表式相位跟踪系统15、数据采集和并网控制系统12，钟表式相位跟踪系统15在控制核心模块10内模拟一个钟表时钟系统，通过时针和分针的角度差θ来模拟电网2和逆变电路6的相位差φ，而钟表秒针的调节能实现对分针的精确控制，从而实现对角度差θ 的精确控制，角度差θ为零时，电网2和逆变电路6的相位差φ也为零，此时通过单片机控制核心模块10控制并网装置11实现并网；此种相位跟踪技术和指针式钟表运行方式极为相似，秒针的调节就相当于系统频率的调节，根据这种原理就能像时钟一样准确地调节相位差φ；这种单片机钟表式相位跟踪系统15能快速、准确的实现并网，而且单片机控制逆变电路6后的频率移动速度在此系统中得到最优化的控制；单片机控制核心模块10具有12位AD能快速准确采集电网2和逆变电路6后的电压电流情况，通过控制并网装置11对整个系统实施保护和并网；单片机控制核心模块10控制升压功率管的占空比对系统进行扰动以实现最大功率点的跟踪；升压电路5为高频变压器式推挽升压电路，高频变压器式推挽升压电路，包括匝数比1:20的EC42型400W高频变压器、高电压大电流快恢复二极管RHRP8120组成的整流桥，担任高频开关任务的功率管IRF2807，4700UF滤波电容；逆变电路6为DC-AC全桥式逆变电路，DC-AC全桥式逆变电路包括担任全桥式逆变任务的功率管IRF840，LCL滤波的1MH电感和2.5UF/50HZ/450V启动电容，单片机STM32产生的四路SPWM波分别通过两片IR2110驱动芯片后连接于全桥逆变电路功率管上，IR2110高压侧悬浮端驱动全桥逆变的高压侧功率管Q1、Q4，IR2110低压侧驱动全桥逆变的低压侧功率管Q2、Q3；电压检测装置7通过电压互感器将高压交流变成低压交流，两片真有效值转换芯片AD637将低压交流转换成直流信号送到单片机中实现采样；电流检测装置8通过电流互感器，互感器感生电压经放大后送入真有效值转换芯片AD637转化为直流信号送入到单片机采样端口；频率检测装置9使用双运放芯片OPA2228U，通过过零检测电路将逆变电压和网电电压整成3.3V方波，送入单片机频率检测端口；并网装置11包括并网控制和电网取电两部分，并网控制和电网取电方式包括一个HT3F型继电器，单片机通过S8050三极管控制继电器动作实现并网和用户网上取电；所述的电网电压检测装置通过电压互感器将高压交流变成低压交流，两片真有效值转换芯片AD637将低压交流转换成直流信号送到单片机中实现采样；所述的电 网频率检测装置使用双运放芯片OPA2228U，通过过零检测电路将逆变电压和网电电压整成3.3V方波，送入单片机频率检测端口；驱动模块13为IR2110组成的驱动电路，包括IR2110驱动芯片，起到隔离作用的高速光耦6N137和IR2110芯片外围的电容、电阻、快恢复二极管；光伏板电流电压采样装置14将光伏电池组件1光伏板输出的电压、电流通过电阻分压式采样后送入单片机采样端口。
Claims (8)
1.一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于并网型家用自适应光伏发电装置由光伏电池组件(1)、电网(2)、升压逆变装置(3)和用户端(4)四部分组成，光伏电池组件(1)、电网(2)和用户端(4)分别与升压逆变装置(3)相连，升压逆变装置(3)由升压电路(5)、逆变电路(6)、电压检测装置(7)、电流检测装置(8)、频率检测装置(9)、STM32单片机控制核心模块(10)、并网装置(11)、驱动模块(13)、光伏板电流电压采样装置(14)、钟表式相位跟踪系统(15)和数据采集和中心控制系统(12)组成，光伏电池组件(1)将太阳能转化为电能输送至升压电路(5)和光伏板电压电流采样装置(14)，光伏板电压电流采样装置(14)采样后传至STM32单片机控制核心模块(10)，升压电路(5)将电能升压然后传至逆变电路(6)，经逆变电路(6)逆变后，送至电压检测装置(7)、电流检测装置(8)、频率检测装置(9)进行检测，检测结果送至STM32单片机控制核心模块(10)，同时电网经频率检测装置(9)检测电网(2)频率、经电压检测装置(7)检测电网(2)电压，同时频率和电压检测结果也会送至STM32单片机控制核心模块(10)，STM32单片机控制核心模块(10)再将所有采样的电压、电流信号送入数据采集和中心控制系统(12)处理，将频率信号送入钟表式相位跟踪系统(15)处理，若逆变检测结果与电网检测结果不一致，STM32单片机控制核心模块(10)控制驱动模块(13)运作，驱动模块(13)作用于升压电路(5)和逆变电路(6)，使逆变后的电压、电流、频率与电网一致，逆变检测结果与电网检测结果一致后，STM32单片机控制核心模块(10)控制并网装置(11)，接收逆变电路(6)送至的电能，并网装置(11)将电能送到电网(2)，并网装置(11)另一端还与电网(2)相连使用户端(4)在光伏电池组件(1)不发电的情况下直接从电网(2)取电。
2.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在 于所述的STM32单片机控制核心模块(10)将所有数据交由钟表式相位跟踪系统(15)及数据采集和中心控制系统(12)分析，钟表式相位跟踪系统(15)在STM32单片机控制核心模块(10)内模拟一个钟表时钟系统，通过时针和分针的角度差θ来模拟电网(2)和逆变电路(6)的相位差φ，而钟表秒针的调节能实现对分针的精确控制，从而实现对角度差θ的精确控制，角度差θ为零时，电网(2)和逆变电路(6)的相位差φ也为零，此时通过单片机STM32单片机控制核心模块(10)控制并网装置(11)实现并网；此种相位跟踪技术和指针式钟表运行方式极为相似，秒针的调节就相当于系统频率的调节，根据这种原理就能像时钟一样准确地调节相位差φ；这种单片机钟表式相位跟踪系统(15)能快速、准确的实现并网，而且单片机控制逆变电路(6)后的频率移动速度在此系统中得到最优化的控制；STM32单片机控制核心模块(10)具有12位AD能快速准确采集网电(2)和逆变电路(6)后的电压电流情况，通过控制并网装置(11)对整个系统实施保护和并网；STM32单片机控制核心模块(10)控制升压功率管的占空比对系统进行扰动以实现最大功率点的跟踪。
3.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的升压电路(5)为高频变压器式推挽升压电路，高频变压器式推挽升压电路，包括匝数比1:20的EC42型400W高频变压器、高电压大电流快恢复二极管RHRP8120组成的整流桥，担任高频开关任务的功率管IRF2807，4700UF滤波电容。
4.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的逆变电路(6)为DC-AC全桥式逆变电路，DC-AC全桥式逆变电路包括担任全桥式逆变任务的功率管IRF840，LCL滤波的1MH电感和2.5UF/50HZ/450V启动电容，STM32单片机控制核心模块(10)产生的四路SPWM波分别通过两片IR2110驱动芯片后连接于全桥逆变电路功率管上，IR2110高压侧悬浮端驱动全桥逆变的高压侧功率管Q1、Q4，IR2110低压侧驱动全桥逆变的低压侧功率管Q2、 Q3。
5.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的电压检测装置(7)通过电压互感器将高压交流变成低压交流，两片真有效值转换芯片AD637将低压交流转换成直流信号送到STM32单片机控制核心模块(10)中实现采样。
6.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的电流检测装置(8)通过电流互感器，互感器感生电压经放大后送入真有效值转换芯片AD637转化为直流信号送入到STM32单片机控制核心模块(10)采样端口。
7.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的频率检测装置(9)使用双运放芯片OPA2228U，通过过零检测电路将逆变电压和网电电压整成3.3V方波，送入STM32单片机控制核心模块(10)频率检测端口。
8.按照权利要求1所述的一种并网型家用自适应光伏发电装置，其特征在于所述的驱动模块(13)为IR2110组成的驱动电路，包括IR2110驱动芯片，起到隔离作用的高速光耦6N137和IR2110芯片外围的电容、电阻、快恢复二极管。
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