CN204886384U - 小功率家用光伏发电储能一体终端 - Google Patents

小功率家用光伏发电储能一体终端 Download PDF

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何�雄
李志君
段宣祥
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Abstract

本实用新型涉及小功率家用光伏发电储能一体终端，包括：主功率电路：前级升压电路采用双Boost并联电路，一个Boost电路经过其连接至蓄电池，另一个Boost电路并联一直流母线电容后与DC/AC逆变电路连接，交流LC滤波电路，与DC/AC逆变电路连接，交流LC滤波电路对外分作离网输出电路和并网输出电路，控制电路用于在并网工作模式下时，在网侧电压过零时，发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，辅助电源为主功率电路、控制电路中的用电器件供应电能。本实用新型所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，将光伏逆变器和双向储能设备集成一体化，形成整机，不仅节约成本，而且设备体积小、重量更轻，轻巧便捷，更适用于家庭。

Description

小功率家用光伏发电储能一体终端
技术领域
本实用新型涉及电气工程光伏逆变及储能领域，具体说是小功率家用光伏发电储能一体终端。
背景技术
光伏发电技术作为一种绿色能源技术，前景非常广阔。现有的家用光伏系统设备，多数是将光伏逆变器和储能设备分开，通过光伏逆变器转化电能，通过充电器给储能设备(蓄电池)充电。
如图1所示，为SunFine公司的光伏产品，包括：
光伏阵列或是直流输入1，作为电源，
输入端设有EMI(电磁干扰，ElectroMagneticInterference)滤波电路2，与光伏阵列或是直流输入1相连，用于减小电磁干扰，
EMI滤波电路2输出至Boost电路3，Boost电路3的作用是将输入的直流电升高到DC/AC电路逆变所需的直流电压，和实现MPPT(最大功率追踪，MaximumPowerPointTrack)，
Buck降压电路4并联在EMI滤波电路2和Boost电路3之间，作用是将输入的直流电压降低到电池5所需的充电电压，然后给电池5充电，
电池5通过串接二极管与Boost电路3相接，即只能从电池向Boost电路放电，
直流母线电容6，与Boost电路3并联，由于DC/DC和DC/AC两级电路相连，会在直流母线上产生2倍输出频率的脉动，直流母线电容6被用来减小电压脉动的影响，支撑母线电压，
逆变电路7，与Boost电路3并联，SunFine公司并没有具体说明采用什么电路，一般是采用全桥电路来实现逆变，通过SPWM(正弦脉宽调制，SinusoidalPulse-WidthModulation)将直流电转化为交流电，
由于通过逆变电路7转换的输出是高频(开关频率)的交流电，需要通过滤波电路8来滤波，将高频滤除，从而得到50Hz/220V的工频交流电，
滤波电路8的输出供交流负载9或电网10，二者之间通过开关或继电器进行切换。
SunFine公司的这种技术方案存在以下缺点：
电池5通常为蓄电池，由于其是接在Buck降压电路4后，Boost电路3前，所以要使蓄电池的电压能通过Boost电路升压以达到逆变所需的母线电压400-600V，所需要串联的蓄电池会很多，要不然占空比(Boost电路中开关器件的占空比)会很极限，而实际家用的话4-6个蓄电池，就已经够多了，蓄电池数量再增多，对家用设备而言，会造成成本的增加。而图1所示方案在充电方面，主要是针对十几节电池考虑的。
由于该电路如此拓扑的选择，只能有一路输入，一路最大功率点追踪(MPPT)，在最大功率点追踪的精确程度上，会比两路Boost电路并联要差，且在Boost电路部分的散热要求会更高。
少数的光伏逆变一体机，其中只有充电功能，不支持蓄电池反向放电以产生220V。而且大多数光伏逆变一体机只有离网工作模式，针对的是偏远、没有电网的地区。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供小功率家用光伏发电储能一体终端，将光伏逆变器和双向储能设备集成一体化，形成整机，不仅节约成本，而且设备体积小、重量更轻，轻巧便捷，更适用于家庭。
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：
小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于，包括：主功率电路1，控制电路2，辅助电源3，
所述主功率电路1包括：
前级升压电路7，采用双Boost并联电路，
每路Boost电路前设置EMI滤波器6，
双向储能电路10，连接在直流母线上，一个Boost电路经过其连接至蓄电池11，实现蓄电池的充放电，
另一个Boost电路并联一直流母线电容8后与DC/AC逆变电路9连接，
交流LC滤波电路12，与DC/AC逆变电路9连接，
交流LC滤波电路12对外分作两路输出接口电路，其中：
离网输出电路13，与交流LC滤波电路12连接，其输出接交流负载15，
并网输出电路14，与交流LC滤波电路12连接，其输出接电网16，实现并网发电，
控制电路2用于在并网工作模式下时，在网侧电压过零时，发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
辅助电源3为主功率电路1、控制电路2中的用电器件供应电能。
在上述技术方案的基础上，双Boost并联电路中，每路Boost电路同时工作，或单独工作，每路Boost电路的工作原理相同。
在上述技术方案的基础上，EMI滤波器6分别通过一个断路器5连接光伏组件4。
在上述技术方案的基础上，蓄电池11为额定电池电压48V的铅酸电池或锂电池。
在上述技术方案的基础上，直流母线电容8采用电解电容。
在上述技术方案的基础上，离网输出电路13由输出继电器、安规电容构成。
在上述技术方案的基础上，并网输出电路14由输出继电器和EMI滤波器构成，且并网输出电路输出端设有用于增强共模阻抗的共模滤波电感。
在上述技术方案的基础上，电网16与交流负载15通过开关切换供电模式。
在上述技术方案的基础上，所述控制电路2包括：
采样电路19，用于采集功率回路中的输出电压电流、输入电压电流、直流母线电压、储能电路充放电电压电流，
过零比较电路18，用于在并网工作模式下检测网侧电压，在网侧电压过零时，控制电路2通过过零比较电路18发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
保护电路17，为硬件保护电路，针对采样所得，通过硬件电路直接保护，以实现保护的快速性，
DSP控制平台20，接收采样电路19、过零比较电路18、保护电路17的信息，对采样电路19采集的信息进行比较计算，进行闭环控制、软件保护和数据显示，
DSP控制平台20经由相应的电平转换电路23，对外提供I/O信息24、驱动控制25、功率放大26，
DSP控制平台20通过通信电路21实现与上位机或显示单元22之间的通信。
在上述技术方案的基础上，I/O信息24用于通过I/O口传递故障、保护状态信号，
驱动控制25为驱动脉冲信号，供开关管使用，
功率放大26为功率放大电路，用于将DSP控制平台20输出的微功率信号放大到实际应用所需的功率。
本实用新型所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，将光伏逆变器和双向储能设备集成一体化，形成整机，不仅节约成本，而且设备体积小、重量更轻，轻巧便捷，更适用于家庭。
本实用新型所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，既有光伏逆变器的功能，可以从光伏电池板中转化电能，也有双向储能电路的功能，可以给蓄电池充电，蓄电池额定48V，也可以由蓄电池放电供给该机器以保证输出220V不断电。
本实用新型所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，可以离、并网双模式工作。在没有电网的地区，工作于离网模式，白天有逆变器供给电能，晚上有蓄电池供给电能。在有电网的地区，在电能充足的情况下，可以由该设备向电网供给电能，以产生相应的利益，在电能不足的情况下，也可以由电网供电，以保证电能的不间断供应。
附图说明
本实用新型有如下附图：
图1现有技术方案的结构图，
图2本实用新型的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图2所示，本实用新型所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，包括：主功率电路1，控制电路2，辅助电源3，
所述主功率电路1包括：
前级升压电路7，采用双Boost并联电路，每路Boost电路可以同时工作，也可以单独工作，每路Boost电路的工作原理相同；双Boost并联电路的设计方便输入光伏组件的配置，两路Boost也可以实现两路MPPT，从而实现MPPT效率的提高；另外，一路光伏组件也可以同时使用两路Boost电路，这样可以降低每路Boost电路的电流密度，减小输出纹波；
每路Boost电路前设置EMI滤波器6，作用是滤除线路上的电磁干扰，
双向储能电路10，连接在直流母线上，一个Boost电路经过其连接至蓄电池11，实现蓄电池的充放电，即：把直流母线电压降至合适电压向蓄电池充电，把蓄电池的电压升至直流母线电压，以供逆变等电路使用，双向储能电路10采用双向DC/DC全桥电路，
DC/AC逆变电路9，另一个Boost电路并联一直流母线电容8后与DC/AC逆变电路9连接，DC/AC逆变电路9采用单相桥式逆变电路，优选为单相非隔离桥式逆变电路，
设置直流母线电容8是由于DC/DC和DC/AC两级电路相连，会在直流母线上产生2倍输出频率的脉动，直流母线电容8被用来减小电压脉动的影响，支撑母线电压，
DC/AC逆变电路9将直流母线上的电压转换为开关频率的交流电，
交流LC滤波电路12，与DC/AC逆变电路9连接，作用是滤除开关频率的谐波，将输出还原为220V/50Hz(中国标准)的交流电，
由于离、并网要求有不同，所以分作两路输出接口电路，其中：
离网输出电路13，与交流LC滤波电路12连接，其输出接交流负载15，
并网输出电路14，与交流LC滤波电路12连接，其输出接电网16，实现并网发电，
控制电路2用于在并网工作模式下时，在网侧电压过零时，发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
辅助电源3为主功率电路1、控制电路2中的用电器件供应电能。
在上述技术方案的基础上，EMI滤波器6分别通过一个断路器5连接光伏组件4。
光伏组件4不在本实用新型设备之内，为外接设备，一般安装在房顶等地。光伏组件4产生电能后，输入给本实用新型设备。
断路器5负责光伏组件4与设备间电气连接的开通关断。输入直流电经过断路器5接入功率电路。
在上述技术方案的基础上，蓄电池11的额定电池电压为48V，可以使用铅酸电池或锂电池。
在上述技术方案的基础上，直流母线电容8采用电解电容。这是由于所需电容值较大的缘故。
在上述技术方案的基础上，离网输出电路13由输出继电器、安规电容构成。具体可按现有技术实施，不再详述。
在上述技术方案的基础上，并网输出电路14由输出继电器和EMI滤波器构成，且并网输出电路输出端设有较大的共模滤波电感，以增强共模阻抗，来减少漏电流，并实现电磁兼容的效果。
在上述技术方案的基础上，电网16与交流负载15可通过本设备中的开关切换供电模式。
在上述技术方案的基础上，所述控制电路2包括：
采样电路19，用于采集功率回路中的输出电压电流、输入电压电流、直流母线电压、储能电路充放电电压电流，
过零比较电路18，用于在并网工作模式下检测网侧电压，在网侧电压过零时，控制电路2通过过零比较电路18发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
保护电路17，为硬件保护电路，针对采样所得，通过硬件电路直接保护，以实现保护的快速性，
DSP控制平台20，接收采样电路19、过零比较电路18、保护电路17的信息，对采样电路19采集的信息进行比较计算，进行闭环控制、软件保护和数据显示，
DSP控制平台20经由相应的电平转换电路23，对外提供I/O信息24、驱动控制25、功率放大26，
DSP控制平台20通过通信电路21实现与上位机或显示单元22之间的通信。
在上述技术方案的基础上，I/O信息24用于通过I/O口传递故障、保护状态信号。
在上述技术方案的基础上，驱动控制25为驱动脉冲信号，供开关管使用。该驱动脉冲信号通过驱动芯片产生。
在上述技术方案的基础上，功率放大26为功率放大电路，用于将DSP控制平台20输出的微功率信号放大到实际应用所需的功率。
通常家庭使用光伏发电，用的多是将分散的光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池充放电控制器买回来，再连接在一起使用。
本实用新型采用光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池充放电控制器各模块集成一体化设计方案，将控制、逆变、双向储能各部分电路集成一体化，减少了结构、连线以及一些重复的器件材料，节省了成本，减小了设备的总体积和重量，使得设备更加轻巧便捷，符合家用电器的特点，便于运输、安装，使用也更加便捷。也减少了电路之间的走线，即减小了功率损耗。同时也节约了部分器件、线路材料，总体能耗更小，控制更加协调，也降低了成本。三大部分集成在一起，由DSP控制电路统一协调控制，控制更加方便。
采用了双Boost并联电路作为升压控制部分，增强了与光伏阵列连接的灵活性，对最大功率追踪也有更好的精度。双向DC/DC全桥电路的采用使储能部分输出调节范围更宽。
采用了双Boost并联电路+单相桥式逆变电路+双向DC/DC全桥电路的方案，双Boost并联电路可以增大输入电流流量，减小母线纹波，两路Boost电路可以实现双路MPPT控制，提高最大功率追踪的效率。单相桥式逆变电路结构简单，输出加入共模滤波器以抑制漏电流，电路效率高。双向DC/DC全桥电路实现电池与主功率直流母线隔离，且调节范围较宽，输出电池约4-6个，更符合家用需求。
采用离、并网，双模式控制，可以更好的适应客户的需求。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于，包括：主功率电路(1)，控制电路(2)，辅助电源(3)，
所述主功率电路(1)包括：
前级升压电路(7)，采用双Boost并联电路，
每路Boost电路前设置EMI滤波器(6)，
双向储能电路(10)，连接在直流母线上，一个Boost电路经过其连接至蓄电池(11)，实现蓄电池的充放电，
另一个Boost电路并联一直流母线电容(8)后与DC/AC逆变电路(9)连接，
交流LC滤波电路(12)，与DC/AC逆变电路(9)连接，
交流LC滤波电路(12)对外分作两路输出接口电路，其中：
离网输出电路(13)，与交流LC滤波电路(12)连接，其输出接交流负载(15)，
并网输出电路(14)，与交流LC滤波电路(12)连接，其输出接电网(16)，实现并网发电，
控制电路(2)用于在并网工作模式下时，在网侧电压过零时，发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
辅助电源(3)为主功率电路(1)、控制电路(2)中的用电器件供应电能。
2.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：双Boost并联电路中，每路Boost电路同时工作，或单独工作，每路Boost电路的工作原理相同。
3.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：EMI滤波器(6)分别通过一个断路器(5)连接光伏组件(4)。
4.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：蓄电池(11)为额定电池电压48V的铅酸电池或锂电池。
5.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：直流母线电容(8)采用电解电容。
6.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：离网输出电路(13)由输出继电器、安规电容构成。
7.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：并网输出电路(14)由输出继电器和EMI滤波器构成，且并网输出电路输出端设有用于增强共模阻抗的共模滤波电感。
8.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：电网(16)与交流负载(15)通过开关切换供电模式。
9.如权利要求1所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于，所述控制电路(2)包括：
采样电路(19)，用于采集功率回路中的输出电压电流、输入电压电流、直流母线电压、储能电路充放电电压电流，
过零比较电路(18)，用于在并网工作模式下检测网侧电压，在网侧电压过零时，控制电路(2)通过过零比较电路(18)发出驱动信号，以保证出并网时输出和网测同相位，
保护电路(17)，为硬件保护电路，针对采样所得，通过硬件电路直接保护，以实现保护的快速性，
DSP控制平台(20)，接收采样电路(19)、过零比较电路(18)、保护电路(17)的信息，对采样电路(19)采集的信息进行比较计算，进行闭环控制、软件保护和数据显示，
DSP控制平台(20)经由相应的电平转换电路(23)，对外提供I/O信息(24)、驱动控制(25)、功率放大(26)，
DSP控制平台(20)通过通信电路(21)实现与上位机或显示单元(22)之间的通信。
10.如权利要求9所述的小功率家用光伏发电储能一体终端，其特征在于：I/O信息(24)用于通过I/O口传递故障、保护状态信号，
驱动控制(25)为驱动脉冲信号，供开关管使用，
功率放大(26)为功率放大电路，用于将DSP控制平台(20)输出的微功率信号放大到实际应用所需的功率。
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