CN206180681U - 一种新型光伏泵系控制系统 - Google Patents

Abstract

一种新型光伏泵系控制系统，包括光伏阵列、MPPT模块、逆变器、软启动器、充电器、蓄电池组件、控制器。光伏阵列连接MPPT模块，MPPT模块连接逆变器，逆变器连接软启动器，软启动器连接水泵。所述MPPT模块与逆变器之间连接有充电器、蓄电池组件，充电器连接蓄电池组件。控制器连接故障保护模块、启停控制模块。控制器通过采样电路连接光伏阵列、蓄电池组件，控制器通过采样电路采样光伏阵列的开路电压和蓄电池组件的端电压。本实用新型一种新型光伏泵系控制系统，将蓄电池则作为光伏水泵的辅助启动电源，减少了所需的太阳能电池板数目，降低了光伏水泵的造价成本。

Description

一种新型光伏泵系控制系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能水泵系统，具体来说是涉及一种新型光伏泵系控制系统。

背景技术

当前，太阳能应用技术以及光伏发电技术的不断发展与进步，给予了光伏水泵发展的技术动力，光伏水泵在农业灌溉中起着越来越重要的作用。太阳能光伏水泵装置是一种利用太阳能的光照能量转化为电能，电能驱动带动光伏水泵抽水的装置。传统的光伏水泵装置主要由太阳能电池板、电机、泵体、逆变器、软启动器、蓄电池等构成。目前传统太阳能光伏水泵系统的主要缺陷在于：一是现有的光伏水泵系统造价高，经济性欠佳；二是太阳光易受云层的影响，产生的电能不稳定，可能会造成电动机带电“堵转”，对电动机的安全造成安全隐患；三是蓄电池组易受损坏。釆用蓄电池组为光伏水泵系统进行储能供电，可以使光伏系统能够稳定运行。但是在长期的使用中，各个蓄电池单元的容量、端电压、内阻均不可避免地出现差异，在充电过程中，将造成部分电池过充电或欠充电的现象，会严重影响整个蓄电池组的寿命。

发明内容

为解决现有技术中的缺陷，适应现实需要，本实用新型提供了一种基于蓄电池储能启动技术的新型光伏泵系控制系统。

本实用新型采取的技术方案为：

一种新型光伏泵系控制系统，包括光伏阵列、MPPT模块、逆变器、软启动器、充电器、蓄电池组件、控制器。光伏阵列连接MPPT模块，MPPT模块连接逆变器，逆变器连接软启动器，软启动器连接水泵。所述MPPT模块与逆变器之间连接有充电器、蓄电池组件，充电器连接蓄电池组件。控制器连接故障保护模块、启停控制模块。控制器通过采样电路连接光伏阵列、蓄电池组件，控制器通过采样电路采样光伏阵列的开路电压和蓄电池组件的端电压。

所述逆变器与水泵之间连接有继电器K2，蓄电池组件连接继电器K3，充电器连接继电器K1，所述继电器K1、K2、K3均连接控制器。

所述控制器包括主控芯片、直流电源、采样电路、外围电路、继电器电路；所述主控芯片分别连接直流电源、采样电路、外围电路、继电器电路；所述继电器电路包括隔离电路、驱动电路，所述隔离电路、驱动电路均连接至光伏水泵系统主线路。主控芯片不能直接驱动继电器，且为了防止外界电压大电流影响到芯片的正常工作，继电器电路与外界大功率电路隔离开来。

所述直流电源包括降压开关型集成稳压芯片LM2596，该芯片内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等作用。集成稳压芯片LM2596的输入端Vin与蓄电池组件正端相连，集成稳压芯片LM2596的输出端与稳压二极管D3相并联再串联电感L3，然后并联电容C11,所述稳压二极管D3、电感L3、电容C11构成滤波电路。

所述主控芯片输入口P1.0、P1.1、P1.2分别用于输入母线电压信号、蓄电池端电压信号、以及其他采样电压信号；I/O输出口P2.0、P2.1、P2.2用于输出继电器K1、K2、K3的控制信号；P2.3为备用控制端口；输出端作为驱动端口，分别接上拉电阻。

所述外围电路包括电源指示、复位电路、晶振电路以及下载口。

所述隔离电路采用4路可控光耦合器TLP521-4，芯片内部包括4个独立的光偶单元，具有数字/模拟双重输入模式。

所述驱动电路采用高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003。其工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，且能够在关闭状态承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

所述主控芯片为8051单片机芯片STC12C5A60S2。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，能够适应电机控制和有强干扰的场合，适用于光伏水泵系统。

本实用新型一种新型光伏泵系控制系统，有益效果如下：

1：本实用新型将蓄电池则作为光伏水泵的辅助启动电源，减少了所需的太阳能电池板数目，降低了光伏水泵的造价成本。

2：本实用新型增加了实时参数取样与故障保护等功能，以应对系统运行时的各种突发情况，使该系统具有更高的可靠性。

3：本实用新型采用容量相对小的蓄电池作为储能启动装置，在水泵启动瞬间与太阳能电池共同向电路提供启动电流，启动结束后将其从电路中断开，由太阳能电池对其充电，该系统能够有效的保护蓄电池，防止其过放电。

4：本实用新型采用的控制器对系统开机动作精确控制，保证了系统的正常开机，避免了非正常开机对系统造成的伤害，延长了系统的使用寿命。系统启动时蓄电池放电时间很短，相比蓄电池容量可以忽略不计，蓄电池仍有充足电量，因此在阳光较为充足时，可采用小电流的方式为蓄电池充电，也可在光伏水泵不工作时为其充电。

5：本实用新型中的直流电源的滤波电路可以过滤高频谐波，从而可以获得较为稳定的直流电源。

6：本实用新型驱动电路工作电压高，工作电流大，可在高负载电流并行运行，增强了该系统在恶劣环境下的适应性。

7：本实用新型光伏水泵系统使用带蓄电池储能，但供电手段却是光伏阵列为水泵直接供电，而蓄电池则作为光伏水泵的辅助启动电源，从而减少了所需的太阳能电池板数目。且光伏水泵系统的工作状态受环境影响很大，因此该新型光伏水泵增加实时参数取样与故障保护等功能，以应对系统运行时的各种突发情况。

附图说明

图1为本实用新型系统的功能框图。

图2为本实用新型系统的储能启动原理框图。

图3为本实用新型系统的蓄电池储能启动控制流程图。

图4为本实用新型系统的控制器原理框图。

图5为本实用新型系统的直流电源电路图。

图6为本实用新型系统的主控制芯片I/O及其外围构成电路图。

图7为本实用新型系统的TLP521-4内部结构图及引脚图。

图8为本实用新型系统的基于TLP521-4芯片的隔离电路图。

图9为本实用新型系统的基于ULN2003的继电器驱动电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种新型光伏泵系控制系统，包括光伏阵列1、MPPT模块2、逆变器3、软启动器4、充电器6、蓄电池组件7、控制器11。光伏阵列1连接MPPT模块2，MPPT模块2连接逆变器3，逆变器3连接软启动器4，软启动器4连接水泵5。所述MPPT模块2与逆变器3之间连接有充电器6、蓄电池组件7，充电器6连接蓄电池组件7，蓄电池组件7与充电器6能够相互充放电。控制器11连接故障保护模块8、启停控制模块10。控制器11通过采样电路9连接光伏阵列1、蓄电池组件7，控制器11通过采样电路9采样光伏阵列1的开路电压和蓄电池组件7的端电压。

光伏阵列1将太阳能转换为电能，再通过MPPT模块2控制使电能的输出功率最大，输出的直流电能通过逆变器3转化为可供水泵5使用的交流电。

如图2、图3所示，所述逆变器3与水泵5之间连接有继电器K2，蓄电池组件7连接继电器K3，充电器6连接继电器K1，所述继电器K1、K2、K3均连接控制器11。

控制器11根据从采样电路9得到的系统参数判断系统当前状态，并通过继电器，K1、K2、K3完成相应的动作。系统未启动时，控制器11通过采样电路9采样光伏阵列1开路电压和蓄电池的端电压，如果釆样得到的两个参数有一个不能满足系统启动条件，则水泵5不能启动，控制器11继续进行釆样；如果光伏阵列1可以满足启动条件，而蓄蓄电池组件7不能满足，则K2断开，K1闭合，光伏阵列1通过充电器6为蓄电池组件7充电。一直到两者都满足启动条件时，则K1断开，K2闭合，K3闭合，启动水泵5。启动的过程中，控制器11仍然不断在扫描光伏阵列1母线电压和蓄电池组件7的端电压，如果这两者有任一项出现较大异常，则断开K3防止蓄电池组件7过放电，启动时间过后，断开K3，将蓄电池组件7与主线路分离，使其不在为水泵5供电。通过控制器11对系统开机动作的精确控制，保证系统能够正常开机，避免非正常开机对系统造成的损害，延长系统的使用寿命。在阳光较为充足时，可以采用小电流的方式为蓄电池组件7充电，也可以在水泵5不用时为其充电。

如图4所示，所述控制器11包括主控芯片、直流电源12、采样电路9、外围电路13、继电器电路14；所述主控芯片分别连接直流电源12、采样电路9、外围电路13、继电器电路14；所述继电器电路14包括隔离电路15、驱动电路16，所述隔离电路15、驱动电路16均连接至光伏水泵系统主线路17。主控芯片不能直接驱动继电器，且为了防止外界电压大电流影响到芯片的正常工作，继电器电路14与外界大功率电路隔离开来。所述主控芯片为8051单片机芯片STC12C5A60S2。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，能够适应电机控制和有强干扰的场合，适用于光伏水泵系统。

如图5所示，本实用新型所采用的蓄电池额定输出电压为48V，需要设计专门的直流电源12为芯片进行供电。所述直流电源12包括降压开关型集成稳压芯片LM2596，该芯片内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等作用。集成稳压芯片LM2596的输入端Vin与蓄电池组件7正端相连，集成稳压芯片LM2596的输出端与稳压二极管D3相并联再串联100uH的电感L3，然后并联22pf的电容C11,所述稳压二极管D3、电感L3、电容C11构成滤波电路，可以滤过高频谐波，从而可以获得稳定的电源。

如图6所示，所述主控芯片输入口P1.0、P1.1、P1.2分别用于输入母线电压信号、蓄电池端电压信号、以及其他采样电压信号；I/O输出口P2.0、P2.1、P2.2用于输出继电器K1、K2、K3的控制信号；P2.3为备用控制端口；输出端作为驱动端口，分别接20k的上拉电阻。

所述外围电路13包括电源指示、复位电路、晶振电路以及下载口。主控芯片的驱动电压由上述直流电源12提供。复位电路RST端与芯片RESET，用来执行主控芯片的复位。由于单片机需进行精确的计算，系统的内部时钟不够准确，应该采用外接时钟，晶振频率为12M。下载端与芯片RX、TX脚相连，用来下载控制程序。

如图7、8所示，所述隔离电路15采用4路可控光耦合器TLP521-4，芯片内部包括4个独立的光偶单元，具有数字/模拟双重输入模式。利用基于TLP521-4芯片的隔离电路15，将单片机的I/O输出端P2.0、P2.1、P2.2、P2.3与对应四个输出端channal1-channal4隔离开来。

如图9所示，所述驱动电路16采用高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003。其工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，且能够在关闭状态承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003由七个复合晶体管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能TTL与CMOS和电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压为50V，电流为500mA，输入电压为5V，适用于TTLCOMS，由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。ULN2003的引脚分布：引脚1-7广为脉冲输入端，一个端口对应一个信号输出端，引脚8接地，引脚9是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10到16为脉冲信号输出端，分别对应7到1脚信号输入端。将光稱输出信号channal1-channal4分别输入到芯片的1-4脚对应的输出信号为OUT1-OUT3，其中OUT1-OUT3分别控制继电器K1-K3，OUT4为备用控制端。

Claims (9)

1.一种新型光伏泵系控制系统，包括光伏阵列（1）、MPPT模块（2）、逆变器（3）、软启动器（4）、充电器（6）、蓄电池组件（7）、控制器（11），其特征在于：光伏阵列（1）连接MPPT模块（2），MPPT模块（2）连接逆变器（3），逆变器（3）连接软启动器（4），软启动器（4）连接水泵（5）；所述MPPT模块（2）与逆变器（3）之间连接有充电器（6）、蓄电池组件（7），充电器（6）连接蓄电池组件（7）；控制器（11）连接故障保护模块（8）、启停控制模块（10）；控制器（11）通过采样电路（9）连接光伏阵列（1）、蓄电池组件（7），控制器（11）通过采样电路（9）采样光伏阵列（1）的开路电压和蓄电池组件（7）的端电压。

2.根据权利要求1所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述逆变器（3）与水泵（5）之间连接有继电器K2，蓄电池组件（7）连接继电器K3，充电器（6）连接继电器K1，所述继电器K1、K2、K3均连接控制器（11）。

3.根据权利要求1所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述控制器（11）包括主控芯片、直流电源（12）、采样电路（9）、外围电路（13）、继电器电路（14）；所述主控芯片分别连接直流电源（12）、采样电路（9）、外围电路（13）、继电器电路（14）；所述继电器电路（14）包括隔离电路（15）、驱动电路（16），所述隔离电路（15）、驱动电路（16）均连接至光伏水泵系统主线路（17）。

4.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述直流电源（12）包括降压开关型集成稳压芯片LM2596，集成稳压芯片LM2596的输入端Vin与蓄电池组件7正端相连，集成稳压芯片LM2596的输出端与稳压二极管D3相并联再串联电感L3，然后并联电容C11,所述稳压二极管D3、电感L3、电容C11构成滤波电路。

5.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述主控芯片输入口P1.0、P1.1、P1.2分别用于输入母线电压信号、蓄电池端电压信号、以及其他采样电压信号；I/O输出口P2.0、P2.1、P2.2用于输出继电器K1、K2、K3的控制信号；P2.3为备用控制端口；输出端作为驱动端口，分别接上拉电阻。

6.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述外围电路（13）包括电源指示、复位电路、晶振电路以及下载口。

7.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述隔离电路（15）采用4路可控光耦合器TLP521-4，芯片内部包括4个独立的光偶单元，具有数字/模拟双重输入模式。

8.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述驱动电路（16）采用高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003。

9.根据权利要求3所述一种新型光伏泵系控制系统，其特征在于：所述主控芯片为8051单片机芯片STC12C5A60S2。