CN207720041U - 离并网市电光伏电池一体化逆变器 - Google Patents

离并网市电光伏电池一体化逆变器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及逆变器领域，公开了一种离并网市电光伏电池一体化逆变器，将市电、光伏阵列和蓄电池作为互补性输入端，保证用户不断电，用户的负载优先使用光伏阵列发出的电能，当负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由蓄电池发出的功率补充，当蓄电池能量不足时，采用市电弥补；当负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率利用。当用户使用的蓄电池被充满，用户也不需要使用电能的情况下，该逆变器可以并入市电电网，向市电电网发电，保证光伏阵列模式最大功率输出。当市电出现断电，光伏阵列也没有输出功率时，该蓄电池模式启动为用户供电。

Description

离并网市电光伏电池一体化逆变器
技术领域
本实用新型涉及逆变器领域，特别涉及一种离并网市电光伏电池一体化逆变器。
背景技术
目前我们市场上常见的逆变器，离网逆变器只能单纯地由电池升压逆变，单纯的蓄电池带光伏升压逆变器，只能工作在某种单一的模式，不能发挥光伏阵列最大功率的输出，以及负责功率的变化等。
并网逆变器只能工作在单一的市电并网状态。如果市电停电，将无法实施光伏发电。尤其是偏远山区，以及国家不允许并入电网发电的地区，将无法使用。
因此，目前亟需一种离并网市电光伏电池一体化逆变器，将市电、光伏阵列和蓄电池作为互补性输入端，保证用户不断电，保证白天最大化光伏阵列发电的利用，减少从市电消耗能量，如果用户使用的电能用不完，还可以将太阳能并入电网，收取电费。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种离并网市电光伏电池一体化逆变器，将市电、光伏阵列和蓄电池作为互补性输入端，保证用户不断电，用户的负载优先使用光伏阵列发出的电能，当负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由蓄电池发出的功率补充，当蓄电池能量不足时，采用市电弥补；当负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率利用。
为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式公开了一种离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，包括：光伏阵列电路、市电电路、蓄电池电路和逆变电路；
所述光伏阵列电路的输出、所述市电电路的输出和所述蓄电池电路的输出分别经过母线和母线汇合后，再通过母线与所述逆变电路的输入端连接。
所述光伏阵列电路包括：光伏阵列、MPPT控制器、第一电流传感器和第一PWM控制器；所述光伏阵列的输出端通过所述MPPT控制器与所述第一电流传感器的输入端连接，所述第一电流传感器的输出作为所述光伏阵列电路的输出，并且所述第一电流传感器的输出通过所述第一PWM控制器输入到所述MPPT控制器；
所述市电电路包括：市电、PFC电路、第二电流传感器和第二PWM控制器；所述市电的输出端通过所述PFC电路与所述第二电流传感器的输入端连接，所述第二电流传感器的输出作为所述市电电路的输出，并且所述第二电流传感器的输出通过所述第二PWM控制器输入到所述PFC电路；
所述蓄电池电路包括：蓄电池、PUSH PULL电路、第三电流传感器和第三PWM控制器；所述蓄电池的输出端通过所述PUSH PULL电路与所述第三电流传感器的输入端连接，所述第三电流传感器的输出作为所述蓄电池电路的输出，并且所述第三电流传感器的输出通过所述第三PWM控制器输入到所述PUSH PULL电路。
本实用新型实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
将市电、光伏阵列和蓄电池作为互补性输入端，保证用户不断电，用户的负载优先使用光伏阵列发出的电能，当负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由蓄电池发出的功率补充，当蓄电池能量不足时，采用市电弥补；当负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率利用。
在该离并网市电光伏电池一体化逆变器的电路中，通过母线线路实现均流并联，通过控制电流大小实现功率调节，分别监测电流大小，根据总的输出功率大小及优先使用光伏阵列、蓄电池及市电的原则，分别去控制与分配三个支路母线电流大小，达到均流的目的。
BOOST电路包括两个开关管，其中一个开关管工作在高频状态，另一个开关管工作在低频状态，采用分段式工作的电路结构，可以做到在原有基础上效率提高3％-5％。
PUSH PULL电路中，电感直接接在蓄电池侧，因此蓄电池电流连续，电流纹波小，提高了蓄电池寿命。
逆变电路采用两种上管工作在工频状态，两只下管工作在高频状态，高频管选用MOS管，高频管选用IGBT管，可以提高整机效率2％-3％。
附图说明
图1是本实用新型的实施方式中一种离并网市电光伏电池一体化逆变器的结构示意图；
图2是本实用新型的实施方式中一种BOOST电路的电路图；
图3是本实用新型的实施方式中一种PFC电路的电路图；
图4是现有技术中一种传统的PUSH PULL电路的电路图；
图5是本实用新型的实施方式中一种PUSH PULL电路的电路图；
图6是现有技术中一种传统的逆变电路的电路图；
图7是本实用新型的实施方式中一种离并网市电光伏电池一体化逆变器的整机电路框图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。
本实用新型的实施方式涉及一种该离并网市电光伏电池一体化逆变器，图1是该离并网市电光伏电池一体化逆变器的结构示意图。
具体地说，如图1所示，该离并网市电光伏电池一体化逆变器包括：光伏阵列电路、市电电路、蓄电池电路和逆变电路；
光伏阵列电路的输出、市电电路的输出和蓄电池电路的输出分别经过母线和母线汇合后，再通过母线与逆变电路的输入端连接。
光伏阵列电路包括：光伏阵列、MPPT控制器、第一电流传感器和第一PWM控制器；光伏阵列的输出端通过MPPT控制器与第一电流传感器的输入端连接，第一电流传感器的输出作为光伏阵列电路的输出，并且第一电流传感器的输出通过第一PWM控制器输入到MPPT控制器；
市电电路包括：市电、PFC电路、第二电流传感器和第二PWM控制器；市电的输出端通过PFC电路与第二电流传感器的输入端连接，第二电流传感器的输出作为市电电路的输出，第二电流传感器的输出通过第二PWM控制器输入到PFC电路；
蓄电池电路包括：蓄电池、PUSH PULL电路、第三电流传感器和第三PWM控制器；蓄电池的输出端通过PUSH PULL电路与第三电流传感器的输入端连接，第三电流传感器的输出作为蓄电池电路的输出，并且第三电流传感器的输出通过第三PWM控制器输入到PUSHPULL电路。
在这里需要说明的是，MPPT是Maximum Power Point Tracking(最大功率点跟踪)的简称，MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使该离并网市电光伏电池一体化逆变器以最高的功率工作。PWM是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的简称，PWM控制就是对对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
在该离并网市电光伏电池一体化逆变器中，将市电、光伏阵列和蓄电池作为互补性输入端，保证用户不断电，用户的负载优先使用光伏阵列发出的电能，当负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由蓄电池发出的功率补充，当蓄电池能量不足时，采用市电弥补；当负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率利用。
在该离并网市电光伏电池一体化逆变器的电路中，通过母线线路实现均流并联，通过控制电流大小实现功率调节，分别监测电流大小，根据总的输出功率大小及优先使用光伏阵列、蓄电池及市电的原则，分别去控制与分配三个支路母线电流大小，达到均流的目的。
而在现有技术中，通常的做法则是通过电压高低实现并联，这样并联的弊端是在功率调节中，容易出现母线电压突变，导致输出负载电压不稳定，动态响应差。
在本实用新型的一个优选例中，该离并网市电光伏电池一体化逆变器，还包括：连接在所述逆变电路的输出端和所述蓄电池的输入端之间的充电电路。
在本实用新型的一个优选例中，所述逆变电路的输出端还与所述市电电网连接。
因此，该离并网市电光伏电池一体化逆变器有以下几种工作模式：
蓄电池和光伏阵列模式：用户的负载优先使用光伏阵列发出的电能，当负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由蓄电池发出的功率补充，当负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率(MPPT最大功率跟踪)利用。
市电和光伏阵列模式：当蓄电池电压过低，首先利用光伏阵列给蓄电池充电，和给负载供电；当用户的负载大于光伏阵列输出的功率时，不足的功率由市电发出的功率补充，当用户的负载小于光伏阵列输出的功率时，多出的功率给蓄电池充电，保证光伏阵列的最大功率(MPPT最大功率跟踪)利用。
蓄电池模式：当市电出现断电，光伏阵列也没有输出功率时，该蓄电池模式启动为用户供电。
并网模式：当用户使用的蓄电池被充满，用户也不需要使用电能的情况下，该逆变器可以并入市电电网，向市电电网发电，保证光伏阵列模式最大功率输出。
在本实用新型的一个优选例中，该离并网市电光伏电池一体化逆变器还包括：连接在光伏阵列的输出端和MPPT控制器的输入端之间的BOOST电路(升压电路)，该BOOST电路用于将光伏阵列输出的电压提升到380V的直流电压。在本实用新型的某些实施例中，有的BOOST电路同时兼负MPPT调整的功能。
图2是本实用新型的实施方式中一种BOOST电路的电路图，如图2所示，该BOOST电路包括两个开关管，其中一个开关管工作在高频状态，另一个开关管工作在低频状态。
现有技术中常用的BOOST电路，通常是对一个或一组开关管进行控制。然而，开关管的工作频率会随工作频率的提高而加大开关损耗，这成为提高整机效率的一大障碍。为此，本实用新型在现有技术中的BOOST电路上增加了一个或一组开关管，使一路工作在高频状态，一路工作在低频状态。当输入的电压较低时，让开关管工作在高频状态；当输入电压较高时，让开关管工作在低频状态。这样的电路结构，采用分段式工作，经实践证明可以做到在原有基础上效率提高3％-5％。
PFC(PFC：Power Factor Correction，功率因数修正)电路。因为二极管只有在其正极电压高于负极电压时才会导通，所以市电经全波整流后二极管的电流波形呈现高尖特性，这样的电流波形不仅含有大量的低次谐波，而且逆变器的输入功率因数较低。
在本实用新型中，在整流后加入一级DC/DC的功率因数校电路(PFC电路)，通过开关的动作将输入电流修正为正弦波，使逆变器的输入功率因数接近于1。
如图3所示，PFC电路包括：电感CHOKE、二极管DIODE、绝缘栅双极型晶体管IGBT和数字信号处理电路DSP；
电感CHOKE的一端与整流后的市电连接，电感CHOKE的另一端与二极管DIODE的正极连接；二极管DIODE的负极与数字信号处理电路DSP连接；
绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与二极管DIODE的正极连接，绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极接地，绝缘栅双极型晶体管IGBT的基极与数字信号处理电路DSP连接。
当IGBT导通时，DIODE截止，电感CHOKE储能，通过电感的电流随时间递增；当IGBT截止时，电感释放能量，DIODE导通，电感电流随时间递减。因此，通过调整IGBT的导通与截止时间，就能控制电感电流(输入电流)的波形。
功率因数的修正是由DSP来完成的，图3中虚线框里表示的即为DSP处理PFC的示意图：首先硬件架构把DSP需要采样的信号送给DSP，然后DSP就会处理，然后送出一组脉冲信号来驱动IGBT的导通和关断，以使输入市电的电流和电压处于同一相位，而得到近似为1的高输入功率因数。
PUSH PULL电路(推挽电路)，该电路主要负责将蓄电池电压提升到380V的直流电压：
现有技术中，传统的PUSH PULL电路如图4所示，其换流模式包括：
模式1：S1、S2同时导通，电感L放电，变压器输入为0，由电容C放电给负载；
模式2：S1导通，S2关断，电感L放电，变压器输入为负电压，给电容充电和负载供电；
模式3：S1关断，S2导通，电感L放电，变压器输入为正电压，给电容充电和负载供电。
在传统的PUSH PULL电路中，功率开关管S1和S2轮流导通，将电池能量通过变压器传输到副边的直流电容C上。由于S1和S2轮流导通，其占空比D必须小于0.5，这带来了蓄电池电流断续的问题，蓄电池的纹波电流很大，从而减小蓄电池的寿命。如图1中所示，其中is是电池电流(4KW负载)，它是断续的，最大纹波为25.78A；当然，电感电流连续。
因此，传统的PUSH PULL电路主要存在以下缺点：
1.输入电流断续带来的蓄电池电流纹波过大，造成了蓄电池寿命缩短；
2.变压器变比偏大，成本和损耗增加；
为此，本实用新型提出了一种新型的PUSH PULL电路，具体地说，如图5所示，该PUSH PULL电路包括：电压源VPV、电感L1、电感L2、变压器、开关S1和开关S2；
电感L1的一端与电压源VPV的正极连接，电感L1的另一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端与电压源VPV的负极连接；
电感L2的一端与电压源VPV的正极连接，电感L2的另一端与开关S2的一端连接，开关S2的另一端与电压源VPV的负极连接；
电感L1与开关S1连接的一端还与变压器原边的一端连接，电感L2与开关S2连接的一端还与变压器原边的另一端连接；
变压器的副边与缓冲电路连接。
与传统的PUSH PULL电路相比，该新型的PUSH PULL电路具有以下优点：
1.由于电感直接接在蓄电池侧，因此蓄电池电流连续，电流纹波小，提高了蓄电池寿命；
2.由于电路为BOOST工作模式，变压器变比可以更小，从而减小漏感；
3.由于变压器副边无续流电感，副边的缓冲电路可以省略，从而降低了成本。
关于逆变电路：
现有技术中，一种传统的逆变电路的电路图如图6所示，由Q1、Q2、Q3和Q4组成一个全桥电路，Q1、Q4和Q2、Q3轮番导通，经过LC高频滤波输出我们所需的220V交流电，由PFC/BOOST电路产生的正负直流总线电压(绝对值345V±5V)作为全桥式逆变电路的输入，经由控制板产生的PWM信号，再通过IGBT驱动板来驱动逆变IGBT交替导通，再通过L、C滤波产生正弦波输出。
现有技术中，通用的做法是4只逆变管采用IGBT管，由于IGBT管的开关时间短，关断时有拖尾现象。
为了提高效率，在本实用新型中，逆变电路包括：4只逆变管组成的全桥电路和LC高频滤波电路，并且两只上管工作在工频状态，两只下管工作在高频状态，工频管选用MOS管，高频管选用IGBT管，这样在原有基础是可以提高整机效率2％-3％。
图7是本实用新型的一种离并网市电光伏电池一体化逆变器的整机电路框图。图7所示的框图说明如下：
PFC电路，市电PFC功率因数校正电路，该电路将市电输入端的的功率因数调整到99.9％，同时将市电电压变换成380V的直流电压；
BOOST电路，该电路将光伏阵列(PV)电压提升到380V的直流电压，同时兼负MPPT调整；
PUSH PULL电路，该电路主要负责将蓄电池电压提升到380的直流电压；
CHARGE电路，主要负责从母线取电，将其变换成蓄电池的充电电压，对蓄电池实行快速的三段式充电；
DC/AC INVERTER，该电路主要负责将母线的380V直流电压变换所需的工频交流电压；
DC/DC，该电路主要作用是保障整个一体化逆变器的供电所需的+5V、+12V、±15V以及±HF等电压；
LC Filter，该电路主要为LC高频滤波电路，主要作用是将逆变SPWM(SPWM是一种正弦波调制方式，就是在PWM的基础上改变调制脉冲方式，脉冲宽度时间，占空比按正弦波规律排列，这样的波形经过适当的滤波器滤波就成为了正弦波)高频信号滤除，保证输出是我们所需要的工频电压；
旁路电路BY PASS，主要作用是当用户负载超过该逆变器的输出功率时，该电路将市电输入端直接连接到输出端，保证用户不断电；
EMC电路，该电路主要作用是抑制该逆变器产生的传导辐射以及浪涌等干扰信号；
GFCI，作用是检测逆变器输出漏电流过大，以及残余电流的检测保证人身安全；
PV Isolaton，主要作用是检测光伏阵列组件的绝缘阻抗是否达标，保证人身安全；
Driver，主要作用是产生+15V，-5V电压以驱动PFC、BOOST和逆变电路；
DSP A，主要作用是对整个系统的状态进行逻辑控制；
DSP B的作用是对整个系统的进行电压电流控制，显示监控，以及中央集中控制和安规备份控制；
A/D，要作用是对检测的电压电流信号转换成数字信号送入DSP；
RCMU，主要作用是对检测到的直流或交流漏电流以及残余电流做出判断和信号处理再送入DSP；
DC-Schalter，为继电器电路，主要作用是系统判断光伏阵列组件的绝缘阻抗电路的切换电路；
Relais，该电路主要作用是保证整个系统的防孤岛效应以及整个系统并网的安全；
V1/I1，主要作用是检测整个系统的频率、电压、电流，以利用系统对整个形成闭环控制和各种保护功能；
RS 485/WIFI/GPRS/Zigbee，主要作用是监控整个逆变器的运行状态或者实行远程控制，到达整个智能网控制的目的。
优先光伏发电最大化，当光伏发电能量小于负载时，采用蓄电池逆变弥补。当光伏发电能量大于负载时，光伏发出的电通过充电部分给蓄电池充电。当蓄电池能量不足时，采用市电弥补。当蓄电池能量充足时，蓄电池优先使用。当光伏和蓄电池均不足是，采用市电弥补。
需要说明的是，本实用新型实施方式中提到的各电路元器件都是现有技术中的成熟技术，在此不再详细阐述。
以上对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，但本实用新型并不限制于以上描述的具体实施方式，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作出的变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims (9)

1.一种离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，包括：光伏阵列电路、市电电路、蓄电池电路和逆变电路；
所述光伏阵列电路的输出、所述市电电路的输出和所述蓄电池电路的输出分别经过母线和母线汇合后，再通过母线与所述逆变电路的输入端连接；
所述光伏阵列电路包括：光伏阵列、MPPT控制器、第一电流传感器和第一PWM控制器；所述光伏阵列的输出端通过所述MPPT控制器与所述第一电流传感器的输入端连接，所述第一电流传感器的输出作为所述光伏阵列电路的输出，并且所述第一电流传感器的输出通过所述第一PWM控制器输入到所述MPPT控制器；
所述市电电路包括：市电、PFC电路、第二电流传感器和第二PWM控制器；所述市电的输出端通过所述PFC电路与所述第二电流传感器的输入端连接，所述第二电流传感器的输出作为所述市电电路的输出，并且所述第二电流传感器的输出通过所述第二PWM控制器输入到所述PFC电路；
所述蓄电池电路包括：蓄电池、PUSH PULL电路、第三电流传感器和第三PWM控制器；所述蓄电池的输出端通过所述PUSH PULL电路与所述第三电流传感器的输入端连接，所述第三电流传感器的输出作为所述蓄电池电路的输出，并且所述第三电流传感器的输出通过所述第三PWM控制器输入到所述PUSH PULL电路。
2.根据权利要求1所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，还包括：连接在所述逆变电路的输出端和所述蓄电池的输入端之间的充电电路。
3.根据权利要求1或2所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述逆变电路的输出端还与所述市电电网连接。
4.根据权利要求1所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述光伏阵列电路还包括：连接在所述光伏阵列的输出端和所述MPPT控制器的输入端之间的BOOST电路。
5.根据权利要求4所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述BOOST电路包括两个开关管，其中一个开关管工作在高频状态，另一个开关管工作在低频状态。
6.根据权利要求1所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述PFC电路包括：电感CHOKE、二极管DIODE、绝缘栅双极型晶体管IGBT和数字信号处理电路DSP；
电感CHOKE的一端与整流后的市电连接，电感CHOKE的另一端与二极管DIODE的正极连接；二极管DIODE的负极与数字信号处理电路DSP连接；
绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与二极管DIODE的正极连接，绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极接地，绝缘栅双极型晶体管IGBT的基极与数字信号处理电路DSP连接。
7.根据权利要求1所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述PUSHPULL电路包括：电压源VPV、电感L1、电感L2、变压器、开关S1和开关S2；
电感L1的一端与电压源VPV的正极连接，电感L1的另一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端与电压源VPV的负极连接；
电感L2的一端与电压源VPV的正极连接，电感L2的另一端与开关S2的一端连接，开关S2的另一端与电压源VPV的负极连接；
电感L1与开关S1连接的一端还与变压器原边的一端连接，电感L2与开关S2连接的一端还与变压器原边的另一端连接；
变压器的副边与缓冲电路连接。
8.根据权利要求1所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，所述逆变电路包括：4只逆变管组成的全桥电路和LC高频滤波电路。
9.根据权利要求8所述的离并网市电光伏电池一体化逆变器，其特征在于，在所述4只逆变管中：两只上管采用MOS管，工作在工频状态；两只下管采用IGBT管，工作在高频状态。
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