CN208849455U - 电气节点装置、直流电网、小型直流电网和成套设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电气节点装置、直流电网、小型直流电网和成套设备，该电气节点装置将负载连接到直流电源，不需要电压补偿或升压来匹配直流电源的电压，包括：一个外壳；外壳中的电源插座，从负载中接收导线，包含PWM控制半导体开关的外壳内的电路，为负载提供断续直流电流；前馈控制电路，检测直流电源的电压，并且响应于检测到的直流电源的电压的下降减小到达负载的断续直流电流的占空比。

Description

电气节点装置、直流电网、小型直流电网和成套设备

技术领域

本实用新型涉及电能的生产和分配，特别是用于直流电网能源分配。

背景技术

现有电能分配技术已经有100年的历史，这种技术提供非常高电压的交流电。这种能量经过很长的距离，经过昂贵的设备进行多次电压变化，最后才能送到电网上的用户。这就要求对电网的频率和相位进行集中控制和持续监测。美国国家电力系统和设备的标准(ANSI c84.1)指定120V，60Hz为美国电网，终端用户的电压在104～127V之间变化。我们认为并没有必要使用升压降压昂贵和复杂的控制电路。然而大多数的最终使用的设备在一个较低的电压(如交流 (AC)110V在美国，在中国交流(AC)220V)或直流(DC)的形式。现代热泵、感应加热器、红外线加热器、计算机和大多数电动机在使用之前将交流电转换成DC，或者有与AC和DC兼容的内部电路。

这种现有技术阻碍了太阳能和其他可再生能源的发展。公用电网客户想要出售太阳能电力到公用电网必须使用几个盒子或电路的电压转换，才能连接电网，其中也包括DC到AC转换。为了改变电压，电压升压逆变器电路将周期性地充放电一个或多个电感器，以增加输入电压到更高的电压。对于用户电压降压逆变器类似地使用昂贵的设备，包括半导体开关到电感器，以降低电压。特别是从直流(DC) 逆变交流(AC)电并将交流电与电网相匹配，需要更昂贵的电路和产生很多能量损耗。

实用新型内容

一般情况下，节点控制盒包含用于向直流电网分配电能的电路和连接。节点盒直接连接到一个简单的(最小两个节点控制盒)直流电网。节点控制盒还可以直接连接到太阳能电池板或其他可再生能源。最好，这些连接不使用昂贵的变压器或DC到AC转换。诸如太阳能电的电源被配置成输出略高于节点电压。因此，无需变压器，节点控制盒可以通过简单调节负载来调节实际太阳能电池板的输出电压。

在节点控制盒中的脉冲宽度调制(PWM)电路检测输入电压，并使用这些信号来设置和优先加载负载，控制太阳能电池板输出电压和控制节点电压，在实施例中。太阳能电力或风电连接到一个节点的多余的可用能量会导致电网节点点电压的轻微增加，过大负载导致电网节点电压轻微下降。节点电压通常可以为标称电压220V，偏差±5％。

一个节点控制盒电压变化为0.5V。这是通过仅在节点电压超过阈值的情况下用脉冲DC供电来实现的。节点阈值可以由用户操作的控制盒或电话来设置。电路可以设置为高节点阈值电压，当电源不足时，电路可使连接的低优先级加热器负载消耗更少或关掉，这是因为节点电压低于阈值电压时，可用电源(从局域或电源添加到控制点)下降。连接到高优先级节点控制盒的计算机负载，可以继续保持所需功率。

这种优先次序优化了可再生能源在用户的使用，同时保持电网电压的控制。这种控制精度等于或超过了美国电网的电压控制精度。例如，三个优先级设置2V，可以比在美国遇到的104～127V范围更低的电压变化。

节点控制电路将直流电转换为脉冲直流。这是为了减少开关和断路器的火花和电弧而开发出来。由于大多数火花放电的消除，直流断路器可用于普通交流开关和大多数电器。

优选地，节点向诸如电器的负载提供直流电流，该直流电流以每秒超过100次(最好超过250次)中断。优选地，该中断(占100％占空比的截止时间)小于50％，进一步优选为小于1％。两个或更多个这样的节点控制盒通过导线相互连接形成一个电网。新成员可以简单地连接另一个节点，以“点对点”的方式轻松地加入电网。

实施例解决的技术问题

针对现有技术问题，首先，解决DC电变AC并通过交流电网连接到发电厂的高成本的并网问题。通过直接连接(没有降压或升压改变电压或频率)的节点控制盒来解决这个问题。节点盒也可以直接连接到太阳能电池板或水力发电或风力发电机直流输出。节点盒中的电压监视电路简单而廉价地控制电网节点电压和DC输入电压(例如从太阳能电池板)。这是由PWM驱动的半导体开关来完成的。PWM 控制电路的成本远低于现有使用昂贵和复杂的交流电路来匹配电压和相位技术。节点控制盒电路结构降低了成本和复杂性，将电源连接到用电用户。因为太阳能电池板连接为一组输出电压略高于220V 电网额定电压不需要电压的变化(在中国和大多数国家)。在美国 120V，日本100V。这样可以不需要降压或升压电路改变电压。此外，节点控制盒内的反馈电路微调太阳能电池板的输出电压，同时该节点电路基于传感到节点盒的太阳能电池板电压来控制太阳能电池板的负载。

针对现有技术问题，第二是解决交流电网转换电压的能量损失。避免从低到高，从高到低，从AC到DC，从DC到AC，昂贵复杂的交流相位校正变压器交流变换系统。取而代之采用基尔霍夫自动调节能量流入和流出节点控制盒电路实现控制。

针对现有技术问题，第三是解决无法实现在低能耗的廉价设备。电力公司必须安装昂贵的智能电表，保证在限电期间关闭空调和热水器用电。然而，节点控制盒通过调节中断直流的占空比来监视电网电压和调节向加热器提供的功率。这是通过减少太阳能电池板输出，电网控制或者自动响应电网PWM电路来实现的。例如，一个 1500W的交流用电设备可以在开关时产生大的负载波动。节点控制盒提供可调节的占空比的直流脉冲电源。占空比可以调整到50％。这样，加热器接通750W的摆动负载到用户控制盒。而且，当阳光不够时，用电设备自动关闭。

针对现有技术问题，第四是解决直接使用直流电源。通过微处理器驱动或专用芯片驱动的PWM控制器，通过诸如功率晶体管之类的设备来产生脉冲直流，这样可以缓解这个问题。通过至少每秒100 次开关，最好每秒250次，且至少有50％～99％个占空比，最好99.5％个占空比，大多数用电设备可以工作于区域网用户的DC电源上。在一个实施例中，采用低成本高效率的晶体管，将节点控制盒与供电设备连接起来，实现系统用电。

针对现有技术问题，第五是解决用户无法调节电网电压。节点控制盒通过自动减少(或调制)负载连接，不受电网电压的影响。这种自动调节电网电压发生在电网的每个用户，不需要中央控制。

针对现有技术问题，第六是解决不能通过单一的电源插座来服务AC和DC兼容的电器。现有技术对于，如交流真空泵需要单独DC 变AC单独电路。该技术通过一个能区分AC和DC用电设备的电路来解决。该电路感测来自接收脉冲功率(例如中断的DC或方波AC)的连接器具的感应反冲脉冲。当相反极性的反冲脉冲超过参考值时，电路停止对连接的电器供电或切换到交流电源。

本实用新型提供一种将负载连接到直流电源的电气节点装置，不需要电压补偿或升压来匹配直流电源的电压，包括：一个外壳；外壳中的电源插座，从负载中接收导线，包含PWM控制半导体开关的外壳内的电路，为负载提供断续直流电流；前馈控制电路，检测直流电源的电压，并且响应于检测到的直流电源的电压的下降减小到达负载的断续直流电流的占空比。

本实用新型还提供一种包含两条导线的直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少两个如上所述的电气节点装置。

本实用新型还提供一种包含两条导线的小型直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少5个如上所述的电气节点装置，以及至少5个将电源连接到电网的电气节点装置，其中电网具有5～100个节点，并且延伸到75平方公里范围。

本实用新型还提供一种包含两条导线的直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少2个如上所述的电气节点装置，以及连接到电网的电池组，其中电池组的电池电压比直流电网电压低0～25V。

本实用新型还提供一种用于建造社区电网的成套设备，包括：至少2个如上所述的电气节点装置。

附图说明

图1a显示了用于加热加热器的基本节点控制盒的结构。

图1b显示了端子连接器的结构。

图2显示了图1a基本节点控制盒的更多结构。

图3a显示了用于驱动设备的有代表性的节点控制盒的结构。

图3b显示了另一节点控制盒的结构。

图4显示图3a和图3b中有代表性的节点控制盒的更多结构。

图5显示了多个节点控制盒的连接，以形成网格。

具体实施方式

概述：直流电网的“节点控制盒”提供连接到一个共同的电线。每个节点控制盒向用户或电网提供电能量。特别是，节点控制盒可以连接到可再生能源，如太阳能电池板、风力发电机或水力发电机。最好的可再生能源是在电压略高(1～40V，最好是5～20V)比连接的网格节点的电压。这允许直接使用可再生能源，而不需要昂贵和浪费的电压转换。

节点控制盒可包括用于正负电源输入线的两个电连接器，例如太阳能电池和连接电网正负线的两个电连接器。一个节点提供电源盒最好是永久连接的电器如热水器或一个出口，可插入式电器如电脑电源适配器或咖啡壶。

形成网格的基本节点控制盒

一个基本的节点盒包括MOSFET、IGBT、可控硅、硅或其他半导体开关切断直流电流以每秒至少50次。这个脉冲DC连接到节点控制盒与负载之间。这种技术发现可以减少连接电器开关的电弧。特别是，半导体开关通过微处理器或其它专用PWM芯片控制为脉宽调制(PWM)电路。频率可以通过微处理器中的软件操作或由外部定时器来设置，例如振荡器的RC时间常数控制。在一个优选实施例中的频率是由一个可变电阻控制专用芯片TL494PWM等占空比的调整，采用电压模式控制或uc1804，采用电流模式控制。

特别是，所述节点控制盒具有电路板，所述电路板包括至少一个这样的误差放大器(在微处理器芯片中，或作为在所述前馈配置中连接的运算放大器或专用PWM芯片)。误差放大器通过降低占空比或切断负载的功率来响应低于阈值的低输入电压。相反，大多数PWM电路采用反馈电压控制，以使输出低于设定电压。在一个实施例中，节点控制和盒电路缺乏对连接负载的最大输出电压的反馈控制。将进一步改进，节点控制盒包括对连接负载的最大输出电流的反馈控制。

节点控制盒具产生脉冲直流的电连接器。节点控制盒通过一个正和负输入连接器连接到一个电网(或用户DC电源)。节点控制盒检测连接点上的电网电压，并且可以使用多个电阻电桥作为电压分压器来采样电压。将采样电压与比较器的参考值进行比较。一个参考可以由偏置齐纳二极管形成。比较器中的比较器切断PWM信号串，从而钝化半导体开关。在一个实施例中，比较器通过响应于较高的感应电压而增加占空比来调节占空比。比较器可以降低响应于较高的输出(负载)电流的占空比。半导体开关元件或最好是IGBT，开关电源向负载供电连接。

节点控制盒可以包括两个连接器，用于直接连接到诸如太阳能电池板或风能供应的用户DC电源。名义上(空载时)直流电源的电压超过节点电压。连接后开始供电，并且当直流电源中大流量时，连接点上的直流电源输入电压将朝较低的方向移动。由此提供的直流电源优先通过设置阈值电压来进行电压采样和控制，所述阈值电压通过在感测电压低于参考电压时控制半导体开关而控制功率。特别是，如上所述电源输入(使用时)直接连接到电网端子。因此，用户DC电源和电网作为组合电压的组合被施加到比较器。当然，其他成分如阻尼二极管(防止反馈网格为例如直流电源)可以按需要加入。

实施本实用新型的具体方式

图1a显示了基本节点控制盒100。控制盒100可以是任何形状，并且最好具有诸如至少一个侧面(例如背面)上的金属，作为散热器。这个盒子与许多现有设备不同，其效率可以在95％以上甚至高于98％。在PWM控制电路中，效率被测量为100减去功率损失。比大多数逆变器而言高效率是可能的，因为只需要一个PWM开关和晶体管开关的频率要低得多(通常是100倍以下)。因此，热损失大部分来自开关上的电阻，而不是开关损耗。

一个NMOS晶体管开关120优先有一个小于0.1欧姆的电阻，开关240V电源。晶体管120位于节点盒内并安装在铝表面上，该铝表面可包括盒的外壁。在实施例中，晶体管120安装在盒内的散热器上(其中盒可以全部或部分塑料)。可选的风扇130可以使用，并且优选用于后一实施例。风扇130最好连接到温度控制电路中，其中从盒中的负温度系数热敏电阻的电阻感应高温接通风扇。

该节点通过电线进入孔140连接到电网电线和(如果使用)用户电源，如太阳能电池板。在实施例中，孔140被图1b中所示的端子连接器150替换，该端子连接器优选地安装在一侧的边缘，例如底部。正负连接152,154对和156对可用于电连接电网和局部直流电源。优选地，152是栅极连接，154是本地DC电源。在一个实施例中，诸如热水器之类的装置通过穿过孔140的导线永久连接，并且终端条150用于连接诸如栅极或太阳能板的电源。

电路板200在框100内。图2显示电路板230内的PWM电路200。 PWM 230可以包括一个或多个芯片，并且可以完全在芯片(例如微处理器)中具有可变定时器，或者可以具有定时器调节或关断时间调节235，例如可变电容器，用于控制PWM 230的定时或关闭时间。 PWM230输出电压脉冲串245到半导体开关250。最好是脉冲245 交替下(小于1伏)和(10伏以上)驱动元件250，连接到输出156 如图2所示的负面力量。

在实施例中，脉冲序列245具有恒定的频率在250到100000Hz 之间，优选地在5000到50000Hz之间。在一个实施例中，频率不是恒定的，而是在至少2倍范围内变化，以防止在连接的设备中报警。在实施例中，调整235是可变电阻器(由设定螺钉或旋钮等调整) 或微处理器软件中的比较步骤(由用户输入调整)，并调整关闭时间。用户可以通过调整235设置给连接的设备的电源。例如，将关机时间(脉冲线245的垂直线)设置为50％关闭，将电源切断至连接的设备50％。

图2显示了建议的布线260，其中栅极和本地DC电源(如果提供)并联连接。图中没有显示一个或多个可选的阻尼二极管。

用于形成网格的智能节点控制盒。

图3a显示了向电源插座提供中断直流电源(分别为330和370) 的节点控制盒300。图3b显示了另一节点控制盒360。在优选实施例中，提供usb插座340。关于半导体开关320、电路板310和开口350 的图1a、图1b和图2的描述适用于图3a、图3b和图4。例如，没有显示风扇，但可能包括在内。开口350显示简单，但一个终端带螺钉或推入摩擦适合优先选择电线从电网和可选的直流电源输入。

电源插座可以是任何已知的配置，插座330和370是代表性的。可选的可视指示器375，它可以是发光二极管，可以位于任何位置，优选地位于前表面上。

图4示出了电路板400中的PWM电路430，如图2所示。PWM 430 创建脉冲串445以驱动半导体开关450，如图2所述。PWM输出的控制，如频率或占空比的用户调节是可选的(但这里没有显示为简洁)。旋钮，按键或连接到手机可以用来调节电阻或微处理器输入来调节PWM控制信号的占空比或频率。

控制盒300和360还包含一个用于检测反冲脉冲的传感器。反冲脉冲是由插入插座460引脚的电感装置制造的。反冲脉冲可以通过多种电路来检测。优选电路被示为与二极管470串联的电阻器480，它传导由电器的电感器产生的反电动势脉冲，例如变压器绕组或电机绕组。穿过电阻器480的电压进入电路490并与阈值进行比较。阈值可以由微处理器操作或参考电压的另一种方式来确定。当发现超过阈值时，电路490关闭PWM电路430，脉冲序列445停止。优选地，诸如压电蜂鸣器和/或发光二极管之类的指示器提醒用户。在优选实施例中，自动关机在一段时间之后复位，例如5到60秒。在实施例中，电路490包括将信号馈送到比较器的峰值脉冲检测器。

由2个或多个节点构成的直流电网

本实用新型的实施例涉及具有对等节点盒的昂贵复杂电路和网格的问题。“网格”定义为两个或多个节点，它们从两个或多个电源 (如太阳能电池、电池供电或风力发电)供电。电网的节点有两个或两个以上的负荷，接收到的能量，连接到同一直流电力线。一个网格可以从个体箱或盒盒例如2-100用户节点。优选地，栅极电源线至少有两根电线，它们之间的电压相差不到450伏。节点的自调节功率分布通过基尔霍夫电规则。节点框包含电路的反馈结构，监测节点电压，并根据基于节点电压的电网的去除。

图5显示了网格500作为连接节点511,512,515,550,552和554 的导线。电池供电银行520也连接和充电的充电器525。电池供电组 520优选为栅极电压的10％，通常在白天稍低一些。这允许栅极电源从充电器525充电，而不需要升压。

其他上述实用新型的特征组合，可以由熟练的工匠如有两年的工作经验的电力电子工程师在读完本规范后很容易确定，被包括在本实用新型的设计思想和范围。文件引用具体的完整的参考案例，特别是设备的细节和方法的细节改变电流和控制。

Claims (10)

1.一种将负载连接到直流电源的电气节点装置，不需要电压补偿或升压来匹配直流电源的电压，包括：

一个外壳；

外壳中的电源插座，从负载中接收导线，

包含PWM控制半导体开关的外壳内的电路，为负载提供断续直流电流；

前馈控制电路，检测直流电源的电压，并且响应于检测到的直流电源的电压的下降减小到达负载的断续直流电流的占空比。

2.如权利要求1所述的电气节点装置，其中节点装置缺乏电压抑制或升压电路。

3.如权利要求1或2所述的电气节点装置，其中外壳还包括USB电源插座。

4.如权利要求1或2所述的电气节点装置，其中直流电源是一个与其他节点电连接的电网，以及电网电压在200V～300V之间。

5.如权利要求1或2所述的电气节点装置，其中直流电源包括与其他节点电连接的电网，以及还包括连接到节点装置的太阳能电板。

6.如权利要求3所述的电气节点装置，其中直流电源包括与其他节点电连接的电压在200V～300V之间的电网，并且包括与电网并联连接的电压在200V～300V之间的太阳能电板。

7.一种包含两条导线的直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少两个如权利要求1或2所述的电气节点装置。

8.一种包含两条导线的小型直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少5个如权利要求1或2所述的电气节点装置，以及至少5个将电源连接到电网的电气节点装置，其中电网具有5～100个节点，并且延伸到75平方公里范围。

9.一种包含两条导线的直流电网，这两条导线之间的电压势小于600V，包括至少2个如权利要求1或2所述的电气节点装置，以及连接到电网的电池组，其中电池组的电池电压比直流电网电压低0～25V。

10.一种用于建造社区电网的成套设备，包括：至少2个如权利要求1或2所述的电气节点装置。