CN220896646U - 一种光伏逆变器电路和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光伏逆变器电路和系统，其中电路包括主功率电路、主控制器和物联网模块，主功率电路包括前级全桥电路，以及与前级全桥电路级联的后级全桥电路；前级全桥电路的输入端电连接至光伏板，后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接；主控制器的控制端用于控制前级全桥电路的控制端和后级全桥电路的控制端；物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，异常值检测单元的输出端电连接至物联网芯片的输入端，异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，主控制器的输出端连接至Lora单元和RF射频单元，异常值检测单元包括多个门逻辑单元。该电路可以准确地追踪光伏板输出的最大功率点，提高能量转换效率。

Description

一种光伏逆变器电路和系统

技术领域

本实用新型涉及农业相关的光伏系统技术领域，尤其涉及一种光伏逆变器电路和系统。

背景技术

光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备，光伏组件所产生的直流电需要通过由升压电路、逆变电路等组成的逆变器才能转变为负载和并网发电可以使用的交流电。

在当前的研究中，逆变器多为组串式和集中式，由于单个逆变器对多个光伏板粗略控制容易产生组串失配等问题，当一个光伏板出现被阴影遮挡、模块老化或损坏等问题，会影响整个系统的能源利用率，通常要造成20％-30％的损耗。此外，当前的光伏微逆变器的前级电路拓扑通常为反激式电路，其开关器件无法工作在零电压或零电流切换条件下，增加了开关损耗，降低发电效率，同时现阶段前级电路的太阳能最大功率点控制方式存在跟踪不准确的问题，且整个光伏逆变器系统缺乏电力信息反馈及监控。另外，光伏系统对农业设备的供电不足，农业生产效率还可以进一步提高。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本实用新型的目的之一是提供一种光伏逆变器电路，可以准确地追踪光伏板输出的最大功率点，采用两个全桥电路实现软开关，提高能量转换效率。具有该光伏逆变器电路的光伏逆变器系统可以将光伏板产生的直流电转换为交流电，供农业设备例如农作物生长灯、自动喷水系统和温度湿度控制系统使用。该光伏逆变器系统还可以应用在智能农业和节能环保领域，例如使用光伏板对物联网模块供电，基于物联网模块实时监测农田的温度、湿度和光照。光伏板供电的模式具有节能和环保的优点。

一种光伏逆变器电路，包括主功率电路、主控制器和物联网模块，所述主功率电路包括前级全桥电路以及与所述前级全桥电路级联的后级全桥电路；所述前级全桥电路的输入端电连接至光伏板，所述后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接；所述主控制器的控制端用于控制所述前级全桥电路的控制端和所述后级全桥电路的控制端；所述物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，所述异常值检测单元的输出端电连接至所述物联网芯片的输入端，所述异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，所述主控制器的输出端连接至所述Lora单元和所述RF射频单元；所述异常值检测单元用于检测并筛选异常的电路参数，所述异常值检测单元包括多个门逻辑单元。

在本实用新型较佳的技术方案中，光伏逆变器电路还包括辅助电路，所述辅助电路包括辅助电源电路、采样电路和驱动电路，所述辅助电源电路的输入端与所述光伏板电连接，所述辅助电源电路的输出端与所述采样电路的供电端、所述驱动电路的供电端电连接。

在本实用新型较佳的技术方案中，所述前级全桥电路包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4；所述后级全桥电路包括第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8；所述驱动电路的输出端电连接至所述第一MOS管Q1、所述第二MOS管Q2、所述第三MOS管Q3、所述第四MOS管Q4、所述第五MOS管Q5、所述第六MOS管Q6、所述第七MOS管Q7和所述第八MOS管Q8。

在本实用新型较佳的技术方案中，所述采样电路包括与所述主控制器的数据采集端电连接的直流电压采样电路、直流电流采样电路、交流电压采样电路和交流电流采样电路。

在本实用新型较佳的技术方案中，所述直流电压采样电路包括光电耦合器，以及与所述光电耦合器电连接的差分电路；所述直流电流采样电路包括用于采集直流侧电流的霍尔传感器；所述交流电压采样电路包括用于采集交流侧电压的电压传感器；所述交流电流采样电路包括用于采集交流侧电流的电流互感器。

在本实用新型较佳的技术方案中，光伏逆变器电路还包括输入滤波电容，所述输入滤波电容电连接至所述前级全桥电路的输入端和所述光伏板。

在本实用新型较佳的技术方案中，所述辅助电源电路的电压输入端与所述光伏板电连接。

在本实用新型较佳的技术方案中，光伏逆变器电路还包括LC滤波电路，所述LC滤波电路的第一端与所述后级全桥电路的输出端电连接，所述LC滤波电路的第二端与所述变压器的原边电连接。

在本实用新型较佳的技术方案中，所述物联网芯片的型号为ESP8266。

本实用新型的目的之二是提供一种光伏逆变器系统，包括上述任一项所述的光伏逆变器电路。

可以在农田或大棚上安装光伏板，光伏板与该光伏逆变器系统连接，既可以产生电力，在满足农业生产需要的同时不会影响农田使用。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的一种光伏逆变器电路，包括主功率电路、主控制器和物联网模块，主功率电路包括前级全桥电路，以及与前级全桥电路级联的后级全桥电路。前级全桥电路的输入端电连接至光伏板，后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接。调整前级电路的开关频率可以改变占空比，采用逐步缩小区间的变步长电导增量法使得光伏逆变器电路工作在最大功率点处，从而准确地追踪光伏板输出的最大功率点。前级全桥电路和后级全桥电路级联，使得前级全桥电路和后级全桥电路实现零电压导通和零电流关断，从而减少开关损耗，提高能量转换效率。主控制器的控制端用于控制前级全桥电路的控制端和后级全桥电路的控制端，物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，异常值检测单元的输出端电连接至物联网芯片的输入端，异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，主控制器的输出端连接至Lora单元和RF射频单元；异常值检测单元用于检测并筛选异常的电路参数，异常值检测单元包括多个门逻辑单元。主控制器将实时采集的电路数据上传至Lora单元和/或RF射频单元，使用异常值检测单元检测并筛选异常的电路参数，使得提供给物联网芯片的电路参数较为准确。具有上述光伏逆变器电路的光伏逆变器系统可以将光伏板产生的直流电转换为交流电，供农业设备使用，提高农业生产效率。

附图说明

图1是本实用新型提供的光伏逆变器电路的电路图；

图2是本实用新型提供的物联网模块的示意图；

图3是本实用新型提供的前级全桥电路的电路图；

图4是本实用新型提供的直流电压采样电路的电路图；

图5是本实用新型提供的直流电流采样电路的电路图；

图6是本实用新型提供的交流电压采样电路的电路图；

图7是本实用新型提供的交流电流采样电路的电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本实用新型可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种光伏逆变器电路，包括主功率电路、主控制器和物联网模块，所述主功率电路包括前级全桥电路以及与所述前级全桥电路级联的后级全桥电路；所述前级全桥电路的输入端电连接至光伏板PV，所述后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接；所述主控制器的控制端用于控制所述前级全桥电路的控制端和所述后级全桥电路的控制端；所述物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，所述异常值检测单元的输出端电连接至所述物联网芯片的输入端，所述异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，所述主控制器的输出端连接至所述Lora单元和所述RF射频单元；所述异常值检测单元用于检测并筛选异常的电路参数，所述异常值检测单元包括多个门逻辑单元。

本实施例以主控制器采用STM32系列的MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)为例。开关电源通过功率器件的开通和关断来实现从直流到交流的逆变，开关技术包括软开关和硬开关，硬开关在开通和关断时会有电压和电流的交叉，导致开关损耗。

后级全桥电路的主要功能是逆变，即将前级全桥电路输入的直流电转换为交流电。后级全桥电路相对于单管和半桥逆变电路具有更高的输出功率和更小的开关损耗。变压器T将后级全桥电路输出的原边电压转换为副边电压，副边电压为220V的交流电压，将副边电压提供给负载，负载为工作在220V交流电下的用电器。

主控制器的控制端电连接至驱动电路的输入端，驱动电路的输出端电连接至前级全桥电路的控制端和后级全桥电路的控制端。

光伏逆变器电路还包括辅助电路，所述辅助电路包括辅助电源电路、采样电路和驱动电路，所述辅助电源电路的输入端与所述光伏板PV电连接，所述辅助电源电路的输出端与所述采样电路的供电端、所述驱动电路的供电端电连接。

光伏板PV向辅助电源电路提供电压，辅助电源电路采用Buck芯片即降压转换芯片的型号为LM5164，辅助电源电路输出的电压稳定，且损耗较小。辅助电源电路向采样电路、驱动电路、主控制器和物联网模块供电。

前级全桥电路包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4；所述后级全桥电路包括第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8；所述驱动电路的输出端电连接至所述第一MOS管Q1的栅极、所述第二MOS管Q2的栅极、所述第三MOS管Q3的栅极、所述第四MOS管Q4的栅极、所述第五MOS管Q5的栅极、所述第六MOS管Q6的栅极、所述第七MOS管Q7的栅极和所述第八MOS管Q8的栅极。

通过带前馈的比例积分调节器调节前级全桥电路的开关频率，使得占空比改变，从而调节输出电压，实现开关的零电压导通和零电流关断，大幅度减少开关损耗。采用变步长电导增量法以使得电路工作在最大功率点处，实现对光伏板PV输出的最大功率点的精准跟踪。带前馈的比例积分调节器基于SPWM(Sine pulse width modulation，正弦脉宽调制)产生驱动信号，将驱动信号提供给前级全桥电路的开关，即第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，将驱动信号提供给后级全桥电路的开关，即第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8，从而控制前级全桥电路和后级全桥电路。

所述采样电路包括与所述主控制器的数据采集端电连接的直流电压采样电路、直流电流采样电路、交流电压采样电路和交流电流采样电路。

所述直流电压采样电路包括光电耦合器，以及与所述光电耦合器电连接的差分电路；所述直流电流采样电路包括用于采集直流侧电流的霍尔传感器；所述交流电压采样电路包括用于采集交流侧电压的电压传感器；所述交流电流采样电路包括用于采集交流侧电流的电流互感器。

如图4所示，直流电压采样电路采用型号为HCNR200的光电耦合器隔离两个差分电路，光电耦合器并联采集光伏板PV的输出电压。图4中的接线座P1的接口1与图1中的C处电连接，图4中的接线座P1的接口2与图1中的D处电连接。

如图5所示，直流电流采样电路采用型号为ACS712的霍尔传感器串联采集直流侧的直流电流，即采集光伏板PV的输出电流。图1中的A处与图5中的接线座JP3的接口2电连接，图1中的B处与图5中的接线座JP3的接口1电连接。图5中的接口JP2与主控制器的模数转换接口电连接，接口JP2将霍尔传感器采集的光伏板PV的输出电流输入至主控制器的模数转换接口。

如图3和图6所示，交流电压采样电路采用图6中L1处的ZMPT107型电压传感器并联采集交流侧的电压，图3中的接线座43P与图6中的接线座P11电连接。主控制器通过模数转换接口采集图6中的接线座P13处的交流侧的交流电压。主控制器通过测量电压传感器的输出电压的正弦波形的零点过零时间，对比参考信号，从而确定电压的相位角。图3中的接线座36P和37P连接型号为ZMCT102的电流互感器，电流互感器串联采集交流侧的电流。接线座36P和37P电连接至图7中的接线座P11。主控制器通过模数转换接口采集图7中的接线座P13处的交流侧的交流电流。

主控制器的输出端无线连接至Lora单元和RF射频单元，LoRa单元为基于LPWAN的远距离无线通信单元，支持LORAWAN标准协议，可以进行双向通讯。主控制器与RF射频单元使用915MHZ的频率进行通信，主控制器的输出端可以是具有无线通信功能的模块，也可以是外接与物联网模块的Lora单元和RF射频单元匹配的无线通信模块，此处不作限定。

主控制器的输出端将采集的直流电压、直流电流、交流电压和交流电流无线发送至Lora单元和/或RF射频单元，Lora单元和/或RF射频单元将直流电压、直流电流、交流电压和交流电流发送至异常值检测单元。异常值检测单元包括数值比较器，数值比较器由多个与门逻辑单元、或门逻辑单元、与非门逻辑单元、或非门逻辑单元和存储单元组成。存储单元中存储有预设直流电压、预设直流电流、预设交流电压和预设交流电流，数值比较器将每项参数与对应的预设参数进行比较，得到参数误差。将未筛选的电路参数发送至物联网芯片的第一输入端，将筛选出的较大的参数误差对应的参数发送至物联网芯片的第二输入端。从而在向物联网芯片提供准确的电路参数的同时突出异常的电路参数，以便于用户及时处理。电路参数包括直流电压、直流电流、交流电压和交流电流。

优选地，物联网模块还包括显示屏，物联网芯片将电路参数发送至显示屏，在显示屏上可视化地展示电路的运行状态和供电功率。

本实施例提供的一种光伏逆变器电路，包括主功率电路、主控制器和物联网模块，主功率电路包括前级全桥电路，以及与前级全桥电路级联的后级全桥电路。前级全桥电路的输入端电连接至光伏板PV，后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接。调整前级电路的开关频率可以改变占空比，采用逐步缩小区间的变步长电导增量法使得光伏逆变器电路工作在最大功率点处，从而准确地追踪光伏板PV输出的最大功率点。前级全桥电路和后级全桥电路级联，使得前级全桥电路和后级全桥电路实现零电压导通和零电流关断，从而减少开关损耗，提高能量转换效率。主控制器的控制端用于控制前级全桥电路的控制端和后级全桥电路的控制端，物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，异常值检测单元的输出端电连接至物联网芯片的输入端，异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，主控制器的输出端连接至Lora单元和RF射频单元；异常值检测单元用于检测并筛选异常的电路参数，异常值检测单元包括多个门逻辑单元。主控制器将实时采集的电路数据上传至Lora单元和/或RF射频单元，使用异常值检测单元检测并筛选异常的电路参数，使得提供给物联网芯片的电路参数较为准确。具有上述光伏逆变器电路的光伏逆变器系统可以将光伏板产生的直流电转换为交流电，供农业设备使用，提高农业生产效率。

实施例2

如图1所示，本实施例仅描述与实施例1的不同之处，其余特征与上述实施例相同。光伏逆变器电路还包括输入滤波电容C1，所述输入滤波电容C1电连接至所述前级全桥电路的输入端和所述光伏板PV。

所述辅助电源电路的电压输入端与所述光伏板PV电连接，光伏板PV向辅助电源电路供电，辅助电源电路对光伏板PV提供的电压进行转换，将转换后的电压提供给辅助电源电路、采样电路、驱动电路和物联网模块。

如图1所示，光伏逆变器电路还包括LC滤波电路，所述LC滤波电路的第一端与所述后级全桥电路的输出端电连接，所述LC滤波电路的第二端与所述变压器的原边电连接。LC滤波电路包括LC滤波电感L1和LC滤波电容C3，LC滤波电路通过抑制谐波，可以生成各项参数更好的交流电。

物联网芯片的型号为ESP8266，ESP8266可以实现十分灵活的组网方式和网络拓扑。

本实施例提供一种光伏逆变器系统，包括实施例1和/或实施例2所述的光伏逆变器电路。

本实施例的光伏逆变器电路还包括输入滤波电容，输入滤波电容电连接至前级全桥电路的输入端和光伏板，输入滤波电容可以滤除光伏板提供给前级全桥电路的交流信号。光伏逆变器电路还包括LC滤波电路，LC滤波电路的第一端与后级全桥电路的输出端电连接，LC滤波电路的第二端与变压器的原边电连接。LC滤波电路的第一端为LC滤波电感L1与第六MOS管Q6连接的一端，LC滤波电路的第二端为LC滤波电感L1与变压器T的原边连接的一端。LC滤波电路通过抑制谐波，可以生成各项参数更好的交流电。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，

对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏逆变器电路，其特征在于，包括主功率电路、主控制器和物联网模块，所述主功率电路包括前级全桥电路以及与所述前级全桥电路级联的后级全桥电路；所述前级全桥电路的输入端电连接至光伏板，所述后级全桥电路的输出端与变压器的原边连接；所述主控制器的控制端用于控制所述前级全桥电路的控制端和所述后级全桥电路的控制端；所述物联网模块包括物联网芯片以及异常值检测单元，所述异常值检测单元的输出端电连接至所述物联网芯片的输入端，所述异常值检测单元的输入端电连接至Lora单元和RF射频单元，所述主控制器的输出端连接至所述Lora单元和所述RF射频单元；所述异常值检测单元用于检测并筛选异常的电路参数，所述异常值检测单元包括多个门逻辑单元。

2.根据权利要求1所述的光伏逆变器电路，其特征在于，还包括辅助电路，所述辅助电路包括辅助电源电路、采样电路和驱动电路，所述辅助电源电路的输入端与所述光伏板电连接，所述辅助电源电路的输出端与所述采样电路的供电端、所述驱动电路的供电端电连接。

3.根据权利要求2所述的光伏逆变器电路，其特征在于，所述前级全桥电路包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4；所述后级全桥电路包括第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8；所述驱动电路的输出端电连接至所述第一MOS管Q1、所述第二MOS管Q2、所述第三MOS管Q3、所述第四MOS管Q4、所述第五MOS管Q5、所述第六MOS管Q6、所述第七MOS管Q7和所述第八MOS管Q8。

4.根据权利要求2所述的光伏逆变器电路，其特征在于，所述采样电路包括与所述主控制器的数据采集端电连接的直流电压采样电路、直流电流采样电路、交流电压采样电路和交流电流采样电路。

5.根据权利要求4所述的光伏逆变器电路，其特征在于，所述直流电压采样电路包括光电耦合器，以及与所述光电耦合器电连接的差分电路；所述直流电流采样电路包括用于采集直流侧电流的霍尔传感器；所述交流电压采样电路包括用于采集交流侧电压的电压传感器；所述交流电流采样电路包括用于采集交流侧电流的电流互感器。

6.根据权利要求1所述的光伏逆变器电路，其特征在于，还包括输入滤波电容，所述输入滤波电容电连接至所述前级全桥电路的输入端和所述光伏板。

7.根据权利要求2所述的光伏逆变器电路，其特征在于，所述辅助电源电路的电压输入端与所述光伏板电连接。

8.根据权利要求1所述的光伏逆变器电路，其特征在于，还包括LC滤波电路，所述LC滤波电路的第一端与所述后级全桥电路的输出端电连接，所述LC滤波电路的第二端与所述变压器的原边电连接。

9.根据权利要求7所述的光伏逆变器电路，其特征在于，所述物联网芯片的型号为ESP8266。

10.一种光伏逆变器系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光伏逆变器电路。