專利名稱：一種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，特別是可適應電網(wǎng)上各種正常和 非正常狀況的并網(wǎng)發(fā)電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
20世紀以來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，使人們對能源的需 求量不斷增長。同時由于化石能源資源的有限性，以及他們在燃燒過程中對全 球氣候和環(huán)境所產(chǎn)生的影響日益為人們所關注，因此從資源、環(huán)境、社會發(fā)展 的需求來看，開發(fā)和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢。在新能源和可再 生能源家族中，太陽能是最引人注目，開展研究工作最多，應用最廣的領域。
光伏發(fā)電技術是太陽能利用中極其重要的一面，近年來，由于世界能源的 日趨緊張和光伏技術的不斷發(fā)展，廉價的非晶硅太陽電池的生產(chǎn)技術已經(jīng)成 熟。理論上講，光伏發(fā)電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下 至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電池可以說是無處不在。目前，
光伏發(fā)電產(chǎn)品主要有三大方面的應用 一是為沒有電網(wǎng)的偏遠地區(qū)提供電源， 另外，還包括一些移動電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太 陽能充電器、太陽能路燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在一些發(fā)達國家已經(jīng)大面積推 廣實施。
申請?zhí)枮?00610164466.0的發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N小型的多用途太陽 能發(fā)電系統(tǒng)，不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電均可。但是此發(fā)明未提及其所用逆 變器提供防孤島效應的功能。孤島效應是根據(jù)美國Sandia國家實驗室提供的 報告而提出的概念，具體是指當電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳脫時， 各個用戶端的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市 電網(wǎng)路，而形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負載形成的一個電力公司無法 掌握的自給供電孤島。孤島效應可能對整個配電系統(tǒng)設備及用戶端的設備造成不利的影響，比如會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全、影響配電系統(tǒng)上的保護開關的動作程序、沖擊電網(wǎng)保護裝置、影響傳輸電能質量、電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定、當電網(wǎng)供電恢復后會造成的相位不同步、單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負載欠相供電等，因此對于一個并網(wǎng)系統(tǒng)必須能
夠進行反孤島效應檢測，防止孤島效應的發(fā)生。如果在第200610164466.0號發(fā)明專利申請的基礎上，增加防孤島效應的功能，則當電網(wǎng)故障時，此發(fā)明提出的方案就無法為用電負載提供電力，既無法利用太陽能，也無法利用蓄電池中存儲的能量。

發(fā)明內容
鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種兼顧并網(wǎng)光伏發(fā)電和獨立光伏發(fā)電的多用途的光伏發(fā)電系統(tǒng)，最大限度地發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作能力。
為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了以下技術方案太陽能電池板組件彼此
串聯(lián)或并聯(lián)構成光伏陣列經(jīng)由帶有最大功率點跟蹤(MPPT)和防孤島效應的并
網(wǎng)逆變器接至電網(wǎng)，同時，并網(wǎng)逆變器的輸出端經(jīng)智能充電器接至蓄電池和直流用電負載，或接至蓄電池以及通過離網(wǎng)逆變器接至交流用電負載。
具體地，本發(fā)明提供一種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能電池板和并網(wǎng)逆變模塊，所述太陽能電池板接至所述并網(wǎng)逆變模塊的輸入端、所述并網(wǎng)逆
變模塊的輸出端接至電網(wǎng)；所述并網(wǎng)逆變模塊除了包括最大功率點跟蹤(MPPT)控制單元、并網(wǎng)逆變單元之外，還包括電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元，其可實時檢測所述電網(wǎng)狀態(tài)，并在所述電網(wǎng)狀態(tài)不正常的情況下切斷所述并網(wǎng)逆變模塊與所述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生；所述太陽能發(fā)電系統(tǒng)還包括接在所述并網(wǎng)逆變模塊的輸出端的智能充電器，所述智能充電器的輸出端接至蓄電池從而為該蓄電池充電以及可通過DC/DC變換器接至直流負載從而為該直流負載供電；當用電負載為交流負載時，所述智能充電器的輸出端可通過一離網(wǎng)逆變器接至交流負載，從而用于向交流負載供電。
較佳地，還可以在以上技術方案中加入切換控制器和MPPT充電器，具體地，
5將該切換控制器接在太陽能電池板的輸出端(也即所述并網(wǎng)逆變模塊的輸入端)和所述智能充電器的輸入端(也即所述并網(wǎng)逆變模塊的輸出端)之間，并且將MPPT充電器接在所述智能充電器的輸出端(也即所述離網(wǎng)逆變器的輸入端)和所述切換控制器之間；切換控制器對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在電網(wǎng)運行狀態(tài)正常的情況下，切換控制器斷開太陽能電池板與該MPPT充電器的連接，切換控制器監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常(此時并網(wǎng)逆變模板切斷了其與所述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生)時，接通太陽能電池板與該MPPT充電器的連接，由太陽能電池板為蓄電池充電和為負載供電。
利用本發(fā)明的技術方案，兼顧了獨立使用和并網(wǎng)發(fā)電，當電網(wǎng)正常、太陽能充足的時候，光伏陣列將接收到的太陽輻射能量轉變成高壓直流電，然后通過并網(wǎng)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓電流同頻同相的單相正弦交流電，同時并網(wǎng)逆變器通過智能充電器給蓄電池輸送能量，以保證用電負載的正常工作；當電網(wǎng)正常、太陽能不足的時候，由電網(wǎng)通過智能充電器給蓄電池輸送能量，并保證用電負載的正常工作；當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，由蓄電池輸出直流電或通過離網(wǎng)逆變器輸出交流電，以保證直流或交流用電負載的正常工作。
特別是，在利用本發(fā)明上述的較佳方案時，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障、太陽能充足的時候，切換控制器會檢測到電網(wǎng)的故障并合上切換開關(檢測到電網(wǎng)正常之后也會及時斷開切換開關)，使得光伏陣列接收到的太陽輻射能量可通過MPPT充電器給蓄電池送電和為用電負載供電，以保證用電負載的正常工作，不單獨依靠蓄電池為負載供電，從而進一步提高了系統(tǒng)的健壯性。
因此，采用本發(fā)明的多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，兼顧了并網(wǎng)光伏發(fā)電和獨立光伏發(fā)電，最大限度地發(fā)揮了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作能力，使得用電負載的供電可靠性進一步提高；同時，該系統(tǒng)使得用電負載在電網(wǎng)正常且太陽能充足、電網(wǎng)正常但太陽能不足、電網(wǎng)故障但太陽能充足、電網(wǎng)故障且太陽能不足等各種情況下都能維持用電負載的正常的工作，大幅度地提高了系統(tǒng)的容錯性和健壯性。


6圖1是本發(fā)明第一個用于交流用電負載的實施例的系統(tǒng)原理框圖。圖2是本發(fā)明第二個用于交流用電負載的實施例的系統(tǒng)原理框圖。圖3是本發(fā)明第三個用于直流用電負載的實施例的系統(tǒng)原理框圖。圖4是本發(fā)明第四個用于直流用電負載的實施例的系統(tǒng)原理框圖。
圖5是本發(fā)明實施例中使用的切換控制器的原理圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
圖l是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)原理框圖，其用于交流用電負載。在該實
施例中，采用無錫尚德電力的STP170S-24/Ac型光伏電池組件6塊彼此串聯(lián)或并聯(lián)構成光伏陣列，形成太陽能電池板，經(jīng)由一并網(wǎng)逆變器至電網(wǎng)，該并網(wǎng)逆變器采用德國SMA公司的Sunny Boy系列的SB2100TL并網(wǎng)逆變器，其同時帶有最大功率點跟蹤(MPPT)功能和防孤島效應功能(即可對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、并在電網(wǎng)因故障事故或停電維修而跳脫時斷開其與電網(wǎng)的連接)(圖中未具體示出這三個功能模塊)；同時，并網(wǎng)逆變器的輸出端通過一智能充電器接至蓄電池、以及通過離網(wǎng)逆變器接至用電負載。
由于太陽能電池的輸出功率并不是恒定值，也不單單和太陽光的光照強度呈正比，其輸出特性是上部凸出的山形曲線，并根據(jù)日照強度、光線角度、氣溫和負載等因素變化而形成的曲線族。因此，要在任何條件下發(fā)揮出光伏陣列的輸出功率的最大潛力，就需要最大功率點跟蹤(MPPT)控制器，其主要工作是檢測主回路直流側電流電壓，計算出光伏陣列的輸出功率，同時發(fā)出控制信號完成最大功率的跟蹤，在本實施例中所選的并網(wǎng)逆變器就具有此功能。該并網(wǎng)逆變器將光伏陣列發(fā)出的直流電變換成與電網(wǎng)電壓電流同頻同相的單相交流電，另外，該型號的并網(wǎng)逆變器還具有并網(wǎng)發(fā)電中重要的防孤島效應的功能以及電路短路保護、欠壓保護、過流保護、反接保護等功能。其優(yōu)于第200610164466.0號發(fā)明專利申請中所描述的方案(其中，MPPT控制器和并網(wǎng)逆變器是單獨分別配置的、且沒有防孤島效應功能)。
在該實施例中，為了有效實施對蓄電池的管理控制，采用了智能充電器來完成蓄電池充放電管理、過充過放電控制及設備保護等功能。本實例中采用了
上海施能公司的CZC3-30A/24V型智能充電器。此充電器采用恒流一恒壓一小恒流等多階段的充電方式以及科學的充電電量控制技術，以確保蓄電池的電能充足并實現(xiàn)不過充、不欠充；并具有斷電記憶自啟動、充足自動關機；開路、接反、過載、短路、過熱等保護功能。
對于蓄電池來講，其容量是個比較重要的物理量，蓄電池的容量的選擇直接影響到系統(tǒng)的可靠性和價格。蓄電池的容量的選擇一般要遵循以下原則首先在滿足負載工作時限的前提下，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天和電網(wǎng)故障所需要的電能。在本實施例中，蓄電池采用奧特多閥控密封式鉛酸電池0T200-12型4節(jié)，2節(jié)串聯(lián)再并聯(lián)使用，此電池單節(jié)輸出電壓為12V，容量為200Ah。
在本實施例中，離網(wǎng)逆變器采用的是德國Conergy公司生產(chǎn)的MIC 700型離網(wǎng)逆變器，Conergy MIC獨立逆變器將直流電池電壓轉變?yōu)榉€(wěn)定的交流電壓，以滿足交流負載的正常工作需要，而且精確度極高，可滿足對靈敏度的高要求。輸出電壓是真正的正弦電壓，可以在任何負載情況下保持最佳的精確度。設備的操作非常簡單，用戶通過LED即可了解設備的運行狀況。發(fā)生異常情況時，還會有聲音信號提示。Conergy MIC獨立逆變器還具有電子防護功能，電子安全功能可防止逆變器短路、過載和溫度過高，還能防護欠電壓和過電壓。Conergy MIC系列逆變器配備特殊的設備防護，可持續(xù)運行很長時間。此外，高質量的風扇根據(jù)負載和溫度進行控制，為設備降溫。Conergy MIC系列產(chǎn)品的頻率可以根據(jù)需求調整為50 Hz或60 Hz。逆變器的輸入電壓可以是12 V或24 V，輸出電壓可以是110 V和230 V。
圖2是本發(fā)明另一個對上述實施例進行優(yōu)化后的實施例的系統(tǒng)原理框圖，其也是用于交流用電負載。在該實施例中加入了切換控制器和MPPT充電器。具體地，將該切換控制器接在太陽能電池板的輸出端(也即所述并網(wǎng)逆變模塊的輸入端)和所述智能充電器的輸入端(也即所述并網(wǎng)逆變模塊的輸出端)之間，并且將MPPT充電器接在所述智能充電器的輸出端(也即所述離網(wǎng)逆變器的輸入端)和所述切換控制器之間；切換控制器對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在電網(wǎng)運行狀態(tài)正常的情況下，切換控制器斷開太陽能電池板與該MPPT充電器的連接，切換控制器監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常(此時并網(wǎng)逆變模板切斷了其與所
8述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生)時，接通太陽能電池板與該MPPT充電器的連接，由太陽能電池板為蓄電池充電和為交流負載供電。在該實施例中，
MPPT充電器選用了合肥陽光電源有限公司的SD2450光伏控制器，此控制器具有人性化的操作界面；控制電路與主電路完全隔離，具有極高的抗干擾能力；各路充電壓檢測具有"回差"控制功能，可防止開關進入振蕩狀態(tài);工作模式有普通充放電模式、一點式工作模式、光丌光斷模式、光開時斷模式、時鐘控制模式、光開時斷凌晨亮模式;并具有過壓、欠壓、過載、短路等保護報警。切換控制器則采用了奧博電氣有限公
司的A0B194U-5K1型單相交流電壓表(帶繼電器觸點輸出)來控制繼電器的動作予以實現(xiàn)，其原理圖可見圖5。 A0B194U-5K1型單相交流電壓表可設置上、下限報警點和報警動作延遲時間，但由于此型電壓表所帶有的繼電器的觸點容量只有DC30V/2A，因此需要外加觸電容量為300V/10A的繼電器。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，電網(wǎng)電壓跌落到單相交流電壓表的下限報警點以下時，其繼電器觸點有輸出，也帶動外加大容量繼電器閉合，即完成并網(wǎng)到獨立切換；當電網(wǎng)恢復之后，電網(wǎng)電壓恢復到正常值后，電壓表的繼電器觸點無輸出，也帶動外加大容量繼電器斷開，即恢復正常并網(wǎng)工作。
在該優(yōu)化的系統(tǒng)中，當太陽能充足但電網(wǎng)不正常時，仍能依靠太陽能為負載供電和為蓄電池充電，不單獨依靠蓄電池為負載供電，從而進一步提高了系統(tǒng)的健壯性。
圖3是本發(fā)明第三個實施例的系統(tǒng)原理框圖，其用于直流用電負載。在該實施例中，將第一個實施例中的離網(wǎng)逆變器改換成針對相應電壓等級和功率的直流負載的DC/DC變換器即可。
圖4是本發(fā)明第四個實施例的系統(tǒng)原理框圖，對上述第三個實施例進行了優(yōu)化，其用于直流用電負載。在該實施例中，將第二個實施例中的離網(wǎng)逆變器改換成針對相應電壓等級和功率的直流負載的DC/DC變換器即可。
以上實施例中，所采用的并網(wǎng)逆變器包括了并網(wǎng)逆變單元、最大功率點跟蹤控制單元和電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元。本領域的普通技術人員應該能夠了解，該三個單元也可以設置為三個獨立的元件；而切換轉換器對電網(wǎng)運行狀態(tài)的檢測也可以直接從電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元所測得的信息獲得，從而根據(jù)該信息決定接通和斷開MPPT充電器的動作。
從以上各個實施例中可了解到，本發(fā)明所提供的技術方案，兼顧了獨立使用和并網(wǎng)發(fā)電，當電網(wǎng)正常、太陽能充足的時候，光伏陣列將接收到的太陽輻
9射能量轉變成高壓直流電，然后通過并網(wǎng)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓電流同頻同相的單相正弦交流電，同時并網(wǎng)逆變器通過智能充電器給蓄電池輸送能量，以保證用電負載的正常工作；當電網(wǎng)正常、太陽能不足的時候，由電網(wǎng)通過智能充電器給蓄電池輸送能量，以保證用電負載的正常工作；當電網(wǎng)出現(xiàn)故障、太陽能充足的時候，切換控制器會檢測到電網(wǎng)的故障并合上切換開關(檢測到電網(wǎng)正常之后也會及時斷開切換開關)，使得光伏陣列接收到的太陽輻射能量通過MPPT充電器給蓄電池輸送能量，以保證用電負載的正常工作；當電網(wǎng)出現(xiàn)故障、太陽能不足的時候，由蓄電池通過離網(wǎng)逆變器輸出交流電，以保證用電負載的正常工作。是一種可適應電網(wǎng)上各種正常和非正常狀況的并網(wǎng)發(fā)電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。
綜上所述，本說明書中所述的只是本發(fā)明的幾種較佳具體實施例。凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發(fā)明的權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能電池板組件彼此串聯(lián)或并聯(lián)構成光伏陣列，其通過并網(wǎng)逆變模塊接至電網(wǎng)，其特征在于所述并網(wǎng)逆變模塊包括并網(wǎng)逆變單元、最大功率點跟蹤控制單元和電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元，所述電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元可實時檢測所述電網(wǎng)的運行狀態(tài)，并在所述電網(wǎng)的運行狀態(tài)不正常時切斷所述并網(wǎng)逆變模塊與所述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生；所述并網(wǎng)逆變模塊在與所述電網(wǎng)的連接端處并聯(lián)智能充電器、并通過所述智能充電器接至蓄電池，從而為該蓄電池充電；所述智能充電器在與所述蓄電池的連接端處并聯(lián)有一離網(wǎng)逆變器，所述離網(wǎng)逆變器用于向交流負載供電。
2. 如權利要求1所述的多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在所述太 陽能電池板還通過切換控制器接至MPPT充電器、并再接至所述離網(wǎng) 逆變器；所述切換控制器還與所述電網(wǎng)連接并監(jiān)測所述電網(wǎng)運行狀 態(tài)，并在監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)正常的情況下，斷開所述太陽能電池板 與所述MPPT充電器的連接，在監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常時，接通 所述太陽能電池板與所述MPPT充電器的連接，向所述蓄電池充電和 向交流負載供電。
3. —種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能電池板組件彼此串聯(lián)或并聯(lián)構 成光伏陣列，其通過并網(wǎng)逆變模塊接至電網(wǎng)，其特征在于所述并網(wǎng)逆變模塊包括并網(wǎng)逆變單元、最大功率點跟蹤控制單元和電網(wǎng)狀態(tài)檢 測單元，所述電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元可實時檢測所述電網(wǎng)的運行狀態(tài)，并 在所述電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常時切斷所述并網(wǎng)逆變模塊與所述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生；所述并網(wǎng)逆變模塊在與所述電網(wǎng)的連接 端處還并聯(lián)智能充電器、并通過所述智能充電器接至蓄電池，從而為 該蓄電池充電；所述智能充電器在與所述蓄電池的連接端處并聯(lián)有一 DC/DC變換器，所述DC/DC變換器用于向直流負載供電。
4. 如權利要求3所述的多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在所述太 陽能電池板還通過切換控制器接至MPPT充電器、并再接至所述DC/DC變換器；所述切換控制器還與所述電網(wǎng)連接并監(jiān)測所述電網(wǎng)運行狀 態(tài)，并在監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)正常的情況下，斷開所述太陽能電池板 與所述MPPT充電器的連接，在監(jiān)測到電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常時，接通 所述太陽能電池板與所述MPPT充電器的連接，向所述蓄電池充電和向直流負載供電。
全文摘要
一種多用途太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能電池板組件彼此串聯(lián)或并聯(lián)構成光伏陣列，其通過并網(wǎng)逆變模塊接至電網(wǎng)，所述并網(wǎng)逆變模塊包括并網(wǎng)逆變單元、最大功率點跟蹤控制單元和電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元，所述電網(wǎng)狀態(tài)檢測單元可實時檢測所述電網(wǎng)的運行狀態(tài)，并在所述電網(wǎng)運行狀態(tài)不正常時切斷所述并網(wǎng)逆變模塊與所述電網(wǎng)的連接、防止孤島效應的產(chǎn)生；所述并網(wǎng)逆變模塊在與所述電網(wǎng)的連接端處還并聯(lián)智能充電器、并通過所述智能充電器接至蓄電池，從而為該蓄電池充電；所述智能充電器在與所述蓄電池的連接端處還并聯(lián)一臺離網(wǎng)逆變器，所述離網(wǎng)逆變器用于向交流負載供電。該太陽能發(fā)電系統(tǒng)可適應電網(wǎng)上各種正常和非正常狀況的并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)的健壯性和容錯性強。
文檔編號H02J3/38GK101685970SQ20081020072
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權日2008年9月28日
發(fā)明者淵 余, 張衡匯, 林小玲, 王任杰, 洪 陳, 斌 馬 申請人:上海市城市建設設計研究院