CN104218797A - 太阳能稳压处理单元 - Google Patents

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哈克布·阿圭伦·加西亚
王自鑫
陈泽楷
颜弈
王敏
孙韵琳
沈辉
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Abstract

本发明提出了一种太阳能稳压处理单元,其包括输入端、稳压电路、控制单元及输出端,输入端连接至光伏发电单元;输出端连接至负载;该稳压电路包括滤波电路及整流电路,其连接在输入端与输出端之间,用于对输入的电压信号进行稳压处理;该控制单元连接在输入端与稳压电路之间,该控制单元输出三路控制信号分别与稳压电路中的三个有源元件连接。本发明的太阳能稳压处理单元具有电路结构简单的突出优势,能够对光伏发电单元所产生的变化范围较大的电压进行稳压处理,获得稳定均匀的输出电压值(或电流值),从而最大限度提高电能利用率,为后续接入负载提供便利。

Description

太阳能稳压处理单元
技术领域
本发明涉及电子电路技术,尤其涉及一种太阳能稳压处理单元。
背景技术
可再生能源(如太阳能)的开发和利用一直是人们非常关心的问题。众所周知,利用太阳能光发电会产生的直流电,由于直流电既不均匀也不适合传输,需经过转换后方可供工业或家庭用电。绝大多数情况下,电源转换过程需要由特定的步骤来完成(如能量存储、逆变、整流、滤波等),其中整流电路和滤波电路技术发展较为成熟,电路的架构清晰,能量传输转换的效率也最高,可达到85%甚至更高的效率。
然而,由于光伏发电***从太阳能中直接获得的能量是不均匀的,一天中不同时段获取能量不一样,一年中不同季节获取的能量同样有较大的差异,能量差异使得光伏发电***的输出电压值随着时间而变化。这种无法保证时刻均匀的能量给后续使用带来了诸多不便,造成使用效率较低,且不适合在电网中传输,从而大大限制了太阳能发电的应用前景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷及问题,为了更好地利用太阳能转换的电能,本发明提出了一种太阳能稳压处理单元,旨在解决光伏发电***中输出电压的不均匀性,提高电能的利用率及电压的传输能力。
为实现上述目的,本发明具体是通过以下技术方案来实现的:
一种太阳能稳压处理单元,包括输入端、稳压电路、控制单元及输出端,输入端连接至光伏发电单元;输出端连接至负载;该稳压电路包括滤波电路及整流电路,其连接在输入端与输出端之间,用于对输入的电压信号进行稳压处理;该滤波电路是不对称的全桥式结构,其中一个桥臂为第一电感,其余三个桥臂为三个有源元件;该整流电路包括第二电感、第一无源元件及二极管;该全桥式结构的一个输出端与第二电感的一端连接,另一个输出端与第一无源元件的一端连接,第二电感的另一端与第一无源元件的另一端连接至二极管的正极,二极管的负极连接至输出端;以及该控制单元连接在输入端与稳压电路之间,该控制单元输出三路控制信号分别与稳压电路中的三个有源元件连接。
进一步,在所述滤波电路中,第一电感、第二有源元件的一端连接至输入端正极,第一电感的另一端连接至第一有源元件,第二有源元件的另一端连接至第三有源元件,第一有源元件、第三有源元件的另一端连接至输入端负极。
作为优选的方案,第二电感一端连接在第二有源元件与第三有源元件之间;第一无源元件的一端连接在第一电感与第一有源元件之间。
作为优选的方案,所述整流电路还包括与负载并联的第二无源元件,从而使得输出电压均匀度更高。
进一步,控制单元包括三个输入端口、三个输出端口,以及位于三个输入端口和三个输出端口之间的运算单元,所述三个输出端口分别输出连接至稳压电路中的三个有源元件,以控制有源元件的导通或断开。
作为优选,上述运算单元包括若干个除法器、加法器、运算放大器和反相器。优选地,包括两个除法器、一个加法器、两个运算放大器及一个反相器(即与门运算器)。
进一步,第一输入端口输入光伏发电单元直接输出的电压信号,第二输入端口输入预设定的电压信号,第三输入端口输入载波信号。
进一步,将第一、第二输入端口的电压信号经过第一除法器运算后输出至加法器,再将经过加法器叠加后的信号与第三输入端口的载波信号一起输入至第一运算放大器,得到第一控制信号,并在第一输出端口输出连接至第一有源元件;将第一、第二输入端口的电压信号经过第二除法器运算后的信号与第三输入端口的载波信号一起输入至第二运算放大器,得到第二控制信号,并在第二输出端口输出连接至第二有源元件;以及将第二控制信号经过反相器获得第三控制信号,并在第三输出端口输出连接至第三有源元件。
作为优选,上述第一、第二、第三有源元件可以是晶体三级管、JFET管或MOS管等常用的开关型器件,既可以采用同种类型,也可以采用不同类型混合使用。
作为优选,上述第一、第二无源元件可采用电阻、电感或电容等本领域内常用的储能元件。
本发明所述太阳能稳压处理单元能够对光伏发电单元所产生的变化范围较大的电压进行稳压处理,即根据输入电压值的变化实时进行升压或降压处理,使得最终输出稳定均匀的电压值(或电流值),从而最大限度提高电能利用率,为后续接入负载提供便利。
本发明所述太阳能稳压处理单元采用了类似全桥的滤波电路,该全桥结构采用不对称的器件,其中一个桥臂采用电感,其余三个桥臂采用三个有源元件,该全桥结构简单高效,使得有源元件交替导通,从而延长其使用寿命。在滤波处理之后,该全桥结构的输出分别经过电感和无源元件处理,使得全桥输出之后电压更加平滑,使得最终输出电压更加均匀。
本发明所述太阳能稳压处理单元采用控制单元来控制稳压电路中有源元件的导通或断开,该控制单元经过内部逻辑运算输出三路控制信号,分别对应控制三个有源元件,从而使得整个电路的转换效率更高,效率损失小。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表述。
图1是本发明所述太阳能稳压处理单元的原理框图;
图2是本发明所述太阳能稳压处理单元中稳压电路的原理示意图;
图3是本发明所述太阳能稳压处理单元中控制单元的原理示意图;
图4是本发明所述太阳能稳压处理单元中输入电压信号和载波信号图;
图5是示意图,表示本发明所述太阳能稳压处理单元中的三个控制信号及最终输出的电流电压值;
图6是本发明一个优选实施例的仿真示意图,示出了输入电压信号、三个控制信号及最终输出的电压值和电流值。
在本文中,相同的附图标记表示相同的部件,在描述具体附图时,并非所显示的所有部件或元件都需要随相应的附图一起讨论。其中,附图标记含义如下:
1---光伏发电单元;2---稳压电路;3---控制单元;4---负载;21---光伏发电单元产生的电压;22---第一电感;23---第一有源元件;24---第二有源元件;25---第三有源元件;26---第二电感;27---第一无源元件;28---二极管;29---第二无源元件;30---输出电流源;40---第一输入端口;41---第二输入端口;42---第一除法器;43---比例系数K;44---第二除法器;45---加法器;46---第三输入端口;47---第一运算放大器;48---第二运算放大器;49---反相器;50---第一输出端口;51---第二输出端口;52---第三输出端口;60---光伏发电单元的输出电压信号;61---预设定的电压信号;62---载波信号;63---第一控制信号;64---第二控制信号;65---第三控制信号;66---最终输出电压值;67---最终输出电流值。
具体实施方式
图1是本发明的太阳能稳压处理单元的原理示意图。如图1所示,本发明的太阳能稳压处理单元包括输入端、稳压电路2、控制单元3及输出端。其中,输入端连接至光伏发电单元1,输出端连接至后续使用的负载4,在该输入端与输出端之间设置稳压电路2,在输入端与稳压电路2之间还设置控制单元3。将光伏发电单元1实时输出的电压作为电源输入至稳压电路2及控制单元3,稳压电路2对变化的输入电压进行滤波、整流处理,控制单元3可根据输入电压的变化控制稳压电路2中有源元件的导通或断开,从而使得输出端最终获得稳定的输出电压施加至负载4。
图2是本发明稳压电路的原理示意图,该稳压电路用于将范围较大的输入电压转换成稳定的输出电压。如图2所示,输入电压为光伏发电单元1直接产生的电压21。第一电感22、第一有源元件23、第二有源元件24及第三有源元件25组成类似全桥结构的滤波电路,其中,第一电感22、第二有源元件24的一端连接至输入端正极,第一电感22的另一端连接至第一有源元件23,第二有源元件24的另一端连接至第三有源元件25,第一有源元件23、第三有源元件25的另一端连接至输入端负极。该全桥式结构的输出端连接至整流电路。
第一、第二、第三有源元件23、24、25可以选用晶体三级管、JFET或MOS管等常用的开关型器件,既可以采用同种类型,也可以采用不同类型混合使用。作为本发明的一种优选实施例,第一、第二、第三有源元件23、24、25采用同种类型的开关型器件。
由第二电感26、第一无源元件27、二极管28及第二无源元件29构成整流电路,其中,该第二电感26一端连接在第二有源元件24与第三有源元件25之间,另一端与二极管28的正极连接,二极管28的负极与第二无源元件29一端连接,第二无源元件29的另一端连接至输入端负极,第一无源元件27的一端连接在第一电感22与第一有源元件23之间,另一端连接至第二电感26与二极管28正极之间。该第二无源元件29与输出端并联,用于连接至负载4。在本发明中,第一、第二无源元件27、29可采用电阻、电感或电容等储能元件。
在图2所示稳压电路中,其电路工作原理如下:光伏发电单元1产生的电压,即电压信号21作为电源输入至稳压电路2中,该输入电压信号21先通过类似全桥结构的滤波电路,然后在二极管28的正极处产生一个电压,该电压经过二极管28后输出给负载4,如图2所示,负载4为输出电流源30,但其并不局限于此,负载还可以包括本领域技术人员可以想到的任何电路元件,在此不赘述。电源正极的电压信号一路流经第一电感22、第一无源元件27,再流经第二电感26,最终通过第三有源元件25流回至电源负极,这样将在二极管28负极和地之间产生一个电压差;另一路电压信号流经第二有源元件24、第二电感26,再流经第一无源元件27,并通过第一有源元件23流回至电源负极。
图3是本发明所述太阳能稳压处理单元中控制单元的原理示意图。控制单元3包括三个输入端口40,41,46,三个输出端口50,51,52,以及位于三个输入端口和三个输出端口之间的运算单元。该运算单元由若干个除法器42,44、加法器45、运算放大器47,48和反相器49连接组成。
在控制单元3内的信号流向如下:将第一、第二输入端口40,41的电压信号经过第一除法器42以预定的倍数衰减后输出至加法器45,再将经过加法器45与常规系数或比例系数43叠加,将之后输出的信号与第三输入端口46的载波信号一起输入至第一运算放大器47进行比较,得到第一控制信号并在第一输出端口50输出。其中,比例系数43的选择直接关系到第一换向信号的结果。
第一、第二输入端口40,41的电压信号经过第二除法器44以预定倍数衰减,将之后得到的信号与第三输入端口的载波信号46一起输入至第二运算放大器48进行比较,得到第二控制信号并在第二输出端口51输出;以及将第二控制信号经过反相器49获得第三控制信号并在第三输出端口52输出。因此,第二控制信号和第三控制信号是互补信号。三个输出端口50,51,52分别将第一、第二、第三控制信号输出至稳压电路2中的三个有源元件23,24,25。具体为:第一控制信号连接至第一有源元件23,第二控制信号连接至第二有源元件24;以及第三控制信号连接至第三有源元件25。
图4是本发明所述太阳能稳压处理单元中输入电压信号和载波信号图。第一输入端口40输入的是光伏发电单元1直接产生的电压信号,即输入电压值。如图4所示,该输入电压信号的波形60为正弦波,用以表示电压变动范围较大的输入电压。第二输入端口41输入预设定的电压信号,即输出电压预设值,如图4中61所示。第三输入端口46输入载波信号,该信号可以经由单片机等器件产生,其波形也可以根据实际应用的情况各异,既可以是正弦波也可以是锯齿波。如图4所示,本发明中以锯齿波作为载波信号,如波形62,其幅值的大小根据输入电压预设值的相对大小比较后确定。
图5是本发明所述太阳能稳压处理单元中的三个控制信号及最终输出的电流电压值的示意图。其中,波形63,64,65分别是第一、第二、第三输出端口50,51,52所输出的第一、第二、第三控制信号的波形。由于控制单元3中输出的第一控制信号连接至稳压电路2中的第一有源元件23,第二控制信号连接至第二有源元件24;以及第三控制信号连接至第三有源元件25。因此,第一、第二、第三控制信号的波形63,64,65的变化可以控制第一、第二、第三有源元件23,24,25的导通和断开。从图5可知,波形64和65是互补信号(或称为反向信号),这使得第二、第三有源元件24,25相应地具有相反的响应特性。同时,从图5还可以看出,当波形63为高电平时,波形64也必须处于高电平的状态,也就是说,第一有源元件23导通时,第二有源元件24也应该处于导通状态,相应地,第三有源元件25处于断开状态。
此外,图5中波形66、67则分别表示本发明的太阳能稳压处理单元最终输出的电流值和电压值,即经过本发明的稳压处理后,最终得到的均匀稳定的电流值和电压值。
本发明所述太阳能稳压处理单元的工作原理如下:
首先,光伏发、单元1利用太阳能转换成电能,直接输出一个不断变化的电压值并将该电压值连接至本发明的稳压电路2及控制单元3。
其次,将当前电压值与输入电压预设值作实时比较和判断。如果该电压值偏离了输入电压预设值,如当前电压值大于或小于输入电压预设值时,电路分别进入降压模式或升压模式,从而使最终的输出电压达到预设定输出电压值。
例如,假设预设定输出电压值为Vset,考虑到整个处理单元必然消耗电压,对应的输入电压预设值应该为Vin-set稍大于输出电压设定值Vset。
如果当前输入电压值21大于输入电压预设值Vin-set时,进入降压模式,控制单元3输出三个控制信号(如波形63,64,65所示)分别控制第一、第二、第三有源元件23,24,25的导通和断开,其中,第二、第三控制信号互为反向信号。在降压模式下,三个控制信号使得第一有源元件23断开,第二有源元件24断开,第三有源元件25导通,此时第一电感22、第一无源元件27、第二电感26、第三有源元件25形成通路。在第二有源元件24断开且第三有源元件25导通的瞬间,储存在第一无源元件27中的能量通过二极管28对第二无源元件29充电,并在输出电流源30处产生一个电流。流经第二电感26的电流将对第二无源元件29进行充电,并在输出电流源30处产生最终输出电压及电流值,如波形66,67所示。由于各元件的分压作用,使得输出至二极管28的电压减小,从而使得最终输出至负载的电压也相应地减小。
如果当前输入电压值21小于输入电压预设值Vin-set时,进入升压模式,控制单元3输出三个控制信号,如波形63-65所示,使得第二有源元件24导通,第三有源元件25断开。而第一有源元件23一开始是断开的,经过一段时间后第一有源元件23导通,光伏发电单元1直接产生的电压降对第一电感22进行充电储能,再经过一段时间后,再将第一有源元件23断开,此时第一电感22将释放所储存的能量,通过第一无源元件27和二极管28对第二无源元件29充电,从而使得最终输出至负载的电压也相应地增加,并且在输出电流源30处提供一个持续的最终输出电压和电流,如波形66、67所示。
图6是本发明一个优选实施例的仿真示意图,示出了输入电压信号、三个控制信号及最终输出的电压值和电流值。当采用功率为3000W的光伏发电单元时,如图6所示,Vcell表示光伏发电单元直接产生的电压信号是电压为50-350V的正弦波,Vset表示预设定电压值(即输出电压预设值)为110V,Vg_Q1表示第一控制信号波形,Vg_Q2表示第二控制信号波形,Vg_Q3表示第三控制信号波形,Vo表示最终输出电压波形,Io表示最终输出电流波形。正如图6中所述,最终输出电压值和电流值在经过本发明的稳压处理之后,逐渐变得稳定,最终输出电压值近似为110V。
对于本领域技术人员而言,很容易想到本发明的多种修改和其他实施方式,本发明在前述说明书和相关的附图中所示出的内容具有有益的技术启示。因此,本发明不局限于所公开的特定实施例,还意图包括所附权利要求范围内所请求保护的多种修改和其他实施方式。尽管本文中使用了一些特定术语,但它们是仅用于通用和描述性的意义,并且不构成限制。

Claims (10)

1.一种太阳能稳压处理单元,包括输入端、稳压电路(2)、控制单元(3)及输出端,输入端连接至光伏发电单元(1);输出端连接至负载(4);
所述稳压电路(2)包括滤波电路及整流电路,其连接在输入端与输出端之间,用于对输入的电压信号进行稳压处理;其特征在于,
所述滤波电路是不对称的全桥式结构,其中一个桥臂为第一电感(22),其余三个桥臂为三个有源元件(23,24,25);
所述整流电路包括第二电感(26)、第一无源元件(27)及二极管(28);
所述全桥式结构的一个输出端与第二电感(26)的一端连接,另一个输出端与第一无源元件(27)的一端连接,所述第二电感(26)的另一端与所述第一无源元件(27)的另一端连接至二极管(28)的正极,二极管(28)的负极连接至输出端;以及
所述控制单元(3)连接在输入端与稳压电路(2)之间,控制单元(3)输出三路控制信号分别与稳压电路(2)中的三个有源元件(23,24,25)连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于:在所述滤波电路中,第一电感(22)、第二有源元件(24)的一端连接至输入端正极,第一电感(22)的另一端连接至第一有源元件(23),第二有源元件(24)的另一端连接至第三有源元件(25),第一有源元件(23)、第三有源元件(25)的另一端连接至输入端负极。
3.根据权利要求2所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,第二电感(26)一端连接在第二有源元件(24)与第三有源元件(25)之间;第一无源元件(27)的一端连接在第一电感(22)与第一有源元件(23)之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,所述整流电路还包括与负载(4)并联的第二无源元件(29)。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,所述控制单元(3)包括三个输入端口(40,41,46)、三个输出端口(50,51,52),以及位于三个输入端口(40,41,46)和三个输出端口(50,51,52)之间的运算单元,所述三个输出端口(50,51,52)分别输出连接至稳压电路(2)中的三个有源元件(23,24,25)。
6.根据权利要求5所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,所述运算单元包括若干个除法器(42,44)、加法器(45)、运算放大器(47,48)和反相器(49)。
7.根据权利要求6所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,第一输入端口(40)输入光伏发电单元(1)直接输出的电压信号(60),第二输入端口(41)输入预设定的电压信号(61),第三输入端口(46)输入载波信号(62)。
8.根据权利要求7所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,
将第一、第二输入端口(40,41)的电压信号(60,61)经过第一除法器(42)运算后输出至加法器(45),再将经过加法器(45)叠加后的信号与第三输入端口(46)的载波信号(62)一起输入至第一运算放大器(47),得到第一控制信号(63),并在第一输出端口(50)输出连接至第一有源元件(23);
将第一、第二输入端口(40,41)的电压信号(60,61)经过第二除法器(44)运算后的信号与第三输入端口的载波信号(46)一起输入至第二运算放大器(48),得到第二控制信号(64),并在第二输出端口(51)输出连接至第二有源元件(24);以及
将第二控制信号(64)经过反相器(49)获得第三控制信号(65),并在第三输出端口(52)输出连接至第三有源元件(25)。
9.根据权利要求1所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,所述第一、第二、第三有源元件(23,24,25)是晶体三级管、JFET管或MOS管。
10.根据权利要求1所述的太阳能稳压处理单元,其特征在于,所述第一、第二无源元件(27,29)是电阻、电感或电容。
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Application publication date: 20141217

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