CN109149649B - 基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电*** - Google Patents

Abstract

一种基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***，包括光伏输入单元、市电连接模块、并网逆变器、第一检测模块、第二检测模块、主控制器、固态功率控制器、接触器、交直流输入开关电源、直流母线，以及蓄电池和直流负载，通过判断当前时间有无市电来开通关断所述接触器，并通过控制所述固态功率控制器来改变离并网时开关电源的输入，实现离并网时开关电源输入的实时切换。本发明将固态功率控制器用于离并网的切换，增加了***的可靠性，提高***使用寿命；未使用离网逆变器，降低了人工维护成本及建设成本；使用具有交直流输入功能的开关电源，提高了输入端的安全及可靠性；使用离并网切换控制策略，可以保证离并网时负载端的稳定。

Description

基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***

技术领域

本发明涉及光伏供电与电力电子技术领域，具体的，涉及一种基于交直流输入开关电源的通讯基站用光伏离并网供电***，以及其离并网控制方法。

背景技术

目前通讯基站使用的供电***基本上都是市电的交流电，经过整流后输出直流电，并通过DC/DC变换器，也就是开关电源，向通讯模块(负载)供电。对于市区，或是离城市较近的县城来说，市电是相对稳定的。但是在国内仍有广大的边远地区，这些地区仍然需要稳定有效的通讯，因此边远地区的通讯基站也是必不可少的。然而在这些地区，市电是较为不稳定的。若是仅使用市电作为通讯基站的供电***，经常性的市电停电就会导致不可靠的通讯体验。因此通讯基站用的光伏离并网供电***成为常见的解决方案。

固态功率控制器(SSPC)主要相比于传统的接触器等有显著的优势，例如故障预测、诊断、健康监测、故障检测等功能，都集成在SSPC中，使***更安全性更可靠。

在光伏离并网供电***中，一般使用离网逆变器和并网逆变器共同工作，输入到同一个开关电源中；或者是并网时使用并网逆变器结合开关电源，而离网时使用另外一个升降压电路来为负载和蓄电池供电。这需要较大的成本以及设备的维修费用。

因此，如何降低通信基站等各类基站的设备建设成本以及维修成本，提高***的可靠性、安全性以及稳定性成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***及离并网控制方法，使得基站节能增效、提高***可靠性、安全性以及稳定性，以及降低维修及建设成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

包括光伏输入单元、市电连接模块、并网逆变器、第一检测模块、第二检测模块、主控制器、固态功率控制器、接触器、交直流输入开关电源、直流母线，以及蓄电池和直流负载，通过判断当前时间有无市电来开通关断所述接触器，并通过控制所述固态功率控制器来改变离并网时开关电源的输入，实现离并网时开关电源输入的实时切换；

其中，所述光伏输入单元与并网逆变器电连接和固态功率控制器电连接，所述并网逆变器另一端与接触器和固态功率控制器电连接，第二检测模块检测并网逆变器的输出电压电流；固态功率控制器与交直流输入开关电源电连接，交直流输入开关电源输出到直流母线，直流母线为蓄电池、直流负载提供直流电能，接触器的另一端与市电连接模块电连接，第一检测模块检测市电连接模块输出的电压电流，主控制器用于获取第一检测模块和第二检测模块的信息并控制所述并网逆变器、接触器和固态功率控制器，固态功率控制器根据所述主控制器给出的控制信息自身进行输入输出的控制。

可选的，所述主控制器通过信号线与并网逆变器、固态功率控制器、第一检测模块及第二检测模块连接，通过第一检测模块及第二检测模块实时监控并网逆变器及市电的电压电流的状态，并控制并网逆变器的工作，发送指令给固态功率控制器进行离并网的切换。

可选的，在有市电时，并网逆变器由主控制器控制开始工作，此时并网逆变器工作在最大功率点跟踪控制(MPPT)模式，并根据最大功率设置输出电流的给定，工作在电流源状态，并网逆变器输出此时通过接触器与市电连接，通过固态功率控制器与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为交流电；无市电时，并网逆变器关闭不工作，光伏输入单元通过固态功率控制器直接与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为直流电。

可选的，所述固态功率控制器包括控制模块与功率主电路模块，所述控制模块通过信号线与固态功率控制器的功率主电路模块电连接进行通讯并控制，所述固态功率控制器的功率主电路模块包括市电输入端口，光伏输入端口以及开关电源输出端口，所述市电输入端口通过接触器接入市电，所述光伏输入端口与所述光伏输入单元连接，所述开关电源接口与所述交直流输入开关电源连接。

可选的，所述市电输入端口、光伏输入端口以及开关电源输出端口均包括保险管，TVS管，双向可控硅，其中，所述双向可控硅用于控制功率电路通断，所述TVS管用于防止瞬间高压烧坏开关器件，所述保险管限制输入电流。

可选的，所述交直流输入开关电源依次包括整流装置及DC/DC变换器，其中，整流装置的输入连接所述固态功率控制器，所述DC/DC变换器92的输出连接直流母线。

可选的，所述整流装置为全桥不控二极管整流电流，所述DC/DC变换器为Buck/Boost电路。

本发明进一步公开了一种根据上述的基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***的离并网切换控制方法，其特征在于：

根据第一检测模块检测的市电状态，即检测本次控制周期的市电状态，并根据上次控制周期检测的市电状态做出判断，选择离网切换并网控制策略、并网后控制策略或者离网控制策略。

其中，所述离网切换并网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为无市电，则使用离网切换并网控制策略，主控制器与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭光伏输入，同时开启并网逆变器输入，主控制器先将并网逆变器输出控制到与市电同相位同幅值同频率，再根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制，并网逆变器开始工作后，吸合接触器与市电并网；

所述并网后控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为有市电，则使用并网后控制策略，并网后的主控制器无需操作固态功率控制器与接触器，只需根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制；

所述离网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为无市电，则使用离网控制策略，主控制器控制接触器断开，关闭并网逆变器的输出，同时与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭其并网逆变器输入，同时开启光伏输入。

可选的，在完成离并网控制策略后，控制开关电源稳定直流母线电压，并记录本次的市电状态，进入下一个控制周期。

相对于现有技术，本发明具有下列优点和效果：

(1)将固态功率控制器用于离并网的切换，替代传统的继电器，不仅增加了***的可靠性，同时提高***使用寿命；

(2)未使用离网逆变器，而是使用具有交直流输入功能的开关电源，降低了人工维护成本及建设成本；

(3)使用具有交直流输入功能的开关电源，可以不考虑光伏输入单元输入直流时正负极是否接反，提高了输入端的安全及可靠性；

(4)使用基于交直流输入开关电源的通讯基站用光伏离并网供电***的离并网切换控制策略，可以保证离并网时负载端的稳定。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***结构示意图；

图2是根据本发明具体实施例的固态功率控制器结构示意图；

图3是根据本发明具体实施例的交直流输入开关电源结构示意图；

图4是根据本发明具体实施例的交直流输入开关电源的一种实例示意图；

图5是根据本发明具体实施例的离并网切换控制流程示意图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、光伏输入单元；2、市电连接模块；3、并网逆变器；4、第一检测模块；5、第二检测模块；6、主控制器；7、固态功率控制器；8、接触器；9、交直流输入开关电源；10、直流母线；11、蓄电池；12、直流负载；71、控制模块；72、功率主电路模块；721、市电输入端口；722、光伏输入端口；723、开关电源输出端口；91、整流装置；92、DC/DC变换器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明使用并网逆变器和固态功率控制器，一方面利用固态功率控制器来实现可靠的光伏供电***的离并网切换，另一方面通过交直流输入开关电源的输入整流方式，在不需要离网逆变器的情况下，在离网和并网时使用同一开关电源。该基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***不仅能够提高配电质量，而且减小设备体积和重量，以达到降低通讯基站维护成本，离并网时保障负载平稳运行的目的。

具体而言，参见图1，示出了根据本发明具体实施例的基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***结构示意图，所述基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***，包括光伏输入单元1、市电连接模块2、并网逆变器3、第一检测模块4、第二检测模块5、主控制器6、固态功率控制器7、接触器8、交直流输入开关电源9、直流母线10，以及蓄电池11和直流负载12，通过判断当前时间有无市电来开通关断所述接触器，并通过控制所述固态功率控制器来改变离并网时开关电源的输入，实现离并网时开关电源输入的实时切换；

所述光伏输入单元与并网逆变器电连接和固态功率控制器电连接，所述并网逆变器另一端与接触器和固态功率控制器电连接，第二检测模块检测并网逆变器的输出电压电流；固态功率控制器与交直流输入开关电源电连接，交直流输入开关电源输出到直流母线，直流母线提供直流电源，例如为蓄电池、直流负载提供直流电能，接触器的另一端与市电连接模块电连接，第一检测模块检测市电连接模块输出的电压电流，主控制器用于获取第一检测模块和第二检测模块的信息并控制所述并网逆变器、接触器和固态功率控制器，固态功率控制器根据所述主控制器给出的控制信息自身进行输入输出的控制。

例如，所述固态功率控制器根据所述主控制器给出的控制信息控制自身三路接口的可控硅开关状态，从而进行输入输出接口的控制。

具体而言，所述主控制器含有数字处理芯片，如DSP、单片机、FPGA、PLC等，通过信号线与并网逆变器、固态功率控制器、第一检测模块及第二检测模块连接，通过第一检测模块及第二检测模块实时监控并网逆变器及市电的电压电流的状态，并控制并网逆变器的工作，发送指令给固态功率控制器进行离并网的切换。

在有市电时，并网逆变器由主控制器控制开始工作，此时并网逆变器工作在最大功率点跟踪控制(MPPT)模式，并根据最大功率设置输出电流的给定，工作在电流源状态，并网逆变器输出此时通过接触器与市电连接，通过固态功率控制器与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为交流电；无市电时，并网逆变器关闭不工作，光伏输入单元通过固态功率控制器直接与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为直流电。

参见图2，示出了所述固态功率控制器结构。所述固态功率控制器包括控制模块71与功率主电路模块72，所述控制模块71含有数字处理芯片，如DSP、单片机、FPGA、PLC等，通过信号线与固态功率控制器的功率主电路模块72电连接，进行通讯并控制，固态功率控制器的功率主电路72模块包括市电(即并网逆变器)输入端口721，光伏输入端口722以及开关电源输出端口723三个模块，所述市电(即并网逆变器)输入端口通过接触器接入市电，所述光伏输入端口与所述光伏输入单元连接，所述开关电源接口与所述交直流输入开关电源连接，所述市电输入端口和光伏输入端口均与所述开关电源输出端口连接。所述市电(即并网逆变器)输入端口721、光伏输入端口722以及开关电源输出端口723均包括保险管，TVS管，双向可控硅等。其中，双向可控硅用于控制功率电路通断，TVS管用于防止瞬间高压烧坏开关器件，保险管限制输入电流。

参见图3，示出了所述交直流输入开关电源结构，所述交直流输入开关电源9依次包括整流装置91及DC/DC变换器92。其中，整流装置的输入连接所述固态功率控制器，具体为开关电源输出端口723，既能够用于将交流电整流为直流电，也能够直接输入直流电，输出直流电，所述DC/DC变换器92的输出连接直流母线。

具体而言，参见图4，示出了所述交直流输入开关电源结构的一种具体的示例。所述整流装置91为全桥不控二极管整流电流，所述DC/DC变换器92选择为Buck/Boost电路。当有市电时，进行光伏的并网，此时交直流输入开关电源的输入为交流电，此时整流装置将交流电整流为直流电后经过DC/DC变换器输出48V直流母线；当无市电时，为离网的情况。此时直接通过光伏输入单元作为交直流输入开关电源的输入，交直流输入开关电源的输入为直流电，此时整流装置可以起到保护DC/DC变换器的作用，即不论直流输入的正负极怎么接，都可以保证变换器正常工作。

进一步的，参见图5，本发明还公开了基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***的离并网切换控制方法，根据第一检测模块检测的市电状态，即检测本次控制周期的市电状态，并根据上次控制周期检测的市电状态做出判断，选择离网切换并网控制策略、并网后控制策略或者离网控制策略。

所述离网切换并网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为无市电，则使用离网切换并网控制策略，主控制器与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭光伏输入，同时开启并网逆变器输入。主控制器先将并网逆变器输出控制到与市电同相位同幅值同频率，再根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制。并网逆变器开始工作后，吸合接触器与市电并网。

所述并网后控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为有市电，则使用并网后控制策略，并网后的主控制器无需操作固态功率控制器与接触器，只需根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制。

所述离网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为无市电，则使用离网控制策略，主控制器控制接触器断开，关闭并网逆变器的输出，同时与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭其并网逆变器输入，同时开启光伏输入。

在完成离并网控制策略后，控制开关电源稳定直流母线电压，并记录本次的市电状态，进入下一个控制周期。

相对于现有技术，本发明具有下列优点和效果：

(1)将固态功率控制器用于离并网的切换，替代传统的继电器，不仅增加了***的可靠性，同时提高***使用寿命；

(2)未使用离网逆变器，而是使用具有交直流输入功能的开关电源，降低了人工维护成本及建设成本；

(3)使用具有交直流输入功能的开关电源，可以不考虑光伏输入单元输入直流时正负极是否接反，提高了输入端的安全及可靠性；

(4)使用基于交直流输入开关电源的通讯基站用光伏离并网供电***的离并网切换控制策略，可以保证离并网时负载端的稳定。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

包括光伏输入单元、市电连接模块、并网逆变器、第一检测模块、第二检测模块、主控制器、固态功率控制器、接触器、交直流输入开关电源、直流母线，以及蓄电池和直流负载，通过判断当前时间有无市电来开通关断所述接触器，并通过控制所述固态功率控制器来改变离并网时开关电源的输入，实现离并网时开关电源输入的实时切换；其中，所述光伏输入单元与并网逆变器电连接和固态功率控制器电连接，所述并网逆变器另一端与接触器和固态功率控制器电连接，第二检测模块检测并网逆变器的输出电压电流；固态功率控制器与交直流输入开关电源电连接，交直流输入开关电源输出到直流母线，直流母线为蓄电池、直流负载提供直流电能，接触器的另一端与市电连接模块电连接，第一检测模块检测市电连接模块输出的电压电流，主控制器用于获取第一检测模块和第二检测模块的信息并控制所述并网逆变器、接触器和固态功率控制器，固态功率控制器根据所述主控制器给出的控制信息自身进行输入输出的控制；

所述固态功率控制器包括控制模块与功率主电路模块，所述控制模块通过信号线与固态功率控制器的功率主电路模块电连接进行通讯并控制，所述固态功率控制器的功率主电路模块包括市电输入端口，光伏输入端口以及开关电源输出端口，所述市电输入端口通过接触器接入市电，所述光伏输入端口与所述光伏输入单元连接，所述开关电源接口与所述交直流输入开关电源连接。

2.根据权利要求1所述的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

所述主控制器通过信号线与并网逆变器、固态功率控制器、第一检测模块及第二检测模块连接，通过第一检测模块及第二检测模块实时监控并网逆变器及市电的电压电流的状态，并控制并网逆变器的工作，发送指令给固态功率控制器进行离并网的切换。

3.根据权利要求1或2所述的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

在有市电时，并网逆变器由主控制器控制开始工作，此时并网逆变器工作在最大功率点跟踪控制(MPPT)模式，并根据最大功率设置输出电流的给定，工作在电流源状态，并网逆变器输出此时通过接触器与市电连接，通过固态功率控制器与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为交流电；无市电时，并网逆变器关闭不工作，光伏输入单元通过固态功率控制器直接与交直流输入开关电源连接，此时交直流输入开关电源输入为直流电。

4.根据权利要求1所述的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

所述市电输入端口、光伏输入端口以及开关电源输出端口均包括保险管，TVS管，双向可控硅，其中，所述双向可控硅用于控制功率电路通断，所述TVS管用于防止瞬间高压烧坏开关器件，所述保险管限制输入电流。

5.根据权利要求3所述的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

所述交直流输入开关电源依次包括整流装置及DC/DC变换器，其中，整流装置的输入连接所述固态功率控制器，所述DC/DC变换器的输出连接直流母线。

6.根据权利要求5所述的基站用光伏离并网供电***，其特征在于：

所述整流装置为全桥不控二极管整流电流，所述DC/DC变换器为Buck/Boost电路。

7.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的基于交直流输入开关电源的基站用光伏离并网供电***的离并网切换控制方法，其特征在于：

根据第一检测模块检测的市电状态，即检测本次控制周期的市电状态，并根据上次控制周期检测的市电状态做出判断，选择离网切换并网控制策略、并网后控制策略或者离网控制策略。

8.根据权利要求7所述的离并网切换控制方法，其特征在于：

所述离网切换并网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为无市电，则使用离网切换并网控制策略，主控制器与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭光伏输入，同时开启并网逆变器输入，主控制器先将并网逆变器输出控制到与市电同相位同幅值同频率，再根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制，并网逆变器开始工作后，吸合接触器与市电并网；

所述并网后控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为有市电，上次控制周期检测为有市电，则使用并网后控制策略，并网后的主控制器无需操作固态功率控制器与接触器，只需根据最大功率点跟踪控制方法设定并网逆变器的输出电流参考值，并根据设定参考值进行闭环控制；

所述离网控制策略，具体包括以下步骤：

当本次控制周期检测为无市电，则使用离网控制策略，主控制器控制接触器断开，关闭并网逆变器的输出，同时与固态功率控制模块通讯，使固态功率控制器控制模块关闭其并网逆变器输入，同时开启光伏输入。

9.根据权利要求8所述的离并网切换控制方法，其特征在于：

在完成离并网控制策略后，控制开关电源稳定直流母线电压，并记录本次的市电状态，进入下一个控制周期。