CN203219216U - 一种包括能量优化装置的太阳能*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种包括能量优化装置的太阳能***。通过设置有能量优化装置的太阳能电池板优化每块太阳能电池板的工作状态，从而提高产能输出。通过高升压比变换器，可以把一些功率源较低的输出电压转换成较高输出电压。通过太阳能无桥逆变器，将从太阳能电池板得到的直流电变为符合的交流电输出。本实用新型所述的包括能量优化装置的太阳能***，可以克服现有技术中电池板无法实现功率最大化输出的，和现有技术中升压比小，传输路径长，额外损耗大与能量转换效率低等问题。

Description

一种包括能量优化装置的太阳能***

技术领域

本实用新型涉及升压电路及太阳能发电***领域，具体地，涉及太阳能电池板优化、高升压比变换器、太阳能逆变器与太阳能电池***。

背景技术

随着能源越来越紧张，节能减排，绿色环保、高效是当今科技的主流发展方向。近几年，太阳能为主要的可再生能源发电***，在世界范围内得到越来越广泛的应用。分布式太阳能并网发电***由于其能优化太阳能电池板的工作状态，在多数情况下可以提高***的总发电量。分布式发电最重要的一个特征是每块太阳能电池板或者每串太阳能电池板能够工作在其各自最大功率点。目前流行的分布式太阳能并网发电***包括基于太阳能微逆变器的发电***和采用了太阳能电池板最大能量优化装置的***。这两种结构都可以优化每块太阳能电池板的工作状态，提高能量产出。

其中，基于太阳能微逆变器的分布式发电***得到了广泛使用，但在现实中，由于电池板的部分被遮挡或者电池板上部分电池出现故障，在这样情况下整个电池板的输出曲线就会变得复杂，通常会有多个峰值出现，一个太阳能电池板最大能量优化装置只能跟踪一个峰值，如果只跟踪第一个峰值则无法保证跟踪出的峰值时实际的最大峰值，而如果要跟踪完所有的峰值最终确定最大的峰值附近为最大功率输出点，在跟踪的过程中由于损失了大量功率，同样无法实现整个电池板的最大功率输出。

另外，太阳能微逆变器的核心是高效升压电路、逆变电路及其控制技术。升压电路主要包括反激变换器及其衍生电路。在传统的有源箝位反激变换器中，能量总是从输入端通过变压器提供给负载的，需要经过变压器的耦合，增加了传输过程中由于功率变换设置有来的额外损耗，使得有源箝位反激变换器的转换效率低。

再者，太阳能的电能收集主要来自太阳能电池板组件，该电能并不能直接提供给电网，还需要能量转换。应将电能收集装置收集到电能通过转换为一个稳定的直流输出电，再通过DC/AC逆变器，将直流电逆变为AC交流电，最后并网到电网，为电网中的负载提供能量。AC/DC的逆变器，其主要是用全桥结构的晶体开关所组成。由于逆变桥的存在，负载或者并网输出电流会流过逆变桥，随即产生损耗，降低逆变器的效率，而且逆变器的晶体开关由于损耗的存在还会产生热，这样逆变器还需要额外的考虑散热。不仅增加电路成本，还会增大体积。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是现有技术中的太阳能***中一个能量优化装置无法实现能量最大化输出的技术问题进而提供一种能够更好优化能量输出的包括能量优化装置的太阳能***。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种包括能量优化装置的太阳能***，包括：

太阳能发电装置，包括多个太阳能电池板及多个与所述太阳能电池板相连的能量优化装置；

太阳能无桥逆变器，与所述能量优化装置连接，其中设置有至少两个多相并联或者多相交错并联高升压比变换器；

电网和/或电器设备，与所述太阳能无桥逆变器连接；

所述能量优化装置输出的电压与电流经过所述太阳能无桥逆变器处理后，供给所述电网和/或电器设备。

所述能量优化装置进一步包括：

最大能量跟踪控制器，与所述太阳能电池板的输出端相连，采集所述太阳能电池板输出的电压和/或电流信号，跟踪所述太阳能电池板的最大输出能量形成控制参考信号并输出；

能量变换器，接收所述最大能量跟踪控制器输出的所述控制参考信号，在所述控制参考信号的控制下将所述电池模组的输出变换到所述最大能量跟踪控制器跟踪出的最大能量值进行输出。

所述能量优化装置进一步包括DC/DC变换器，其输入端与所述太阳能电池板连接，输出端作为所述高升压比变换器的输入端。

所述能量优化装置中还设置有通信监控终端，与所述DC/DC变换器建立双向通信。

所述高升压比变换器中，所述DC/DC变换器的输出端的正极与一变压器的原边线圈的始端连接，经箝位电容C_cl后，分别与所述变压器的副边线圈的始端、所述变压器的副边整流二极管D₁的正极、第二功率半导体开关Q₂的漏极、额外并联的第二二极管D_Q2的负极连接；

所述第二功率半导体开关Q₂的源极、所述第二二极管D_Q2的正极经谐振电感L_K与所述变压器的原边励磁电感L_m后，与半波整流电容C_IN的正极及所述DC/DC变换器的输出端的正极连接；

所述第二功率半导体开关Q₂的源极、所述第二二极管D_Q2的正极与第一功率半导体开关Q₁的漏极、以及额外并联的第一二极管D_Q1的负极连接；

所述第一功率半导体开关Q₁的源极、所述第一二极管D_Q1的正极与所述半波整流电容C_IN的负极及所述DC/DC变换器的输出端的负极连接；

所述副边整流二极管D₁的负极与输出电阻R₀的一端连接，所述输出电阻R₀的另一端与所述第一功率半导体开关Q₁的源极、所述第一二极管D_Q1的正极、所述半波整流电容C_IN的负极及所述DC/DC变换器的输出端的负极连接；

所述第一功率半导体开关Q₁的栅极输入占空比为D的脉冲信号；

所述第二功率半导体开关Q₂的栅极输入占空比为1-D的脉冲信号。

所述高升压比变换器还包括副边滤波电容C₁；所述副边滤波电容C₁连接在所述变压器的副边线圈的始端与所述变压器副边整流二极管D₁的负极之间。

所述高升压比变换器还包括第一旁路电容C_Q1与第二旁路电容C_Q2；所述第一旁路电容CQ1并接在所述第一二极管D_Q1的正极与负极之间；所述第二旁路电容C_Q2，并接在所述第二二极管D_Q2的正极与负极之间。

所述太阳能无桥逆变器还包括DSP控制器，向所述高升压比变换器发送控制信号，使多个所述高升压比变换器在预设的一个工频周期内分时工作，每一所述高升压比变换器在同一个工频周期内的不同时刻输出正弦波信号，将每一所述高升压比变换器输出的信号叠加后得到完整的正弦波信号；所述完整的正弦波信号输出至所述电网和/或电器设备。

所述第一功率半导体开关Q₁与所述第二功率半导体开关Q₂，采用金属氧化物场效应晶体管MOSFET或绝缘栅极双极型晶体管IGBT或二极管中的一种。

本实用新型的上述技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本实用新型所述的包括能量优化装置的太阳能***，每一太阳能发电装置均包括多个太阳能电池板与多个能量优化装置，每个能量优化装置的输入端用于与一个太阳能电池板连接，当太阳能电池板部分遮挡或者电部分损坏时，能量优化装置输出的电压或者电流曲线相对简单，峰值为一个或者有限的几个，可方便实现一个太阳能发电装置输出能量的最大化，进而实现整个太阳能***输出能量的最大化。

（2）本实用新型所述的包括能量优化装置的太阳能***，其中的太阳能无桥逆变器包括高升压比变换器，可以将原来的DC/DC加DC/AC的方案简化为一级，直接使用SPWM调制（正弦脉宽调制）和DSP实现交流电流输出，提高效率，减少元器件的数量，同时降低成本；从而可以克服现有技术中损耗大、能量利用率低的缺陷，具有损耗小、能量利用率高的优点。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为设置有能量优化装置的太阳能发电装置的结构框图；

图2为高升压比变换器的工作原理示意图；

图3为无桥逆变电路的电气原理示意图；

图4为包括能量优化装置的太阳能***的电气原理示意图；

图5为包括能量优化装置的太阳能***实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图4所示，一种包括能量优化装置的太阳能***，提供了太阳能优化装置，包括太阳能电池板PV、DC/DC变换器，DC/DC变换器的输入端连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给高升压比变换器，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上，DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为高升压比变换器提供电源。另外装置中还设置有通信监控终端，通信监控终端和DC/DC变换器建立双向通信。DC/DC变换器的输入仍然为太阳能电池板；但是它的输出没有直接接负载或逆变器，而是与太阳能电池板的输出电压串联相加，共同为高升压比变换器供电。假设太阳能电池板的电压为V_PV，DC/DC变换器的输出电压为V_DC/DC，负载或逆变器端的电压为V_OUT，那么以下关系式（1）成立：

V_PV+V_DC/DC=V_OUT(1)，

假设流进负载或逆变器的直流电流为I_OUT，且***中能量的转换传输效率为100%，那么以下关于发电***的功率表达式成立：

P_PV=V_PV.I_PV=V_OUT.I_OUT（2），

对于该D C/D C变换器，它处理的功率为：

P_DC/DC=V_DC/DC.I_OUT（3）。

所以，该DC/DC变换器处理的功率与其输出的电压有关：其输出的电压越低，处理的功率越小。对于分布式发电场合，其输出电压一般只占V_OUT电压的小部分。由于其只处理了一小部分功率，从根本上降低了能量转换过程中的损耗。所以，该DC/DC变换器的功率等级可以设计的比发电***的功率等级小很多，它的尺寸，重量以及制造成本都得到极大的降低。

图1和图4中所示的该DC/DC变换器可以为任意的DC/DC变换器，唯一需要满足的要求是该DC/DC变换器允许其输出的（-）端与输入的（+）端相连，也就是允许该变换器的输出与太阳能电池板的输出串联，共同为后端所接元器件电。

实施例二：

如图4所示，一种包括能量优化装置的太阳能***，还提供了高升压比变换器，如图2所示。根据本实用新型实施例，提供了一种高升压比变换器。本高升压比变换器包括直流输入电源，半波整流电容C_IN，箝位电容C_CX，变压器，变压器原边励磁电感L_m，谐振电感L_k，功率半导体开关Q₁与Q₂，Q₁的体二极管或额外的并联二极管D_Q1与D_Q2，输出电阻R₀，变压器副边整流二极管D₁，变压器副边滤波电容C₁，以及旁路电容C_Q1与C_Q2。

其中，上述直流输入电源的正极，与变压器原边线圈的始端连接；经箝位电容C_CX后，与变压器副边线圈的始端、变压器副边整流二极管D₁的阴极、功率半导体开关Q₂的漏极、Q₂的体二极管或额外的并联二极管D_Q2的阴极、以及输出电阻R₀的第一连接端连接；依次经变压器原边励磁电感L_m与谐振电感L_k后，与功率半导体开关Q₂的源极、Q₂的体二极管或额外的并联二极管的阳极、功率半导体开关Q₁的漏极、以及Q₁的体二极管或额外的并联二极管D_Q1的阴极连接；并经半波整流电容C_IN后，与直流输入电源的负极、功率半导体开关Q₁的源极、的体二极管或额外的并联二极管D_Q1的阳极、以及输出电阻R₀的第二连接端连接。

上述变压器原边线圈的末端，与变压器原边励磁电感L_m及谐振电感L_k的公共端连接；变压器副边线圈的末端，与变压器副边整流二极管D₁的阳极连接；功率半导体开关Q₁的栅极，用于输入占空比为D的脉冲信号；功率半导体开关Q₂的栅极，用于输入占空比为1-D的脉冲信号。

上述变压器副边滤波电容C₁，连接在变压器副边线圈的始端与变压器副边整流二极管D₁的阴极之间。旁路电容C_D1，并接在Q₁的体二极管或额外的并联二极管D_Q1的阳极与阴极之间；旁路电容C_Q2，并接在Q₂的体二极管或额外的并联二极管D_Q2的阳极与阴极之间。

具体地，在上述高升压比变换器中，直流输入电源，为至少包括太阳能电池板PV与蓄电池的储能设备发电装置；功率半导体开关Q₁与Q₂，至少包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET、绝缘栅极双极型晶体管IGBT与二极管中的至少一种。

高升压比变化器的升压比：

输出端总的电压为输入电压，钳位电容电压与半波或全波整流电容电压的叠加。本高升压比变换器适用于需要高升压比的直流-直流转换场合，即把输入侧的低直流电压转换成较高的输出电压。

实施例三：

如图4所示，一种包括能量优化装置的太阳能***，还提供了无桥变换器，如图3所示，根据本实用新型，提供了一种无桥逆变电路。本实施例包括电能收集装置，电网，DSP，以及输入端分别接电能收集装置输出端、控制端分别接DSP、且输出端分别接电网输出端的两相并联的第一准DC/DC变换器与第二准DC/DC变换器，其中：

上述DSP，用于向两相并联的第一准DC/DC变换器与第二准DC/DC变换器发送控制信号，使两相并联的第一准DC/DC变换器与第二准DC/DC变换器在预设的一个工频周期内分时工作，并将分时工作所得正向半个准正弦波电压与负向半个准正弦波电压进行拼接，得到标准正弦波电压；

在DSP的控制下，第一准DC/DC变换器与第二准DC/DC变换器，用于分别在一个工频周期内分时工作，将电能收集装置的电能转换为半个准正弦波输出；以及，在整个工频周期内，将所得半个准正弦波进行拼接，使电网获得由正向半个准正弦波与负向半个准正弦波构成、且用于供给负载的标准正弦波电压；

在整个工频周期内，第一准DC/DC变换器工作时，第二准DC/DC变换器停止工作；第二准DC/DC变换器工作时，第一准DC/DC变换器停止工作。

图3中无桥逆变电路包含两个准DC/DC变换器，他们分别将电能收集装置的电转换为半个准正弦波输出，然后在上半个准正弦波输出的时候，下面的第二准DC/DC变换器停止工作，让输出V_OUT2为零伏，这样电网获得的是正向的半波，而到下半个准正弦波输出时，将上面的第一准DC/DC变换器停止工作，让输出V_OUT1为零伏，这样电网获得负向的半波，两相并接，则形成一个完整的正弦波形。

对于第一准DC/DC变换器或者第二准DC/DC变换器，他们都只有半个工频周期工作，而停止工作的半个工频周期中并不产生损耗，而输出侧不再使用桥式逆变结构，减少了逆变桥上的损耗，因此该方案可以有效提高逆变器的效率。

太阳能电池***实施例：

根据上述实用新型的实施例，以图4所示，提供了一种基于实施例一至三的包括能量优化装置的太阳能***。如图4所示，本实施例中，太阳能电池板PV的阳极与DC/DC变换器的输入端连接，DC/DC的阴极串联在太阳能电池板PV的阳极上，DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为高升压比变换器提供电源。直流输入电源的正极，与变压器T₁和T₂原边线圈的始端连接；经钳位电容C_CL1和C_Cl2后，与变压器T₁和T₂副边整流二极管D₁和D₂的阴极、功率半导体开关Q₂与Q₅的漏极、Q₂与Q₅的体二极管或额外的并联二极管的阳极、功率半导体Q₁与Q₄的漏极、以及Q₁与Q₄的体二极管或额外的并联二极管D_Q1和D_Q2的阴极连接；并经半波整流电容C_IN后，与直流输入电源的负极、功率半导体开关Q₁与Q₄的源极、Q₁与Q₄的体二极管或额外并联二极管D_Q1与D_Q4的阳极、以及输出端滤波电容C_O1与C_O2的第二连接端连接。

上述变压器T₁和T₂原边线圈的末端，与变压器T₁和T₂原边励磁电感L_m1和L_m2及谐振电感L_k1和L_k2的公共端连接；变压器T₁和T₂副边线圈的末端，与变压器T₁和T₂副边整流二极管D₁和D₂的阳极连接；功率半导体开关Q₁和Q₄的栅极，用于输入占空比为D的脉冲信号；功率半导体开关Q₂与Q₅的栅极，用于输入占空比为1-D的脉冲信号。

变压器T₁和T₂的副边滤波电容C₁和C₂，分别连接在变压器副边线圈的始端与变压器副边整流二极管D₁和D₂的阴极之间；旁路电容C_Q1，并接在Q₁的体二极管或额外的并联二极管D_Q1的阳极与阴极之间；旁路电容C_Q2，并接在Q₂的体二极管或额外的并联二极管D_Q2的阳极与阴极之间；旁路电容C_Q4，并接在Q₄的体二极管或额外的并联二极管D_Q4的阳极与阴极之间；旁路电容C_Q5，并接在Q₅的体二极管或额外的并联二极管D_Q5的阳极与阴极之间。

变压器T₁和T₂副边整流二极管D₁和D₂的阴极为输出端，经输出端滤波电容C_O1和C_O2后，接高升压比变化器1和2的参考地；控制开关Q₃和Q₆分别并联在输出端滤波电容C_O1和C_O2两端；控制开关Q₃和Q₆的控制端与DSP连接。

图4中，上面一个高升压比变换器电路使用SPWM调制工作半个工频周期，下面的电路停止工作，为保证输出是零，将Q₆始终接通，半个工频周期之后关闭上面的高升压比变换器电路，为保证输出是零，使用Q₃将其输出短接，而下面的高升压比变换器电路接着使用SPWM调制工作半个工频周期，由此，两个高升压比变换器的输出都是半个准正弦波，在负载上或者电网上，它们叠加成标准正弦波。

图4中的两个高升压比变换器电路在各自不工作的时候使用了Q₃和Q₆将输出短接，以达到输出电压为零的目的。

功率半导体开关Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆，可以是MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管），也可以是SCR（可控硅整流器），还可以是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可控或半控硅晶体元件，R₀是电网侧的负载。

在本实施例中，如图5所示，至少包括发电装置、逆变器、以及电网和/或电器设备，发电装置、逆变器、以及电网和/或电器设备依次连接；发电装置输出的电压与电流，经逆变器处理后，供给电网和/或电器设备。这里，发电装置，至少包括设置有能量优化装置的太阳能发电装置。

其中，太阳能无桥逆变器，至少包括高升压比变换器、控制电路、辅助电源与通讯模块；控制电路及辅助电源，分别与高升压比变换器及通讯模块连接；发电装置输出的电压与电流，经高升压比变换器处理后，供给电网和/或电器设备连接。

另外，在上述实施例中，在逆变器中还可以包括逆变器工作所需的其他设备，控制电路及辅助电源分别与其他设备连接。

优选地，为了实现本地和/或远程监管功能，在上述的太阳能***中，至少还包括通信网关、计算机服务器、以及监控和管理中心；通讯模块、通信网关、计算机服务器、以及监控和管理中心，依次连接。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于，包括： 

太阳能发电装置，包括多个太阳能电池板及多个与所述太阳能电池板相连的能量优化装置； 

太阳能无桥逆变器，与所述能量优化装置连接，其中设置有至少两个多相并联或者多相交错并联高升压比变换器； 

电网和/或电器设备，与所述太阳能无桥逆变器连接； 

所述能量优化装置输出的电压与电流经过所述太阳能无桥逆变器处理后，供给所述电网和/或电器设备。 

2.根据权利要求1所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于，所述能量优化装置进一步包括： 

最大能量跟踪控制器，与所述太阳能电池板的输出端相连，采集所述太阳能电池板输出的电压和/或电流信号，跟踪所述太阳能电池板的最大输出能量形成控制参考信号并输出； 

能量变换器，接收所述最大能量跟踪控制器输出的所述控制参考信号，在所述控制参考信号的控制下将所述太阳能电池板的输出变换到所述最大能量跟踪控制器跟踪出的最大能量值进行输出。 

3.根据权利要求2所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于，所述能量优化装置进一步包括DC/DC变换器，其输入端与所述太阳能电池板连接，输出端作为所述高升压比变换器的输入端。 

4.根据权利要求3所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于：所述能量优化装置中还设置有通信监控终端，与所述DC/DC变换器建立双向通信。 

5.根据权利要求3或4所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于，所述高升压比变换器中，所述DC/DC变换器的输出端的正极与一变压器的原边线圈的始端连接，经箝位电容C_cl后，分别与所述变压器的副边线圈的始端、所述 变压器的副边整流二极管D₁的正极、第二功率半导体开关Q₂的漏极、额外并联的第二二极管D_Q2的负极连接； 

所述第二功率半导体开关Q₂的源极、所述第二二极管D_Q2的正极经谐振电感L_K与所述变压器的原边励磁电感L_m后，与半波整流电容C_IN的正极及所述DC/DC变换器的输出端的正极连接； 

所述第二功率半导体开关Q₂的源极、所述第二二极管D_Q2的正极与第一功率半导体开关Q₁的漏极、以及额外并联的第一二极管D_Q1的负极连接； 

所述第一功率半导体开关Q₁的源极、所述第一二极管D_Q1的正极与所述半波整流电容C_IN的负极及所述DC/DC变换器的输出端的负极连接； 

所述副边整流二极管D₁的负极与输出电阻R₀的一端连接，所述输出电阻R₀的另一端与所述第一功率半导体开关Q₁的源极、所述第一二极管D_Q1的正极、所述半波整流电容C_IN的负极及所述DC/DC变换器的输出端的负极连接； 

所述第一功率半导体开关Q₁的栅极输入占空比为D的脉冲信号； 

所述第二功率半导体开关Q₂的栅极输入占空比为1-D的脉冲信号。 

6.根据权利要求5所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于：所述高升压比变换器还包括副边滤波电容C₁；所述副边滤波电容C₁连接在所述变压器的副边线圈的始端与所述变压器副边整流二极管D₁的负极之间。 

7.根据权利要求6所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于：所述高升压比变换器还包括第一旁路电容C_Q1与第二旁路电容C_Q2；所述第一旁路电容CQ1并接在所述第一二极管D_Q1的正极与负极之间；所述第二旁路电容C_Q2，并接在所述第二二极管D_Q2的正极与负极之间。 

8.根据权利要求7所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于：所述太阳能无桥逆变器还包括DSP控制器，向所述高升压比变换器发送控制信号，使多个所述高升压比变换器在预设的一个工频周期内分时工作，每一所述高升压比变换器在同一个工频周期内的不同时刻输出正弦波信号，将每一所述高升压比变换器输出的信号叠加后得到完整的正弦波信号；所述完整的正弦波信号输出至所述电网和/或电器设备。 

9.根据权利要求8所述的包括能量优化装置的太阳能***，其特征在于：所述第一功率半导体开关Q₁与所述第二功率半导体开关Q₂，采用金属氧化物场效应晶体管MOSFET或绝缘栅极双极型晶体管IGBT或二极管中的一种。 

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