專利名稱：具有并網發電、獨立發電及ups功能的光伏發電系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種并網太陽能光伏發電系統，尤其是兼具并網
發電、獨立發電及UPS功能的光伏發電系統。
背景技術：
光伏并網發電技術是最近幾年興起來的新技術，與傳統煤電、油 電相比具有環保、無能源消耗、可重復利用等諸多優點，是今后實現 能源戰略的發展的重點。在國外已經有很多國家實行屋頂光伏計劃。 由于屋頂光伏發電不受地域限制、不占用耕地面積，而且可以在城市 中使用與大電網實現并網，因此具有非常廣闊的市場前景。隨著光伏 發電成本的逐漸降低，屋頂光伏發電必將成為光伏發電的主流。實現 成本較低是今后光伏發電系統的發展方向。
目前市面上出現得比較多的是并網光伏發電系統，或者是只具有 獨立發電的光伏發電系統，前者當電網停電時，就不能與電網并網，
發電受電網限制較大；后者是當長期出現陰雨天時，就不能及時輸出
電能，嚴重情況下還有可能損壞儲能裝置中的蓄電池。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種具有并網發電、獨立發電及UPS功
能的光伏發電系統，尤其是在屋頂光伏發電中使用的家用光伏發電系統，首先可以利用太陽能并網發電，賣電給電網實現營利；當電網出
現故障或停電時可以實現獨立模式的發電，以滿足家庭用電需要；最
后，可以實現家庭負載的不間斷供電，從而提高家庭供電的質量。
一種具有并網發電、獨立發電及UPS功能的光伏發電系統，主要 包括太陽能電池陣列、DC/DC隔離變換及控制裝置、最大功率點控制 模塊、儲能裝置、電池充放電控制模塊、并網/獨立/UPS功能轉換及 控制模塊、輔助電源和通信及顯示裝置，其中
該太陽能電池陣列由光伏電池組件通過一定的電氣連接方式組 成，將太陽光能直接轉換成電能，通過最大功率點控制模塊來跟蹤光 伏電池的最大功率點，使光伏電池處于最大功率輸出狀態，并將太陽
能電池陣列產生的直流電壓直接輸出給DC/DC隔離變換及控制裝置 和輔助電源；
該DC/DC隔離變換及控制裝置接收太陽能電池陣列產生的直流 電壓，經過隔離變換成恒定的直流電壓輸出給并網/獨立/UPS功能轉 換及控制模塊和儲能裝置；
該儲能裝置主要用于儲存太陽光伏電能，在UPS工作模式中用于 儲存交流電能；
該電池充放電控制模塊連接于儲能裝置，并根據不同的工作狀態 對該儲能裝置進行不同的充放電控制；
該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊主要完成并網發電、獨立 發電、不間斷電源三種功能的轉換以及自動轉換條件的判斷；
該輔助電源主要將光伏電能和電網的電能轉換成各控制部分所 需要的各種低壓控制電源；
通信及顯示裝置用于顯示各種工作狀態及運行參數，及完成各種數據的通信。
所述的并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊，主要包括IGBT全 橋逆變電路、整流逆變模式選擇模塊、輸出開關、停電孤島檢測模塊 和并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊；其中并網/獨立/UPS功能 選擇判斷切換模塊通過停電孤島檢測模塊完成電網停電狀態以及并
網狀態下的孤島檢測，以判斷是否需要進行功能轉換；
出現停電情況下，該停電孤島檢測模塊輸出信號給并網/獨立 AJPS功能選擇判斷切換模塊，該并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模 塊控制斷開輸出開關并通知整流逆變模式選擇模塊輸出相應的驅動 信號，使IGBT全橋逆變電路處于獨立發電的逆變模式，以光伏電能 為本地負載供電；
若電網未停電，則在光伏電能正常的情形下進入并網發電工作模 式，由并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊控制合上輸出開關，并 檢測儲能裝置是否處于充滿狀態，若是則通過整流逆變模式選擇模塊 輸出驅動信號，使IGBT全橋逆變電路處于電流源模式，將太陽光伏 電能輸入電網，否則通過整流逆變模式選擇模塊輸出驅動信號，使 IGBT全橋逆變電路處于充電模式，先滿足儲能裝置充電需求；
若電網未停電且光伏電能非正常，該并網/獨立/UPS功能選擇判 斷切換模塊檢測到儲能裝置電能不足時，通過整流逆變模式選擇模塊 輸出驅動信號，使IGBT全橋逆變電路處于高頻整流模式，從電網吸 收電能為儲能裝置提供充電電能；若儲能裝置處于充足狀態，則進入 UPS工作模式中，通過停電孤島檢測模塊時刻檢測電網是否停電，以 便并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊能控制整流逆變模式選擇模 塊輸出驅動信號，使IGBT全橋逆變電路處于電壓源模式，為本地負載提供電能。
所述的出現停電情況下，若該光伏電能大于本地負載的功率，則 光伏電能為儲能裝置充電同時為本地負載供電，否則，光伏電能與儲 能裝置同時為本地負載供電。
采用本實用新型的技術方案后，可以在不增加系統成本的情況下
實現并網發電、獨立發電和UPS不間斷電源三種功能，實現一機多用。
而這三種功能可以自動轉換、自動配合、自動選擇和智能檢測，能夠 最大限度的使用太陽能發電，最大限度的保證居民的供電質量。本實 用新型能很好地解決晚間無太陽能的供電、電網停電時的供電、長期 陰雨天時的供電等一系列供電問題，將會成為光伏發電的主流產品。
圖1為本實用新型中各部件組成的連接關系圖2為本實用新型并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊中IGBT
全橋逆變電路連接圖3為本實用新型IGBT全橋逆變電路工作于電壓、電流源模式
的電路組成圖4為本實用新型IGBT全橋逆變電路工作于整流(充電)模式 的電路組成圖5為本實用新型掉電瞬時檢測執行流程圖及圖解分析； 圖6為本實用新型并網、獨立、UPS工作模式判斷選擇流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型一種具有并網發電、獨立發電及UPS功
7能的光伏發電系統，主要包括太陽能電池陣列1、 DC/DC隔離變換及
控制裝置2、最大功率點(MPPT)控制模塊3、儲能裝置(蓄電池)4、 電池充放電控制模塊5、并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊6、輔 助電源9和通信及顯示裝置10組成。其中
太陽能電池陣列1:由光伏電池組件通過一定的電氣連接方式組
成，將太陽光能直接轉換成電能，并將太陽能電池陣列l產生的直流
電壓直接輸出給DC/DC隔離變換及控制裝置2和輔助電源9;
DC/DC隔離變換及控制裝置2:接收太陽能電池陣列1產生的直 流電壓，經過隔離變換成恒定的直流電壓輸出給并網/獨立/UPS功能
轉換及控制模塊6和儲能裝置(蓄電池)4;
最大功率點控制模塊3:由于光照的強度及太陽能電池的特性不
同，光伏電池的最大功率點會有所不同，該部分采用擾動觀測法來跟
蹤光伏電池的最大功率點，使光伏電池處于最大功率輸出狀態；
儲能裝置(蓄電池)4:主要用于儲存太陽光伏電能，在UPS工
作模式中用于儲存交流電能；
電池充放電控制模塊5:連接于儲能裝置4，根據本實用新型不
同的工作狀態對該儲能裝置4進行不同的充放電控制。
并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊5:為本實用新型的核心部
分，該部分主要完成并網發電、獨立發電、不間斷電源三種功能的轉
換以及自動轉換條件的判斷
當電網有電、在有太陽白天此狀態下并網/獨立/UPS功能轉換
及控制模塊5檢測儲能裝置4是否處于充滿狀態，若是則直將太陽光 伏電能最大程度地輸入電網8，達到并網發電的目的，否則先滿足儲
能裝置4充電需求；當電網有電、"有太陽晚上"此時由于當天白天是晴天，因此儲 能裝置4肯定是處于充足狀態，因此本實用新型處于UPS模式中，當
電網8突然停電時，該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊5能在 10mS以內啟動電壓源模式，為本地負載7提供電能；
當電網無電、有太陽白天此時由于電網8停電或沒有電網8存
在，此時的光伏電能在滿足本地負載7供電需求的情況下，最大限度 地為儲能裝置4提供充電電能，直至儲能裝置4充滿為止。
當電網無電、"有太陽晚上"由于當天白天是晴天，因此儲能裝
置4肯定是處于充足狀態，此時由儲能裝置4為本地負載7提供電能。
當電網有電、長期陰雨天這時由于長期處于陰雨天，因此儲能
裝置4得不到充電電能，該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊5檢 測到儲能裝置4電能不足時，立即啟動高頻整流電路，從電網8吸收 電能為儲能裝置4提供充電電能，防止儲能裝置4長期處于欠充狀態 而損壞；
當電網時有時無、長期陰雨天此時本實用新型處于UPS模式中， 當電網8有電時為儲能裝置4充電，當電網停電時，該并網/獨立/UPS 功能轉換及控制模塊5能在10mS以內啟動電壓源模式，為本地負載 7提供電能，從而保障本地負載7不受停電影響。
輔助電源9:主要將光伏電能和電網8的電能轉換成各控制部分 所需要的各種低壓控制電源(包括驅動電源\控制電源\通信電源)。
通信及顯示裝置10:用于顯示本實用新型的工作狀態及運行參 數，及各種數據的通信。
如圖1所示，虛線框內為該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊 5的控制框圖，其包括IGBT全橋逆變電路201，整流逆變模式選擇模
9塊202、輸出開關203、停電孤島檢測模塊204、并網/獨立/UPS功能 選擇判斷切換模塊205、電壓源穩壓控制模塊206、程序選擇控制模 塊207、電網充電限流穩壓控制模塊208、并網電流源控制模塊209 和驅動信號產生及控制模塊210。
其中IGBT全橋逆變電路201如圖2所示。
在本實用新型中，最大功率點控制模塊3跟蹤太陽能電池陣列1 的最大功率點，使太陽能電池陣列l處于最大功率輸出狀態；該太陽 能電池陣列1輸出光伏電能給DC/DC隔離變換及控制裝置2，經過隔 離變換成恒定的直流電壓輸出給并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊 6和儲能裝置(蓄電池)4;該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊6 中的整流逆變模式選擇模塊202判斷當前是否為電壓或電流源模式， 若是，則控制IGBT全橋逆變電路201按逆變全橋單極倍頻工作方式 工作(電路組成見圖3);若否，則將Q1Q3的驅動信號變為恒低且 Q2二Q4，這樣就可以將IGBT全橋電路201變成高頻整流充電電路，如 圖4所示。
該輸出開關203為本實用新型輸出電能給電網8的開關，本實用 新型使用繼電器來完成開關功能，該繼電器受并網/獨立/UPS功能選 擇判斷切換模塊205的輸出狀態控制，由于繼電器的關斷不受正弦過 零的影響，因此可以獲得較快的轉換速度。
該停電孤島檢測模塊204主要完成電網8停電狀態以及并網狀態 下的孤島檢測功能，輸出信號給并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模 塊205，以判斷是否需要進行功能轉換。停電檢測功能在本實用新型 中采用了瞬時比較的檢測方式來進行判斷電網停電，因此可以實現很 快的檢測速度，具體檢測方法如圖5所示，出現停電情況下，該停電孤島檢測模塊204輸出信號給并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊
205，由其控制斷開輸出開關203并通知整流逆變模式選擇模塊202 輸出相應的驅動信號，使IGBT全橋逆變電路201處于獨立發電的逆
變模式。
并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊205可通過判斷，進行并 網/獨立/UPS三種工作模式之間的自動切換，其執行流程如圖6所示
首先，并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊205通過停電孤島 檢測模塊204輸出的信號判斷電網8是否停電？是否產生孤島效應？ 若電網8已停電，則再判斷儲能裝置4是否正常，若是，則直接進入 獨立發電的工作模式并關斷輸出開關203;若儲能裝置4處于非正常 狀態，則檢查光伏電能是否正常，若不正常則關機，否則進入獨立發 電的工作模式并關斷輸出開關203;若光伏電能非正常，則進行獨立
發電工作模式的儲能裝置4放電；若光伏電能正常，則在該光伏電能
大于本地負載7功率的情形下，光伏電能為儲能裝置4充電同時為本 地負載7供電，否則，光伏電能與儲能裝置4同時為本地負載7供電； 若電網8未停電，則在光伏電能正常的情形下進入并網發電工作 模式并合上輸出開關203，并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊5檢 測儲能裝置4是否處于充滿狀態，若是則直接將太陽光伏電能最大程 度地輸入電網8，達到并網發電的目的，否則先滿足儲能裝置4充電 需求。
若電網8未停電且光伏電能非正常，該并網/獨立/UPS功能轉換 及控制模塊5檢測到儲能裝置4電能不足時，立即啟動高頻整流電路， 從電網8吸收電能為儲能裝置4提供充電電能，防止儲能裝置4長期 處于欠充狀態而損壞；若儲能裝置4處于充足狀態，則進入UPS工作模式中，時刻檢測電網8是否停電，以便并網/獨立/UPS功能轉換及
控制模塊5能在10mS以內啟動電壓源模式，為本地負載7提供電能。 該程序選擇控制模塊207根據并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換
模塊205選擇的工作模式，選擇相應的電壓源穩壓控制模塊206、電
網充電限流穩壓控制模塊208或并網電流源控制模塊209。
該電壓源穩壓控制模塊206是在獨立發電工作模式下進行穩壓控制。
該電網充電限流穩壓控制模塊208是在UPS工作模式下，完成電 網對儲能裝置4的充電管理及功能。
該并網電流源控制模塊209對并網工作模式下進行電流源控制。 該驅動信號產生及控制模塊210主要產生逆變、整流狀態下的驅
動信號。
本實用新型釆用軟件判斷及控制手段，在不增加任何硬件成本的 情況下，能夠實現并網發電、獨立發電、不間斷電源(UPS)三種功
能，而且這三種功能能夠自動根據工作環境條件以及電網條件的不同 自動工作于某一最佳狀態，從而減少了用戶對該設備的維護量。同時 起到三種功能的作用，使光伏電能發揮得淋漓盡致，為用戶的供電提 供有力的保障。
本實用新型與傳統單一的并網發電、獨立發電及UPS不間斷電源
相比，具有更多的使用靈活性，為今后光伏行業的發展提供了更為廣 闊的使用空間。如下表所示為常規的光伏逆變器與本實用新型相比 較，可明顯看出本實用新型結合了三種功能優點，在各種條件下均能 發揮最大作用。
12使用環境條件常規逆變器本實用新型
并網發電 逆變器獨立發電 逆變器UPS不間斷 電源電網有電、有太陽白天〇〇參
電網有電、"有太陽晚上"〇〇〇參
電網無電、有太陽白天〇參〇攀
電網無電、"有太陽晚上"〇參〇參
電網有電、長期陰雨天〇〇參
電網時有時無、長期陰雨天〇〇
說明
1. 含實心黑圈的項表示能夠在此條件下工作，含空心黑圈的項表示不能在此 條件下工作；
2. "有太陽晚上"是指當天晚對應的當天白天是晴天；
3. 長期陰雨天是指，處于陰雨天的時間大于7天；
4. 電網無電，也指沒有電網的區域；
1權利要求1、一種具有并網發電、獨立發電及UPS功能的光伏發電系統，其特征在于主要包括太陽能電池陣列、DC/DC隔離變換及控制裝置、最大功率點控制模塊、儲能裝置、電池充放電控制模塊、并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊、輔助電源和通信及顯示裝置，其中該太陽能電池陣列由光伏電池組件通過一定的電氣連接方式組成，將太陽光能直接轉換成電能，通過最大功率點控制模塊來跟蹤光伏電池的最大功率點，使光伏電池處于最大功率輸出狀態，并將太陽能電池陣列產生的直流電壓直接輸出給DC/DC隔離變換及控制裝置和輔助電源；該DC/DC隔離變換及控制裝置接收太陽能電池陣列產生的直流電壓，經過隔離變換成恒定的直流電壓輸出給并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊和儲能裝置；該儲能裝置主要用于儲存太陽光伏電能，在UPS工作模式中用于儲存交流電能；該電池充放電控制模塊連接于儲能裝置，并根據不同的工作狀態對該儲能裝置進行不同的充放電控制；該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊主要完成并網發電、獨立發電、不間斷電源三種功能的轉換以及自動轉換條件的判斷；該輔助電源主要將光伏電能和電網的電能轉換成各控制部分所需要的各種低壓控制電源；通信及顯示裝置用于顯示各種工作狀態及運行參數，及完成各種數據的通信。
2、根據權利要求1所述的一種具有并網發電、獨立發電及UPS功能的光伏發電系統，其特征在于該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊，主要包括IGBT全橋逆變電路、整流逆變模式選擇模塊、輸 出開關、停電孤島檢測模塊和并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊; 其中并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊通過停電孤島檢測模塊完 成電網停電狀態以及并網狀態下的孤島檢測，以判斷是否需要進行功 能轉換；出現停電情況下，該停電孤島檢測模塊輸出信號給并網/獨立 /UPS功能選擇判斷切換模塊，該并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模 塊控制斷開輸出開關并通知整流逆變模式選擇模塊輸出相應的驅動 信號，使IGBT全橋逆變電路處于獨立發電的逆變模式；若電網未停電，由并網/獨立/UPS功能選擇判斷切換模塊控制合 上輸出開關，并檢測儲能裝置是否處于充滿狀態；若電網未停電且光伏電能非正常，該并網/獨立/UPS功能選擇判 斷切換模塊檢測到儲能裝置電能是否充足。
專利摘要本實用新型一種具有并網發電、獨立發電及UPS功能的光伏發電系統，主要包括太陽能電池陣列、DC/DC隔離變換及控制裝置、最大功率點控制模塊、儲能裝置、電池充放電控制模塊、并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊、輔助電源和通信及顯示裝置，其中該并網/獨立/UPS功能轉換及控制模塊主要完成并網發電、獨立發電、不間斷電源三種功能的轉換以及自動轉換條件的判斷；由于采用軟件判斷及控制手段，在不增加任何硬件成本的情況下，能夠實現并網發電、獨立發電、UPS三種功能，而且這三種功能能夠自動根據工作環境條件以及電網條件的不同自動工作于某一最佳狀態，從而減少了用戶對該設備的維護量，使光伏電能發揮得淋漓盡致，為用戶的供電提供有力的保障。
文檔編號H02J7/00GK201263091SQ20082004786
公開日2009年6月24日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者周志文 申請人:廣東志成冠軍集團有限公司