[发明专利]一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法

说明书

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种用太阳能电池板组件供电的太阳能电热水器，特别是一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法。

背景技术：

传统的太阳能热水器是由集热管、保温水箱、支架、连接管道等组成，其主要是依靠集热管的涂层吸收太阳光的幅射而将水加热并用于生产和生活。太阳能热水器按结构分普通式太阳能热水器和分体式热水器，普通式太阳能热水器是把集热管和保温水箱一体化安装在建筑物的房顶，成本较低，而分体式太阳能热水器则将二者分开，用于非顶层用户，成本相对较高。不论哪种结构形式，其原理都是把太阳光能直接转化成热能，使用寿命一般为10年，都存在着以下一些问题，如室外连接管道及其保温层在使用一段时间后易老化漏水或破损，寒冷天气下容易造成局部管道结冰而无法使用，真空玻璃集热管容易爆裂，整个安装程序复杂且日常维护麻烦。随着太阳能及其光伏产业的发展，光伏电池的售价已降到3元/瓦，而新型光伏电池的光电转换率高达20％，这为开发太阳能光伏电热水器创造了条件。因此，设计一种用太阳能电池板组件发电并通过高效光伏电源变换器供电的太阳能电热水器具有非常大的实用价值和现实意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法，将太阳能电池板组件安装在窗户下方或房顶并使之朝向太阳，将其输出的不稳定的低压直流电作为输入，经过高效交错式光伏电源变换器变换成稳定的有效值为220V的直流电压输出为安装在洗浴室的保温电热水器供电，同时高效交错式光伏电源变换器还对太阳能电池板组件的功率输出进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制，以保证太阳能光伏发电得到最大效率利用；安装在洗浴室的保温电热水器可以是为高效利用太阳能而专门定制的保温电热水器，也可以是用户已在洗浴室安装的机械式或智能式电热水器，一般情况下保温电热水器通过切换开关与高效光伏电源变换器电气连接，但也可在急需时随时切换为工频交流220V供电，而后再切换回去，以便把太阳能电池板组件发出的电能不断转换成热能存储在保温电热水器内以便随时使用。

为了实现上述目的，本发明所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的主体结构包括第一路DC/DC变换器、第二路DC/DC变换器、切换开关、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路、DC/DC电源、控制单片机、第一驱动电路和第二驱动电路；第一路DC/DC变换器由第一反向截止二极管、第一滤波电容、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管、第一高频变压器、第一高频整流电路、第一输出滤波电容电连接组成；第一路输入电压经第一反向截止二极管并由第一滤波电容滤波后作为后面电路的输入，其中，第一路输入电压为第一路太阳能电池板组件的输出电压，第一滤波电容用于吸收第一高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用，第一反向截止二极管用于防止反向电流流向第一路太阳能电池板组件；第一高频变压器的原边电感、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管电连接组成第一单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；第一高频变压器由第一原边电感、第一磁芯、第一副边电感组成，其中，第一磁芯为带有气隙的磁芯，第一原边电感与第一副边电感的耦合系数为0.5-0.9，高频交流电施加在第一高频变压器原边电感两端，在第一高频变压器副边电感两端感应出正负幅值不对称的高频交流电压；第一单管谐振电路和第一高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流电路采用两种电路结构，当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅰ即高频倍压整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到二块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅰ由结构Ⅰ第一整流二极管、结构Ⅰ第二整流二极管、结构Ⅰ第一滤波电容、结构Ⅰ第二滤波电容电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流滤波；当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅱ即高频全桥整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到三块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅱ由结构Ⅱ第一整流二极管、结构Ⅱ第二整流二极管、结构Ⅱ第三整流二极管、结构Ⅱ第四整流二极管电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流；第一输出滤波电容用于对整流后的直流电进行滤波；第二路DC/DC变换器结构和电路元器件参数与第一路DC/DC变换器完全相同，但第二开关管的控制信号要与第一开关管的控制信号错开180°；两路DC/DC变换器输出侧串联，输出220V直流电压；切换开关用于在220V_dc输出和220V_ac市电之间切换；整流滤波后的220V_dc电压经切换开关接入保温电热水器，当光照长时间不足临时急需热水时，可将切换开关接至220V_ac市电继续加热，用后再切换回去；第一电压采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第一路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第一MPPT控制；第二电压采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第二电流采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第二路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第二MPPT控制；第三电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，第四电压采样电路采集第二开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管、第二开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管、第二开关管漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管、第二开关管是否实现零电压开通；隔离电压采样电路采集变换器的直流输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机根据接收的变换器的直流输出电压信号，经过电压反馈控制程序，同时调整第一开关管和第二开关管的控制信号，进行电压反馈控制；DC/DC电源将太阳能电池板组件的输出电压降至+12V和+5V两路输出，+12V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧、第二驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、隔离电压采样电路输出侧、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路采集的电压电流信号，经由第一MPPT控制程序、第二MPPT控制程序、第一软开关判断程序、第二软开关判断程序、电压反馈控制程序、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)+脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)控制程序共同生成第一开关管和第二开关管的控制信号并送至第一驱动电路和第二驱动电路；第一驱动电路和第二驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管和第二开关管的控制信号后经放大驱动第一开关管和第二开关管。