专利名称：大功率光伏充电系统及其主电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及控制电路及控制方法，具体是一种光伏充电系统及其主电路及其充电控制方法。
背景技术：
独立式光伏发电系统中通常需配备储能装置，以保证系统可不间断的向负载提供所需电能。目前的光伏发电系统储能元件多采用铅酸蓄电池组，而蓄电池组充电管理性能的好坏将直接影响蓄电池使用寿命及整个发电系统的运行稳定性及可靠性。因此，良好的蓄电池组充电控制器，不仅有利于延长蓄电池自身使用寿命，也有利于提高发电系统的运行稳定性和可靠性。基于多路顺序控制原理的大功率光伏充电控制器中，单元主电路一般由一个防反二极管D1、一个功率开关管S1及其吸收电路组成，其系统主电路结构如图1所示。为保证对各充电单元的有效控制，功率开关管S1 —般选用全控型器件如IGBT或MOSFET等。由于此类器件内部含有反并续流二极管，为避免蓄电池反向对太阳能电池充电而损坏太阳电池，须在光伏阵列输出端串联一防反二极管，如图1中的Dp此种充电控制器主要存在以下不足1.损耗大。由于功率开关器件采用全控器件，在高压大功率系统中，功率开关导通损耗较大。此外，主电路中防反二极管的引入，在充电过程中增加了二极管导通损耗。2.体积大且成本高。由于功率开关的开关损耗及防反二极管的导通损耗较大，系统须相应配置较大的散热器，使得整机体积庞大，而高电压大功率全控器件价格昂贵，也增加了系统成本。3.可靠性差。系统工作过程中，是通过直接关闭主回路功率开关的方式来将充电单元切出。然而，由于线路中寄生电感作用，在关闭的瞬间会在开关管两端感生很高的电压，易造成功率开关损毁，甚至损坏蓄电池。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是提供一种具有损耗小、体积小、重量轻，成本低且可靠性高的大功率光伏充电系统。本发明米用以下技术方案解决上述技术问题的一种大功率光伏充电系统，包括充电主电路、蓄电池组以及控制电路，所述充电主电路包括多个并联的结构完全一致的充电单元，多个充电单元的输出端均连接到蓄电池组，每个充电单元包括作为主功率开关的主功率晶闸管和辅助关断电路，其中主功率晶闸管串联在光伏阵列与蓄电池组的连接线路上，辅助关断电路并联在光伏阵列的两端，控制电路通过实时检测蓄电池组端电压来确定系统运行模式，当端电压低于过放电压点时，通过控制工作充电单元个数，确保充电电流在限定值以内；当端电压介于过放电压和浮充电压之间时，开启所有单元电路，以大电流向蓄电池组充电；而当电压达到浮充电压时，关闭一定数量充电单元，以小电流对蓄电池组进行浮充。进一步的，所述光伏阵列的正极经过主功率晶闸管与蓄电池组的正极连接，负极与蓄电池组负极相连，构成共阴极光伏充电主电路。或者，所述光伏阵列的正极直接与蓄电池组正极相连，负极经过主功率晶闸管与蓄电池组的负极连接，构成共阳极光伏充电主电路。上述两种结构中，所述每个充电单元的辅助关断电路包括电容、电阻、功率开关，电容和电阻并联后的第二端连接在功率开关的第一端，电容和电阻并联后的第一端和功率开关的第二端分别连接在光伏阵列的正负极，功率开关的控制端连接到控制电路。进一步的，所述控制电路包括并联安装在蓄电池组两端的电压传感器、并联在每个光伏阵列两端的电压传感器、串联在蓄电池组与充电主电路线路之间的电流传感器、串联在每个充电单元线路上的电流传感器、ADC采样电路，DSP中央处理器，控制电路通过ADC采样电路检测蓄电池组端电压，将模拟信号转换为数字信号送入DSP中央处理器，以判别蓄电池组当前状态，当蓄电池组端电压低于过放电压时，判断第一充电单元的光伏阵列电压是否大于启动电压点，若是，则向第一充电单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，开通第一充电单元向蓄电池组充电，同时通过电流传感器检测蓄电池组充电电流,如果充电电流小于最小限定电流值，则再向第二单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，使第二单元和第一单元同时向蓄电池组充电，以此类推，逐路增加开通充电单元，直至充电电流上升至最小限定值，蓄电池组电压逐步上升，当蓄电池组端电压上升至过放电压点时，再逐路开通所有剩余充电单元，系统以光伏电池阵列所能提供的最大功率向蓄电池组充电，此后，当蓄电池组端电压上升到所设定浮充电压值时，DSP中央处理器依次向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出触发导通信号，接收到触发信号的辅助关断电路被开通，则主功率晶闸管因受反压而自然关断，该充电单元停止向蓄电池组充电，蓄电池组充电电流逐渐减小，直至实际充电电流在设定范围之内，向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出导通触发信号后，通过串联在每个充电单元线路上的电流传感器监测该单元充电电流，若电流下降至零，则向该单元的辅助关断电路的功率开关发出关断触发信号，相应辅助电路支路关闭，随后该支路的电容所储存能量通过泄放电阻耗尽，最后电容端电压降为零，以此类推，最后仅剩某一或某些充电单元保持工作以维持蓄电池浮充状态。上述所述每个充电单元中的功率开关采用以下的任一种功率IGBT全控功率器件、功率MOSFET全控功率器件、功率SCR。本发明还提供一种大功率光伏充电系统的主电路，包括多个充电单元，每个充电单元包括作为主功率开关的主功率晶闸管和辅助关断电路，其中主功率晶闸管串联在光伏阵列与蓄电池组的连接线路上，辅助关断电路并联在光伏阵列的两端。更具体的，所述光伏阵列的正极经过主功率晶闸管与蓄电池组的正极连接，负极与蓄电池组负极相连，构成共阴极光伏充电主电路。或者，所述光伏阵列的正极直接与蓄电池组正极相连，负极经过主功率晶闸管与蓄电池组的负极连接，构成共阳极光伏充电主电路。本发明还提供一种了上述大功率光伏充电系统的主电路的控制方法，首先通过ADC采样电路检测蓄电池组端电压，将模拟信号转换为数字信号送入一 DSP中央处理器，以判别蓄电池组当前状态，当蓄电池组电压低于过放电压时，判断第一充电单元的光伏阵列电压是否大于启动电压点，若是，则向第一充电单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，开通第一充电单元向蓄电池组充电，同时检测蓄电池组充电电流，如果充电电流小于最小限定电流值，则再向第二单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，使第二单元和第一单元同时向蓄电池组充电，以此类推，逐路增加开通充电单元，直至充电电流上升至最小限定值，蓄电池组电压逐步上升，当蓄电池组端电压上升至过放电压点时，再逐路开通所有剩余充电单元，系统以光伏电池阵列所能提供的最大功率向蓄电池组充电，此后，当蓄电池组端电压上升到所设定浮充电压值时，DSP中央处理器依次向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出触发导通信号，接收到触发信号的充电单元辅助关断电路被开通，则主功率晶闸管因受反压而自然关断，该充电单元停止向蓄电池组充电，蓄电池组充电电流逐渐减小，直至实际充电电流在设定范围之内，向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出导通触发信号后，监测该单元充电电流，若电流下降至零，则向该单元的辅助关断电路的功率开关发出关断触发信号，相应辅助关断电路关闭，随后该辅助关断电路的电容所储存能量通过泄放电阻耗尽，最后电容端电压降为零，以此类推，最后仅剩某一或某些充电单元保持工作以维持蓄电池浮充状态本发明的优点在于1、通过引入半控器件主功率晶闸管作为主功率开关管，而全控器件仅作为辅助关断器件，并且舍弃了防反二极管，导通损耗大大降低，因此，所需散热器小，使得系统成本降低及装置体积减小。2、小功率IGBT、电容和电阻组成的辅助关断支路，使得充电单元可自然接入和切出，使系统运行可靠性增强。3、本发明控制灵活，易于冗余。通过简单的增加并联支路就可实现装置容量扩充。
图1为一般光伏充电主电路结构图。图2为本发明光伏充电系统结构框图。图3为本发明光伏充电主电路结构图一。图4为本发明光伏充电主电路结构图二。
具体实施例方式在光伏充电系统中，为保障蓄电池运行安全且尽可能延长蓄电池使用寿命，须根据蓄电池特性来对充电控制器进行控制，在不同阶段采用不同的充电方式。对于光伏发电储能系统中大量使用的铅酸蓄电池，主要须关注两个电压节点一个是过放电压点，一个是浮充电压点。过放电电压点是由于蓄电池深度放电，造成蓄电池组端电压过低。当蓄电池组端电压低于过放点电压时，若采用大电流对蓄电池组进行充电，则极易造成热失控，不利于激活蓄电池内部活性物质，从而影响蓄电池自身使用寿命，因而在这一阶段须采用涓流充电方式。而当电压介于过放电压和浮充电压之间时，充电电流可在不超过蓄电池接受能力的电流条件下进行充电，即采用大电流充电。这一最大充电电流值与蓄电池容量相关，一般不大于O. 2C。当蓄电池组电压达到浮充电压时，又需采用涓流充电方式，以补偿由于蓄电池由于自身放电所耗电量。本发明基于主功率晶闸管单元化控制的大功率光伏充电系统结构框图见图2，该大功率光伏充电系统包括充电主电路、控制电路以及蓄电池组。
所述充电主电路包括多个并联的充电单元单元I至单元n，多个充电单元的输出端均连接到蓄电池组。单元I的主电路包括光伏阵列1、电容C1，电阻R1，功率开关S1及主功率晶闸管TR1。各充电单元主电路结构与单元I完全一致，为适应不同蓄电池组功率等级，仅需通过增减并联充电单元支路来实现。所述充电主电路可以有两种选择方式，分别是如图3所示的共阴极光伏充电主电路以及如图4所示的共阳极光伏充电主电路。请参阅图3所示，以单元I为例，光伏阵列I的正极经过主功率晶闸管TR1与蓄电池组的正极连接，负极与蓄电池组负极相连，构成共阴极光伏充电主电路。同时在光伏阵列I的正负极两端并接一辅助关断电路。该辅助关断电路包括电容C1、电阻R1、功率开关S1,电容C1和电阻R1并联后的第二端连接在功率开关S1的第一端，电容C1和电阻R1并联后的第一端和功率开关S1的第二端分别连接在光伏阵列I的正负极。请参阅图4所示，以单元I为例，光伏阵列I的正极直接与蓄电池组正极相连，负极经过主功率晶闸管TR1与蓄电池组的负极连接，构成共阳极光伏充电主电路。同时在光伏阵列I的正负极两端并接一辅助关断电路。该辅助关断电路包括电容C1、电阻R1、功率开关S1，电容C1和电阻R1并联后的第二端连接在功率开关S1的第一端，电容C1和电阻R1并联后的第一端和功率开关S1的第二端分别连接在光伏阵列I的正负极。上述两种光伏充电主电路中，所述每个充电单元中的功率开关Sk S2........ Sn可以采
用功率IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)全控功率器件或功率 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)全控功率器件或功率SCR (Silicon Controlled Rectifier，单向可控硅)主功率晶闸管。所述控制电路包括并联安装在蓄电池组两端的电压传感器、串联在蓄电池组与充电主电路线路之间的电流传感器、串联在每个充电单元线路上的电流传感器、ADC采样电路，DSP中央处理器。或者控制电路还可以包括一显示屏。ADC采样电路采样各电流传感器和电压传感器的数据，送到DSP中央处理器进行处理，DSP中央处理器的输出端控制各个充电单元的辅助关断电路。该大功率充电系统的基本工作原理是通过实时检测蓄电池组端电压来确定系统运行模式，当蓄电池组端电压低于过放电压点时，通过控制工作充电单元个数，确保充电电流在限定值以内；当端电压介于过放电压和浮充电压之间时，开启所有单元电路，以大电流向蓄电池组充电；而当电压达到浮充电压时，关闭一定数量充电单元，以小电流对蓄电池组进行浮充。具体工作过程为通过ADC采样电路检测蓄电池组端电压，将模拟信号转换为数字信号送入DSP中央处理器，以判别蓄电池组当前状态。若蓄电池组电压低于过放电压时，判断第一充电单元的光伏阵列电压是否大于启动电压点，若是，则向单元I的主功率晶闸管TR1发出触发导通脉冲信号Tm，开通充电单元I向蓄电池组充电，否则，判断第二充电单元的光伏阵列电压值，依次类推。同时通过电流传感器A检测蓄电池组充电电流，如果充电电流小于最小限定电流值，则再向单元2的主功率晶闸管TR2发出触发导通脉冲信号Ττκ2，使单元I和单元2同时向蓄电池组充电，以此类推，逐路增加开通充电单元，直至充电电流上升至最小限定值，蓄电池组电压逐步上升。当蓄电池组端电压上升至过放电压点时，再逐路开通所有剩余充电单元，系统以光伏电池阵列所能提供的最大功率向蓄电池组充电。此后，当蓄电池组端电压上升到所设定浮充电压值时，DSP中央处理器依次向充电单元的辅助关断电路的功率开关Sk(k=n，n-1)发出触发导通信号Tsk(k=n，n-1，···)，接收到触发信号的充电单元辅助关断电路被开通，其主功率晶闸管TRk (k=n, n-1,……)因受反压而自然关断，该充电单元停止向蓄电池组充电，蓄电池组充电电流逐渐减小，直至实际充电电流在设定范围之内。向充电单元的辅助关断电路的功率开关Sk(k=n，n-1，···)发出导通触发信号后，检测每个充电单元线路上的电流传感器Ak，若电流下降至零，则向该单元的辅助关断电路的功率开关Sk发出关断触发信号，相应辅助关断电路关闭。随后该支路的电容Ck所储存能量通过泄放电阻Rk耗尽，最后电容Ck端电压降为零。以此类推，最后仅剩某一或某些充电单元保持工作以维持蓄电池浮充状态。系统除进行充电控制外，主控DSP中央处理器还会将蓄电池组所处的工作状态，所开通充电单元个数以及各充电单元工作状态送入显示屏显示，以便工作人员全面了解系统运行状态。 以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
权利要求
1.一种大功率光伏充电系统，包括充电主电路、蓄电池组以及控制电路，所述充电主电路包括多个并联的结构完全一致的充电单元，多个充电单元的输出端均连接到蓄电池组，其特征在于每个充电单元包括作为主功率开关的主功率晶闸管和辅助关断电路，其中主功率晶闸管串联在光伏阵列与蓄电池组的连接线路上，辅助关断电路并联在光伏阵列的两端，控制电路通过实时检测蓄电池组端电压来确定系统运行模式，当蓄电池组端电压低于过放电压点时，通过控制工作充电单元个数，确保充电电流在限定值以内；当蓄电池组端电压介于过放电压和浮充电压之间时，开启所有单元电路，以大电流向蓄电池组充电；而当蓄电池组端电压达到浮充电压时，关闭一定数量充电单元，以小电流对蓄电池组进行浮充。
2.如权利要求1所述的大功率光伏充电系统，其特征在于所述光伏阵列的正极经过主功率晶闸管与蓄电池组的正极连接，负极与蓄电池组负极相连，构成共阴极光伏充电主电路。
3.如权利要求1所述的大功率光伏充电系统，其特征在于所述光伏阵列的正极直接与蓄电池组正极相连，负极经过主功率晶闸管与蓄电池组的负极连接，构成共阳极光伏充电主电路。
4.如权利要求2或3所述的大功率光伏充电系统，其特征在于所述每个充电单元的辅助关断电路包括电容、电阻、功率开关，电容和电阻并联后的第二端连接在功率开关的第一端，电容和电阻并联后的第一端和功率开关的第二端分别连接在光伏阵列的正负极，功率开关的控制端连接到控制电路。
5.如权利要求4所述的大功率光伏充电系统，其特征在于所述控制电路包括并联在蓄电池组两端的电压传感器、并联在每个光伏阵列两端的电压传感器、串联在蓄电池组与充电主电路线路之间的电流传感器、串联在每个充电单元线路上的电流传感器、ADC采样电路，DSP中央处理器，控制电路通过ADC采样电路检测蓄电池组端电压，将模拟信号转换为数字信号送入DSP中央处理器，判别蓄电池组当前状态，当蓄电池组端电压低于过放电压时，判断第一充电单兀的光伏阵列电压是否大于启动电压点，若是，则向第一充电单兀的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，开通第一充电单元向蓄电池组充电，否则，判断第二充电单元的光伏阵列电压值，依次类推，同时通过电流传感器检测蓄电池组充电电流，如果充电电流小于最小限定电流值，则再向第二单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，使第二单元和第一单元同时向蓄电池组充电，以此类推，逐路增加开通充电单元，直至充电电流上升至最小限定值，蓄电池组电压逐步上升，当蓄电池组端电压上升至过放电压点时，再逐路开通所有剩余充电单元，系统以光伏电池阵列所能提供的最大功率向蓄电池组充电，此后，当蓄电池组端电压上升到所设定浮充电压值时，DSP中央处理器依次向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出触发导通信号，接收到触发信号的充电单元辅助关断电路被开通，则主功率晶闸管因受反压而自然关断，该充电单元停止向蓄电池组充电，蓄电池组充电电流逐渐减小，直至实际充电电流在设定范围之内，向充电单元的辅助关断电路发出导通触发信号后，通过串联在每个充电单元线路上的电流传感器监测该单元充电电流，若电流下降至零，则向该单元的辅助关断电路的功率开关发出关断触发信号，相应辅助关断电路关闭，随后该辅助关断电路的电容所储存能量通过泄放电阻耗尽，最后电容端电压降为零，以此类推，最后仅剩某一或某些充电单元保持工作以维持蓄电池浮充状态。
6.如权利要求4所述的大功率光伏充电系统，其特征在于所述每个充电单元中的功率开关采用以下的任一种功率IGBT全控功率器件、功率MOSFET全控功率器件、功率SCR。
7.一种大功率光伏充电系统的主电路，其特征在于包括多个充电单元，每个充电单元包括作为主功率开关的主功率晶闸管和辅助关断电路，其中主功率晶闸管串连在光伏阵列与蓄电池组的连接线路上，辅助关断电路并联在光伏阵列的两端。
8.如权利要求7所述的大功率光伏充电系统的主电路，其特征在于所述光伏阵列的正极经过主功率晶闸管与蓄电池组的正极连接，负极与蓄电池组负极相连，构成共阴极光伏充电主电路。
9.如权利要求7所述的大功率光伏充电系统的主电路，其特征在于所述光伏阵列的正极直接与蓄电池组正极相连，负极经过主功率晶闸管与蓄电池组的负极连接，构成共阳极光伏充电主电路。
10.一种如权利要求7至9任一项所述的大功率光伏充电系统的主电路的控制方法，其特征在于首先通过ADC采样电路检测蓄电池组端电压，将模拟信号转换为数字信号送入一 DSP中央处理器，以判别蓄电池组当前状态，当蓄电池组端电压低于过放电压时，判断第一充电单兀的光伏阵列电压是否大于启动电压点，若是，则向第一充电单兀的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，开通第一充电单元向蓄电池组充电，否则，判断第二充电单元的光伏阵列电压值，依次类推，同时检测蓄电池组充电电流，如果充电电流小于最小限定电流值，则再向第二单元的主功率晶闸管发出触发导通脉冲信号，使第二单元和第一单元同时向蓄电池组充电，以此类推，逐路增加开通充电单元，直至充电电流上升至最小限定值，蓄电池组电压逐步上升，当蓄电池组端电压上升至过放电压点时，再逐路开通所有剩余充电单元，系统以光伏电池阵列所能提供的最大功率向蓄电池组充电，此后，当蓄电池组端电压上升到所设定浮充电压值时，DSP中央处理器依次向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出触发导通信号，接收到触发信号的辅助关断电路被开通，则主功率晶闸管因受反压而自然关断，该充电单元停止向蓄电池组充电，蓄电池组充电电流逐渐减小，直至实际充电电流在设定范围之内，向充电单元的辅助关断电路的功率开关发出导通触发信号后，监测该单元充电电流，若电流下降至零，则向该单元的辅助关断电路的功率开关发出关断触发信号，相应辅助关断电路关闭，随后该辅助关断电路的电容所储存能量通过泄放电阻耗尽，最后电容端电压降为零，以此类推，最后仅剩某一或某些充电单元保持工作以维持蓄电池浮充状态。
全文摘要
本发明提供了一种大功率光伏充电系统，其充电主电路包括多个并联的结构完全一致的充电单元，多个充电单元的输出端均连接到蓄电池组，每个充电单元包括作为主功率开关的主功率晶闸管和辅助关断电路，其中主功率晶闸管连接在光伏阵列与蓄电池组的连接线路上，辅助关断电路并联在光伏阵列的两端，控制电路通过实时检测蓄电池组端电压来确定系统运行模式。本发明还提供了一种该系统中使用的主电路，以及该主电路的控制方法。本发明的优点在于导通损耗大大降低，使得系统成本降低及装置体积减小；辅助关断支路的使用使得充电单元可自然接入和切出，系统运行可靠性增强；通过简单的增加并联支路就可以实现容量扩充，系统控制灵活，冗余性强。
文档编号H02J7/00GK103036281SQ20121051374
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者汪海宁, 张健, 赖纪东, 苏建徽, 张国荣, 茆美琴 申请人:合肥工业大学