一种共用铝电极的太阳能电池‑超级电容器件的充放电电路及其控制方法与流程

本发明涉及一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术：

随着当前社会能源、环境等问题的日益严重，太阳能等可再生能源受到人们的广泛关注。近年来，光伏发电站建设规模不断扩大，光伏发电并网的电能质量问题成为研究热点。由于光伏发电输出功率是随光照强度、温度等外界环境因素的改变而变化的，光伏发电具有间歇性和随机性的特点，严重影响了电网运行的稳定性和电能质量。为了平抑光伏输出功率的波动，学界提出了光伏-储能系统，通过将光伏发电多余的能量储存在储能设备中，在光伏发电受到光照等外界环境因素影响而发生波动时，储能设备释放能量稳定光伏输出功率波动，从而抑制光伏并网发电对电网造成的危害。

现有的技术中主要研究了相互独立的两个器件，即太阳能电池和超级电容之间的充放电控制方法。专利号cn201610957635.x“一种利用超级电容镇定直流母线的电动汽车光伏充电站”通过在太阳能电池和超级电容间连接dc-dc变换器，利用控制电路调节dc-dc变换器，从而调节超级电容的充放电达到镇定直流母线电压的目的。上述专利只是针对太阳能电池和超级电容两个独立的器件，研发了太阳能电池与超级电容间的充放电控制，并不适用于本发明中的共用铝电极的太阳能电池-超级电容三端口器件。而且在外界环境突变时，如云层飘过遮挡太阳，光照强度突然变弱的情况下，上述专利的dc-dc变换器不能及时完成充电和放电两种工作状态的转换，导致并网点出现短时的快速功率波动。

因此，综合考虑共用铝电极的太阳能电池-超级电容三端口器件的新颖性和光伏发电随外界环境突变的特性，通过引入由太阳能电池发电功率预测单元控制的充电启动开关和放电启动开关，在突变时刻之前及时转换充放电状态的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法亟待开发。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，创新研发了一种太阳能电池-超级电容三端口器件的充放电电路及其控制方法，依靠短时光伏预测输出功率与预计光伏输出功率的比较，提前转换超级电容充放电状态，在外界环境变化的情况下，使光伏发电系统仍然有平稳的功率输出。

一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法的具体技术方案如下：

一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法，包括太阳能电池-超级电容器件、充电回路、放电回路和控制电路，太阳能-超级电容器件将太阳能电池的铝电极同时作为超级电容的阳极衬底，把太阳能电池和超级电容融合为一个三端口器件，从共用铝电极处引出端口1，太阳能电池正极引出端口2，超级电容的阴极引出端口3；充电回路包括二极管、关系运算模块1和理想开关，放电回路包括boost变换器、关系运算模块2和理想开关；控制回路包括反馈电路、比较器、pi调节器、限幅器、pwm调制器和太阳能电池输出功率预测单元；

充电回路通过太阳能电池-超级电容器件的端口3依次连接关系运算模块1、理想开关、充电二极管和端口2构成；

放电回路通过太阳能电池-超级电容器件的端口1和端口3接boost变换器，经过控制回路输出的开关信号，控制开关管的通断，实现对超级电连容的放电；

控制回路由两部分构成，第一部分通过检测单元获得直流母线电压值和电流值，将直流母线电压值与参考值进行比较，所得偏差经pi调节器获得电流参考值，再将检测单元获得的电流值与参考值进行比较，依次经过pi调节器、限幅器和pwm调制器获得开关信号，对boost变换器进行控制，从而实现超级电容放电，另一部分通过将天气数据输入到太阳能电池输出功率预测单元，所得太阳能电池输出功率，以及预计光伏输出功率，同时输入到关系运算模块，控制充电启动开关和放电启动开关。

充电启动开关和放电启动开关由理想开关和关系运算模块构成；理想开关的功能是输入高电平时导通，输入低电平时关断；关系运算模块的逻辑判断条件分为两种，一种是充电启动开关中的关系运算模块1，输入值大于设定值时输出高电平，理想开关导通，充电回路开始工作，输入值小于或等于设定值时输出低电平，理想开关关断，充电电路停止工作；另一种是放电启动开关中的关系运算模块2，输入值小于设定值时输出高电平，理想开关导通，放电电路开始工作，输入值大于或等于设定值时输出低电平，理想开关关断，放电回路停止工作。

一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路的控制方法，其步骤如下：

(1)首先将预计光伏输出功率作为关系运算模块的设定值，关系运算模块1的设定值是1.05，关系运算模块2的设定值是0.95，设定直流母线电压参考值，再根据气象局天气数据，通过太阳能电池预测功率单元预测出太阳能电池输出功率；

(2)将分别输入到关系运算模块1和关系运算模块2，与进行比较；对于关系运算模块1，若，关系运算模块1输出高电平至理想开关，理想开关导通，充电回路开始工作；若，关系运算模块1输出低电平至理想开关，理想开关关断，充电回路停止工作；对于关系运算模块2，若，关系运算模块2输出高电平至理想开关，理想开关导通，放电回路开始工作；若，关系运算模块2输出低电平至理想开关，理想开关关断，放电回路停止工作；

(3)当充电回路开始工作时，太阳能电池经充电二极管直接向超级电容充电，直到，充电启动开关关断，停止充电；当放电回路开始工作时，通过检测单元获得直流母线电压值和电流值，将此时的与直流母线电压参考值比较求差，所得偏差信号经pi调节器后产生电流参考值再与检测的电容电流比较求差，偏差信号经pi调节器和限幅器后进入调制器，产生开关信号，用于控制boost变换器开关管的通断，从而控制超级电容放电；通过对太阳能电池和超级电容间充电和放电两种工作状态的转换，可以在太阳能电池输出功率因外界环境突变的影响而发生骤升或骤降时，将多余的能量储存在超级电容或由超级电容回馈能量，同时恒定直流母线电压，以稳定、平滑太阳能电池输出功率的波动。

本发明的有益效果：

本发明采用的一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法，不仅设计了适用于新颖的太阳能电池-超级电容三端口的一体化器件的充放电电路，还通过相应控制方法控制超级电容充放电，有效地抑制因光照、温度变化情况下光伏发电并网后产生的不利影响，达到削峰填谷和调节光伏发电并网的电能质量，同时利用太阳能电池功率预测单元提前获取功率波动信息，并控制充电启动开关和放电启动开关，使其能够在天气突变的情况下，及时地切换超级电容的充放电状态。

附图说明

图1为本发明的一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法的原理框图。

图2为本发明的一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法的流程图。

具体实施方式

在某居民小区的光伏屋顶安装了带有共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的光伏并网系统，采用的一种共用铝电极的太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法如图1所示：包括太阳能电池-超级电容器件、充电回路、放电回路和控制电路，太阳能-超级电容器件将太阳能电池的铝电极同时作为超级电容的阳极衬底，把太阳能电池和超级电容融合为一个三端口器件，从共用铝电极处引出端口1，太阳能电池正极引出端口2，超级电容的阴极引出端口3；充电回路包括二极管、关系运算模块1和理想开关，放电回路包括boost变换器、关系运算模块2和理想开关；控制回路包括反馈电路、比较器、pi调节器、限幅器、pwm调制器和太阳能电池输出功率预测单元。

在晴天，没有云层遮挡的情况下，光照强度可以达到1000以上，此时，满足关系运算模块1的逻辑判断条件，关系运算模块1输出高电平至理想开关，理想开关1导通，充电回路开始工作，太阳能电池通过太阳能电池-超级电容器件的端口1和端口2向居民楼供电，多余的电能通过端口3连接关系运算模块1、理想开关和充电二极管构成的充电回路对超级电容充电；而此时不满足关系运算模块2的逻辑判断条件，关系运算模块2输出低电平，理想开关2关断，放电回路不工作。

当有云层遮挡太阳光时，光照强度处于800~1000，此时，不满足关系运算模块1和关系运算模块2的逻辑判断条件，关系运算模块1和关系运算模块2均输出低电平，理想开关1和理想开关2同时关断，充电回路和放电回路都不工作，太阳能电池仅向居民楼供电。

阴天时，光照强度小于800，，不满足关系运算模块1的逻辑判断条件，关系运算模块1输出低电平至理想开关1，理想开关1关断，充电回路不工作，而关系运算模块2的逻辑判断条件成立，输出高电平至理想开关2，理想开关2导通，放电回路开始工作。

图2为太阳能电池-超级电容器件的充放电电路及其控制方法的流程图，其步骤如下：

(1)首先将预计光伏输出功率作为关系运算模块的设定值，关系运算模块1的设定值是，关系运算模块2的设定值是，设定直流母线电压参考值，再根据气象局天气数据，通过太阳能电池预测功率单元预测出太阳能电池输出功率；

(2)将分别输入到关系运算模块1和关系运算模块2，与进行比较；对于关系运算模块1，若，关系运算模块1输出高电平至理想开关，理想开关导通，充电回路开始工作；若，关系运算模块1输出低电平至理想开关，理想开关关断，充电回路停止工作；对于关系运算模块2，若，关系运算模块2输出高电平至理想开关，理想开关导通，放电回路开始工作；若，关系运算模块2输出低电平至理想开关，理想开关关断，放电回路停止工作；

(3)当充电回路开始工作时，太阳能电池经充电二极管直接向超级电容充电，直到，充电启动开关关断，停止充电；当放电回路开始工作时，通过检测单元获得直流母线电压值和电流值，将此时的与直流母线电压参考值比较求差，所得偏差信号经pi调节器后产生电流参考值，再与检测的电容电流比较求差，偏差信号经pi调节器和限幅器后进入调制器，产生开关信号，用于控制boost变换器开关管的通断，从而控制超级电容放电；通过对太阳能电池和超级电容间充电和放电两种工作状态的转换，可以在太阳能电池输出功率因外界环境突变的影响而发生骤升或骤降时，将多余的能量储存在超级电容或由超级电容回馈能量，同时恒定直流母线电压，以稳定、平滑太阳能电池输出功率的波动。