一种具有储能功能的光伏发电系统及其协调供电方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有储能功能的光伏发电系统，包括与供电母线依次连接的太阳能光伏电池、DC-DC变换器、蓄电池组；市电接入装置通过PFC功率校正电路与供电母线连接；中央控制器分别与DC-DC变换器、PFC功率校正电路、蓄电池组连接；中央控制器用于控制太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置对供电母线协同供电；本发明设计了一种结合市电、太阳能光伏电池、蓄电池组的协同供电系统及其协调供电方法，最大限度的利用太阳能，使三类电源能够协同工作向负载提供稳定的电能，同时保证在停电的情况下能够保证系统持续工作所需时间，而且能够有效的对不稳定电网进行隔离和缓冲，提高硬件设备的使用寿命。达到节省电力资源，节约电费的目的。
【专利说明】—种具有储能功能的光伏发电系统及其协调供电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能用电领域，特别涉及一种具有储能功能的光伏发电系统及其协调供电方法。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种可再生能源，具有分布广泛、干净清洁、资源无限等优点，是目前可再生能源中的重要成员。充分利用太阳能，能够减少化石燃料的使用，从而保护环境，减少污染。因此，太阳能发电技术受到了越来越多的关注。
[0003]太阳能的利用方式与类型有很多，太阳能光伏发电是其中重要一种。但是太阳能光伏发电存在一些不足，例如随着季节或气候变化而供电情况随机性强、电力供应不稳定、供电质量差等，为了保证系统的稳定性和运行效率，必须有其他的辅助能源设备进行补充功能。目前常用方法采用市电作为补充能源，这种方法会根据光伏电池的输出、负载功率关系采取措施实现市电、光伏供电的协同供电。但是，这种方式不能保证在停电的情况下仍然能够继续供电，即不能保证供电的连续性。针对这种情况，设计了市电、太阳能光伏电池、储能电池协同供电系统。
[0004]市电、光伏电池、储能电池协同供电系统的核心是根据光伏电池、负载工作状态、储能电池荷电状态，控制系统工作在合适的模式，以此来控制系统能量流。实现最大限度的利用太阳能，使三类电源能够协同工作向负载提供稳定的电能，同时保证在停电的情况下能够保证系统持续工作所需时间，而且能够有效的对不稳定电网进行隔离和缓冲，提高硬件设备的使用寿命。达到节省电力资源，节约电费的目的。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有储能功能的光伏发电系统及其协调供电方法。
[0006]本发明的目的之一是提出一种具有储能功能的光伏发电系统；本发明的目的之二是提出一种具有储能功能的光伏发电系统的协调供电方法。
[0007]本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的:
[0008]本发明提供的一种具有储能功能的光伏发电系统，包括太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置、中央控制器、DC-DC变换器、PFC功率校正电路、供电母线；
[0009]所述太阳能光伏电池通过DC-DC变换器与供电母线连接；
[0010]所述蓄电池组通过DC-DC变换器与供电母线连接；
[0011 ] 所述市电接入装置通过PFC功率校正电路与供电母线连接；
[0012]所述中央控制器分别与DC-DC变换器、PFC功率校正电路、蓄电池组连接；
[0013]所述中央控制器用于按以下方式控制太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置对供电母线协同供电:
[0014]设置太阳能光伏电池对供电母线进行优先供电；
[0015]在夜晚或者光照不足情况下通过市电接入装置接入市电对供电母线进行补充供电；
[0016]在市电及太阳能光伏电池均不能正常供电的情况下接入蓄电池组对供电母线进行补充供电。
[0017]进一步，还包括负载DC-DC变换器和负载DC-AC变换器；
[0018]所述负载DC-DC变换器一端与供电母线连接，另一端与直流负载连接；
[0019]所述负载DC-AC变换器一端与供电母线连接，另一端与交流负载连接。
[0020]进一步，还包括电压检测电路和充电电路；
[0021]所述电压检测电路用于检测蓄电池组的电压并将电压信号输入到中央控制器中；
[0022]所述充电电路用于接收中央控制器输入的充电控制信号并对蓄电池组进行充电。
[0023]进一步，还包括电压电流检测电路，所述电压电流检测电路用于获取太阳能光伏电池的电信号并将电信号输入到中央控制器中。
[0024]进一步，所述PFC功率校正电路采用平均电流控制方式下BoostPFC控制电路，所述BoostPFC控制电路包括电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、开关管Q和PWM电路；
[0025]所述电压误差放大器VA控制PFC的输出电压，输出信号与输入整流电压米样的乘积作为基准电流；
[0026]高频的输入电流信号在采样后，被电流误差放大器平均化处理，电流误差放大器CA的输出信号与锯齿波信号比较后给开关管Q提供驱动信号，控制输入电流与输入电压同相位。
[0027]本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的:
[0028]本发明提供的一种具有储能功能的光伏发电系统的协同供电控制方法，包括以下步骤:
[0029]S1:上电初始化控制参数；
[0030]S2:检测太阳能光伏电池的输出电压与电流；
[0031]S3:根据输出电压与电流采用基于扰动法的MPPT技术得到太阳能电池阵列的最大输出功率Po ；
[0032]S4:如果最大输出功率Po大于负载所需功率Pltjad,则启动充电器对蓄电池组进行充电；
[0033]S5:如果最大输出功率Po小于负载所需功率PlMd，则检测蓄电池组剩余容量；
[0034]S6:如果剩余容量大于70%，启动第一继电器J1，接入蓄电池进行供电；
[0035]S7:如果剩余容量低于70%，启动第二继电器J2，接入市电进行供电。
[0036]进一步，所述启动继电器J2后还包括以下步骤:
[0037]S71:启动波形发生器产生驱动信号；
[0038]S72 =PFC功率校正电路接收驱动信号并进行工作得到Pa。；
[0039]S73:判断Pa。是否大于零，如果否，则在最大输出功率Po和Pa。为零时，返回步骤S6 ；
[0040]S74:如果是，则启动定时器，返回步骤S3。
[0041]本发明的有益效果在于:本发明设计了一种结合市电、太阳能光伏电池、蓄电池组的协同供电系统及其协调供电方法，能够满足不同负载的供电需求，既能提高能量的利用效率，还具有供电稳定、不间断供电的特性。
[0042]本发明以太阳能光伏电池为供电优先模式，以太阳能供电为主，在夜晚或者阴雨天等光照不足情况下适当进行市电补充供电，蓄电池作为后备储能电源，在市电及太阳能电池均不能正常供电的情况下工作。在正常情况下市电、蓄电池绝大部分时间与系统完全物理隔离，市电的不稳定及停电状态不影响系统的稳定供电，需要市电供电时，经PFC功率校正电路对系统供电,通过充电电路对蓄电池充电。
[0043]实现最大限度的利用太阳能，使三类电源能够协同工作向负载提供稳定的电能，同时保证在停电的情况下能够保证系统持续工作所需时间，而且能够有效的对不稳定电网进行隔离和缓冲，提高硬件设备的使用寿命。达到节省电力资源，节约电费的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0045]图1为本发明实施例提供的系统整体框架示意图；
[0046]图2为本发明实施例提供的平均电流控制方式下控制电路图；
[0047]图3为本发明实施例提供的DC-DC变换器主电路图；
[0048]图4为本发明实施例提供的蓄电池供能示意图；
[0049]图5为本发明实施例提供的各种供能源间切换情况I示意图；
[0050]图6为本发明实施例提供的各种供能源间切换情况2示意图；
[0051]图7为本发明实施例提供的各种供能源间切换情况3示意图；
[0052]图8为本发明实施例提供的各种供能源间切换情况4示意图；
[0053]图9为本发明实施例提供的各种供能源间切换情况5示意图；
[0054]图10为本发明实施例提供的控制电路原理图；
[0055]图11为本发明实施例提供的整个系统的控制流程图。
【具体实施方式】
[0056]以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0057]实施例1
[0058]如图1-图11所示:本发明提供的一种具有储能功能的光伏发电系统，包括太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置、中央控制器、DC-DC变换器、PFC功率校正电路、供电母线.-^4 ，
[0059]所述太阳能光伏电池通过DC-DC变换器与供电母线连接；
[0060]所述蓄电池组通过DC-DC变换器与供电母线连接；
[0061 ]所述市电接入装置通过PFC功率校正电路与供电母线连接；
[0062]所述中央控制器分别与DC-DC变换器、PFC功率校正电路、蓄电池组连接；
[0063]所述中央控制器用于按以下方式控制太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置对供电母线协同供电:
[0064]设置太阳能光伏电池对供电母线进行优先供电；
[0065]在夜晚或者光照不足情况下通过市电接入装置接入市电对供电母线进行补充供电；
[0066]在市电及太阳能光伏电池均不能正常供电的情况下接入蓄电池组对供电母线进行补充供电。
[0067]还包括负载DC-DC变换器和负载DC-AC变换器；
[0068]所述负载DC-DC变换器一端与供电母线连接，另一端与直流负载连接；
[0069]所述负载DC-AC变换器一端与供电母线连接，另一端与交流负载连接。
[0070]还包括电压检测电路和充电电路；
[0071]所述电压检测电路用于检测蓄电池组的电压并将电压信号输入到中央控制器中；
[0072]所述充电电路用于接收中央控制器输入的充电控制信号并对蓄电池组进行充电。
[0073]还包括电压电流检测电路，所述电压电流检测电路用于获取太阳能光伏电池的电信号并将电信号输入到中央控制器中。
[0074]所述PFC功率校正电路采用平均电流控制方式下BoostPFC控制电路，所述BoostPFC控制电路包括电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、开关管Q和PWM电路；
[0075]所述电压误差放大器VA控制PFC的输出电压，输出信号与输入整流电压米样的乘积作为基准电流；
[0076]高频的输入电流信号在采样后，被电流误差放大器平均化处理，电流误差放大器CA的输出信号与锯齿波信号比较后给开关管Q提供驱动信号，控制输入电流与输入电压同相位。
[0077]本实施例还提供了一种具有储能功能的光伏发电系统的协同供电控制方法，包括以下步骤:
[0078]S1:上电初始化控制参数；
[0079]S2:检测太阳能光伏电池的输出电压与电流；
[0080]S3:根据输出电压与电流采用基于扰动法的MPPT技术得到太阳能电池阵列的最大输出功率Po ；
[0081]S4:如果最大输出功率Po大于负载所需功率Plrad,则启动充电器对蓄电池组进行充电；
[0082]S5:如果最大输出功率Po小于负载所需功率PlMd，则检测蓄电池组剩余容量；
[0083]S6:如果剩余容量大于70%，启动第一继电器J1，接入蓄电池进行供电；
[0084]S7:如果剩余容量低于70%，启动第二继电器J2，接入市电进行供电。
[0085]所述启动继电器J2后还包括以下步骤:
[0086]S71:启动波形发生器产生驱动信号；
[0087]S72 =PFC功率校正电路接收驱动信号并进行工作得到Pa。；
[0088]S73:判断Pa。是否大于零，如果否，则在最大输出功率Po和Pa。为零时，返回步骤S6 ；
[0089]S74:如果是，则启动定时器，返回步骤S3。
[0090]实施例2
[0091]本实施例与实施例1的区别仅在于:
[0092]根据供电系统面向的负载多样性，既有交流，也有直流，而且所需电压不同，因此，本实施例采用基于母线结构设计。这种结构能够兼顾各种负载的不同供电要求，利于系统的扩展，也利于系统在不同场合下的应用，适用面广。太阳能光伏电池、市电、蓄电池组作为能量源经过各自的变换器提供统一的输出标准向母线供电，各种负载通过DC-DC变换器、DC-AC变换器从母线接收能量。控制器作为系统的核心，根据负载用电情况和太阳能电池的输出情况，完成三种能量源的供能切换。整个系统由太阳能光伏电池、中央控制器、DC-DC变换器、蓄电池组、逆变器组成。
[0093]市电供电部分采用PFC变换器。常用的BoostPFC的输出电压通常为380V-400V，本实施例选择380V作为PFC的输出电压，也即母线电压。
[0094]如图2所示为平均电流控制方式下控制电路图，这种BoostPFC变换器由误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA和PWM电路组成。电压误差放大器控制PFC的输出电压，使输出电压稳定，其输出信号与输入整流电压采样的乘积作为基准电流；高频的输入电流信号在采样后，被电流误差放大器平均化处理，电流误差放大器的输出信号与锯齿波信号比较后给开关管Q提供驱动信号，控制输入电流与输入电压同相位，并接近为正弦，从而达到功率校正的目的。
[0095]太阳能光伏电池供电部分可以由单块光伏电池串联、并联或者串并联组合而成。在光伏电池全部并联的情况下，如果其中某一块光伏电池出现故障而开路，则其他光伏电池不会受影响，保证了系统的可靠性。因此本实施例采用将光伏电池全部并联的方式组成一个光伏阵列。
[0096]目前，单块的光伏电池的输出电压较低，开路电压一般不超过50V，为了输出稳定的380V直流电，这就要求DC-DC变换器具有很高的升压比。由于本系统的升压比较大，如果采用DC-DC变换器中的Boost变换器，根据计算可知要求占空比要超过0.9。这使得Boost变换器很难设计。如果采用常用大功率的全桥直流变换器，这就要求变压器的初级绕组和次级绕组匝数比很大，匝数比大会使得变压器漏感变大，从而使得变压器的设计变难。因此，常用的单极式变换器不能很好的满足此处的设计要求，因此设计了两级式变换器。其由稳压环节和不调压的直流变压器部分组成。其中稳压环节使两级式直流变换器的输出电压保持稳定，不调压的直流变压器则起电压转换和电气隔离的作用。为了充分利用Boost变换器和全桥直流变换器的优点，DC-DC变换器采用Boost变换器和ZVS全桥直流变换器的两级式结构。Boost变换器为稳压环节，ZVS全桥直流变换器为不调压的直流变换器。
[0097]图3为DC-DC变换器主电路图，Boost变换器的输出电压越高，占空比会越大，Boost的开关管和二极管的电压应力也会越高；全桥直流变压器的升压比会降低，变压器的设计容易满足谐振电感的要求。Boost变换器的输出电压越低，占空比会越小，Boost的开关管和二极管电压应力也会降低；全桥直流变压器的升压比会升高，变压器的设计难以满足谐振电感的要求。因此，综合上述两点，Boost变换器将太阳能电池的输出电压升到10V左右，全桥直流变压器在将Boost变换器的输出电压升到380V。由于Boost变换器的输入电压和输出电压相差不大，可以使得Boost变换器的效率较高。全桥直流变换器采用移相控制可以实现开关管的软开关，并且它是开环工作，所以全桥直流变压器的效率可以达到很高。
[0098]蓄电池组供电部分，本实施例采用单块蓄电池串联的方式进行连接。
[0099]蓄电池组在整个系统中起着存储多余能量，补充供能，并保证在市电和太阳能均不能正常供电的情况下进行不间断供电的作用。根据太阳能电池输出功率、负载大小、蓄电池剩余电量状态，存在如下三种情况:
[0100]1.太阳能电池阵列输出功率大于负载所需功率，此时多余能量由太阳能经母线给蓄电池组充电。
[0101]2.太阳能电池阵列输出功率不足以提供负载所需功率，此时优先由蓄电池组供能，当蓄电池组剩余电量低于70%时,接入市电。
[0102]3.当太阳能电池及市电均无法供能时，由蓄电池组进行单独供电，并在太阳能电池及市电恢复正常时启动充电。
[0103]本实施例中蓄电池一部分容量起缓冲作用。当太阳能供能充足的时候，对蓄电池进行充电，此时，蓄电池存储多余的电能，当光照不足时候，则补充供电。但是，在太阳能电池和市电正常情况下，蓄电池始终保持70%剩余电量。从而保证在市电和太阳能电池均无法工作情况下能够保证系统正常工作。
[0104]由蓄电池的输出特性通过测量蓄电池组的输出电压来确定其容量。从而产生相应PWM信号控制DC-DC变换器与充电器工作，从而完成供能与充电供能。
[0105]为了确保系统正常供电，最大限度的利用太阳能，达到节约电能的目的，需要根据太阳能电池的放电状态，负载大小在各种供能源间完成切换。总结起来，有如下四种情况:
[0106]情况1:当日照充足，太阳能光伏电池输出功率大于负载功率时，此时市电与蓄电池组不工作，负载所需电能完全由光伏供电部分提供，并将多余电能存储在蓄电池组中。如下所示。
[0107]情况2:当日照不足，太阳能光伏电池输出功率小于负载功率时，此时市电不工作，但是蓄电池组中剩余容量大于70%，此时负载所需电能由光伏供电和蓄电池组联合提供。如下所示。
[0108]情况3:当蓄电池持续供电到剩余电量低于70%时候，蓄电池停止工作，此时PFC工作，市电接入。负载所需电能由太阳能电池和市电提供。如下所示。
[0109]情况4:当在夜晚等没有光照的情况下，太阳能电池不工作，负载所需能量完全由市电提供。如下所示。
[0110]情况5:当市电因故障停止，而太阳能又不足以提供负载所需电能时，此时蓄电池接入工作，保证系统能够正常工作。如下所示。
[0111]如图11所示，MCU控制器作为整个控制系统的核心，主要完成了如下工作:
[0112](I)MCU米样太阳能光伏电池的输出电压、输出电流，并基于此产生PWM波开关信号，作用于MPPT控制器，使得太阳能光伏电池始终处于最大输出功率。
[0113](2)对比负载大小与太阳能光伏电池的最大输出功率，确定是否需要接入市电。并通过波形发生器控制PFC变换器完成单相220VAC到直流380V的转换。
[0114](3)采样蓄电池组开路电压，判断是否需要进行充电。并在市电停止、太阳能光伏电池输出功率不足以提供负载所需电能时，接入蓄电池组，通过DC-DC变换器向直流母线供能。
[0115]由于太阳能光伏电池的输出受光照强度和温度影响，其输出电压与电流并不是线性关系，而是存在着一个功率最大点M，而最大功率跟踪技术MPPT就是要找到太阳能电池的最大功率点。在检测出太阳能最大功率的前提下，然后比较输出功率与负载功率大小，决定是否需要市电进行补充供电。
[0116]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的精神和范围。
【权利要求】
1.一种具有储能功能的光伏发电系统，其特征在于:包括太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置、中央控制器、DC-DC变换器、PFC功率校正电路、供电母线； 所述太阳能光伏电池通过DC-DC变换器与供电母线连接； 所述蓄电池组通过DC-DC变换器与供电母线连接； 所述市电接入装置通过PFC功率校正电路与供电母线连接； 所述中央控制器分别与DC-DC变换器、PFC功率校正电路、蓄电池组连接； 所述中央控制器用于按以下方式控制太阳能光伏电池、蓄电池组、市电接入装置对供电母线协同供电: 设置太阳能光伏电池对供电母线进行优先供电； 在夜晚或者光照不足情况下通过市电接入装置接入市电对供电母线进行补充供电；在市电及太阳能光伏电池均不能正常供电的情况下接入蓄电池组对供电母线进行补充供电。
2.根据权利要求1所述的具有储能功能的光伏发电系统，其特征在于:还包括负载DC-DC变换器和负载DC-AC变换器； 所述负载DC-DC变换器一端与供电母线连接，另一端与直流负载连接； 所述负载DC-AC变换器一端与供电母线连接，另一端与交流负载连接。
3.根据权利要求1所述的具有储能功能的光伏发电系统，其特征在于:还包括电压检测电路和充电电路； 所述电压检测电路用于检测蓄电池组的电压并将电压信号输入到中央控制器中； 所述充电电路用于接收中央控制器输入的充电控制信号并对蓄电池组进行充电。
4.根据权利要求1所述的具有储能功能的光伏发电系统，其特征在于:还包括电压电流检测电路，所述电压电流检测电路用于获取太阳能光伏电池的电信号并将电信号输入到中央控制器中。
5.根据权利要求1所述的具有储能功能的光伏发电系统，其特征在于:所述PFC功率校正电路采用平均电流控制方式下Boost PFC控制电路，所述BoostPFC控制电路包括电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、开关管Q和PWM电路； 所述电压误差放大器VA控制PFC的输出电压，输出信号与输入整流电压米样的乘积作为基准电流； 高频的输入电流信号在采样后，被电流误差放大器平均化处理，电流误差放大器CA的输出信号与锯齿波信号比较后给开关管Q提供驱动信号，控制输入电流与输入电压同相位。
6.一种具有储能功能的光伏发电系统的协同供电控制方法，其特征在于:包括以下步骤: 51:上电初始化控制参数； 52:检测太阳能光伏电池的输出电压与电流； S3:根据输出电压与电流采用基于扰动法的MPPT技术得到太阳能电池阵列的最大输出功率Po ； S4:如果最大输出功率Po大于负载所需功率PlMd，则启动充电器对蓄电池组进行充电； 55:如果最大输出功率Po小于负载所需功率PlMd，则检测蓄电池组剩余容量； 56:如果剩余容量大于70%，启动第一继电器Λ，接入蓄电池进行供电； 57:如果剩余容量低于70%，启动第二继电器J2，接入市电进行供电。
7.根据权利要求1所述的具有储能功能的光伏发电系统的协同供电控制方法，其特征在于:所述启动继电器J2后还包括以下步骤: 571:启动波形发生器产生驱动信号； 572:PFC功率校正电路接收驱动信号并进行工作得到光伏电池输出功率Pa。；573:判断Pa。是否大于零，如果否，则在最大输出功率Po和Pa。为零时，返回步骤S6 ； 574:如果是，则启动定时器，返回步骤S3。
【文档编号】H02S10/20GK104320048SQ201410609713
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】廖孝勇, 孙棣华, 王观勇 申请人:重庆大学