一种有效利用光伏发电混合储能容量的控制方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，具体的涉及有效利用光伏发电混合储能容量的控制方法。

背景技术：

随着世界能源短缺问题的日益严重，太阳能作为公认的可替代能源得到了越来越广泛的应用，其中太阳能光伏发电成为主流。作为环境友好型可再生能源光伏产业要保持快速发展，就要提高转换效率、降低成本，增强全产业链竞争力。

光伏系统中电源由气候、温度、时间、经纬度等因素影响的不稳定性，使其储能装置具有不同于其他系统的特殊性与重要性。蓄电池充放电速度慢，时间长，循环使用寿命短，能量密度高；超级电容充放电速度快，时间短，循环使用寿命长，能量密度低。两者互补，作为光伏系统的储能装置最合适不过了。

蓄电池充电存在过充、析气、充电速度慢、充电时间长及使用寿命短等问题，尽管超级电容可以互补蓄电池的不足，减少蓄电池充放电次数，但蓄电池充电控制方法不当会直接影响到光伏系统的转换效率和系统成本。如何控制蓄电池的充放电，提高系统的可靠性及系统效率和延长蓄电池使用寿命是设计蓄电池充放电控制要解决的问题。常规充电无法遵循蓄电池的固有充电曲线，不能根据工作环境的变化作出调整，一旦产生极化现象，对电池极板损害很大，或是考虑到蓄电池极化而导致充电时间更长，能源利用率低，蓄电池容量也没得到更好的利用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种有效利用光伏发电混合储能容量的控制方法，实现光伏系统直流母线电压波动小，储能装置充放电速度快，使用寿命长的目的，使混合储能装置的容量得到有效利用，降低光伏系统成本。

为实现以上目的，本发明提供下述技术方案：

一种有效利用光伏发电混合储能容量的控制方法，包括下述内容：

（1）优先给超级电容充、放电，利用超级电容可无限次充、放电，无需维护的特点，减少蓄电池充、放电次数，延长蓄电池使用寿命。

（2）蓄电池进入充、放电状态后，超级电容逐步退出充、放电，以避免超级电容充满电或放完电，节约容量等待下一次直流母线电压波动。

（3）超级电容充、放电控制采用母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充、放电电流不超过超级电容可承受的最大电流。

（4）蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、蓄电池电流内环的三闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

所述蓄电池充电采用脉冲充电方法；

所述脉冲充电方法包括下述内容：

A.蓄电池充电电压低于预设析气电压值时，直流母线电压外环起主要作用 ，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏系统中所有剩余能量；

B.当蓄电池充电电压等于预设析气电压值时，电压内环开始起作用，此时对蓄电池进行△t（0.5~1s）时间的负脉冲放电，使蓄电池电压下降，继续以放电以前的电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值，再进行△t时间的负脉冲放电，以此循环，直到充电时间间隔和放电时间间隔相同；

C.蓄电池充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段，蓄电池电压内环起主要作用。

蓄电池电流环限制充放电电流，当充放电电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充放电。

本发明混合储能充放电控制方法的有益效果是：

充分利用了蓄电池和超级电容优缺点互补的特性，提高了光伏系统直流母线电压的稳定性，保证了供电的可靠性；同时，减少了蓄电池充放电次数，改善了析气现象，提高了充电速度，最终延长蓄电池的使用寿命，提高超级电容和蓄电池的容量利用率，降低光伏系统的成本。

附图说明

图1是蓄电池组和超级电容组混合充、放电电路图；电路采用Boost/Buck升降压电路，实现能量的双向流动。

图2是超级电容充放电双闭环控制图；母线电压外环保证直流母线电压的稳定，超级电容端电压内环避免充电过压。

图3是蓄电池充放电三闭环控制图；母线电压外环保证直流母线电压的稳定，蓄电池充、放电电压内环、蓄电池电流内环避免过充、过放及析气，起到限制电压电流大小的作用。

图4是蓄电池脉冲充电原理图；在充电过程中进行负脉冲放电可以提高蓄电池对充电电流的接受能力，从而可以继续以原来的电流对蓄电池充电。

图5是蓄电池组和超级电容组混合充放电控制流程图；首先由超级电容承担直流母线电压的波动，如果母线电压还是超出预设范围再对蓄电池充放电。

图6是蓄电池脉冲充电流程图；通过判断蓄电池端电压来确定脉冲放电时刻，通过判断充电时间间隔确定进入浮充阶段。

图中，T1—第一IGBT，T2—第二IGBT，T3—第三IGBT，T4—第四IGBT； C1—蓄电池充电电流特性曲线，C2—放电后蓄电池充电电流特性曲线，ch1—第一充电电流，ch2—第二充电电流，dc—放电电流。

IGBT是绝缘栅双极性晶体管的缩写。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

图1所示，蓄电池组和超级电容组分别通过第一非隔离型双向DC/DC变换器、第二非隔离型双向DC/DC变换器并联到光伏系统直流母线上；

所述第一非隔离型双向DC/DC变换器由第一BOOST升压电路和第一BUCK降压电路组成。

所述第二非隔离型双向DC/DC变换器由第二BOOST升压电路和第二BUCK降压电路组成。

所述第一BOOST升压电路由第二IGBT T2、第一二极管D1、第一电感L1、电容C组成，所述第二BOOST升压电路由第四IGBT T4、第三二极管D3、第二电感L2、电容C组成。

所述第一BUCK降压电路由第一IGBT T1、第二二极管D2、第一电感L1组成；所述第二BUCK降压电路由第三IGBT T3、第四二极管D4、第二电感L2组成；

当第一IGBT（或第三IGBT）关断时，蓄电池（或超级电容）通过第一电感L1（或第二电感L2）、第一二极管D1（或第三二极管D3）和直流母线负载形成回路，与第一电感L1（或第二电感L2）共同作为电源为直流母线Udc供电，于此同时，给直流母线Udc并联的电容C充电；当第一IGBT（或第三IGBT）开通时，直流母线Udc与第一电感L1（或第二电感L2）、第一IGBT（或第三IGBT）形成通路，给第一电感L1（或第二电感L2）充电，直流母线Udc由电容C放电提供电能保持连续，此时第一二极管D1（或第三二极管D3）处于截止状态。蓄电池（或超级电容）输出电压与第一电感L1（或第二电感L2）共同作为电源时，直流母线电压Udc大于蓄电池（或超级电容）输出电压；

通过控制第二IGBT（或第四IGBT）的导通与关断实现充电控制。在第二IGBT（或第四IGBT）导通的时间内，直流母线侧电流流过第二IGBT（或第四IGBT）、第一电感L1（或第二电感L2）给蓄电池（或超级电容）充电。在第二IGBT（或第四IGBT）关断的时间内，直流母线没有电流流向蓄电池（或超级电容），蓄电池（或超级电容）通过第一电感L1（或第二电感L2）和第二二极管D2（或第四二极管D4）续流；

蓄电池组和超级电容组的端电压低于直流母线电压，对蓄电池和超级电容充电时就要通过控制BUCK降压电路中第一IGBT T1和第三IGBT T3的PWM占空比进行充电控制；对蓄电池和超级电容放电时就要通过控制BOOST升压电路中第二IGBT T2和第四IGBT T4的PWM占空比进行放电控制。

光伏系统直流母线电压设定上、下波动限值，光伏系统直流母线电压能在限值内波动，超出限值就要对混合储能系统进行充、放电控制，稳定直流母线电压。

优先采用超级电容充、放电，这样利用超级电容充放电的快速性，既可以提高系统反应速度，滤去直流母线较小波动，又可以减少蓄电池的充放电次数，延长蓄电池使用寿命。

超级电容充放电控制方法：

用采样电路实时采集光伏系统直流母线电压值Udc，当Udc＞Udc*+△u时，优先给超级电容充电；当Udc＜Udc*-△u时，超级电容放电。

△u=0~10V；

充、放电控制采用母线电压外环和超级电容电压内环的双闭环控制，维持直流母线电压稳定，保证充放电电流不超过超级电容可承受的最大电流，超级电容充、放电双闭环控制如图2所示。

超级电容充、放电双闭环控制原理：采样电路实时采集光伏系统直流母线电压值Udc，通过比较器与预设值Udc*进行比较，计算第一差值Udc*-Udc，将第一差值Udc*-Udc输入比例积分调节器PI进行运算获得运算结果Uc*，运算结果Uc*与采样电路实时采集的超级电容端电压Uc通过比较器进行比较，并计算超级电容端电压差值Uc*-Uc；超级电容端电压差值Uc*-Uc输入比例积分调节器PI进行运算生成脉冲波PWM，驱动第三IGBT或第四IGBT；

超级电容端电压闭环控制保证充电电压不超过额定耐压值，直流母线电压环通过控制超级电容充放电电流实现母线电压稳定的目的。

蓄电池组充、放电控制方法：

当超级电容的充电电流达到最大值且直流母线电压Udc高于给定限值Udc*+△u时，给蓄电池组充电，充电采用脉冲充电方法；

当超级电容的放电电流达到最大值且直流母线电压Udc低于给定限值Udc*-△u时，蓄电池组放电。

蓄电池充、放电控制采用直流母线电压外环和蓄电池电压内环、电流内环的三个闭环控制，维持直流母线电压稳定，控制蓄电池过放与析气。

如图3所示，蓄电池充、放电三闭环控制原理：采样电路实时采集光伏系统直流母线电压值Udc，通过比较器与预设值Udc*进行比较，获得第一差值Udc*-Udc；将第一差值Udc*-Udc输入比例积分调节器PI进行运算获得电压运算结果Ubatt*，电压运算结果Ubatt*与采样电路实时采集的蓄电池端电压Ubatt通过比较器进行比较，并计算第二差值Ubatt*- Ubatt；将第二差值Ubatt*- Ubatt输入比例积分调节器PI进行运算获得电流运算结果Ibatt*,电流运算结果Ibatt*与采样电路实时采集的蓄电池电流Ibatt通过比较器进行比较，并计算第三差值Ibatt*- Ibatt；第三差值Ibatt*- Ibatt输入比例积分调节器PI进行运算生成脉冲波PWM，驱动第一IGBT或第二IGBT；

蓄电池端电压及电流的闭环控制保证充电电压不超过析气电压值，充电电流小于蓄电池能接受的最大电流值，直流母线电压环通过控制蓄电池充放电电流实现母线电压稳定的目的 。

当蓄电池进入充、放电状态时，超级电容充、放电电流逐渐减小到零，即退出充放电状态，准备迎接下一次直流母线电压的波动。如此，利用了超级电容充放电快速性，而且避免超级电容充满电或放完电，合理分配超级电容容量，抑制母线电压的波动。

蓄电池充电电流特性曲线为指数函数曲线，蓄电池放电容量及放电深度可直接影响蓄电池充电电流接受能力。在充电过程中，当蓄电池充电电流接近充电电流特性曲线时，对蓄电池进行短暂的大电流放电，可消除极化现象，增大蓄电池对充电电流的接受能力。此时放电电流虽大，但放电容量较小，而充电电流可以提高，最终可提高充电效率及蓄电池在系统中容量的利用率。

如图4所示，蓄电池脉冲充电原理：蓄电池充电电流特性曲线C1为指数函数曲线，蓄电池充电电流ch1达到蓄电池充电电流特性曲线C1值时，蓄电池脉冲放电消除析气，蓄电池充电电流特性曲线右移为曲线C2，可继续以充电电流ch1对蓄电池充电，到下次蓄电池充电电流ch1达到蓄电池充电电流特性曲线C1值时，再次放电。直到△t＇≤△t时，蓄电池以小电流ch2进行浮充。

如图5所示，蓄电池和超级电容混合充放电控制流程：

（1）第一次采样：对直流母线电压采样获得第一直流母线电压Udc1；

（2）第一次计算：将第一直流母线电压Udc1与预设值Udc*进行比较，并计算第一直流母线电压偏差值e1=Udc*-Udc1；

（3）第一次比较：将第一直流母线电压偏差值e1与直流母线电压偏差预设值△u进行比较；

当第一直流母线电压偏差值e1＜-△u时，超级电容为充电状态；重复步骤（1）、（2）、（3）；进行第二次采样获得第二直流母线电压Udc2，进行第二次计算获得第二直流母线电压偏差值e2=Udc*-Udc2；第二次比较判断：当e2＜-△u时，蓄电池工作在充电状态；否则，蓄电池不工作；

当直流母线电压偏差值-△u≤e1≤△u时，超级电容和蓄电池组均不工作；

当直流母线电压偏差值e1＞△u时，超级电容为放电状态；重复步骤（1）、（2）、（3）；进行第二次采样获得第二直流母线电压Udc2，进行第二次计算获得第二直流母线电压偏差值e2=Udc*-Udc2；第二次比较判断：当e2＞△u时，蓄电池工作在放电状态；否则，蓄电池不工作；

通过对直流母线电压的不断检测，获得母线电压与预设电压值的关系，确定充电还是放电，优先选择超级电容充放电稳定直流母线电压，若超级电容充放电过程中检测到直流母线电压还是高于（或低于）预设值，这时蓄电池开始充电（或放电）。

蓄电池组充电采用脉冲充电方法：蓄电池充电过程中实时采集蓄电池组端电压Ubatt。

当蓄电池充电端电压Ubatt＜Ubatt*（对于12V70Ah的蓄电池， Ubatt*=14.5~14.9V）时，充、放电闭环控制中直流母线电压外环起主要作用 ，蓄电池电压内环不起作用，此时蓄电池有能力吸收光伏系统中所有剩余能量，充电电流由光伏系统剩余能量大小决定；

当蓄电池充电端电压Ubatt≥Ubatt*时，对蓄电池进行脉冲充电控制，此时蓄电池电压内环起作用，限制蓄电池端电压。

如图6所示，蓄电池脉冲充电流程：

（1）采集蓄电池端电压Ubatt；

（2）蓄电池端电压Ubatt与预设电压Ubatt*进行比较：当Ubatt＞Ubatt*时，给蓄电池△t时间的负脉冲放电；当Ubatt≤Ubatt*时，蓄电池工作在充电状态；

（3）相邻两个放电脉冲间隔时间△t＇＞△t时，蓄电池工作在充电状态；相邻两个放电脉冲间隔时间△t＇≤△t时，蓄电池工作在小电流浮充状态。

蓄电池充电过程中不断检测其端电压大小，当端电压等于或大于析气电压值时，对蓄电池进行负脉冲放电，提高蓄电池对电流接受能力，再继续以原来充电电流充电，以此循环直到蓄电池充满电，最后对蓄电池进行小电流浮充补充其自放电损失电量。

当蓄电池充电端电压Ubatt≥Ubatt*时，电压内环开始起作用，继续以放电以前的电流充电，蓄电池会产生析气，此时对蓄电池进行△t时间的负脉冲放电，蓄电池端电压下降，此时蓄电池固有充电曲线右移，即蓄电池可接受充电电流增加，然后继续可以原有电流充电，到蓄电池电压再次达到预设析气电压值Ubatt*，再进行△t负脉冲放电，以此循环；

直到充电时间△t＇(与上一次放电时间间隔)和放电△t相等，此时蓄电池接近充满，脉冲充电已充不进去，进入恒压控制的小电流浮充阶段将（12V70Ah蓄电池浮充电压通常为13.5~13.8V），蓄电池电压内环起主要作用。

在蓄电池组充电过程中负脉冲放电时，会引起直流母线电压的波动，此时利用超级电容充放电的快速性，吸收掉该波动，即吸收蓄电池组放电能量。

蓄电池电流环限制充、放电电流，当电流达到限值还是不能稳定直流母线电压，超级电容开始充、放电。

蓄电池组在光伏系统中的主要作用是：

1）光照强的时候，储存光伏系统中多余能量：

2）光照弱的时候或是没有光照的时候，释放能量。

超级电容在光伏系统中的主要作用是：

1）抑制直流母线电压的小波动及突发波动，特别是光伏发电和负载突变引起的波动；

2）在蓄电池脉冲充电期间，超级电容吸收负脉冲放电能量。