一种实现风力、太阳能与交流混合充电的控制系统的制作方法

本发明涉及发电技术领域，尤其一种实现风力、太阳能与交流混合充电的控制系统。

背景技术：

目前此类混合式充电系统的实现一般使用独立的风力、太阳能与交流充电器，再藉由一中央控制单元将其整合，此方式以电池充电状况为基准来决定工作模式，缺点为无法充份利用再生能源及考虑电池的三阶段充电，例如在电池过电流充电下若未降低风力或太阳能发电量将导致电池损毁，即使为避免电池损毁，以停止风力或太阳能发电的方式而非以降低发电的方式来降低充电电流，未充份利用再生能源发电，将导致所需装置的再生能源容量较需求更大。其次电池在充电电流与电压无法依循一般三阶段充电方式下，充电容量将降低，电池寿命亦易于减短。

因此，对于上述问题有必要提出一种实现风力、太阳能与交流混合充电的控制系统。

技术实现要素：

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种实现风力、太阳能与交流混合充电的控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种实现风力、太阳能与交流混合充电的控制系统，包括光伏模块、太阳能充电器功率电路、充电器功率电路、风力发电机、二极管整流子、风力发电充电器、太阳能控制器、风力发电控制器、电池充电控制器、功率平衡控制器和AC充电控制器，所述太阳能控制器内设置有MPPT控制器1，所述MPPT控制器1利用光伏模块的电压及电流计算光伏模块在最大功率点的电压命令，所述电压控制器1再利用此命令与光伏模块的电压比较并经过调整后得到PWM 1的控制电压，所述PWM 1再利用此控制电压得到太阳能充电器功率电路的开关切换信号；

所述风力发电控制器内设置有MPPT控制器2，所述MPPT控制器2利用风力发电机经过二极管整流子的电压及电流计算风力发电机在最大功率点的电压命令，电压控制器2再利用此命令与风力发电机的电压比较并经过调整后得到PWM 2的控制电压， PWM 2再利用此控制电压得到风力发电充电器功率电路的开关切换信号。

优选地，所述电池充电控制器包括充电电压控制器和充电电流控制器，所述充电电压控制器利用充电电压命令与电池电压经由比例积分控制器1调整及一限制器1后得到充电电流命令，电池电压尚未充电达到设定电压时，此限制器1用以设定最大的充电电流；电池电压接近设定电压时控制器开始进入线性区使充电电流减小，将达到电池维持在所设定的电压且使充电电流仅提供电池本身的损耗。

优选地，所述电池充电控制器的内回路为充电电流控制器，其反馈电池电流与电压回路产生的电流命令相比较后经过PI 2控制器得到一送入功率平衡控制器的控制信号V_M。

优选地，所述控制信号V_M分为两路，其中一路经由负值限制器产生AC充电器电路的PWM的控制电压(v_cona)，另一路经由一正值限制器得到一信号V_L，V_L再经由一限制器2得到信号V_L1，而V_L与V_L1的差值则得到信号V_L2，V_L1与太阳能控制器的MPPT控制器1所产生的电压命令相加后得到电压控制器1的电压命令(V_p^*)，而V_L2与风力发电控制器的MPPT控制器2所产生的电压命令相加后得到电压控制器2的电压命令(V_g^*)。

优选地，进一步包括AC充电控制器，所述AC充电控制器利用控制信号v_cona产生PWM 3的触发信号G3，PWM 3并经由一AC充电使能控制器利用电池电压决定PWM 3是否动作，AC充电使能控制器为一迟滞比较器，当电池电压低于一默认值(V_bL)时才启动PWM 3对电池充电，当电池电压被充到高于一默认值(V_bH)时便关闭PWM 3停止对电池充电。

优选地，其中，当未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，而且太阳能及风力发电的最大功率总合小于负载需求时，不足的功率由电池放电提供。

优选地，其中，未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，且当太阳能及风力所能产生的最大功率大于负载需求时，多余的功率对电池充电，而且当对电池的充电电流大于所设定的充电电流命令时，太阳能电池首先被降载，亦即偏离MPP工作点，使得太阳能加风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡，以避免电池因过度充电而损毁。

优选地，其中，当未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，但当风力所产生的最大功率即大于负载及充电功率需求时，太阳能电池被完全降载致工作于开路电压使发电量为零，风力发电大于负载的功率则对电池充电，而且当对电池的充电电流大于所设定的充电电流命令时，风力发电机亦需偏离其MPP点，使得风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡，以避免电池因过度充电而损毁。

本发明有益效果：本发明结合风力、太阳能与交流充电的控制方法，可以兼具优先使用再生能源、考虑风力发电机与太阳能光伏模块发电特性、电池三阶段充电与最小化交流输入电能等需求，具有很强的实用性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2本发明实施例的放电模式示意图；

图3本发明实施例的太阳能发电受限制的充电模式；

图4是本发明实施例的太阳能及风力发电均受限制的充电模式；

图5是本发明实施例的AC充电模式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图2至图5所示，实施案例一：如图1所示，其中AC充电可以来自市电亦或来自交流发电机，控制器主要包含太阳能控制器、风力发电控制器、电池充电控制器、功率平衡控制器与AC充电控制器等五个控制器。太阳能控制器及风力发电控制器分别用以控制光伏模块及风力发电机的电力转换，AC充电控制器用以控制AC充电功率，电池充电控制器用以控制电池的充电，而功率平衡控制器则用以平衡太阳能、风力发电、AC充电及电池等部份瞬时功率的平衡。

太阳能控制器及风力发电控制器均采用双回路控制，太阳能控制器的内回路为太阳能电池电压控制回路，风力发电控制器的内回路则为发电机电压控制回路，二者的外回路均为最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制回路用以产生内回路的电压命令以追踪太阳能电池及风力发电机的最大功率点。MPPT控制器1利用光伏模块的电压(V_p)及电流(I_p)计算光伏模块在最大功率点的电压命令(V_p^*)，电压控制器1再利用此命令与光伏模块的电压比较并经过调整后得到PWM 1的控制电压(v_conp)，PWM 1再利用此控制电压得到太阳能充电器功率电路的开关切换信号(G1)。MPPT控制器2利用风力发电机经过二极管整流子的电压(V_g)及电流(I_g)计算风力发电机在最大功率点的电压命令(V_g^*)，电压控制器2再利用此命令与风力发电机的电压比较并经过调整后得到PWM 2的控制电压(v_cong)，PWM 2再利用此控制电压得到风力发电充电器功率电路的开关切换信号(G2)。

电池充电控制器则包含充电电压控制器和充电电流控制器，充电电压控制器利用充电电压命令(V_b^*)与电池电压(V_b)经由比例积分控制器1(PI 1)调整及一限制器1后得到充电电流命令(I_b^*)，当电池电压尚未充电达到设定电压时，此限制器1用以设定最大的充电电流；当电池电压接近设定电压时控制器开始进入线性区使充电电流减小，最终将达到电池维持在所设定的电压且使充电电流仅提供电池本身的损耗。此充电方式可以达到定电流充电、定电压充电及浮充等三阶段充电的目的以增长电池的使用寿命。电池充电控制器的内回路为充电电流控制器，其反馈电池电流(I_b)与电压回路产生的电流命令(I_b^*)相比较后经过PI 2(比例积分)控制器得到一送入功率平衡控制器的控制信号V_M。V_M信号分为两路，其中一路经由负值限制器产生AC充电器电路的PWM的控制电压(v_cona)，另一路经由一正值限制器得到一信号V_L，V_L再经由一限制器2得到信号V_L1，而V_L与V_L1的差值则得到信号V_L2，V_L1与太阳能控制器的MPPT控制器1所产生的电压命令相加后得到电压控制器1的电压命令(V_p^*)，而V_L2与风力发电控制器的MPPT控制器2所产生的电压命令相加后得到电压控制器2的电压命令(V_g^*)。

AC充电控制器利用控制信号v_cona产生PWM 3的触发信号G3，PWM 3并经由一AC充电使能控制器利用电池电压决定PWM 3是否动作，AC充电使能控制器为一迟滞比较器，当电池电压低于一默认值(V_bL)时才启动PWM 3对电池充电，当电池电压被充到高于一默认值(V_bH)时便关闭PWM 3停止对电池充电。

实施案例二，针对图1结合风力、太阳能及AC充电三转换器的控制架构，可得到如图2所示的工作模式，共包含四种：(1)放电模式（如图2所示），当未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，而且太阳能及风力发电的最大功率总合小于负载需求时，不足的功率由电池放电提供。(2)太阳能发电受限制的充电模式（如图3所示），当未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，且当太阳能及风力所能产生的最大功率大于负载需求时，多余的功率对电池充电，而且当对电池的充电电流大于所设定的充电电流命令时，太阳能电池首先被降载，亦即偏离MPP工作点，使得太阳能加风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡，以避免电池因过度充电而损毁。(3)太阳能及风力发电均受限制的充电模式（如图4所示），当未接上AC充电器或电池电压高于V_bH时，仅以光伏模块及风力发电机提供电力，但当风力所产生的最大功率即大于负载及充电功率需求时，太阳能电池被完全降载致工作于开路电压使发电量为零，风力发电大于负载的功率则对电池充电，而且当对电池的充电电流大于所设定的充电电流命令时，风力发电机亦需偏离其MPP点，使得风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡，以避免电池因过度充电而损毁。(4) AC充电模式（如图5所示），当接上AC充电器对电池充电时，若此时电池电压高于V_bH时，AC充电器使能控制器不会输出信号，反之若此时电池电压低于V_bL时，AC充电器使能信号打开，若此时仍有太阳能及风力可利用，太阳能电池及风力发电机将操作在其MPP点用以尽量降低由AC充电器所提供的功率。

实施案例三：

图1的控制架构乃根据图2至图5所述的四种工作模式所设计，以下以各种再生能源的发电情况来说明图1的控制器设计如何能达到图2各个工作模式的操作要求。，在未接上AC充电器仅以太阳能电池及风力发电机提供电力的情况下，而且太阳能及风力所发电的最大功率小于负载需求时，此时不足的功率自动由电池放电提供，由于充电电流(I_b)达不到其设定值(I_b^*)，电池充电的电流控制器输出信号(V_M)将为正，经正值限制器支路的输出信号V_L为零，连带使得V_L1与V_L2均为零，因此电池的充电回路便无法影响二MPPT控制回路产生的电压命令，亦即太阳能控制器及风力发电控制器最终的电压命令乃由其MPPT控制器所决定，使得太阳能电池及风力发电机均将操作在MPP点，与图2的功率潮流吻合。

当未接上AC充电器仅以太阳能电池及风风力发电机提供电力，而且太阳能及风力所发电的最大功率大于负载需求时，多余的功率将对电池充电，当电池的充电电流(I_b)能够达到充电电压控制器所设定的充电电流命令(I_b*)时，充电电流控制器将开始朝负向发展使得V_M为负，经过限制器2后的信号V_L若未达到限制准位，则V_L1=V_L且V_L2=0，V_L1将使太阳能电池的电压命令增加使得太阳能电池首先偏离其MPP，而风力发电最大功率点控制器所计算得到的电压命令不受影响，风力发电机仍然工作在MPP，V_L1将平衡在一使得太阳能加风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡的准位上，如此可以避免电池因过度充电而减低寿命，以上系统的动作满足图3 太阳能发电受限制的充电模式功率潮流控制的需求。

上述的充电电流控制器的输出V_M若持续朝负向增加使V_L达到限制器2的限制准位时，则V_L1将等于限制值，而V_L2等于V_L扣除限制值部分，此限制值的设定为使V_L1得以将太阳能电池偏离MPP工作点且达到其开路电压，以使得太阳能电池的输出功率为零，而V_L2将使风力发电机亦偏离其MPP工作点，V_L2最终将平衡在一使得风力的发电量与负载及充电需求的总需求功率平衡的准位上。以上系统的动作满足图4太阳能及风力发电均受限制的充电模式功率潮流控制的需求。

由以上二模式系统控制器的动作可知图1控制器的设计乃优先使用风力而后太阳能，其乃考虑以下二点所作的规划：(1)太阳能电池的动态响应速度较风力发电机为快，优先对其作工作电压偏离比系统优先对风力发电机作偏离的功率响应具有较快的动态响应速度。(2)系统亦能自动满足当风力发电机未接上时的功率平衡控制。

当接上AC充电器对电池充电时，若此时电池电压若低于V_bL，AC充电器将启动PWM开始对电池充电，若此时仍有太阳能及风力可利用，前述的充电电流控制器若输出准位V_M仍为负表示太阳能及风力所发的电力已足够充电及负载需求，V_M经由负值限制器提供给AC充电器的控制电压为零，AC充电器的输入功率将为零。但当V_M为正时，表示太阳能及风力所提供的功率不足以提供负载及充电使用，此时V_L为零，太阳能及风力发电机均将操作在其MPP点用以尽量降低由AC充电器所提供的功率，而V_M的准位将平衡在一使AC充电器转换器提供的功率加上太阳能及风力的功率正好等于充电及负载需求的功率，以上系统的动作满足图4AC充电模式功率潮流控制的需求。

对于前面所提风力优先太阳能使用的设计考虑，以及接上AC充电器后的控制思路，亦适用于风力发电机并未接上的情况，在此不再赘述

本发明有益效果：本发明结合风力、太阳能与交流混合充电的控制方法，可以兼具优先使用再生能源、考虑风力发电机与太阳能光伏模块发电特性、电池三阶段充电与最小化交流输入电能等需求，具有很强的实用性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。