一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)及方法，首先獲取太陽能光伏電池的最大輸出功率和負載所需功率；如果最大輸出功率大于負載所需功率，則啟動太陽能光伏電池供電并為蓄電池組充電；如果小于啟動蓄電池供電或啟動市電供電。本發(fā)明將太陽能光伏電池、市電、蓄電池組作為能量源經(jīng)過各自的變換器提供統(tǒng)一的輸出標準向母線供電，各種負載通過DC-DC變換器、DC-AC變換器從母線接收能量?；谀妇€結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠滿足供電系統(tǒng)中各種各樣的負載，包括交流負載或直流負載，甚至電壓不同的負載，因此，這種結(jié)構(gòu)能夠兼顧各種負載的不同供電要求，利于系統(tǒng)的擴展，也利于系統(tǒng)在不同場合下的應(yīng)用，適用面廣。
【專利說明】—種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲能電池的協(xié)同供電領(lǐng)域，特別涉及一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為一種可再生能源，具有分布廣泛、干凈清潔資源無限等優(yōu)點，是目前新能源中的重要成員。充分利用太陽能，能夠減少化石燃料的使用，從而保護環(huán)境，減少污染。因此，太陽能技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，各種應(yīng)用方式蓬勃興起。
[0003]太陽能的利用方式與類型有很多，太陽能光伏發(fā)電是其中重要一種。但是太陽能光伏發(fā)電存在一些不足，例如隨著季節(jié)或氣候變化而供電情況隨機性強、電力供應(yīng)不穩(wěn)定、供電質(zhì)量差等，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率，必須有其他的輔助能源設(shè)備進行補充功能。目前常用方法采用市電作為補充能源，這種方法會根據(jù)光伏電池的輸出、負載功率關(guān)系采取措施實現(xiàn)市電、光伏供電的協(xié)同供電。但是，這種方式不能保證在停電的情況下仍然能夠繼續(xù)供電，即不能保證供電的連續(xù)性。
[0004]因此，需要一種能夠?qū)⑹须姟⑻柲芄夥姵?、儲能電池協(xié)同供電的系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)⑹须姟⑻柲芄夥姵?、儲能電池協(xié)同供電的系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明的目的之一是提出一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)；本發(fā)明的目的之二是提出一種市電、光伏電池、儲能電池協(xié)同供電方法。
[0007]本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供的一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，包括太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端、中央控制器、太陽能DC-AC變換器、蓄電池組DC-AC變換器、功率校正器PFC、母線；
[0009]所述太陽能光伏電池通過太陽能DC-AC變換器與母線供電連接；
[0010]所述蓄電池組通過蓄電池組DC-AC變換器與母線供電連接；
[0011 ] 所述市電接入端通過功率校正器PFC與母線供電連接；
[0012]所述中央控制器分別與太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端連接，所述中央控制器用于通過獲取太陽能光伏電池的放電狀態(tài)、蓄電池組剩余電量狀態(tài)以及負載功率大小并進行比較后對太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端的切換過程進行控制。
[0013]進一步，還包括蓄電池組充電電路、蓄電池組電壓檢測裝置、太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置、MPPT控制模塊、第一啟動繼電器、第二啟動繼電器；
[0014]所述蓄電池組充電電路，用于為蓄電池組充電；
[0015]所述蓄電池組電壓檢測裝置，用于檢測蓄電池組的開路電壓值并將開路電壓值輸入到中央控制器中；[0016]所述太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置，用于檢測太陽能光伏電池的電流和電壓值；
[0017]所述MPPT控制模塊，用于獲取太陽能光伏電池的最大輸出功率Po并將最大輸出功率Po輸入到中央控制器中；
[0018]所述第一啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接蓄電池組與負載的供電電路；
[0019]所述第二啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接功率校正器PFC與母線。
[0020]進一步，所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊、負載功率檢測模塊、第一判斷模塊、第二判斷模塊、太陽能光伏電池供電啟動模塊；
[0021]所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊，用于初始化控制系統(tǒng)；
[0022]所述負載功率檢測模塊，用于獲取負載所需功率Pload ；
[0023]所述第一判斷模塊,用于判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload ；
[0024]所述第二判斷模塊，用于判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值；
[0025]所述太陽能光伏電池供電啟動模塊，用于接收從太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置輸出的太陽能光伏電池的電流和電壓值，并產(chǎn)生PWM波開關(guān)信號輸入到MPPT控制模塊。
[0026]進一步，所述功率校正器PFC采用Boost PFC控制電路。
[0027]進一步，所述太陽能DC-AC變換器采用兩級式DC-DC變換器電路。
[0028]本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0029]本發(fā)明提供的一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)的協(xié)同供電方法，包括以下步驟:
[0030]S1:初始化控制系統(tǒng)；
[0031]S2:獲取太陽能光伏電池的輸出電壓與電流，采用基于擾動法的MPPT控制方法得到太陽能光伏電池的最大輸出功率Po ；
[0032]S3:獲取負載所需功率Pload ；
[0033]S4:判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload，如果是，則啟動太陽能光伏電池供電，并為蓄電池組充電；
[0034]S5:如果否，則檢測蓄電池組的剩余容量，判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值，如果是，則啟動蓄電池供電；
[0035]S6:如果否，則接入市電為蓄電池組進行充電，同時啟動市電供電。
[0036]進一步，所述MPPT控制方法具體步驟如下:
[0037]S21:采樣太陽能光伏電池的輸出電壓與電流并計算得到當前輸出功率Pl ；
[0038]S22:在初始輸出電壓V的基礎(chǔ)上增加擾動電壓AV，形成擾動參考輸出電壓V+Λ V，再測量擾動功率值，并將擾動功率值與擾動之前功率值進行比較，如果擾動功率值增加，則表示參考電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原來的擾動；
[0039]S23:如果擾動功率值減小，則表示參考電壓擾動方向有誤，需要朝相反方向擾動；
[0040]S24:產(chǎn)生控制信號作用于控制器，往復(fù)執(zhí)行上述步驟直到找到最大輸出功率Po。
[0041]進一步，所述蓄電池組的蓄電池組容量閾值是通過測量開路電壓獲得的蓄電池組容量的65-75%的剩余電量。
[0042]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明將太陽能光伏電池、市電、蓄電池組作為能量源經(jīng)過各自的變換器提供統(tǒng)一的輸出標準向母線供電，各種負載通過DC-DC變換器、DC-AC變換器從母線接收能量?；谀妇€結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠滿足供電系統(tǒng)中各種各樣的負載，包括交流負載或直流負載，甚至電壓不同的負載，因此，這種結(jié)構(gòu)能夠兼顧各種負載的不同供電要求，利于系統(tǒng)的擴展，也利于系統(tǒng)在不同場合下的應(yīng)用，適用面廣。
[0043]根據(jù)負載用電情況和太陽能電池的輸出情況，在中央控制器在協(xié)調(diào)控制下，完成三種能量源的供能切換。控制系統(tǒng)由蓄電池進行供電，保證整個系統(tǒng)即使在太陽能電池及市電均無法正常工作情況下。實現(xiàn)最大限度的利用太陽能，使三類電源能夠協(xié)同工作向負載提供穩(wěn)定的電能，同時保證在停電的情況下能夠保證系統(tǒng)持續(xù)工作所需時間，而且能夠有效的對不穩(wěn)定電網(wǎng)進行隔離和緩沖，提高硬件設(shè)備的使用壽命。達到節(jié)省電力資源，節(jié)約電費的目的。
[0044]本發(fā)明提供的協(xié)調(diào)供電系統(tǒng)結(jié)合市電、光伏電池，能夠滿足不同負載的供電需求，在節(jié)約電能的同時，還具有供電穩(wěn)定、不間斷供電的特性。
[0045]本發(fā)明提供的協(xié)調(diào)供電以太陽能供電為優(yōu)先模式，以太陽能供電為主，在夜晚或者陰雨天等光照不足情況下適當進行市電補充供電，蓄電池作為后備儲能電源，能夠存儲多余的太陽能電能，在光能不足時補充功能，并在市電及太陽能電池均不能正常供電的情況下保證不間斷供電。在正常情況下市電、蓄電池絕大部分時間與系統(tǒng)完全物理隔離，市電的不穩(wěn)定及停電狀態(tài)不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，需要市電供電時，啟動PFC功率校正電路對系統(tǒng)供電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0047]圖1為系統(tǒng)整體框架示意圖；
[0048]圖2為平均電流控制方式下Boost PFC控制電路圖；
[0049]圖3為兩級式DC-DC變換器主電路圖；
[0050]圖4為控制電路原理圖；
[0051]圖5為整體控制流程圖；
[0052]圖6為MPPT控制流程；
[0053]圖7為蓄電池充放電控制流程；
[0054]圖8為市電接入控制流程；
[0055]圖9為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況I時切換過程；
[0056]圖10為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況2時切換過程；
[0057]圖11為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況3時切換過程；
[0058]圖12為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況4時切換過程；
[0059]圖13為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況5時切換過程。
【具體實施方式】[0060]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0061]實施例1
[0062]圖1為系統(tǒng)整體框架示意圖，如圖所示:本發(fā)明提供的一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，包括太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端、中央控制器、太陽能DC-AC變換器、蓄電池組DC-AC變換器、功率校正器PFC、母線；
[0063]所述太陽能光伏電池通過太陽能DC-AC變換器與母線供電連接；
[0064]所述蓄電池組通過蓄電池組DC-AC變換器與母線供電連接；
[0065]所述市電接入端通過功率校正器PFC與母線供電連接；
[0066]所述中央控制器分別與太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端連接，所述中央控制器用于通過獲取太陽能光伏電池的放電狀態(tài)、蓄電池組剩余電量狀態(tài)以及負載功率大小并進行比較后對太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端的切換過程進行控制。
[0067]還包括蓄電池組充電電路、蓄電池組電壓檢測裝置、太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置、MPPT控制模塊、第一啟動繼電器、第二啟動繼電器；
[0068]所述蓄電池組充電電路，用于為蓄電池組充電；
[0069]所述蓄電池組電壓檢測裝置，用于檢測蓄電池組的開路電壓值并將開路電壓值輸入到中央控制器中；
[0070]所述太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置，用于檢測太陽能光伏電池的電流和電壓值；
[0071]所述MPPT控制模塊，用于獲取太陽能光伏電池的最大輸出功率Po并將最大輸出功率Po輸入到中央控制器中；
[0072]所述第一啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接蓄電池組與負載的供電電路；
[0073]所述第二啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接功率校正器PFC與母線。
[0074]所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊、負載功率檢測模塊、第一判斷模塊、第二判斷模塊、太陽能光伏電池供電啟動模塊；
[0075]所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊，用于初始化控制系統(tǒng)；
[0076]所述負載功率檢測模塊，用于獲取負載所需功率Pload ；
[0077]所述第一判斷模塊,用于判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload ；
[0078]所述第二判斷模塊，用于判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值；
[0079]所述太陽能光伏電池供電啟動模塊，用于接收從太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置輸出的太陽能光伏電池的電流和電壓值，并產(chǎn)生PWM波開關(guān)信號輸入到MPPT控制模塊。
[0080]所述功率校正器PFC采用Boost PFC控制電路。
[0081]所述太陽能DC-AC變換器采用兩級式DC-DC變換器電路。
[0082]圖5為整體控制流程圖，如圖所示:本發(fā)明提供的實施例還提供了一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)的協(xié)同供電方法，包括以下步驟:
[0083]S1:初始化控制系統(tǒng)；
[0084]S2:獲取太陽能光伏電池的輸出電壓與電流，采用基于擾動法的MPPT控制方法得到太陽能光伏電池的最大輸出功率Po ;
[0085]S3:獲取負載所需功率Pload ；
[0086]S4:判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload，如果是，則啟動太陽能光伏電池供電，并為蓄電池組充電；
[0087]S5:如果否，則檢測蓄電池組的剩余容量，判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值，如果是，則啟動蓄電池供電；
[0088]S6:如果否，則接入市電為蓄電池組進行充電，同時啟動市電供電。
[0089]所述MPPT控制方法具體步驟如下:
[0090]S21:采樣太陽能光伏電池的輸出電壓與電流并計算得到當前輸出功率Pl ；
[0091]S22:在初始輸出電壓V的基礎(chǔ)上增加擾動電壓AV，形成擾動參考輸出電壓V+Λ V，再測量擾動功率值，并將擾動功率值與擾動之前功率值進行比較，如果擾動功率值增加，則表示參考電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原來的擾動；
[0092]S23:如果擾動功率值減小，則表示參考電壓擾動方向有誤，需要朝相反方向擾動；
[0093]S24:產(chǎn)生控制信號作用于控制器，往復(fù)執(zhí)行上述步驟直到找到最大輸出功率Po。
[0094]所述蓄電池組的蓄電池組容量閾值是通過測量開路電壓獲得的蓄電池組容量的65-75%的剩余電量。
[0095]本實施例通過的協(xié)同供電系統(tǒng)以太陽能供電為優(yōu)先模式，以太陽能供電為主，在夜晚或者陰雨天等光照不足情況下適當進行市電補充供電，蓄電池作為后備儲能電源，能夠存儲多余的太陽能電能，在光能不足時補充功能，并在市電及太陽能電池均不能正常供電的情況下保證不間斷供電。在正常情況下市電、蓄電池絕大部分時間與系統(tǒng)完全物理隔離，市電的不穩(wěn)定及停電狀態(tài)不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，需要市電供電時，啟動PFC功率校正電路對系統(tǒng)供電。
[0096]由于供電系統(tǒng)面向的負載各種各樣，既有交流，也有直流，而且所需電壓不同，因此，這個設(shè)計采用基于母線結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)能夠兼顧各種負載的不同供電要求，利于系統(tǒng)的擴展，也利于系統(tǒng)在不同場合下的應(yīng)用，適用面廣。太陽能光伏電池、市電、蓄電池組作為能量源經(jīng)過各自的變換器提供統(tǒng)一的輸出標準向母線供電，各種負載通過DC-DC變換器、DC-AC變換器從母線接收能量?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)的核心，根據(jù)負載用電情況和太陽能電池的輸出情況，完成三種能量源的供能切換。控制系統(tǒng)由蓄電池進行供電，保證整個系統(tǒng)即使在太陽能電池及市電均無法正常工作情況下。整個系統(tǒng)由太陽能光伏電池、中央控制器、DC-AC變換器、功率校正器PFC、蓄電池組、充電電路組成。
[0097]實施例2
[0098]本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于:
[0099]本實施例將結(jié)合圖1對本發(fā)明各個關(guān)鍵部分進行詳細描述。圖1、4中的虛線表示從中央控制器發(fā)出的PWM波開關(guān)控制信號，圖1主要由①市電供電部分相當于實施例1中的市電接入端、功率校正器PFC，②太陽能光伏電池供電部分相當于實施例1中的太陽能光伏電池、太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置、MPPT控制模塊，③蓄電池供電部分相當于實施例I中的蓄電池組及蓄電池組DC-AC變換器、蓄電池組充電電路、蓄電池組電壓檢測裝置，④控制部分相當于實施例1中的中央控制器四個部分組成。[0100](一)市電供電部分
[0101]市電作為補充能源，需要將220VAC的單相市電整流后接到直流母線，而傳統(tǒng)的AC-DC電路輸入端諧波電流會給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染，使輸入端功率因素降低。為了抑制諧波污染，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時提高輸入端功率因素，以達到節(jié)能的效果，需要采用PFC變換器。常用的Boost PFC的輸出電壓通常為380V-400V，
[0102]PFC輸出電壓本來越高越好，這樣可以降低后級的DC-DC損耗，但由于器件耐壓的限制，綜合考慮選擇380V作為PFC的輸出電壓，也即母線電壓。
[0103]PFC技術(shù)分為無源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)。有源PFC技術(shù)相對于無源PFC技術(shù)控制方式靈活，控制效果更加優(yōu)良，并且能使整流電路輸入端的總諧波失真(THD)小于5%。因此采用有源PFC(APFC)，其輸入電流有不同的控制方法，考慮到供電系統(tǒng)的功率要求，這里設(shè)計了基于平均電流的控制方式。這種方法具有以下優(yōu)點=(THD)和(EMI)小，對噪聲不敏感、適用于大功率應(yīng)用場合。所設(shè)計的控制電路如圖2所示:
[0104]圖2為平均電流控制方式下Boost PFC控制電路圖。
[0105]圖2中，這種Boost PFC變換器由誤差放大器VA、乘法器Μ、電流誤差放大器CA和PWM電路組成。電壓誤差放大器控制PFC的輸出電壓,使輸出電壓穩(wěn)定,其輸出信號與輸入整流電壓采樣的乘積作為基準電流；高頻的輸入電流信號在采樣后，被電流誤差放大器平均化處理，電流誤差放大器的輸出信號與鋸齒波信號比較后給開關(guān)管Q提供驅(qū)動信號，控制輸入電流與輸入電壓同相位，并接近為正弦，從而達到功率校正的目的。
[0106](二)太陽能光伏電池供電部分
[0107]太陽能光伏電池可以由單塊光伏電池串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)組合而成。在光伏電池全部并聯(lián)的情況下，如果其中某一塊光伏電池出現(xiàn)故障而開路，則其他光伏電池不會受影響，保證了系統(tǒng)的可靠性。因此本發(fā)明采用將光伏電池全部并聯(lián)的方式組成一個光伏陣列。
[0108]目前，單塊的光伏電池的輸出電壓較低，開路電壓一般不超過50V，為了輸出穩(wěn)定的380V直流電，這就要求DC-DC變換器具有很高的升壓比。由于本系統(tǒng)的升壓比較大，如果采用DC-DC變換器中的Boost變換器，根據(jù)計算可知要求占空比要超過0.9。這使得Boost變換器很難設(shè)計。如果采用常用大功率的全橋直流變換器，這就要求變壓器的初級繞組和次級繞組匝數(shù)比很大，匝數(shù)比大會使得變壓器漏感變大，從而使得變壓器的設(shè)計變難。因此，常用的單極式變換器不能很好的滿足此處的設(shè)計要求，因此設(shè)計了兩級式變換器。其由穩(wěn)壓環(huán)節(jié)和不調(diào)壓的直流變壓器部分組成。其中穩(wěn)壓環(huán)節(jié)使兩級式直流變換器的輸出電壓保持穩(wěn)定，不調(diào)壓的直流變壓器則起電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離的作用。為了充分利用變換器和全橋直流變換器的優(yōu)點，DC-DC變換器采用Boost變換器和ZVS全橋直流變換器的兩級式結(jié)構(gòu)。Boost變換器為穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，ZVS全橋直流變換器為不調(diào)壓的直流變換器。
[0109]基于上述，設(shè)計的DC-DC變換器如圖3所示:
[0110]圖3為兩級式DC-DC變換器主電路圖。
[0111]Boost變換器的輸出電壓越高，占空比會越大，Boost的開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力也會越高；全橋直流變壓器的升壓比會降低，變壓器的設(shè)計容易滿足諧振電感的要求。Boost變換器的輸出電壓越低，占空比會越小，Boost的開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力也會降低；全橋直流變壓器的升壓比會升高，變壓器的設(shè)計難以滿足諧振電感的要求。因此，綜合上述兩點，Boost變換器將太陽能電池的輸出電壓升到IOOV左右，全橋直流變壓器在將Boost變換器的輸出電壓升到380V。由于Boost變換器的輸入電壓和輸出電壓相差不大，可以使得Boost變換器的效率較高。全橋直流變換器采用移相控制可以實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，并且它是開環(huán)工作，所以全橋直流變壓器的效率可以達到很高。
[0112](三)蓄電池供電部分
[0113]單塊蓄電池容量小，大多數(shù)需要大容量蓄電池的場合要采用將多節(jié)蓄電池采用串并聯(lián)的方式進行連接。雖然單塊電池標稱電壓是一樣的，但是實際電壓值卻不一樣。在充電過程中，電壓較低的內(nèi)阻較小，得到的充電電流大，電池溫升較高，溫度升高導(dǎo)致電解液密度下降，密度降低導(dǎo)致電池組電壓低，這是一個惡性循環(huán)，長此以往，會對電池造成損傷。因此，這里采用單塊蓄電池串聯(lián)的方式進行連接。
[0114]蓄電池組在整個系統(tǒng)中起著存儲多余能量，補充供能，并保證在市電和太陽能均不能正常供電的情況下進行不間斷供電的作用。為此，蓄電池必須保證低剩余容量，以保證設(shè)計的最小不間斷供電時間。最低剩余容量跟蓄電池容量、負載大小、不間斷供電時間三者有關(guān)。如果最低剩余容量過低，在保證一定的不間斷供電時間時，需要較大容量的蓄電池組，增加了成本。如果最低容量過高，則蓄電池不能較多的存儲多余能量。綜合上述折中選擇70%作為蓄電池組最低剩余容量。根據(jù)太陽能電池輸出功率、負載大小、蓄電池剩余電量狀態(tài)，存在如下三種情況:
[0115]1.太陽能電池陣列輸出功率大于負載所需功率，此時多余能量由太陽能經(jīng)母線給蓄電池組充電。
[0116]2.太陽能電池陣列輸出功率不足以提供負載所需功率，此時優(yōu)先由蓄電池組供能，當蓄電池組剩余電量低于70%時，接入市電。
[0117]3.當太陽能電池及市電均無法供能時，由蓄電池組進行單獨供電，并在太陽能電池及市電恢復(fù)正常時啟動充電。
[0118]在本設(shè)計中，蓄電池一部分容量起緩沖作用。當太陽能供能充足的時候，對蓄電池進行充電，此時，蓄電池存儲多余的電能，當光照不足時候，則補充供電。但是，在太陽能電池和市電正常情況下，蓄電池始終保持70%的剩余電量。從而保證在市電和太陽能電池均無法工作情況下能夠保證系統(tǒng)正常工作。
[0119]由蓄電池的輸出特性可知，其輸出電壓與容量是存在一一對應(yīng)關(guān)系的，因此，可以通過測量蓄電池組的輸出電壓來確定其容量?？刂破骺赏ㄟ^采樣蓄電池組電壓和太陽能電池輸出功率，控制DC-DC變換器或充電器工作，從而完成供能與充電供能。
[0120](四)控制部分
[0121]受天氣等因素影響，太陽能光伏電池的供能狀態(tài)是不確定的。為了確保系統(tǒng)正常供電，最大限度的利用太陽能，達到節(jié)約電能的目的，需要根據(jù)太陽能電池的放電狀態(tài)，負載功率大小，蓄電池組剩余電量狀態(tài)在各種供能源間完成切換。總結(jié)起來，圖9為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況I時切換過程；圖10為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況2時切換過程；圖11為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況3時切換過程；圖12為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況4時切換過程；圖13為蓄電池組剩余電量狀態(tài)情況5時切換過程。有如下5種情況:
[0122]情況1:當日照充足，太陽能光伏電池輸出功率大于負載功率時，此時市電與蓄電池組不工作，負載所需電能完全由光伏供電部分提供，并將多余電能存儲在蓄電池組中。如下所示。
[0123]情況2:當日照不足，太陽能光伏電池輸出功率小于負載功率時，此時市電不工作，但是蓄電池組中剩余容量大于70%，此時負載所需電能由光伏供電和蓄電池組聯(lián)合提供。如下所示。
[0124]情況3:當蓄電池持續(xù)供電到剩余電量低于70%時候，蓄電池停止工作，此時PFC工作，市電接入。負載所需電能由太陽能電池和市電提供。如下所示。
[0125]情況4:當在夜晚等沒有光照的情況下，太陽能電池不工作，負載所需能量完全由市電提供。如下所示。
[0126]情況5:當市電因故障停止，而太陽能又不足以提供負載所需電能時，此時蓄電池接入工作，保證系統(tǒng)能夠正常工作。如下所示。
[0127]根據(jù)上述幾種情況，設(shè)計控制部分的原理圖如下所示:
[0128]圖4為控制電路原理圖。
[0129]如圖4所示，MCU控制器作為整個控制系統(tǒng)的核心，主要完成了如下工作:
[0130](I)MCU控制器采樣太陽能光伏電池的輸出電壓、輸出電流，并基于此產(chǎn)生PWM波開關(guān)信號，作用于MPPT控制器，使得太陽能光伏電池輸出始終處于最大功率。
[0131](2)比較負載大小與太陽能光伏電池的輸出功率，根據(jù)蓄電池狀態(tài)確定是否需要對蓄電池進行充電，存儲多與能量。并且在光照不足時候?qū)⑨尫糯鎯Φ碾娔堋?br> [0132](3)對比負載大小與太陽能光伏電池的輸出功率，確定是否需要接入市電。并通過波形發(fā)生器控制PFC變換器完成單相220VAC到直流380V的轉(zhuǎn)換。
[0133](4)采樣蓄電池組開路電壓，判斷是否需要進行充電。并在市電停止、太陽能光伏電池輸出功率不足以提供負載所需電能時，接入蓄電池組，通過DC-DC變換器向直流母線供能。
[0134]在檢測出太陽能最大功率的前提下,然后根據(jù)輸出功率、負載功率大小和電池電量狀態(tài)來確定各種控制動作?；谏鲜?，整個系統(tǒng)的控制流程圖如6所示:
[0135]上電初始化后，系統(tǒng)首先檢測太陽能電池的輸出電壓與電流，然后采用基于擾動法的MPPT技術(shù)，得到太陽能電池陣列的最大輸出功率Po，若Po大于負載所需功率Pload，則此時可將多余的電能存儲于蓄電池組中，因此將啟動充電器。如果Po〈Pload，則表明此時太陽能電池不足以提供負載所需電能，需要輔助補充能量。此時需要檢測蓄電池組剩余容量，若剩余容量大于70%，表明此時蓄電池可以提供多余能量，因此啟動繼電器J1，接入蓄電池進行供電。如果剩余容量低于70%，因為要保證蓄電池容量大于70%，以便在市電和太陽能均無法正常供電的情況下，能夠保證不間斷供電所設(shè)計時間，因此此時要閉合繼電器J2，接入市電進行補充供電，同時啟動充電器對蓄電池充電以保證蓄電池剩余電量為70%。同時MCU控制器產(chǎn)生相應(yīng)控制PWM波形，啟動PFC電路工作，完成市電到母線電壓的轉(zhuǎn)換。因為光照情況一般不會發(fā)生突變，如果連續(xù)不間斷的進行測量并控制，可能因為微小擾動導(dǎo)致誤操作，因此在此處初始化時將采樣次數(shù)設(shè)置為n，采樣η次后對最終采集得到的結(jié)果進行濾波處理，然后根據(jù)測量結(jié)果采取不同的控制動作，以防止微小擾動引起的誤動作。
[0136]圖5為整體控制流程圖。結(jié)合整體控制流程圖，現(xiàn)對各個關(guān)鍵部分進行說明如下。
[0137](a) MPPT 控制方法
[0138]圖6為MPPT控制流程。由于太陽能光伏電池的輸出受光照強度和溫度影響，其輸出電壓與電流并不是線性關(guān)系，而是存在著一個功率最大點M，而最大功率跟蹤技術(shù)MPPT就是要找到太陽能電池的最大功率點。這里采用基于擾動的方法來尋找最大輸出功率點。具體實現(xiàn)辦法是在采樣輸出電壓與電流并計算得到輸出功率。先擾動參考輸出電壓，在測量功率變化，并與擾動之前功率值進行比較，如果功率值增加，則表示參考電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原來的擾動。如果功率值減小，則表示參考電壓擾動方向有誤，需要朝相反方向擾動。然后產(chǎn)生控制信號作用于控制器，往復(fù)執(zhí)行上述步驟直到找到最大輸出功率點。
[0139](b)蓄電池充放電控制
[0140]圖7為蓄電池充放電控制流程。如蓄電池供電部分設(shè)計所述，蓄電池起能量緩沖和保證不間斷供電的作用。因此，需要在太陽能電池輸出情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)蓄電池剩余電量的狀態(tài)采用不同控制動作，具體流程如下所示。首先由MPPT控制得到太陽能電池的最大輸出功率Po，與負載功率Pload比較，如果Po>Pload，則表明此時太陽能電池輸出過剩，因此可以對蓄電池進行充電以存儲多余電能。如果Po〈Pload，表明此時太陽能電池不足以提供負載所需電能，此時需要額外輔助功能，此時需要根據(jù)蓄電池的剩余電量狀態(tài)來判斷是由市電還是蓄電池輔助供能。由蓄電池的特性可知，其開路電壓與容量存在著一一對應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)廠家給出的說明書得出開路電壓與剩余容量的關(guān)系，因此，通過測量開路電壓這種簡易的方法可得到蓄電池的剩余容量。由于要滿足保證不間斷供電時間，因此需要保證蓄電池70%剩余電量。所以，要求檢測蓄電池容量在70%以上才能用蓄電池作為補充供能源，小于70%則需要啟動充電器進行充電。另外，在市電和太陽能電池均不能正常供電情況下，要蓄電池進行不間斷供電，因此也需要在市電AD采樣的基礎(chǔ)上進行判斷是否需要接入蓄電池。
[0141](C)市電接入控制
[0142]圖8為市電接入控制流程。市電作為補充供能源，只有在太陽能電池功能不足，且蓄電池剩余容量低于70%時候才接入，因此，需要在判斷這兩種條件是否滿足后作出控制動作，詳細流程如下圖所示。初始化后測量光伏電池的最大輸出功率和蓄電池剩余容量，當Po>Pload且剩余容量小于70%時才接入繼電器J2，同時波形發(fā)生器啟動驅(qū)動PFC工作，完成市電到母線電壓的轉(zhuǎn)換。
[0143]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng),其特征在于:包括太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端、中央控制器、太陽能DC-AC變換器、蓄電池組DC-AC變換器、功率校正器PFC和母線； 所述太陽能光伏電池通過太陽能DC-AC變換器與母線供電連接； 所述蓄電池組通過蓄電池組DC-AC變換器與母線供電連接； 所述市電接入端通過功率校正器PFC與母線供電連接； 所述中央控制器分別與太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端連接，所述中央控制器用于通過獲取太陽能光伏電池的放電狀態(tài)、蓄電池組剩余電量狀態(tài)以及負載功率大小并進行比較后對太陽能光伏電池、蓄電池組、市電接入端的切換過程進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，其特征在于:還包括蓄電池組充電電路、蓄電池組電壓檢測裝置、太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置、MPPT控制模塊、第一啟動繼電器和第二啟動繼電器； 所述蓄電池組充電電路，用于為蓄電池組充電； 所述蓄電池組電壓檢測裝置，用于檢測蓄電池組的開路電壓值并將開路電壓值輸入到中央控制器中； 所述太陽能光伏電 池電壓電流檢測裝置，用于檢測太陽能光伏電池的電流和電壓值；所述MPPT控制模塊，用于獲取太陽能光伏電池的最大輸出功率Po并將最大輸出功率Po輸入到中央控制器中； 所述第一啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接蓄電池組與負載的供電電路； 所述第二啟動繼電器，用于從中央控制器中接收控制命令并連接功率校正器PFC與母線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊、負載功率檢測模塊、第一判斷模塊、第二判斷模塊和太陽能光伏電池供電啟動模塊； 所述中央控制器包括系統(tǒng)初始化模塊，用于初始化控制系統(tǒng)； 所述負載功率檢測模塊，用于獲取負載所需功率Pload ； 所述第一判斷模塊，用于判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload ； 所述第二判斷模塊，用于判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值； 所述太陽能光伏電池供電啟動模塊，用于接收從太陽能光伏電池電壓電流檢測裝置輸出的太陽能光伏電池的電流和電壓值，并產(chǎn)生PWM波開關(guān)信號輸入到MPPT控制模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，其特征在于:所述功率校正器PFC采用Boost PFC控制電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)，其特征在于:所述太陽能DC-AC變換器采用兩級式DC-DC變換器電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電系統(tǒng)的協(xié)同供電方法，其特征在于:包括以下步驟: 51:初始化控制系統(tǒng)； 52:獲取太陽能光伏電池的輸出電壓與電流，采用基于擾動法的MPPT控制方法得到太陽能光伏電池的最大輸出功率Po ; 53:獲取負載所需功率Pload ； 54:判斷最大輸出功率Po是否大于負載所需功率Pload，如果是，則啟動太陽能光伏電池供電，并為蓄電池組充電； 55:如果否，則檢測蓄電池組的剩余容量，判斷剩余容量是否大于蓄電池組容量閾值，如果是，則啟動蓄電池供電； 56:如果否，則接入市電為蓄電池組進行充電，同時啟動市電供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電方法，其特征在于:所述MPPT控制方法具體步驟如下: 521:采樣太陽能光伏電池的輸出電壓與電流并計算得到當前輸出功率Pl ； 522:在初始輸出電壓V的基礎(chǔ)上增加擾動電壓△ V，形成擾動參考輸出電壓V+△ V，再測量擾動功率值，并將擾動功率值與擾動之前功率值進行比較，如果擾動功率值增加，則表示參考電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原來的擾動； 523:如果擾動功率值減小，則表示參考電壓擾動方向有誤，需要朝相反方向擾動； 524:產(chǎn)生控制信號作用于控制器，往復(fù)執(zhí)行上述步驟直到找到最大輸出功率Po。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的市電、光伏電池和儲能電池協(xié)同供電方法，其特征在于:所述蓄電池組的蓄 電池組容量閾值是通過測量開路電壓獲得的蓄電池組容量的65-75%的剩余電量。
【文檔編號】H02J7/35GK103441566SQ201310414800
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】廖孝勇, 孫棣華, 劉衛(wèi)寧, 古曦, 趙敏, 鄭林江, 王觀勇 申請人:重慶大學