CN101826739A - 一种两级双向的高效光伏充电器 - Google Patents

Abstract

一种两级双向的高效光伏充电器，由一个单向DC-DC变换器，一个双向DC-DC变换器串联而成。中间的直流环节由电解电容及超级电容共同并联构成，除了平波功能外，主要是暂时存贮能量。为了实现光伏发电与充入蓄电池的电能的实时一致性，通过超级电容缓冲光伏能量及蓄电池去极化能量，保证了光伏的最大功率跟踪(MPPT)以及蓄电池的快速充电。

Description

一种两级双向的高效光伏充电器

技术领域

本发明涉及电工技术及光伏电能转化技术，特别是电能双向流动技术。

背景技术

现有的光伏充电器一般采用单级的DC-DC变换。这虽然减少了充电器的成本，但却不能保证光伏系统工作于最大功率跟踪(MPPT)状态。考虑到光伏系统中充电器所占成本很低，其成本主要由光伏模组构成，故单级DC-DC变换不能保证系统整体性价比最高。

单级DC-DC变换不能实现真正的MPPT。原因在于，蓄电池的充电过程是个强非线性过程，有饱和，滞环等诸多因素来限制。极化与去极化表现为一个近似的具滞环的开关特性，而且自然去极化与强制去极化时间相差10倍。利用反向DC-DC变换，将去极化能量存贮在超级电容上，可以加速去极化过程，进而加速充电过程。因此，本发明通过利用超级电容加大能量解耦以及利用双向DC-DC变换实现蓄电池去极化，可以保证系统工作于MPPT。

发明内容

本发明为一种基于双向DC-DC变换及蓄电池快速充电技术的光伏最优充电技术及装置。

本发明的核心为，利用超级电容加大光伏能量与蓄电池能量的解耦；利用双向DC-DC变换以反向大电流加快去极化过程，进而加速充电过程，并将该能量存贮于超级电容内，以实现真正的MPPT。

附图说明

图1为BOOST-BUCK/BOOST型充电器拓扑

图2为BUCK-BUCK/BOOST型充电器拓扑

图3为无超级电容的去极化曲线

图4为有超级电容及双向DC变换的去极化曲线

具体实施方法

第一级DC-DC变换在超级电容允许的情况下，工作于电流断续状态(DCM)，由附图一，DCM模式下输入输出关系式为

V_DC＝ηV_PV            (降压) ${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{V_{\mathrm{PV}}}$

$V_{\mathrm{DC}}=\frac{1}{1-\mathrm{\η}}\·V_{\mathrm{PV}}$ (升压) ${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{V_{\mathrm{DC}}-V_{\mathrm{PV}}}{V_{\mathrm{DC}}}$

在DCM模式下，每个工作周期复位，电流归零。平均电流为

$I_{\mathrm{av}}=\frac{V_{\mathrm{PV}}-V_{\mathrm{DC}}}{2L}\·\mathrm{\η}{T}_S$ (降压)

$I_{\mathrm{av}}=\frac{V_{\mathrm{PV}}}{2L}\·\mathrm{\η}{T}_S$ (升压)

MPPT算法采用登山法。

由附图四，在超级电容电压中环节允许的情况下，以最大电流对蓄电池充电，而不是常规的三段式涓充-主充-浮充方式。当极板处生成的H⁺和S0₄ ^2-离子浓度太高而所需的Pb²⁺离子浓度太低时，双向DC-DC变换器开始反向工作，将一部分蓄电池能量暂存到超级电容上，而此时光伏电能仍能被存储到超级电容上。由曲线可以看到，反向放电可以加速去极化过程，时间大大减小，即需要将光伏电能暂存在超级电容上的时间也就大大减小。若采用常规自然去极化，则为了达到光伏MPPT，能量解耦所需的超级电容的体积和成本都将增加5～10倍，即超级电容的成本将从3％上升到15～30％。

一个50W的光伏照明系统，可采用以下配置

取5个1F/5.5V的超级电容串联，工作电压为20V，允许电压波动为5V，则

而从图三及图四中看到，加速去极化的过程为70ms左右，而自然去极化的过程在250ms以上。

Claims (5)

1.一种高效的两级双向光伏充电器，由一个单向DC-DC变换器，一个双向DC-DC变换器串联而成。中间的直流环节由电解电容及超级电容并联构成，除了平波功能外，主要是瞬时存贮能量。由于光伏发电与充入蓄电池的电能无法保持实时一致性，通过超级电容缓冲光伏能量及蓄电池去极化能量，既保证了光伏的最大功率跟踪(MPPT)，又保证了蓄电池的快速充电。

2.如权利要求1所述的单向DC-DC变换器，可以是升压型(BOOST)或降压型(BUCK)；双向DC-DC变换器，则是正向BUCK，反向BOOST型。

3.如权利要求1所述的单向DC-DC变换器，工作于电流断续状态(DCM)，这样由光伏电压及PWM占空比即可推算出输入电流及功率进行MPPT运算。

4.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，工作于电流断续状态(DCM)，这样使得充放电稳态时呈现电流源特性，瞬态为高频脉冲，有利于防止铅酸电池极化及加速去除极化。

5.如权利要求1所述的超级电容的中间直流环节，其选值原则为，在允许的电压范围内，可以吸收50ms(去极化时间)内的蓄电池反向BOOST能量及在MPPT条件下的光伏发电能量。

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