CN101826741B - 太阳能电池充电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高效率太阳能电池充电系统及控制方法。该系统包括：光伏电池、升压电路、逆变电路、降压电路、放电电路及蓄电池；所述光伏电池、升压电路及逆变电路依次连接；所述光伏电池、降压电路、蓄电池、放电电路及逆变电路依次连接；所述逆变电路与负载连接。本发明的优先：(1)通过并联变换电路，将蓄电池充电功率和用户负荷功率分开，提高了光伏电池的使用效率。(2)系统由两条直流母线构成，高压直流母线供逆变器负载和低压直流母线供蓄电池充电。(3)设计了九种功率变换控制模式及模式切换的路径和转换规则，实现高效的电能利用。(4)该系统及其控制方法可用于光伏离网发电系统、BIPV系统或小型风力离网发电系统。

Description

太阳能电池充电系统及控制方法
【技术领域】
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种新型高效率太阳能电池充电系统及控制方法。
【背景技术】
独立光伏供电系统一般由太阳能电池、蓄电池、光伏控制器和逆变电源构成，功率范围在1kVA到5kVA。按蓄电池的充放电管理方式区分，无工频变压器的独立光伏供电系统的主要架构有以下两种方式：
（1）交互式：如图1，太阳能电池通过DC-DC模块进行MPPT控制，通过双向DC-DC模块对蓄电池进行充放电管理。缺点是需要两级变换，PV电池才能对蓄电池充电，降低了系统效率；
（2）在线式：如图2，蓄电池直接连接直流母线。太阳能电池通过DC-DC模块（光伏控制器）进行MPPT控制和管理蓄电池充电，蓄电池放电经过DC-DC升压后为逆变器供电。缺点是蓄电池一直参与能量转换，直接受负载干扰，影响蓄电池的寿命和效率；且PV电池至负载经过两级DC-DC转换，降低了系统效率。
【发明内容】
为了克服上述两种独立光伏供电系统效率低、寿命短的技术问题，提高PV电池转换效率，本发明提供了一种新型高效率太阳能电池充电系统及控制方法。
 为了达到上述目的，本发明提供的一种新型高效率太阳能电池充电系统。所述充电系统包括：太阳能电池、升压电路、逆变电路、降压电路、放电电路及蓄电池；所述太阳能电池、升压电路及逆变电路依次连接；所述太阳能电池、降压电路、蓄电池、放电电路及逆变电路依次连接；所述逆变电路与负载连接。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统一优选技术方案是：所述升压电路为第一DC/DC（Boost功率控制模块），用于稳定太阳能电池的输出电压，将电压升高至直流母线电压，并进行最大功率跟踪（MPPT）控制，使太阳能电池能够输出最大功率。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统一优选技术方案是：所述降压电路为第二DC/DC模块（蓄电池充电模块BCR），用于稳定太阳能电池的输出电压，将电压降低至蓄电池充电电压；进行最大功率跟踪（MPPT）控制，使太阳能电池能够输出最大功率；对蓄电池进行充电管理，避免过充。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统一优选技术方案是：所述放电电路为第三DC/DC模块（蓄电池放电模块BDR），用于当太阳能电池无法提供足够功率给负载时，蓄电池通过BDR放电，补充电力供应；对蓄电池放电进行管理，避免过度放电。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统一优选技术方案是：所述逆变电路为DC/AC模块（逆变器模块），用于将直流电转换为交流电，供交流负载正常使用。
 本发明还提供了根据上述的新型高效率太阳能电池充电系统的控制方法，该方法根据太阳能电池发电状态、蓄电池储能情况以及负载用电情况，按太阳能电池输出功率与负载需求功率匹配情况区分9种工作状态：
（1）太阳能电池输出功率大于负载需求功率时：
状态一：第一DC-DC模块工作在稳压状态，第二DC-DC模块工作在MPPT（最大功率点跟踪）状态，第三DC-DC模块不工作，此时PV电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在恒流充电状态；
状态二：第一DC-DC模块工作在稳压状态，第二DC-DC模块工作在稳压状态，第三DC-DC模块不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池稳压充电；
状态三：第一DC-DC模块工作在稳压状态，第二DC-DC模块工作在涓流状态，第三DC-DC模块不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池涓流充电；
状态四：第一DC-DC模块工作在稳压状态，第二DC-DC模块不工作，第三DC-DC模块不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池无需充放电；
（2）太阳能电池输出功率小于负载需求功率时：
状态五：第一DC-DC模块工作在MPPT状态，第二DC-DC模块不工作，第三DC-DC模块工作在稳压状态，此时太阳能电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在放电状态；
状态六：第一DC-DC模块不工作，第二DC-DC模块工作在MPPT状态，第三DC-DC模块不工作，此时太阳能电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在充电状态，逆变器不工作；
状态七：第一DC-DC模块不工作，第二DC-DC模块不工作，第三DC-DC模块工作在稳压状态，此时太阳能电池无输出，蓄电池工作在放电状态；
状态八：第一DC-DC模块不工作，第二DC-DC模块不工作，第三DC-DC模块不工作，此时太阳能电池无输出，蓄电池无充放电，逆变器不工作，系统进入休眠状态；
（3）太阳能电池输出功率等于负载需求功率时：
状态九：第一DC-DC模块工作在MPPT状态，第二DC-DC模块不工作，第三DC-DC模块不工作，此时太阳能电池工作在MPPT状态，独立为负载供电，刚好匹配负载需求，为非稳态状态。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统的控制方法一优选技术方案是：所述控制方法的状态判别条件如下：
蓄电池充电：当Ppv>Pload时，太阳能电池处于状态一、状态二或状态三；当Ppv<Pload时太阳能电池处于状态六；
蓄电池放电：当Ppv<Pload时，太阳能电池处于状态五或状态七；
蓄电池休眠：当Ppv>Pload时，太阳能电池处于状态四；当Ppv<Pload时，太阳能电池处于状态八； 
其中，Ppv、 Pload分别为太阳能电池输出功率、负载需求功率。
 根据本发明提供的新型高效率太阳能电池充电系统的控制方法一优选技术方案是：所述控制方法首先设定初始状态，设定状态八为休眠状态，状态九为启机状态；太阳能电池的功率输出信号将系统从休眠中唤醒，进入状态九；系统启动后根据光伏与负载的功率匹配状态和蓄电池能量状态，判断系统的下一个工作状态，是为负载供电或是为蓄电池充电。
 本发明有益的技术效果是：（1）提出太阳能电池的新型蓄电池充电系统，通过并联变换电路，将蓄电池充电功率和用户负荷功率分开。提高了太阳能电池的使用效率。（2）系统由两条直流母线构成，高压直流母线供逆变器负载和低压直流母线供蓄电池充电。（3）设计了九种功率变换控制模式，描述了模式切换的路径和转换规则，该管理规则协调系统各个功率模块的工作，实现高效的电能利用。（4）该系统及其控制方法可用于光伏离网发电系统或BIPV系统，也可应用于小型风力离网发电系统。
 【附图说明】
图1是现有技术交互式独立光伏供电系统的架构示意图；
图2是现有技术在线式独立光伏供电系统的架构示意图；
图3是本发明实施例新型高效率太阳能电池充电系统的结构图；
图4是本发明实施例新型高效率太阳能电池充电系统控制方法的策略的控制状态示意图。
 【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
 本实施例是将本发明应用到独立光伏供电系统中。请参照图3，本发明的太阳能电池充电系统与太阳能电池连接的DC-DC模块由升压电路DC-DC1和降压电路DC-DC2并联组成，升压电路DC-DC1通过直流母线给逆变器供电，降压电路DC-DC2为蓄电池充电，两个电路可单独或同时工作，进行MPPT控制。DC-DC3是蓄电池放电电路，DC-AC逆变模块是连接交流负载的逆变器。
 新型的独立光伏供电系统中，PV电池为负载供电仅需DC-DC1升压和DC-AC逆变控制，不经过蓄电池；蓄电池为负载供电同样也是DC-DC3升压和DC-AC逆变控制；PV电池为蓄电池充电仅有一级DC-DC2降压变换。因此系统的整体转换效率得到了提高，蓄电池参与负载供电的时间减少，充放电控制优化，延长了使用寿命。DC-DC1和DC-DC2根据系统状态和外部条件，可单模块独立或双模块协调实现MPPT控制（状态一为双模块协调MPPT控制，状态五，六，九为单模块独立MPPT控制），最大效率地利用PV电池。
 根据太阳能电池发电状态、蓄电池储能情况以及负载用电情况，系统可按太阳能电池输出功率与负载需求功率匹配情况区分9种工作状态。
 （1）太阳能电池输出功率大于负载需求功率时：
状态一：DC-DC1工作在稳压状态，DC-DC2工作在MPPT状态，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在恒流充电状态
状态二：DC-DC1工作在稳压状态，DC-DC2工作在稳压状态，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池稳压充电
状态三：DC-DC1工作在稳压状态，DC-DC2工作在涓流状态，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池涓流充电
状态四：DC-DC1工作在稳压状态，DC-DC2不工作，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在非MPPT状态，蓄电池无需充放电
（2）太阳能电池输出功率小于负载需求功率时：
状态五：DC-DC1工作在MPPT状态，DC-DC2不工作，DC-DC3工作在稳压状态，此时PV电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在放电状态
状态六：DC-DC1不工作，DC-DC2工作在MPPT状态，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在充电状态，逆变器不工作
状态七：DC-DC1不工作，DC-DC2不工作，DC-DC3工作在稳压状态，此时PV电池无输出，蓄电池工作在放电状态
状态八：DC-DC1不工作，DC-DC2不工作，DC-DC3不工作，此时PV电池无输出，蓄电池无充放电，逆变器不工作，系统进入休眠状态
（3）太阳能电池输出功率等于负载需求功率时：
状态九：DC-DC1工作在MPPT状态，DC-DC2不工作，DC-DC3不工作，此时PV电池工作在MPPT状态，独立为负载供电，刚好匹配负载需求，为非稳态状态。
独立光伏供电系统的状态判别条件见表1：                                                 
Figure 782788DEST_PATH_IMAGE001
 表1        请参照图4，独立光伏供电系统初需要设定初始状态，设定状态八为休眠状态，状态九为启机状态。太阳能电池的功率输出信号将系统从休眠中唤醒，进入状态九。系统启动后根据光伏与负载的功率匹配状态和蓄电池能量状态，判断系统的下一个工作状态，是为负载供电还是为蓄电池充电，图中，Pbat是蓄电池功率、Pstart是系统启动功率；Vcv是恒压充电电压门限、Vci是恒流充电电压门限、Vful是蓄电池充满电压门限、Vbat是蓄电池电压。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种太阳能电池充电系统的控制方法，所述充电系统包括：太阳能电池、升压电路、逆变电路、降压电路、放电电路及蓄电池；所述太阳能电池、升压电路及逆变电路依次连接；所述太阳能电池、降压电路、蓄电池、放电电路及逆变电路依次连接；所述逆变电路与负载连接，其特征在于，所述升压电路为第一DC/DC模块，所述降压电路为第二DC/DC模块，所述放电电路为第三DC/DC模块，根据太阳能电池发电状态、蓄电池储能情况以及负载用电情况，按太阳能电池输出功率与负载需求功率匹配情况区分9种工作状态：
当太阳能电池输出功率大于负载需求功率时：
状态一：第一DC/DC模块工作在稳压状态，第二DC/DC模块工作在MPPT最大功率点跟踪状态，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在恒流充电状态；
状态二：第一DC/DC模块工作在稳压状态，第二DC/DC模块工作在稳压状态，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在非MPPT状态，蓄电池稳压充电；
状态三：第一DC/DC模块工作在稳压状态，第二DC/DC模块工作在涓流状态，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在非MPPT状态，蓄电池涓流充电；
状态四：第一DC/DC模块工作在稳压状态，第二DC/DC模块不工作，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在非MPPT状态，蓄电池无需充放电；
当太阳能电池输出功率小于负载需求功率时：
状态五：第一DC/DC模块工作在MPPT状态，第二DC/DC模块不工作，第三DC/DC模块工作在稳压状态，此时太阳能电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在放电状态；
状态六：第一DC/DC模块不工作，第二DC/DC模块工作在MPPT状态，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在MPPT状态，蓄电池工作在充电状态，逆变电路不工作；
状态七：第一DC/DC模块不工作，第二DC/DC模块不工作，第三DC/DC模块工作在稳压状态，此时太阳能电池无输出，蓄电池工作在放电状态；
状态八：第一DC/DC模块不工作，第二DC/DC模块不工作，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池无输出，蓄电池无充放电，逆变电路不工作，系统进入休眠状态；
当太阳能电池输出功率等于负载需求功率时：
状态九：第一DC/DC模块工作在MPPT状态，第二DC/DC模块不工作，第三DC/DC模块不工作，此时太阳能电池工作在MPPT状态，独立为负载供电，刚好匹配负载需求，为非稳态状态；
当Vbat＜Vci时，状态一转换为状态二；当Vbat＞Vci时，状态二转换为状态三；Ppv＜Pload时，状态二、三转换为状态九；Vbat＞Vful时，状态三转换为状态四；Ppv＞Pload时，状态一转换为状态九；Vbat＜Vcv时，状态九转换为状态一；Ppv＞Pstart时，状态八转换为状态九；Ppv+Pbat＞Pload时，状态九转换为状态五；Ppv+Pbat＜Pload，且Ppv＜Pstart时，状态七转换为状态八； Pbat＞Pload时，状态五转换为状态七；Ppv+Pbat＜Pload时，状态五转换为状态六；Ppv＞Pstart时，状态六转换为状态五；Pbat＞Pload时，状态五转换为状态七；Pbat＞Pload时，状态六转换为状态七；
Pbat是蓄电池功率、Pstart是系统启动功率；Vcv是恒压充电电压门限、Vci是恒流充电电压门限、Vful是蓄电池充满电压门限、Vbat是蓄电池电压，Ppv、 Pload分别为太阳能电池输出功率、负载需求功率。
2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法的状态判别条件如下：
蓄电池充电：当Ppv>Pload时，太阳能电池处于状态一、状态二或状态三；当Ppv<Pload时太阳能电池处于状态六；
蓄电池放电：当Ppv<Pload时，太阳能电池处于状态五或状态七；
蓄电池休眠：当Ppv>Pload时，太阳能电池处于状态四；当Ppv<Pload时，太阳能电池处于状态八；其中，Ppv、 Pload分别为太阳能电池输出功率、负载需求功率。
3. 据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法首先设定初始状态，设定状态八为休眠状态，状态九为启机状态；太阳能电池的功率输出信号将系统从休眠中唤醒，进入状态九；系统启动后根据光伏与负载的功率匹配状态和蓄电池能量状态，判断系统的下一个工作状态，是为负载供电或是为蓄电池充电。
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