CN102751754A - 基于功率控制的太阳能和ct混合蓄能供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，该装置中的太阳能光伏电池组件将太阳能转化成电能，并通过升压充电电路向蓄电池充电；三相主回路电流经电流互感器、整流稳压模块变换后，作为蓄电池的另一路能量来源，补偿长时间阴雨天气造成的太阳能充电的不足。充电控制器采集蓄电池电压和电流、光伏组件输出电压和电流，执行基于最大功率传输的充电控制策略，实现蓄电池的快速充电，防止过充过放。该装置充分利用清洁能源和线路电流能量，在较大的环境变化以及母线电流范围内能提供24V额定电压，5W以上功率，并跟踪最大功率传输点，提高充电效率，而且在线路电流过大时，避免发生铁心饱和发热现象，解决户外10KV柱上开关智能控制器供电问题，取代电压互感器取电方式，减小了柱上开关的重量和体积。

Description

基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置

技术领域

本发明涉及一种复合能源的供电装置，更特别地说，是指一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置。该供电装置能够为户外10kV柱上开关智能控制器进行供电。

背景技术

随着社会经济和科学技术的迅速发展，电力系统的规模在不断扩大，各个行业对供电质量和供电可靠性的要求越来越高。配电网是面对最终用户的关键环节，10kV馈电线的安全供电十分重要，针对10kV柱上开关和箱式变电站的智能终端设备的投入使用，使得配电网的可靠性大大提高。目前终端设备多采用电压互感器取电方式，不利于减轻重量和体积，而且存在铁磁谐振的隐患。为了保障智能终端设备的不间断供电，设计应用于户外10kV柱上开关的独立电源尤为重要。

目前常用的供电方式有电容分压取电、电流互感器感应取电、太阳能电池以及激光供电等。电容分压式供电要求严格的过电压保护与电磁兼容设计，且输出功率有限；激光取电必须采取措施进行温度控制，且成本高，不利于10kV配电网广泛使用；太阳能是利用最灵活，最可行的一种可再生能源，由于光伏电池输出具有非线性特点，能量转换效率较低而且容易受阴雨天气影响，在光强较弱的地区不能满足终端设备的正常耗电；对于线路电流取电方式，在母线电流不足的情况下，提供的功率非常有限，功率消耗较大的模块的实现即受到影响，而线路过流时必须解决变压器饱和发热问题。

在专利申请号201120147436.5，实用新型名称为“光磁互补型输配电线路在线监测系统通用独立供电装置”，该专利申请公开了利用太阳能电池与取电型电流互感器组成的在线监测系统通用的独立供电装置，但输出功率小（1W），不足以支持智能装置的多种功能，而且缺少最大功率控制，太阳能和电流互感器均有不同程度的能量损失，不利于减小装置的重量和体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，该装置充分利用太阳能与母线电流能量，通过充电控制策略，使得太阳能和电流互感器均能实现能量的最高效传输，防止出现过充过放，利于远方监控中心进行实时监测，延长电池使用寿命，实现在较大的环境变化以及母线电流范围内能提供24V额定电压，5W以上额定功率，满足户外10kV柱上开关智能控制器的供电要求。

本发明的一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，该装置包括有充电控制器（10）、整流稳压电路（20）、升压充电电路（30）、太阳能光伏电池组件（40）、铅酸免维护蓄电池（50）和电流互感器（60）；

太阳能光伏电池组件（40）为充电控制器（10）和升压充电电路（30）提供光能转电能U_太阳能；

电流互感器（60）输出的三相电流I_互感器为升压充电电路（30）供电；所述三相电流I_互感器包括有A相电流Ia1，B相电流Ib1和C相电流Ic1；

电流互感器（60）一方面将采集到的10kV母线电流进行降流后输出三相电流I_互感器，另一方面将所述三相电流I_互感器输出给整流稳压电路（20）；

升压充电电路（30）依据充电控制器（10）输出的脉冲控制信号PWM启动光能转电能U_太阳能是否向铅酸免维护蓄电池（50）充电；

整流稳压电路（20）依据充电控制器（10）输出的电流控制信号I_10-30启动三相电流I_互感器是否向铅酸免维护蓄电池（50）充电；

铅酸免维护蓄电池（50）输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery给充电控制器（10）；

充电控制器（10）依据充电控制策略对铅酸免维护蓄电池（50）进行充电控制。

在本发明中，充电控制器（10）以单片机ATMEGA16L为核心，采集太阳能光伏电池组件（40）输出的太阳能输出电压U_solar和太阳能输出电流I_solar、铅酸免维护蓄电池（50）输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery，通过高速光耦6N137向升压充电电路（30）输出脉冲控制信号PWM，通过光耦TP521向整流稳压模块输出电流控制信号I_10-20；指示灯报警电路对蓄电池过放欠压信号进行声光报警。

本发明基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置的优点在于：

①本发明混合蓄能供电装置采用太阳能和电流互感器CT敏感母线电流作为能量输入，然后通过充电控制器的控制方式为柱上开关控制器提供电能，这种混合储能方式保证了柱上开关的正常工作；同时为柱上开关控制器提供不间断的独立电源。

②本发明对充电进行不同能量的控制方式，充分考虑了环境变化以及母线电流变化对铅酸免维护蓄电池影响。防止铅酸免维护蓄电池的过充或欠压。

③本发明采用单片机的编程形式对太阳能变步长最大功率进行跟踪，实现太阳能最大能量的利用。

④整流稳压电路对电流互感器敏感到的柱上开关母线电流进行先整流后稳压的处理，保证电流互感器的工作点在磁化曲线的接近膝点附近，然后输出能量给铅酸免维护蓄电池。此种方式的储能实现了对柱上开关母线能量的回收利用。

⑤本发明混合蓄能供电装置取代了传统的电压互感器取电方式，改为一方面用电流互感器取电，另一方面用太阳能取电。避免了电压互感器的铁磁谐振隐患，同时减轻了柱上开关的重量，缩小了柱上开关的体积。

附图说明

图1是本发明基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置的结构框图。

图2是本发明升压充电电路的电路原理图。

图3是本发明电流互感器的三相电流输出示意图。

图4是本发明整流稳压电路的电路原理图。

图5是本发明充电控制器的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图5所示，本发明是一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，该装置包括有充电控制器10、整流稳压电路20、升压充电电路30、太阳能光伏电池组件40、铅酸免维护蓄电池50和电流互感器60；

所述电流互感器60是一种具有三相主回路电流的互感器；

太阳能光伏电池组件40为充电控制器10和升压充电电路30提供光能转电能U_太阳能；

电流互感器60一方面将采集到的10kV母线电流进行降流后输出三相电流I_互感器，另一方面将所述三相电流I_互感器输出给整流稳压电路20；

升压充电电路30依据充电控制器10输出的脉冲控制信号PWM启动光能转电能U_太阳能是否向铅酸免维护蓄电池50充电；

整流稳压电路20依据充电控制器10输出的电流控制信号I_10-30启动三相电流I_互感器是否向铅酸免维护蓄电池50充电；

铅酸免维护蓄电池50输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery给充电控制器10；

充电控制器10依据充电控制策略对铅酸免维护蓄电池50进行充电控制。

在本发明中，对铅酸免维护蓄电池50的充电采用了太阳能和感应电能，当遇长时间阴雨天气造成的太阳能充电的不足时，采用感应电能充电，有效保证了户外10KV柱上开关控制器的正常工作。

（一）太阳能光伏电池组件40

太阳能光伏电池组件40输出的光能转电能U_太阳能能够为充电控制器10和升压充电电路30供电。所述光能转电能U_太阳能包括有太阳能输出电压U_solar和太阳能输出电流I_solar，光能转电能U_太阳能采用集合形式表达为U_太阳能＝{U_solar,I_solar}。

在本发明中，太阳能光伏电池组件40使用单晶硅材料，开路电压22V，短路电流0.66 A，工作电压18V，额定功率10W，尺寸为355mm×250mm×25mm。

（二）电流互感器60

参见图3所示，电流互感器60输出的三相电流I_互感器为升压充电电路30供电。所述三相电流I_互感器包括有A相电流Ia1，B相电流Ib1和C相电流Ic1。三相电流I_互感器采用集合形式表达为I_互感器＝{Ia1,Ib1,Ic1}。

所述电流互感器采用环形硅钢铁心，饱和磁感应强度高，绕组原边匝数25，副边匝数500，正常工作原边电流5A，承受2倍过流。

采用电流互感器感应取电时，由于母线线路电流波动大，在线路过流时容易引起变压器饱和现象，为解决该问题，实用新型专利（申请号为201120147436.5）提出类似保护电流互感器的设计，使互感器在20倍过流情况下不饱和，并采用宽电压输入的芯片作为稳压方法。这种方法不可避免地造成了能量损失，在正常工作时，互感器工作在磁化曲线较低的位置，传递功率低。发明专利（申请号为200910309627.4）提出采用功率控制法，当出现线路过流时通过控制开关管的占空比限制输出功率，防止互感器出现饱和，但是控制方法复杂，对控制器提出了较高的要求。

在本发明中，线路正常工作输出5A电流时，互感器工作点设计在磁化曲线的接近膝点处，此时磁导率最大，能量传递效率最高。线路出现过载电流时，滤波稳压电路以及CT充电控制策略即时动作，可以有效防止电流互感器饱和。

（三）整流稳压电路20

参见图4所示，所述整流稳压电路由三个整流桥D31～D33、滤波电感L31～L32、复合三极管Q31、二极管D34/D36/D38/D39、稳压二极管D35/D37/D310、电阻R31～R37、电解电容C31、去耦电容C32和运算放大器LM224组成。

三个整流桥D31/D32/D33分别连接三相电流互感器降流后的输出Ia1、Ib1和Ic1，形成串联电路。

滤波电感L31的1端连接整流桥D31，滤波电感L31的2端与复合三极管Q31的C极连接，滤波电感L31的2端与稳压二极管D35的阴极连接，滤波电感L31的2端与二极管D34的阳极连接。滤波电感L32的1端连接整流桥D33，2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上。

复合三极管Q31的G极与二极管D36的阴极连接，复合三极管Q31的G极与电阻R32的1端连接，复合三极管Q31的G极与电阻R31的1端连接。

二极管D34的阳极连接滤波电感L31的2端，二极管D34的阴极与电阻R33的1端连接；二极管D36的阳极连接稳压二极管D35的阳极，二极管D36的阴极与复合三极管Q31的G极连接；二极管D38的阳极与运算放大器LM224的1端连接，二极管D38的阳极与电阻R31的1端连接，二极管D38的阴极与二极管D39的阴极连接，二极管D38的阴极与稳压二极管D37的阴极连接；二极管D39的阳极与充电控制器10提供的电流控制信号I_10-30连接，二极管D39的阴极与二极管D38的阴极连接，二极管D39的阴极与稳压二极管D37的阴极连接。

稳压二极管D35的阳极与二极管D36的阳极连接，稳压二极管D35的阴极与滤波电感L31的2端连接，稳压二极管D35的阴极与二极管D34的阳极连接；稳压二极管D37的阳极与电阻R32的2端连接，稳压二极管D37的阴极与二极管D38的阴极连接，稳压二极管D37的阴极与二极管D39的阴极连接；稳压二极管D310的阳极连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；稳压二极管D310的阴极与电阻R37的2端连接，稳压二极管D310的阴极与运算放大器LM224的2端连接。

电阻R31的1端连接复合三极管Q31的G极，电阻R31的1端连接电阻R32的1端，电阻R31的1端与二极管D36的阴极连接，电阻R31的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；电阻R32的1端连接电阻R31的1端，电阻R32的1端连接复合三极管Q31的G极，电阻R32的1端与二极管D36的阴极连接，电阻R32的2端与稳压二极管D37的阳极连接；电阻R33的1端连接二极管D34的阴极，电阻R33的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；电阻R34的1端连接运算放大器LM224的1端，电阻R34的1端连接二极管D38的阳极，电阻R34的2端连接运算放大器LM224的3端，电阻R34的2端与电阻R35的2端连接，电阻R34的2端与电阻R36的1端连接；电阻R35的1端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；电阻R35的2端连接电阻R34的2端，电阻R35的2端连接运算放大器LM224的3端，电阻R35的2端与电阻R36的1端连接；电阻R36的1端连接LM224的3端，电阻R36的1端与电阻R34的2端连接，电阻R36的1端与电阻R35的2端连接，电阻R36的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；电阻R37的1端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上，电阻R37的2端连接在运算放大器LM224的2端，电阻R37的2端连接稳压二极管D310的阴极。

电解电容C31和去耦电容C32并联在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正负极上。

运算放大器LM224的1端连接二极管D38的阳极，运算放大器LM224的1端与电阻R34的1端连接；运算放大器LM224的2端连接电阻R37的2端，运算放大器LM224的2端连接稳压二极管D310的阴极；运算放大器LM224的3端连接电阻R34的2端，运算放大器LM224的3端连接电阻R35的2端，运算放大器LM224的3端与电阻R36的1端连接；运算放大器LM224的4端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；运算放大器LM224的11端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上。

三个整流桥D31～D33串联构成三相全桥不控整流电路，此电路为三相电压全桥整流的对偶电路。每个时刻通过整流桥的电流为三相电流的瞬时最大值，因此整流桥的输出电流波形为三相电流的包络线。三相电流平衡时，整流桥输出电流平均值为单相电流有效值的2.34倍。电感L31～L32构成滤波电路，将输出的六脉波电流中的高频分量滤除。

电阻R34～R37、稳压二极管D310、复合三极管Q31和运算放大器LM224构成滞环比较器稳压电路。电阻R37和稳压二极管D310构成基准电源，连接运算放大器LM224的负端输入。电阻R35和电阻R36将铅酸免维护蓄电池50的输入电压进行分压后连接运算放大器LM224的正端输入，并与基准电源比较。当铅酸免维护蓄电池50的输入电压大于26V时，运算放大器LM224输出高电平控制信号，通过复合三极管Q31泄流降低铅酸免维护蓄电池50的输入电压；当铅酸免维护蓄电池50的输入电压小于26V时，运算放大器LM224输出低电平控制信号，使得蓄电池继续充电。为了防止在边界条件26V频繁切换造成电路不稳定，在LM224的正极输入端和输出端之间并联大电阻R34，构成正反馈滞环比较电路，当铅酸免维护蓄电池50的输入电压大于27V时输出高电平信号，铅酸免维护蓄电池50的输入电压小于25.5V时输出低电平信号。

稳压二极管D35、二极管D36、电阻R31和复合三极管Q31构成保护电路。当线路电流过大时，LM224不足以提供足够大的基极电流使得复合三极管Q31充分泄流，铅酸免维护蓄电池50的输入电压会继续上升，当输入电压超过30V时，稳压二极管D35击穿，稳压二极管D35和二极管D36支路为复合三极管Q31补充基极电流，使复合三极管Q31充分泄流，降低铅酸免维护蓄电池50的输入电压。三相输入电流在15%～20倍额定电流的范围内，铅酸免维护蓄电池50的输入电压保持稳定。

二极管D38～D39、稳压二极管D37和电阻R32组成复合三极管Q31的基极驱动电路。稳压管D37降低基极功耗，二极管D38和D39构成控制信号的并联输入，运算放大器LM224的比较输出以及充电控制器10的电流控制信号I_10-20均能实现对复合三极管Q31的导通控制。

电解电容C31和去耦电容C32实现铅酸免维护蓄电池50的输入电压滤波。

该滤波稳压电路同样实现了对电流互感器的保护，防止线路电流过大引起互感器饱和发热现象。当线路出现过载电流时，电容C31充电电流迅速升高，使铅酸免维护蓄电池50的输入电压升高，运算放大器LM224控制复合三极管Q31导通，电路自动保护泄流，励磁电流下降，防止互感器饱和。线路出现短路电流时，充电控制器10检测到蓄电池充电电流信号I_battery迅速升高，输出电流控制信号I_10-20信号使互感器充电退出，电流互感器自动退出饱和区，与此同时，终端保护设备也迅速动作将短路电流切除，保护电流互感器。由此避免了过流和短路电流对互感器造成的冲击和饱和现象，电流互感器工作稳定性高。

（四）升压充电电路30

参见图2所示，在本发明中升压充电电路30采用Boost电路结构，由电容C21～C25、电感L21、电阻R21～R23、稳压二极管D21、快恢复二极管D22以及N沟道MOSFET管Q1组成。

太阳能光伏电池组件40的输出端的正负极上并联有去耦电容C21、电解电容C22、电解电容C23；

铅酸免维护蓄电池50的输入端的正负极上并联有去耦电容C24和滤波电解电容C25；

电感L21的1端与电解电容C23的正极连接，电感L21的2端与快恢复二极管D22的阳极连接，电感L21的2端与MOSFET管Q1的D端连接；

电阻R21的1端与驱动器（驱动芯片型号IR2121）连接，电阻R21的2端与电阻R22的1端连接，电阻R21的2端与稳压二极管D21的阴极连接，电阻R21的2端与MOSFET管Q1的G端连接；

电阻R22的1端与电阻R21的2端连接，电阻R22的2端连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上；

稳压二极管D21的阳极连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上，稳压二极管D21的阴极与电阻R21的2端连接；

快恢复二极管D22的阳极与电感L21的2端连接，快恢复二极管D22的阴极与去耦电容C4的一端连接，快恢复二极管D22的阴极与滤波电解电容C5的阳极连接，快恢复二极管D22的阴极连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；

电阻R23的1端与MOSFET管Q1的S端连接，电阻R23的1端与驱动器（驱动芯片型号IR2121）连接，电阻R23的2端连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上。

在本发明的升压充电电路30中，去耦电容C21能够对输入的光能转电能U_太阳能进行低通滤波处理，电解电容C22和C23将光能转电能U_太阳能进行储能，在电感L21电流断续情况下补充能量。

电感L21、MOSFET管Q1、快恢复二极管D22、电解电容C25和去耦电容C24构成BOOST电路结构。MOSFET管Q1导通时，电感L21储能，MOSFET管Q1关断时，电感L21释放能量，电感L21电流连续的情况下，铅酸免维护蓄电池50的输入电压是光能转电能U_太阳能中太阳能输出电压U_solar的倍（D为MOSFET管Q1的控制信号PWM占空比）。电解电容C25和去耦电容C24能够对铅酸免维护蓄电池50的输入电压进行滤波。

电阻R23作为MOSFET管Q1电流的取样电阻，防止MOSFET管不受控导通时电流过大烧坏。电阻R23的电压输出给驱动芯片IR2121的3脚，由IR2121输出过流保护信号闭锁PWM控制信号的输出。

稳压二极管D21防止栅极电压过高造成Q1损坏。

电阻R21和电阻R22用于防止MOSFET管Q1的栅极G端和源极S端阻抗过高引起的振荡。R21破坏起振条件，R22减低栅极G端和源极S端间阻抗。

驱动芯片IR2121连接充电控制器10输出的PWM信号，产生MOSFET管Q1的驱动信号。

（五）充电控制器10

参见图5所示，所述充电控制器以单片机ATMEGA16L为核心，采集太阳能光伏电池组件40输出的太阳能输出电压U_solar和太阳能输出电流I_solar、铅酸免维护蓄电池50输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery，通过高速光耦6N137向升压充电电路30输出脉冲控制信号PWM，通过光耦TP521向整流稳压模块输出电流控制信号I_10-20。指示灯报警电路对蓄电池过放欠压信号进行声光报警。

RS-485通信电路采用通信芯片MAX485，将电源监测数据传输给远方监控中心，并及时发出告警信号。

在本发明中，充电控制器10首先根据蓄电池充电电压信号U_battery进行蓄电池充电策略的转换，该蓄电池充电转换有下列步骤：

步骤11：在一个蓄电池充电周期内，单片机每间隔60s检测一次蓄电池充电电压

（i表示检测电压次数），然后进行判断：

若： $U_{\mathrm{battery}}^{\left(i\right)}\≤20V,$

则：过放告警计数值low_count加一，电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路投入充电；太阳能充电采用变步长最大功率跟踪策略；充电监控程序投入；

若： $20V<U_{\mathrm{battery}}^{\left(i\right)}\&le;24V,$

则：过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20为低电平，互感器充电电路投入充电，进入互感器充电监控程序；太阳能充电采用变步长最大功率跟踪策略；充电监控程序投入；

若： $24V<U_{\mathrm{battery}}^{\left(i\right)}\&le;26V,$

则：过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20保持低电平，互感器充电电路投入充电；太阳能充电保持采用恒压充电策略；充电监控程序投入；

若： $U_{\mathrm{battery}}^{\left(i\right)}>26V,$

则：过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出；太阳能充电PWM信号保持高电平，太阳能充电退出；充电监控程序退出；

步骤12：单片机对过放告警计数值low_count进行判断：

若：low_count>30，

则：low_count清零，过放欠压指示灯亮，蜂鸣器报警，RS-485将过放信号传输到智能控制器以及远方监控中心，切断非核心负载或进行电池更换；

若：low_count≤30，

则：回到步骤11进行重新判断，直至结束向蓄电池充电。

在本发明中，充电控制器进行的充电监控程序包含以下步骤：

步骤21：电流控制信号I_10-20为低电平时，单片机每间隔1s采集一次蓄电池充电电流

（n表示检测电流次数），所述

与前一次的充电电流

进行比较得到充电电流的变化量 ${\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{battery}}=|I_{\mathrm{battery}}^{\left(n\right)}-I_{\mathrm{battery}}^{(n-1)}|,$ 然后进行判断：

若：ΔI_battery>0.3A，

则：电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出；脉冲控制信号PWM占空比增加K₁×ΔI_battery，减小功率输出以防止蓄电池受电流冲击收到损坏。占空系数K₁取0.5；

若：ΔI_battery≤0.3A，电流控制信号I_10-20为低电平，脉冲控制信号PWM占空比不变，进入步骤22，对

进行判断：

步骤22：针对步骤21的结果进行进一步判断，

若： $I_{\mathrm{battery}}^{\left(n\right)}>1.5A,$

则：电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出，保护电流互感器，防止饱和过热；

若： $I_{\mathrm{battery}}^{\left(n\right)}<1.5A,$

则：电流控制信号I_10-20为低电平，互感器充电电路投入，回到步骤21进行下一次判断，结束对充电控制器的充电监控。

在本发明中，充电控制器进行的太阳能变步长最大功率跟踪策略包含以下步骤：步骤31：单片机计算蓄电池充电电压

与前一次充电电压

之间的变化量 ${\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{battery}}=|U_{\mathrm{battery}}^{\left(i\right)}-U_{\mathrm{battery}}^{(i-1)}|,$ 然后进行判断：

若：ΔU_battery≤ε_b，

则：保持上一计算周期的占空比D(i-1)作为当前周期的占空比D(i)，即D(i)＝D(i-1)，结束太阳能变步长最大功率跟踪；

若：ΔU_battery＞ε_b，

则：以上一计算周期的占空比D(i-1)为起始占空比，初始扰动步长为0.1，进行最大功率点搜索；ε_b是初始化时设定的蓄电池电压变化量比较标准，取0.1V；

步骤32：单片机每间隔1s对太阳能光伏电池组件的输出电压

和输出电流

进行采样，计算当前时刻光伏电池组件的输出功率

所述

与前一次的输出电压

作比，得到输出电压变化量所述与前一次的输出电流

作比，得到输出电流变化量

所述与前一次的输出功率

作比，得到输出功率变化量

W表示检测到的太阳能光伏电池组件的输出次数；

步骤33：根据步骤32的计算结果进行判断：

若：|ΔU_solar|≤ε_us，

则：进行下一次采样；

若：|ΔU_solar|＞ε_us，

则：对功率变化量ΔP_solar进行判断：

若|ΔP_solar|≤ε_p，则保存当前占空比D(W)以及输出电压

作为下一轮判断的依据，回到步骤31；否则进入步骤34。ε_us和ε_p是初始化设定的太阳能电压和功率变化量比较标准，ε_us取0.05V，ε_p取0.05W；

步骤34：计算当前占空比变化量（M是初始化时设定的比例系数）作为下一时刻占空比的扰动量，并对ΔP_solar×ΔU_solar进行判断：

若ΔP_solar×ΔU_solar>0，则以下一次占空比D(W+1)＝D(W-1)+ΔD(W)进行采样；

若ΔP_solar×ΔU_solar≤0，则以下一次占空比D(W+1)＝D(W-1)-ΔD(W)进行采样。

在本发明中，充电控制器进行的太阳能恒压充电策略包含以下步骤：

步骤41：单片机每间隔60s计算蓄电池充电电压

与前一次充电电压

的变化量

计算占空比的变化量

D₀是最大功率跟踪算法退出时保存的占空比；

步骤42：然后，以下一次的占空比D(i+1)＝D(i)+ΔD进行下一次的太阳能恒压充电采样。

（六）铅酸免维护蓄电池50

铅酸免维护蓄电池采用上海欣宿电源设备有限公司生产的6FM7系列阀控式密封铅酸蓄电池，规格为12V，7Ah，在本系统中采用两块串联。

本发明设计的一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，太阳能光伏电池组件将太阳能转化成直流电能U_太阳能，通过升压充电电路向铅酸免维护蓄电池充电；柱上开关母线控制器的三相主回路电流经电流互感器变换成I_互感器通过整流稳压电路作为铅酸免维护蓄电池的另一路能量来源，补偿长时间阴雨天气造成的太阳能充电的不足。充电控制器采集蓄电池电压U_battery和电流I_battery、光伏组件输出电压U_solar和电流I_solar，执行基于最大功率传输的充电控制策略，输出脉冲控制信号PWM和电流控制信号I_10-30，实现蓄电池的快速充电，防止过充过放。该装置充分利用清洁能源和线路电流能量，在较大的环境变化以及母线电流范围内能提供24V额定电压，5W以上功率，并跟踪最大功率传输点，提高充电效率，而且在线路电流过大时，避免发生铁心饱和发热现象，解决户外10kV柱上开关智能控制器供电问题，取代电压互感器取电方式，减小了柱上开关的重量和体积。

Claims (8)

1.一种基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：该装置包括有充电控制器（10）、整流稳压电路（20）、升压充电电路（30）、太阳能光伏电池组件（40）、铅酸免维护蓄电池（50）和电流互感器（60）；

电流互感器（60）一方面将采集到的10kV母线电流进行降流后输出三相电流I_互感器，另一方面将所述三相电流I_互感器输出给整流稳压电路（20）；

升压充电电路（30）依据充电控制器（10）输出的脉冲控制信号PWM启动光能转电能U_太阳能是否向铅酸免维护蓄电池（50）充电；

整流稳压电路（20）依据充电控制器（10）输出的电流控制信号I_10-30启动三相电流I_互感器是否向铅酸免维护蓄电池（50）充电；

铅酸免维护蓄电池（50）输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery给充电控制器（10）；

充电控制器（10）依据充电控制策略对铅酸免维护蓄电池（50）进行充电控制。

2.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：所述电流互感器（60）输出的三相电流I_互感器为升压充电电路（30）供电；所述三相电流I_互感器包括有A相电流Ia1，B相电流Ib1和C相电流Ic1。

3.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：太阳能光伏电池组件（40）为充电控制器（10）和升压充电电路（30）提供光能转电能U_太阳能。

4.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：太阳能光伏电池组件（40）使用单晶硅材料，开路电压22V，短路电流0.66A，工作电压18V，额定功率10W，尺寸为355mm×250mm×25mm。

5.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：所述整流稳压电路（20）由三个整流桥D31～D33、滤波电感L31～L32、复合三极管Q31、二极管D34/D36/D38/D39、稳压二极管D35/D37/D310、电阻R31～R37、电解电容C31、去耦电容C32和运算放大器LM224组成；

三个整流桥D31/D32/D33分别连接三相电流互感器降流后的输出Ia1、Ib 1和Ic1，形成串联电路；滤波电感L31的1端连接整流桥D31，滤波电感L31的2端与复合三极管Q31的C极连接，滤波电感L31的2端与稳压二极管D35的阴极连接，滤波电感L31的2端与二极管D34的阳极连接。滤波电感L32的1端连接整流桥D33，2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；

复合三极管Q31的G极与二极管D36的阴极连接，复合三极管Q31的G极与电阻R32的1端连接，复合三极管Q31的G极与电阻R31的1端连接；

二极管D34的阳极连接滤波电感L31的2端，二极管D34的阴极与电阻R33的1端连接；二极管D36的阳极连接稳压二极管D35的阳极，二极管D36的阴极与复合三极管Q31的G极连接；二极管D38的阳极与运算放大器LM224的1端连接，二极管D38的阳极与电阻R31的1端连接，二极管D38的阴极与二极管D39的阴极连接，二极管D38的阴极与稳压二极管D37的阴极连接；二极管D39的阳极与充电控制器10提供的电流控制信号I_10-30连接，二极管D39的阴极与二极管D38的阴极连接，二极管D39的阴极与稳压二极管D37的阴极连接；

稳压二极管D35的阳极与二极管D36的阳极连接，稳压二极管D35的阴极与滤波电感L31的2端连接，稳压二极管D35的阴极与二极管D34的阳极连接；稳压二极管D37的阳极与电阻R32的2端连接，稳压二极管D37的阴极与二极管D38的阴极连接，稳压二极管D37的阴极与二极管D39的阴极连接；稳压二极管D310的阳极连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；稳压二极管D310的阴极与电阻R37的2端连接，稳压二极管D310的阴极与运算放大器LM224的2端连接；

电阻R31的1端连接复合三极管Q31的G极，电阻R31的1端连接电阻R32的1端，电阻R31的1端与二极管D36的阴极连接，电阻R31的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；电阻R32的1端连接电阻R31的1端，电阻R32的1端连接复合三极管Q31的G极，电阻R32的1端与二极管D36的阴极连接，电阻R32的2端与稳压二极管D37的阳极连接；电阻R33的1端连接二极管D34的阴极，电阻R33的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；电阻R34的1端连接运算放大器LM224的1端，电阻R34的1端连接二极管D38的阳极，电阻R34的2端连接运算放大器LM224的3端，电阻R34的2端与电阻R35的2端连接，电阻R34的2端与电阻R36的1端连接；电阻R35的1端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；电阻R35的2端连接电阻R34的2端，电阻R35的2端连接运算放大器LM224的3端，电阻R35的2端与电阻R36的1端连接；电阻R36的1端连接LM224的3端，电阻R36的1端与电阻R34的2端连接，电阻R36的1端与电阻R35的2端连接，电阻R36的2端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；电阻R37的1端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上，电阻R37的2端连接在运算放大器LM224的2端，电阻R37的2端连接稳压二极管D310的阴极；

电解电容C31和去耦电容C32并联在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正负极上；

运算放大器LM224的1端连接二极管D38的阳极，运算放大器LM224的1端与电阻R34的1端连接；运算放大器LM224的2端连接电阻R37的2端，运算放大器LM224的2端连接稳压二极管D310的阴极；运算放大器LM224的3端连接电阻R34的2端，运算放大器LM224的3端连接电阻R35的2端，运算放大器LM224的3端与电阻R36的1端连接；运算放大器LM224的4端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的负极上；运算放大器LM224的11端连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上。

6.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：所述升压充电电路（30）采用Boost电路结构，由电容C21～C25、电感L21、电阻R21～R23、稳压二极管D21、快恢复二极管D22以及N沟道MOSFET管Q1组成；

太阳能光伏电池组件（40）的输出端的正负极上并联有去耦电容C21、电解电容C22、电解电容C23；

铅酸免维护蓄电池（50）的输入端的正负极上并联有去耦电容C24和滤波电解电容C25；

电感L21的1端与电解电容C23的正极连接，电感L21的2端与快恢复二极管D22的阳极连接，电感L21的2端与MOSFET管Q1的D端连接；

电阻R21的1端与型号IR2121驱动器连接，电阻R21的2端与电阻R22的1端连接，电阻R21的2端与稳压二极管D21的阴极连接，电阻R21的2端与MOSFET管Q1的G端连接；

电阻R22的1端与电阻R21的2端连接，电阻R22的2端连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上；

稳压二极管D21的阳极连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上，稳压二极管D21的阴极与电阻R21的2端连接；

快恢复二极管D22的阳极与电感L21的2端连接，快恢复二极管D22的阴极与去耦电容C4的一端连接，快恢复二极管D22的阴极与滤波电解电容C5的阳极连接，快恢复二极管D22的阴极连接在铅酸免维护蓄电池50的输入端的正极上；

电阻R23的1端与MOSFET管Q1的S端连接，电阻R23的1端与驱动器连接，电阻R23的2端连接在太阳能光伏电池组件40的输出端的负极上。

7.根据权利要求1所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：所述充电控制器（10）以单片机ATMEGA16L为核心，采集太阳能光伏电池组件（40）输出的太阳能输出电压U_solar和太阳能输出电流I_solar、铅酸免维护蓄电池（50）输出蓄电池充电电压信号U_battery和蓄电池充电电流信号I_battery，通过高速光耦6N137向升压充电电路（30）输出脉冲控制信号PWM，通过光耦TP521向整流稳压模块输出电流控制信号I_10-20；指示灯报警电路对蓄电池过放欠压信号进行声光报警。

8.根据权利要求7所述的基于功率控制的太阳能和CT混合蓄能供电装置，其特征在于：充电控制器（10）首先根据蓄电池充电电压信号U_battery进行蓄电池充电策略的转换，该蓄电池充电转换有下列步骤：

步骤11：在一个蓄电池充电周期内，单片机每间隔60s检测一次蓄电池充电电压

然后进行判断：

若：

则过放告警计数值low_count加一，电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路投入充电；太阳能充电采用变步长最大功率跟踪策略；充电监控程序投入；

若：

则过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20为低电平，互感器充电电路投入充电，进入互感器充电监控程序；太阳能充电采用变步长最大功率跟踪策略；充电监控程序投入；

若：

则过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20保持低电平，互感器充电电路投入充电；太阳能充电保持采用恒压充电策略；充电监控程序投入；

若：

则过放告警计数值low_count清零，电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出；太阳能充电PWM信号保持高电平，太阳能充电退出；充电监控程序退出；

步骤12：单片机对过放告警计数值low_count进行判断：

若：low_count>30，则low_count清零，过放欠压指示灯亮，蜂鸣器报警，RS-485将过放信号传输到智能控制器以及远方监控中心，切断非核心负载或进行电池更换；

若：low_count≤30，则回到步骤11进行重新判断，直至结束向蓄电池充电；

所述充电控制器进行的充电监控程序包含以下步骤：

步骤21：电流控制信号I_10-20为低电平时，单片机每间隔1s采集一次蓄电池充电电流

所述

与前一次的充电电流

进行比较得到充电电流的变化量然后进行判断：

若：ΔI_battery>0.3A，则电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出；脉冲控制信号PWM占空比增加K₁×ΔI_battery，K₁取0.5；

若：ΔI_battery≤0.3A，电流控制信号I_10-20为低电平，脉冲控制信号PWM占空比不变，进入步骤22，对

进行判断：

步骤22：针对步骤21的结果进行进一步判断，

若：

则电流控制信号I_10-20为高电平，互感器充电电路退出，保护电流互感器，防止饱和过热；

若：

则电流控制信号I_10-20为低电平，互感器充电电路投入，回到步骤21进行下一次判断，结束对充电控制器的充电监控；

所述充电控制器进行的太阳能变步长最大功率跟踪策略包含以下步骤：

步骤31：单片机计算蓄电池充电电压

与前一次充电电压之间的变化量然后进行判断：

若：|ΔU_battery|≤ε_b，则保持上一计算周期的占空比D(i-1)作为当前周期的占空比D(i)，结束太阳能变步长最大功率跟踪；

若：|ΔU_battery|＞ε_b，则以上一计算周期的占空比D(i-1)为起始占空比，初始扰动步长为0.1，进行最大功率点搜索；εb是初始化时设定的蓄电池电压变化量比较标准，取0.1V；

步骤32：单片机每间隔1s对太阳能光伏电池组件的输出电压

和输出电流进行采样，计算当前时刻光伏电池组件的输出功率

所述

与前一次的输出电压

作比，得到输出电压变化量

所述

与前一次的输出电流

作比，得到输出电流变化量

所述

与前一次的输出功率

作比，得到输出功率变化量

W表示检测到的太阳能光伏电池组件的输出次数；

步骤33：根据步骤32的计算结果进行判断：

若：|ΔU_solar|≤ε_us，则进行下一次采样；

若：|ΔU_solar|＞ε_us，则对功率变化量ΔP_solar进行判断：

若|ΔP_solar|≤ε_p，则保存当前占空比D(W)以及输出电压作为下一轮判断的依据，回到步骤31；否则进入步骤34；ε_us和ε_p是初始化设定的太阳能电压和功率变化量比较标准，ε_us取0.05V，ε_p取0.05W；

步骤34：计算当前占空比变化量

作为下一时刻占空比的扰动量，并对ΔP_solar×ΔU_solar进行判断：

若ΔP_solar×ΔU_solar>0，则以下一次占空比D(W+1)＝D(W-1)+ΔD(W)进行采样；

若ΔP_solar×ΔU_solar≤0，则以下一次占空比D(W+1)＝D(W-1)-ΔD(W)进行采样；

M是初始化时设定的比例系数；

所述充电控制器进行的太阳能恒压充电策略包含以下步骤：

步骤41：单片机每间隔60s计算蓄电池充电电压

与前一次充电电压

的变化量

计算占空比的变化量

D₀是最大功率跟踪算法退出时保存的占空比；

步骤42：然后，以下一次的占空比为D(i+1)＝D(i)+ΔD，进行下一次的太阳能恒压充电采样。

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