CN103178620A - 一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池储能系统领域，特别涉及一种移动式锂电池储能控制系统，包括太阳能电池板组、汇流单元、接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、储能锂电池组及系统控制器，其特征在于，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与汇流单元、接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、用电切换单元相连构成网络智能控制系统。与现有技术相比，本发明的优点是：光伏发电、低谷电利用合一，白天阳光充足时，实现光伏发电并储存，晚间储存低谷电。

Description

一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统

技术领域

本发明涉及以锂电池为储能元件的储能系统领域，特别涉及一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统。

背景技术

目前由于社会的进步，用电量猛增，不可再生能源原料的逐渐枯竭使人们进入了开发新能源的阶段，如风电、光伏发电等新兴能源得到了快速发展，其中一些已实现了并网使用，采用电池储能的大型光伏发电装置已在试用；小型光伏发电并采用电池储能的装置已普遍应用，但其存在位置固定，无法满足用户的移动要求的不足。另外磷酸铁锂电池技术已经成熟，成为污染严重的铅酸蓄电池的替代品，使电池储能得以大规模应用。

传统的光伏发电并电池储能的装置，使用效果受天气影响很大，在连续阴雨天时不能供电。而电网中的低谷电一直存在利用率低的问题，低谷电价只是普通电价的一半左右，目前有大电网通过建立抽水蓄能站等方式利用低谷电，但是并没有得广泛普及。低谷电不利用，这是一个很大的浪费。如果能在低谷时间（23时～早7时） 里将电网的电存入储能电池中，这就可以补充阴天时光伏发电的不足，也是一个实现节能减排的有利措施。

此外传统的小型光伏发电带电池储能的装置中，其控制系统多采用模拟信号检测及传送，其线路复杂，易受干扰，运行可靠性差，迫切需要带现场总线的网络智能控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，设计一种太阳能发电车，实现集光伏发电、低谷电利用于一体的锂电池储能，采用数字式网络智能控制系统，白天阳光充足时，实现光伏发电并储存，晚间储存低谷电，从而实现用户负载的24小时连续供电。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：

一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，包括太阳能电池板组、汇流单元、接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与汇流单元、接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

所述汇流单元中设有直流熔断器、电流传感器和汇流监测单元，直流熔断器和电流传感器依次串连在某电池串列的阳极输出端导线上，电流传感器的输出电流信号与汇流监测单元输入端相连；所述汇流监测单元为网络数据采集器，网络数据采集器接收多路电流信号并与系统控制器通讯。

所述接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通；

所述操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量输出端与开关量输出驱动单元相连。

所述双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

所述电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。

所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）集光伏发电、低谷电利用于一体，采用数字式网络智能控制系统，白天阳光充足时，实现光伏发电并储存，晚间储存低谷电，从而实现用户负载的24小时连续供电。

2）对各路光伏电池串列的直流输出进行网络数据采集，可实现光伏发电与低谷电的自动转换，可实现现场总线功能，体积小，可方便地组成网络结点式信号采集系统，隔离放大模块U₁实现高绝缘的可靠隔离，大大提高了抗干扰能力及信号的测量精度。

3）锂电池组采用了电池均衡器和电池温度检测单元，且引入了网络数据采集器，实现锂电池电压数据的及时上传，使系统实现了智能控制，同时保证了系统安全、经济、稳定运行。

附图说明

图1为本发明储能控制系统原理图；

图2为图1中系统控制器原理图；

图3为图1中汇流单元原理图；

图4为图3中汇流监测单元原理图；

图5为图1中接入切换单元原理图；

图6为图5中操作控制器原理图；

图7为图1中双向逆变器原理图；

图8为图1中储能斩波单元原理图；

图9为图1中电池均衡器原理图；

图10为储能锂电池1～8测温接线示意图；

图11为储能锂电池9～16测温接线示意图；

图12为图1中用电切换单元原理图；

图13为图4和图9中的网络数据采集器原理图；

图14为图13中的信号接入单元原理图；

图15为图13中的信号变换单元原理图；

图16为图13中隔离放大单元原理图；

图17为图16的热电阻接入状态连接图；

图18为图13中嵌入式微电脑原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1、图2，为本发明一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统原理图，包括太阳能电池板组、汇流单元、接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与汇流单元、接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

储能锂电池组的接线方案按220V100AH和220V200AH两种规格组配，其中220V100AH锂离子电池组由7组标称为32V100AH的模块串联而成，32V100AH模块内部由10块单体3.2V/100AH锂电池串联而成；

220V200AH锂离子电池组由14组标称为16V200AH的模块串联而成，16V200AH模块内部由10块单体100AH锂电池组成，内部连接方式为2并5串。

见图3、图4，汇流单元中设有直流熔断器、电流互感器和汇流监测单元，直流熔断器和电流互感器依次串连在某电池串列的阳极输出端导线上，电流互感器的输出电流信号与汇流监测单元输入端相连；汇流监测单元即为网络数据采集器，网络数据采集器接收多路电流信号并与系统控制器通讯，实施例中每两个光伏电池为一组，共分8组，对应网络数据采集器的8个输入端，网络数据采集器由单独的DC/DC直流变压器供电。

见图5，接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通，实现由光伏电池向锂电池充电或由电网的低谷电向锂电池充电的切换功能；

见图6，操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑上设有开关量输入端（开入）与开关量输出端，开关量输出端与开关量输出驱动单元（开出驱动）相连，实现开关量的功率放大。USB接口可用于程序的更新。RS-485接口用于电流或电压信号的输入。

见图7，双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制电路，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器将转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

见图8，储能斩波单元的功能是将由接入切换单元的控制接点QF31、QF32输出的直流信号变成方波，对电池组充电，开关管T8、T9，电容C4、C5及电感L4构成典型的斩波电路，储能斩波单元控制器结构与图6中的操作控制器相同均为嵌入式微电脑结构，同时具有联网功能以及开关量和模拟量输入输出功能。

见图9，电池均衡器包括电池均衡调节驱动器及网络数据采集器，实现各组锂电池之间的电压的自动均衡，避免由于各组锂电池的电压不同引起的内部放电现象，每个电池均衡调节驱动器可驱动8个锂电池，电池均衡调节驱动器也与系统控制器进行通讯。

见图10中，电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。电池1～8为磷酸锂储能电池，T1～T8为DS18B20一线总线数字式温度变送器，能实现8个储能锂电池的温度自动检测，避免电池的不正常温升，Vd为供电电源，一般为＋5V，CD1接系统电脑上的I/O口1，地为接供电电源地，R1～R8为上拉电阻。

见图11中，电池9～16为磷酸锂储能电池，T9～T16为DS18B20一线总线数字式温度变送器，Vd为供电电源，一般为＋5V，CD2接系统电脑的I/O口2，地为接供电电源地，R8～R16为上拉电阻。

见图12，用电切换单元中，操作控制器控制电子开关QF4、QF5和QF6开闭，当QF4和QF6闭合、QF5打开时，控制接点QF41、QF42、QF43分别与控制接点A、B、C连通,系统接受电网低谷电储能；当QF6打开、QF4和QF5闭合时，控制接点QF41、QF42、QF43分别与控制接点QF51、QF52、QF53连通，实现锂电池向用户供电；当QF4打开、QF6和QF5闭合时，控制接点A、B、C分别与控制接点QF51、QF52、QF53连通，实现电网低谷电向用户供电；从而即保证用户24小时不间断用电，又可在低谷用户不用电时，将23时～早7时的低谷电储存起来。

见图13，网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，信号接入单元依次与信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑顺序相连，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。

见图14，信号接入单元由三个CD4051或CC4051单8通道数字控制模拟电子开关组成。信号接入单元对应A1、A2、A3三个输出端分别输出，哪一路信号输出由片选信号QH和选通信号D2、D1、D0确定；其中信号接入单元信号选通状态表(QH选通信号为1)见表1。

表1

见图15，信号变换单元内包括电阻R1～R11, 阻抗变换器GS1～GS6，电子开关S1～S7，输入基准电压Vuot和电子开关的选通信号D2、D1、D0，变换好的信号由B1、B2、B3三个输出端分别输出；其中电子开关S接通条件见表2。

表2

见图16，隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；

见图17，当检测热电阻Rt信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

见图18，嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。

Claims (6)

1.一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，包括太阳能电池板组、汇流单元、接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、储能锂电池组及系统控制器，其特征在于，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与汇流单元、接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元、用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，其特征在于，所述汇流单元中设有直流熔断器、电流传感器和汇流监测单元，直流熔断器和电流传感器依次串连在某电池串列的阳极输出端导线上，电流传感器的输出电流信号与汇流监测单元输入端相连；所述汇流监测单元为网络数据采集器，网络数据采集器接收多路电流信号并与系统控制器通讯。

3.根据权利要求1所述的一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，其特征在于，所述接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通；

所述操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量输出端与开关量输出驱动单元相连。

4.根据权利要求1所述的一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，其特征在于，所述双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

5.根据权利要求1所述的一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，其特征在于，所述电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。

6.根据权利要求2或5所述的一种移动式光伏发电、低谷电锂电池储能控制系统，其特征在于，所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out。

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