CN104253475B - 一种离网光伏vrlab储能控制装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及离网光伏VRLAB储能控制装置及其工作方法,包括由光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和交流负载;其中,所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接,与能量管理单元呈单向连接;所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接;所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接;所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接,经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。本发明的有益效果在于:①可有效提高小型离网光伏系统发电效率;②采用VRLAB分组投切运行、组合式充放电控制策略,可提高充放电效率,延长储能装置寿命;③外部设备结构简单,技术成熟稳定,易于实现和控制。

Description

一种离网光伏VRLAB储能控制装置及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明属于新能源发电系统控制领域,特别是一种离网光伏VRLAB储能控制装置 及其工作方法。
背景技术
[0002] 近年来,新能源产业及分布式发电技术发展迅速,尤其是风能、光伏发电在偏远地 区、城市建筑等场合得到了广泛推广。由于风能、光伏发电本身具有间歇性和波动性等特 点,引入储能装置可有效解决电能质量问题,提高一次能源利用率和发电系统效率。
[0003] 蓄电池是分布式发电系统中最常见的储能装置。随着现代制造技术的发展,阀控 铅酸蓄电池 (Valve Relation Lead Acid Battery,VRLAB)以其技术成熟、比能量大、循环 使用寿命长、自放电小、高低温特性稳定、过放电恢复性能强、环境友好等诸多优点,近年来 在光伏发电系统中得到广泛应用。
[0004] 蓄电池成本占太阳能光伏发电系统初始设备成本的25%左右,在20年的运行周期 中占投资费用的43%,而蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因。其中, 小型离网光伏系统的规模小易受环境扰动的影响,发电量较小且系统器件损耗较大,对于 储能装置充放电能力的高效快速性、精确控制的要求更高。目前,光伏发电系统中对蓄电池 的控制多采用粗放式管理,充放电过程没有做到精细化控制,仅作为光伏系统的附属对象 与逆变环节、并网环节一起受控制器分时控制,实时性差,蓄电池利用率低常造成资源浪 费,增加了光伏系统的运行成本,增加了小型离网光伏系统用户的经济负担。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种离网光伏VRLAB储能控制装置,结合小型离网光伏系 统和VRLAB特性,采用电池分组投切运行模式可优化电池组的使用效率,引入组合式充放电 控制算法可实现储能装置的高效、精确充放电控制,提高了 VRLAB的使用寿命和效率,改善 了储能系统的运行,降低了小型离网光伏系统的运行成本。
[0006] 本发明提供了一种离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于它是由光伏阵列、滤 波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和交流负载构成; 其中,所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接,与能量管理单元呈单向连接; 所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接;所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双 向连接;所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接,经DC/AC变换器与交流负载呈 单向连接。
[0007] 所述滤波单元由电容Cl、电容C2、电阻R、电感L构成;其中,所述电容Cl的两端分别 与光伏阵列的输出端相连,分别与电感L的一端和电容C2的一端相连;电感L与电阻R串联后 与电容C2相连;电容C2的两端分别于主控单元的DC/DC变换器相连。
[0008] 所述能量管理单元由处理器、人机交互模块、传感器、驱动电路构成;其中,所述人 机交互模块与处理器呈双向连接;所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单元呈单向 连接;所述驱动电路分别与处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。
[0009] 所述处理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片,它包含32KB片内可编程FLASH程序存 储器、IKB的EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、2KB的RAM(random access memory)、看门狗电路、8路10位ADC接口、3路可编程PWM输出接口,片内资源丰富,集 成度高,可实现在线编程。
[0010] 所述人机交互模块由输入输出设备构成。
[0011] 所述传感器由电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路构成,采集光照强度、 蓄电池端电压和电流、环境及蓄电池温度、负载电流等原始数据,经处理计算后可得到光伏 发电量、电池容量等二次数据。
[0012] 所述驱动电路由驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C构成;其中,所述驱动电路A、驱 动电路B、驱动电路C均由驱动器、开关管VT、二极管VD、电容C3构成;所述驱动器采用美国IR 公司生产的IR2110驱动器,其输入端与处理的PWM输出接口相连,其输出端与开关管VT相 连;开关管VT与二极管VD并联,与电容C并联;电容C两端与VRLAB单元的充放电控制继电器 连接;驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C分别与VRLAB单元的充放电控制继电器KMl、KM2、 KM3连接。
[0013] 所述VRLAB单元由VRLAB电池组、充放电控制继电器构成;其中,所述VRLAB电池组 中VRLABI、VRLAB2、VRLAB3分别与充放电控制继电器KMl、KM2、KM3相连;KMl、KM2、KM3分别与 DC/DC变换器的输出端相连,与驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C相连。
[0014] 能量管理单元,还用于根据光伏发电量、负载电能需求量、以及VRLAB电量,向 VRLAB单元发出驱动信号指令,进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略;在光 伏发电量能够满足负载使用且电能富裕时,将电能储存至VRLAB单元,当发电量不能满足本 地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统。
[0015] 电池分组投切运行方式包括:
[0016] 根据蓄电池容量,对容量低于额定容量15%的蓄电池组优先充电,同时允许容量 高于额定容量15%的电池组放电;
[0017] 在线判断三组蓄电池容量的变化,当任意两组蓄电池容量相差达25%时,进行充 电、放电、或静默状态的切换;
[0018] 在保证同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下,结合组合式充放 电控制策略,达到均衡充放电的目的;
[0019] 在系统的荷电状态低于系统总容量的5%时,输出低荷电状态警告;组合式充放电 策略包括:充电控制:初期(OA)采用快速充电恢复蓄电池容量;中期(ABC)采用快速充电恢 复蓄电池容量;末期(CD)采用额定电流的30%大小的电流长期补充电;临界点⑶停止充 电;
[0020] 放电控制:初期(0E)采用快速放电方式回馈光伏系统冲期(EFG)采用稳定放电方 式;末期(G点后)立即停止放电。
[0021] 本发明还提供了 一种离网光伏VRLAB储能控制装置的工作方法,该工作方法包括: 光伏阵列构成的太阳能电池组接收太阳能并将其转换为电能,输出的直流电经滤波单元处 理后接DC/DC变换器升压处理,一部分供直流负载使用,一部分经DC/AC逆变器变为交流电 后供交流负载使用;能量管理单元根据光伏发电量、负载电能需求量、以及VRLAB电量,向 VRLAB单元发出驱动信号指令,进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略;在光 伏发电量可以满足负载使用且电能富裕时,将电能储存至VRLAB单元,当发电量不能满足本 地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统。
[0022] 电池分组投切运行方式包括:根据蓄电池容量,对容量低于额定容量15 %的蓄电 池组优先充电,同时允许容量高于额定容量15%的电池组放电;在线判断三组蓄电池容量 的变化,当任意两组蓄电池容量相差达25%时,进行充电、放电、或静默状态的切换;在保证 同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下,结合组合式充放电控制策略,达到 均衡充放电的目的;在系统的荷电状态低于系统总容量的5%时,输出低荷电状态警告;组 合式充放电策略包括:充电控制:初期(OA)采用快速充电恢复蓄电池容量;中期(ABC)采用 快速充电恢复蓄电池容量;末期(CD)采用额定电流的30%大小的电流长期补充电;临界点 ⑶停止充电;放电控制:初期(OE)采用快速放电方式回馈光伏系统冲期(EFG)采用稳定放 电方式;末期(G点后)立即停止放电。
[0023] 本发明的有益效果在于:①针对小型离网光伏系统开发,可有效提高发电效率;② VRLAB分组投切运行、组合式充放电控制策略,可提高充放电效率,延长储能装置寿命;③处 理器采用高性能的ATMEGA32芯片可实现高速运算,实时处理能力强;④周边外部设备结构 简单,技术成熟稳定,易于实现和控制。
附图说明
[0024] 图1为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的总体结构图。
[0025]图2为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的滤波单元结构图。
[0026]图3为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的能量管理单元结构图。
[0027]图4为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的驱动电路结构图。
[0028]图5为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的VRLAB单元结构图。
[0029] 图6为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的充放电控制策略曲线。
[0030] 图7为本发明所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的充放电控制策略结构图。
具体实施方式
[0031] 本发明提供的一种小型离网光伏VRLAB储能控制装置(见图1),它是由光伏阵列、 滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器构成;其中,所述光伏阵列 经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接,与能量管理单元呈单向连接;所述能量管理单元与 VRLAB单元呈双向连接;所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接;所述DC/DC变 换器的输出端与直流负载呈单向连接,经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。
[0032] 所述滤波单元(见图2)由电容Cl、电容C2、电阻R、电感L构成;其中,所述电容Cl的 两端分别与光伏阵列的输出端相连,分别与电感L的一端和电容C2的一端相连;电感L与电 阻R串联后与电容C2相连;电容C2的两端分别于主控单元的DC/DC变换器相连。
[0033] 所述能量管理单元(见图3)由处理器、人机交互模块、传感器、驱动电路构成;其 中,所述人机交互模块与处理器呈双向连接;所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单 元呈单向连接;所述驱动电路分别与处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。 [0034] 所述处理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片,它包含32KB片内可编程FLASH程序存 储器、IKB的EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、2KB的RAM(random access memory)、看门狗电路、8路10位ADC接口、3路可编程PWM输出接口,片内资源丰富,集 成度高,可实现在线编程。
[0035] 所述人机交互模块由输入输出设备构成。
[0036] 所述传感器由电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路构成,采集光照强度、 蓄电池端电压和电流、环境及蓄电池温度、负载电流等原始数据,经处理计算后可得到光伏 发电量、电池容量等二次数据。
[0037] 所述驱动电路(见图4)由驱动电路㈧、驱动电路⑶、驱动电路(C)构成;其中,所 述驱动电路㈧、驱动电路⑶、驱动电路(C)均由驱动器、开关管VT、二极管VD、电容C3构成; 所述驱动器采用美国IR公司生产的IR2110驱动器,其输入端与处理的PWM输出接口相连,其 输出端与开关管VT相连;开关管VT与二极管VD并联,与电容C并联;电容C两端与VRLAB单元 的充放电控制继电器连接;驱动电路㈧、驱动电路⑶、驱动电路(C)分别与VRLAB单元的充 放电控制继电器KMl、KM2、KM3连接。
[0038] 所述VRLAB单元(见图5)由VRLAB电池组、充放电控制继电器构成;其中,所述VRLAB 电池组中VRLABl、VRLAB2、VRLAB3分别与充放电控制继电器KMl、KM2、KM3相连;KMl、KM2、KM3 分别与DC/DC变换器的输出端相连,与驱动电路㈧、驱动电路⑶、驱动电路(C)相连。
[0039] 本发明的工作方法:
[0040] (1)光伏阵列构成的太阳能电池组接收太阳能并将其转换为电能,输出的直流电 经滤波单元处理后接DC/DC变换器升压处理,一部分供直流负载使用,一部分经DC/AC逆变 器变为交流电后供交流负载使用;
[0041] ⑵能量管理单元根据光伏发电量、负载电能需求量、VRLAB电量等信息,向VRLAB 单元发出驱动信号指令,进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略;
[0042] (3)在光伏发电量可以满足负载使用需求且电能富裕时,将电能储存至VRLAB单 元,当光伏发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统;
[0043] (4)光伏发电系统和储能及其控制系统结合使用,经合理优化配置,提高光伏系统 发电利用率,延长VRLAB的寿命,减小运行成本。
[0044] 本发明的工作原理:
[0045] (1)分组投切运行原理:
[0046] 储能装置在在运行时需考虑到光伏阵列发电量及最大输出电流、负载容量,蓄电 池组的最大可充电电流及放电容量等因素,将太阳能光伏发电系统中蓄电池进行分组投切 运行管理,使其变成多个容量较小的蓄电池组,可提高充电电流有效利用光伏阵列的能量, 提高蓄电池组的充电效率,并可对蓄电池进行维护性充电。分组投切运行示意图如图5所 示,具体的策略如下:
[0047] ①根据蓄电池容量,对容量低于额定容量15%的蓄电池优先充电,同时允许容量 高于额定容量15%的电池组放电;
[0048] ②在线判断三组蓄电池容量的变化,当任意两组蓄电池容量相差达25%时,进行 充电和放电(或静默)状态的切换;
[0049] ③在保证同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下,结合组合式充 放电控制策略,达到均衡充放电的目的;
[0050] ④在系统的荷电状态低于系统总容量的5%时,输出低荷电状态警告。
[0051] 分组投切充放电控制继电器指令表如下所示:
Figure CN104253475BD00091
[0053] (2)组合式充放电控制策略原理:
[0054] VRLAB具有蓄能大、安全和密封性能好、寿命长、免维护等优点,但对,本发明根据 VRLAB特性及其荷电状态采用组合式充放电控制策略,实现充放电过程控制的精细化,可提 高充放电效率,延长其使用寿命。VRLAB充放电特性曲线如图6所示,具体的控制策略如下:
[0055] ①充电控制:初期(OA)电压快速上升,采用快速充电恢复蓄电池容量;中期(ABC) 电压缓慢上升,采用快速充电恢复蓄电池容量;末期(CD)电压开始上升,采用额定电流的 30 %大小的电流长期补充电;临界点⑶,蓄电池中的水被电解,停止充电,防止损坏电池。
[0056] ②放电控制:初期(OE)电压下降较快,采用快速放电方式回馈光伏系统;中期 (EFG)电压缓慢下降,采用稳定放电方式;末期(G点后)放电电压急剧下降,应立即停止放 电。
[0057] 控制原理如图7所示,其中,Vl为VRLAB充放电时给定的目标曲线值,V2为经充放电 控制策略PID调节后VRLAB的输出实测电压值。

Claims (8)

1. 一种离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,该离网光伏VRLAB储能控制装置包 括光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和 交流负载;其中,所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接,所述光伏阵列与能 量管理单元呈单向连接;所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接;所述VRLAB单元与DC/ DC变换器的输出端呈双向连接;所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接,所述 DC/DC变换器经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接; VRLAB单元包括三组蓄电池组和充放电控制继电器,三组蓄电池组投切运行方式包括: 根据三组蓄电池组容量,对容量低于额定容量15%的蓄电池组优先充电,同时允许容 量高于额定容量15%的蓄电池组放电; 在线判断三组蓄电池组容量的变化,当任意两组蓄电池组容量相差达25%时,进行充 电、放电或静默状态的切换; 在保证同时有两组蓄电池组充电或放电、第三组蓄电池组静默状态的原则下,结合组 合式充放电控制策略,达到均衡充放电的目的; 在系统的荷电状态低于系统总容量的5%时,输出低荷电状态警告; 组合式充放电策略包括: 充电控制:初期(0A)采用快速充电恢复蓄电池组容量;中期(ABC)采用快速充电恢复蓄 电池组容量;末期(CD)采用额定电流的30%大小的电流长期补充电;临界点⑶停止充电; 放电控制:初期(OE)采用快速放电方式回馈光伏系统;中期(EFG)采用稳定放电方式; 末期立即停止放电; 其中,三组蓄电池组为蓄电池组VRLAB1、蓄电池组VRLAB2、蓄电池组VRLAB3,充放电控 制继电器为充放电控制继电器KM 1、充放电控制继电器KM2、充放电控制继电器KM3;蓄电池 组VRLAB 1、蓄电池组VRLAB2、蓄电池组VRLAB3分别与充放电控制继电器KM1、充放电控制继 电器KM2、充放电控制继电器KM3相连; 在蓄电池组VRLAB1和蓄电池组VRLAB2充电或放电、蓄电池组VRLAB3静默的情况下,充 放电控制继电器KM1闭合、充放电控制继电器KM2闭合、充放电控制继电器KM3断开; 在蓄电池组VRLAB 1和蓄电池组VRLAB3充电或放电、蓄电池组VRLAB2静默的情况下,充 放电控制继电器KM1闭合、充放电控制继电器KM2断开、充放电控制继电器KM3闭合; 在蓄电池组VRLAB2和蓄电池组VRLAB3充电或放电、蓄电池组VRLAB 1静默的情况下,充 放电控制继电器KM1断开、充放电控制继电器KM2闭合、充放电控制继电器KM3闭合。
2. 根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,所述滤波单元由 电容C1、电容C2、电阻R、电感L构成;其中,所述电容C1的两端分别与光伏阵列的输出端相 连,电容C1的两端分别与电感L的一端和电容C2的一端相连;电感L的另一端与电阻R串联后 与电容C2的另一端相连;电容C2的两端分别与DC/DC变换器相连。
3. 根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,所述能量管理单 元包括处理器、人机交互模块、传感器和驱动电路;其中,所述人机交互模块与处理器呈双 向连接;所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单元呈单向连接;所述驱动电路分别与 处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。
4. 根据权利要求3所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,所述传感器包括 电压检测电路、电流检测电路以及温度检测电路。
5. 根据权利要求3所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,所述驱动电路包 括驱动电路A和驱动电路B、驱动电路C;其中,所述驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C均包括 驱动器、开关管(VT)、二极管(VD)、电容C3;驱动器的输入端与处理器的ΠΜ输出接口相连, 驱动器的输出端与开关管(VT)相连;开关管(VT)与二极管(VD)并联,开关管(VT)与电容C3 并联;电容C3两端与VRLAB单元的充放电控制继电器连接;驱动电路A、驱动电路B、驱动电路 C分别与VRLAB单元的充放电控制继电器KM1、充放电控制继电器KM2、充放电控制继电器KM3 连接。
6. 根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,充放电控制继电 器KM1、充放电控制继电器KM2、充放电控制继电器KM3分别与DC/DC变换器的输出端相连,充 放电控制继电器KM1、充放电控制继电器KM2、充放电控制继电器KM3分别与驱动电路A、驱动 电路B、驱动电路C相连。
7. 根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置,其特征在于,能量管理单元,还 用于根据光伏发电量、负载电能需求量以及VRLAB电量,向VRLAB单元发出驱动信号指令,进 而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略;在光伏发电量能够满足负载使用且电 能富裕时,将电能储存至VRLAB单元,当发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将 电能反馈至系统。
8. -种离网光伏VRLAB储能控制装置的工作方法,其特征在于,该工作方法包括: 光伏阵列构成的太阳能电池组接收太阳能并将其转换为电能,输出的直流电经滤波单 元处理后接DC/DC变换器升压处理,一部分供直流负载使用,一部分经DC/AC逆变器变为交 流电后供交流负载使用; 能量管理单元根据光伏发电量、负载电能需求量以及VRLAB电量,向VRLAB单元发出驱 动信号指令,进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略; 在光伏发电量可以满足负载使用且电能富裕时,将电能储存至VRLAB单元,当发电量不 能满足本地负载电能需求时,VRLAB单元将电能反馈至系统; VRLAB单元包括三组蓄电池组和充放电控制继电器,三组蓄电池组投切运行方式包括: 根据三组蓄电池组容量,对容量低于额定容量15%的蓄电池组优先充电,同时允许容 量高于额定容量15%的蓄电池组放电; 在线判断三组蓄电池组容量的变化,当任意两组蓄电池组容量相差达25%时,进行充 电、放电或静默状态的切换; 在保证同时有两组蓄电池组充电或放电、第三组静默状态的原则下,结合组合式充放 电控制策略,达到均衡充放电的目的; 在系统的荷电状态低于系统总容量的5%时,输出低荷电状态警告; 组合式充放电策略包括: 充电控制:初期(0A)采用快速充电恢复蓄电池组容量;中期(ABC)采用快速充电恢复蓄 电池组容量;末期(CD)采用额定电流的30%大小的电流长期补充电;临界点⑶停止充电; 放电控制:初期(OE)采用快速放电方式回馈光伏系统;中期(EFG)采用稳定放电方式; 末期立即停止放电; 其中,三组蓄电池组为蓄电池组VRLAB1、蓄电池组VRLAB2、蓄电池组VRLAB3,充放电控 制继电器为充放电控制继电器KM 1、充放电控制继电器KM2、充放电控制继电器KM3;蓄电池 组VRLAB1、蓄电池组VRLAB2、蓄电池组VRLAB3分别与充放电控制继电器KM1、充放电控制继 电器KM2、充放电控制继电器KM3相连; 在蓄电池组VRLAB1和蓄电池组VRLAB2充电或放电、蓄电池组VRLAB3静默的情况下,充 放电控制继电器KM1闭合、充放电控制继电器KM2闭合、充放电控制继电器KM3断开; 在蓄电池组VRLAB 1和蓄电池组VRLAB3充电或放电、蓄电池组VRLAB2静默的情况下,充 放电控制继电器KM1闭合、充放电控制继电器KM2断开、充放电控制继电器KM3闭合; 在蓄电池组VRLAB2和蓄电池组VRLAB3充电或放电、蓄电池组VRLAB 1静默的情况下,充 放电控制继电器KM1断开、充放电控制继电器KM2闭合、充放电控制继电器KM3闭合。
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