CN105048619A - 一种用于光伏发电的混合储能系统及电能检测和系统状态切换与控制方法 - Google Patents

一种用于光伏发电的混合储能系统及电能检测和系统状态切换与控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于光伏发电的混合储能系统，它主要由光伏电源连接至带有负载的直流母线，所述的直流母线上还分别连接有主要由超级电容器和蓄电池构成的储能机构，且所述的超级电容器和蓄电池分别通过各自的双向Buck/Boost变换器连接在所述的直流母线上；所述的直流母线上、超级电容器和蓄电池与各自双向Buck/Boost变换器的连接线路上分别通过并接检测线路，并通过信号调理电路连接于带有ADC转换器的DSP控制器上，所述的DSP控制器又通过两路驱动电路分别连接两个Buck/Boost变换器；所述的电能检测是：通过实时检测直流母线的电压或者光伏电池输出的电压是否跌落，来判断是否需要混合储能系统放电。

Description

一种用于光伏发电的混合储能系统及电能检测和系统状态切换与控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于光伏发电的混合储能系统及电能检测和系统状态切换与控制方法，属于分布式光伏发电储能技术领域。
背景技术
在独立光伏系统中，由于光伏电池的随机波动，即光伏电池并不是时刻运行在最大输出功率状态，且输出最大功率会随着季节光照和环境温度的变化而变化，所以在独立光伏系统中增加储能系统是必不可少的。由于每种储能电池都存在着各自的优缺点，如果使用单一的储能电池，则不能最大化利用光伏系统产生的富裕能量，而同时使用多种储能电池，则可充分发挥各种储能电池的优点，从而使光伏系统产生的富裕能量得到高效利用。因此，光伏系统中的混合储能也开始逐渐受到重视。近几年，国内外一些高校和科研院所对该技术做了初步的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理，使用方便，能实现光伏发电与负载消耗和混合储能系统存储电能的实时平衡，能较好的满足混合储能系统需求的、用于光伏发电的混合储能系统及电能检测和系统状态切换与控制方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于光伏发电的混合储能系统，它主要由光伏电源连接至带有负载的直流母线，所述的直流母线上还分别连接有主要由超级电容器和蓄电池构成的储能机构，且所述的超级电容器和蓄电池分别通过各自的双向Buck/Boost变换器连接在所述的直流母线上。
本发明优选的是：所述的直流母线上、超级电容器和蓄电池与各自双向Buck/Boost变换器的连接线路上分别通过并接检测线路，并通过信号调理电路连接于带有ADC转换器的DSP控制器上，所述的DSP控制器又通过两路驱动电路分别连接受控的、实现超级电容器和蓄电池各自充电或放电的两个Buck/Boost变换器。
本发明进一步优选的是：所述的DSP控制器上配置有键盘和LCD显示及人际交互界面，其中键盘采用4×4键盘，LCD显示使用LCD12864黑白液晶显示器；另在所述DSP控制器上配置有可实现与其他设备信息交互串口的通讯模块，且该通讯模块与一可将混合储能系统中的相参数实时上传、通过网络实现远程的监控与调度的PC机无线通讯连接。
一种用于上述混合储能系统的电能检测方法，所述的电能检测方法是：
通过实时检测直流母线的电压或者光伏电池输出的电压是否跌落，来判断是否需要混合储能系统放电；同时，还增加对光伏电源，即经功率二极管与直流母线相连的输出电压的检测，当光伏电池的输出电压小于48V时，混合储能系统需要向直流母线放电；相应地，在直流母线电压或光伏电池输出电压出现隆起时可以向混合储能系统充电；由此，可以通过检测直流母线电压或光伏电源输出电压的波动情况即可判断各状态间是否需要切换。
一种利用上述混合储能系统电能检测进行系统状态切换与控制的方法，所述的系统状态包括稳态、充电状态以及放电状态，所述的系统状态切换与控制的方法主要包括：
混合储能系统稳态时检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制；
在稳态时检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在充电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制。
本发明优选的是：所述的系统状态切换与控制的方法中：
当检测到直流母线电压突然隆起或通过检测光伏电池输出的电压变高时，系统须从稳态或放电状态切换至充电状态，然后系统通过判断电压隆起的大小来确定何种充电状态；
当电压隆起较小时切换至蓄电池单独充电状态；
当电压隆起较大时则切换至超级电容器单独充电状态，此时超级电容器功率密度的特点得到充分发挥；当电压隆起很大时就切换至二者联合充电，此时超级电容器可短时吸收较大电流，再加上蓄电池可以吸收一定的电流，因此可较快地平抑掉电压的隆起；
若在超级电容器或蓄电池单独充电状态时，系统的直流母线或光伏电源输出的电压经历不降反升的情况时，则单独充电状态直接转换至二者联合充电状态；
而当检测母线或光伏电源输出的隆起电压回复到正常时，系统则须回复到稳态；
当系统检测到母线的电压或光伏电池输出的电压出现跌落时，系统须从稳态或充电状态切换至放电状态；此时，可根据电压跌落的程度判断应切换至何种放电状态，当电压跌落较小时，系统可切换至蓄电池单独放电状态；当电压跌落较大时则切换至超级电容器单独放电状态；当电压跌落很大时就切换至二者联合放电状态；
若在放电过程中，直流母线或光伏电源输出的电压，不升反降时，则单独放电状态直接转换至二者联合放电状态；
而当检测母线或光伏电源输出的跌落电压回复到正常时，系统则须回复到稳态。
本发明所述独立光伏系统中的混合储能系统主要包括蓄电池、超级电容器和DC/DC变换控制器，同时为了充分发挥超级电容器功率密度大和蓄电池能量密度大的特点，以及增加混合储能的控制灵活性，采用超级电容器和蓄电池分别接双向Buck/Boost变换器，然后再与直流母线相连的结构；它具有结构组成合理，使用方便，能实现光伏发电与负载消耗和混合储能系统存储电能的实时平衡，能较好的满足混合储能系统需求等特点。
附图说明
图1是本发明所述的系统结构框图。
图2是本发明所述双向Buck/Boost变换器的电路原理图。
图3是本发明所述的混合储能系统结构框图，
图4是本发明所述混合储能系统状态切换控制原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种用于光伏发电的混合储能系统，它主要由光伏电源1经功率二极管2连接至带有负载3的直流母线4，所述的直流母线4上还分别连接有主要由超级电容器5和蓄电池6构成的储能机构，且所述的超级电容器5和蓄电池6分别通过各自的双向Buck/Boost变换器7连接在所述的直流母线4上；
所述的双向Buck/Boost变换器7如图2所示，本发明中的双向Buck/Boost变换器当工作在Buck模式时，48V直流母线对超级电容器和蓄电池充电；当工作在Boos模式时，超级电容器和蓄电池则向48V直流母线补充电能。其中，超级电容器和蓄电的额定电压都为24V。考虑到48V直流母线可能会在特殊情况下出现微小的波动，扩大变换器的高压侧电压变化范围，因此，设定变换器高压侧输入电压的范围为36～60V。考虑到变换器低压侧为超级电容器和蓄电池的电压输入端，并不是在二者电压很低时就可以向48V直流母线补偿电能，因此，设定超级电容器和蓄电池向48V直流母线补偿电能的最低电压为12V，所以低压侧的电压变化范围为12～24V。在设计中，设定变换器的额定功率为500W；纹波电压Up-p为20mV；MOSFET的开关频率fs为20kHz；下表为双向Buck/Boost变换器基本性能指标：
高压侧电压Uh 36～60V(额定48V)
低压侧电压Ul 12～24V
额定功率P 500W
开关频率fs 20kHz
图3所示，本发明进一步的实施例是：所述的直流母线4上、超级电容器5和蓄电池6与各自双向Buck/Boost变换器7的连接线路上分别通过并接检测线路41、51、61，并通过信号调理电路连接于带有ADC转换器的DSP控制器8上，所述的DSP控制器8又通过两路驱动电路9分别连接受控的、实现超级电容器5和蓄电池6各自充电或放电的两个Buck/Boost变换器7。
本发明在所述的DSP控制器8上配置有键盘10和LCD显示11及人际交互界面，其中键盘10采用4×4键盘，LCD显示11使用LCD12864黑白液晶显示器；另在所述DSP控制器上配置有可实现与其他设备信息交互串口的通讯模块12，且该通讯模块12与一可将混合储能系统中的相参数实时上传、通过网络实现远程的监控与调度的PC机无线通讯连接。
本发明中为了实现光伏发电与负载消耗和混合储能系统存储电能的实时平衡，直流母线电能的检测是必不可少的前提条件，它是实现准确判断状态切换控制的基础；根据直流母线及独立光伏直流微网系统的特点，提出了直流微网电能检测方法，所述的电能检测方法是：
通过实时检测直流母线的电压或者光伏电池输出的电压是否跌落，来判断是否需要混合储能系统放电；同时，还增加对光伏电源，即经功率二极管与直流母线相连的输出电压的检测，当光伏电池的输出电压小于48V时，混合储能系统需要向直流母线放电；相应地，在直流母线电压或光伏电池输出电压出现隆起时可以向混合储能系统充电；由此，可以通过检测直流母线电压或光伏电源输出电压的波动情况即可判断各状态间是否需要切换。
本发明中混合储能系统的稳态是指直流母线负载所需电能与光伏电池发出的电能恰好匹配，混合储能系统处于即不充电也不放电的状态，与超级电容器和蓄电池相连的两个双向Buck/Boost变换器不工作。混合储能系统在运行时，主要可分稳态、充电状态和放电状态。充电状态又可分为超级电容器或蓄电池单独充电状态和二者联合充电状态；放电状态则可分为超级电容器或蓄电池单独放电状态和二者联合放电状态。
图4所示，一种利用权利要求4所述混合储能系统电能检测进行系统状态切换与控制的方法，所述的系统状态包括稳态、充电状态以及放电状态，所述的系统状态切换与控制的方法主要包括：
混合储能系统稳态时检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制；
在稳态时检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在充电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制。
本发明进一步实施例是：所述的系统状态切换与控制的方法中：
当检测到直流母线电压突然隆起或者通过检测光伏电池输出的电压变高时，系统须从稳态或放电状态切换至充电状态，然后系统通过判断电压隆起的大小来确定何种充电状态；
当电压隆起较小时切换至蓄电池单独充电状态；
当电压隆起较大时则切换至超级电容器单独充电状态，此时超级电容器功率密度的特点得到充分发挥；当电压隆起很大时就切换至二者联合充电，此时超级电容器可短时吸收较大电流，再加上蓄电池可以吸收一定的电流，因此可较快地平抑掉电压的隆起；
若在超级电容器或蓄电池单独充电状态时，系统的直流母线或光伏电源输出的电压经历不降反升的情况时，则单独充电状态直接转换至二者联合充电状态；
而当检测母线或光伏电源输出的隆起电压回复到正常时，系统则须回复到稳态；
当系统检测到母线的电压或光伏电池输出的电压出现跌落时，系统须从稳态或充电状态切换至放电状态；此时，可根据电压跌落的程度判断应切换至何种放电状态，当电压跌落较小时，系统可切换至蓄电池单独放电状态；当电压跌落较大时则切换至超级电容器单独放电状态；当电压跌落很大时就切换至二者联合放电状态；
若在放电过程中，直流母线或光伏电源输出的电压，不升反降时，则单独放电状态直接转换至二者联合放电状态；
而当检测母线或光伏电源输出的跌落电压回复到正常时，系统则须回复到稳态。

Claims (6)

1.一种用于光伏发电的混合储能系统，它主要由光伏电源连接至带有负载的直流母线，其特征在于所述的直流母线上还分别连接有主要由超级电容器和蓄电池构成的储能机构，且所述的超级电容器和蓄电池分别通过各自的双向Buck/Boost变换器连接在所述的直流母线上。
2.根据权利要求1所述的用于光伏发电的混合储能系统，其特征在于所述的直流母线上、超级电容器和蓄电池与各自双向Buck/Boost变换器的连接线路上分别通过并接检测线路，并通过信号调理电路连接于带有ADC转换器的DSP控制器上，所述的DSP控制器又通过两路驱动电路分别连接受控的、实现超级电容器和蓄电池各自充电或放电的两个Buck/Boost变换器。
3.根据权利要求2所述的用于光伏发电的混合储能系统，其特征在于所述的DSP控制器上配置有键盘和LCD显示及人际交互界面，其中键盘采用4×4键盘，LCD显示使用LCD12864黑白液晶显示器；另在所述DSP控制器上配置有可实现与其他设备信息交互串口的通讯模块，且该通讯模块与一可将混合储能系统中的相参数实时上传、通过网络实现远程的监控与调度的PC机无线通讯连接。
4.一种用于权利要求2或3所述混合储能系统的电能检测方法，其特征在于所述的电能检测方法是：
通过实时检测直流母线的电压或者光伏电池输出的电压是否跌落，来判断是否需要混合储能系统放电；同时，还增加对光伏电源，即经功率二极管与直流母线相连的输出电压的检测，当光伏电池的输出电压小于48V时，混合储能系统需要向直流母线放电；相应地，在直流母线电压或光伏电池输出电压出现隆起时可以向混合储能系统充电；由此，可以通过检测直流母线电压或光伏电源输出电压的波动情况即可判断各状态间是否需要切换。
5.一种利用权利要求4所述混合储能系统电能检测进行系统状态切换与控制的方法，所述的系统状态包括稳态、充电状态以及放电状态，其特征在于所述的系统状态切换与控制的方法主要包括：
混合储能系统稳态时检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制；
在稳态时检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在充电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线需要电能，并转换为放电的切换控制；
在放电过程中检测到直流母线电能富裕，并转换为充电的切换控制。
6.根据权利要求5所述的系统状态切换与控制的方法，其特征在于所述的系统状态切换与控制的方法中：
当检测到直流母线电压突然隆起或者通过检测光伏电池输出的电压变高时，系统须从稳态或放电状态切换至充电状态，然后系统通过判断电压隆起的大小来确定何种充电状态；
当电压隆起较小时切换至蓄电池单独充电状态；
当电压隆起较大时则切换至超级电容器单独充电状态，此时超级电容器功率密度的特点得到充分发挥；当电压隆起很大时就切换至二者联合充电，此时超级电容器可短时吸收较大电流，再加上蓄电池可以吸收一定的电流，因此可较快地平抑掉电压的隆起；
若在超级电容器或蓄电池单独充电状态时，系统的直流母线或光伏电源输出的电压经历不降反升的情况时，则单独充电状态直接转换至二者联合充电状态；
而当检测母线或光伏电源输出的隆起电压回复到正常时，系统则须回复到稳态；
当系统检测到母线的电压或光伏电池输出的电压出现跌落时，系统须从稳态或充电状态切换至放电状态；此时，可根据电压跌落的程度判断应切换至何种放电状态，当电压跌落较小时，系统可切换至蓄电池单独放电状态；当电压跌落较大时则切换至超级电容器单独放电状态；当电压跌落很大时就切换至二者联合放电状态；
若在放电过程中，直流母线或光伏电源输出的电压，不升反降时，则单独放电状态直接转换至二者联合放电状态；
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