CN105356825B - 混合系统储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合系统储能装置,包括Buck/Boost变换器、并联控制器、检测电路I、检测电路II、检测电路III、调理及保护电路I、调理及保护电路II、调理及保护电路III、驱动电路I、驱动电路II、控制器、超级电容器和蓄电池。本发明的混合系统储能装置,该储能装置的储能元件包括蓄电池和超级电容器,因此该储能装置既包含了蓄电池作为储能元件能量密度大、价格低廉的优点,又包含了超级电容器作为储能元件功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、维护成本低的优点。满足了独立光伏系统对储能装置的要求,能够满足在所供电能富裕时存储,所供电能匮乏时补偿,还能满足当大功率负载突然接入系统时能够及时补偿电能的需求,抑制电压跌落。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能装置,具体涉及一种混合系统储能装置。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭,新能源技术则成为当今研究的热点,其中风能和太阳能发电已成为新能源的主要发展方向。风力发电已经在国内外得到了广泛的应用,而随着太阳能电池板制造工艺及其控制技术的发展,太阳能发电也必将得到广阔的应用。太阳能发电可以通过将光能转换为热能,然后再转换为电能实现;也可以通过光伏效应将光能直接转换为电能实现。当前研究较多的是通过光伏效应直接转换为电能的光伏发电系统,这种光伏发电系统按照是否并入大电网,可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统
太阳能与常规能源相比,它属于一种间歇性能源,存在着一定的缺陷,尤其是受光照和气候等环境因素影响比较大,不能够提供稳定、持续的能源,因此为了克服这些缺陷,国内外在光伏发电系统中配置一定容量的储能装置,以确保向负载提供稳定和持续的电能。光伏系统中的储能装置一般为蓄电池,也有些以锂电池、超级电容等作为储能装置的,并且近年来在大型的储能电站中,正在尝试采用液流和钠硫电池。
随着新能源技术的发展和应用,储能技术也被大规模应用于新能源领域,例如为最大限度地利用新能源发出的电能,通过储能装置存储电能,在负荷所需电能时,储能装置释放电能,实现削峰填谷的功能。而独立光伏系统就是利用储能装置实现该功能的典型应用,在独立光伏发电系统中多使用蓄电池作为储能载体,采用循环使用方式和浮充使用方式相结合,白天将太阳能转换为电能对蓄电池充电,晚上或阴雨天再由储能用蓄电池向负载提供电流。这种方式在太阳能路灯等系统中得到了广泛的应用,并且取得了良好的使用效果。
蓄电池作为使用最多的储能电池,有着能量密度大、价格低廉等特点,但也存在着循环寿命短、充放电电流限制严格,长时间在恶劣环境下容易导致过早失效和容量损失等缺点。而当前处于试用阶段的超级电容则具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、维护成本低等优点。同时,对于独立光伏系统中的储能系统,不仅要满足在所供电能富裕时存储,所供电能匮乏时补偿,还要满足当大功率负载突然接入系统时能够及时补偿电能的需求,抑制电压跌落,因此仅依靠功率密度小的电池(如铅酸蓄电池)是不可行的,使用功率密度大的电池(如超级电容器)则可很快抑制住电压跌落,从而保证整个系统的电能质量。而当系统电能持续匮乏时需要长时间通过储能系统补偿时,需要能量密度大的电池。所以,一些文献中考虑这两种储能电池的优缺点,使用二者作为光伏系统中混合储能研究的具体对象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合系统储能装置,该储能装置的储能元件既包括蓄电池,又包括超级电容器,因此该储能装置同时具备了二者作为储能元件的优点。
为了实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
混合系统储能装置,包括Buck/Boost变换器、并联控制器、检测电路I、检测电路II、检测电路III、调理及保护电路I、调理及保护电路II、调理及保护电路III、驱动电路I、驱动电路II、控制器、超级电容器和蓄电池;所述Buck/Boost变换器与直流母线连接,所述Buck/Boost变换器通过驱动电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与直流母线之间连接检测电路I,所述检测电路I通过调理及保护电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器相连,所述并联控制器通过驱动电路II连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器之间连接超级电容器,所述Buck/Boost变换器与超级电容器之间连接检测电路II,所述的检测电路II通过调理及保护电路II连接到控制器,所述并联控制器与蓄电池相连,所述并联控制器与蓄电池之间连接检测电路III,所述检测电路III通过调理及保护电路III连接到控制器。
优选地,所述控制器采用型号为TMS320F2812的DSP处理器。
优选地,所述储能装置还包括总线驱动控制器,所述的总线驱动控制器位于控制器PWM输出信号端与驱动电路信号输入端之间,分别与控制器PWM输出信号端和驱动电路信号输入端相连;所述总线驱动控制器的型号为74HC245。
优选地,所述Buck/Boost变换器为非隔离型双向Buck/Boost变换器。
优选地,所述驱动电路采用光耦HCPL3120作为驱动芯片。
优选地,所述检测电路采用电流传感器和电压传感器进行信号检测,所述电压传感器采用霍尔电压传感器,所述电流传感器采用霍尔闭环电流传感器。
优选地,所述储能装置还包括键盘,所述键盘与控制器相连,所述键盘采用采用4×4键盘。
优选地,所述储能装置还包括LCD显示模块,所述LCD显示模块与控制器相连,所述LCD显示模块的型号为LCD12864。
优选地,所述储能装置还包括串口通讯模块,所述串口通讯模块与控制器相连。
本发明的混合系统储能装置,该储能装置的储能元件包括蓄电池和超级电容器,因此该储能装置既包含了蓄电池作为储能元件能量密度大、价格低廉的优点,又包含了超级电容器作为储能元件功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、维护成本低的优点。满足了独立光伏系统对储能装置的要求,能够满足在所供电能富裕时存储,所供电能匮乏时补偿,还能满足当大功率负载突然接入系统时能够及时补偿电能的需求,抑制电压跌落。
附图说明
图1为本发明的模块组成示意图;
图2为变换器及并联控制器的电路原理图;
图3为MOSFET驱动电路原理图;
图4为变换器运行中断程序框图;
图5为电压检测电路原理图;
图6为电流检测电路原理图;
图7为电压信号调理及保护电路原理图;
图8为电流信号的调理及保护电路;
图9为变换器闭环控制程序框图;
图10为键盘与LCD显示电路原理图;
图11为串口通讯电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。
混合系统储能装置,包括Buck/Boost变换器、并联控制器、检测电路I、检测电路II、检测电路III、调理及保护电路I、调理及保护电路II、调理及保护电路III、驱动电路I、驱动电路II、控制器、超级电容器和蓄电池;所述Buck/Boost变换器与直流母线连接,所述Buck/Boost变换器通过驱动电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与直流母线之间连接检测电路I,所述检测电路I通过调理及保护电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器相连,所述并联控制器通过驱动电路II连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器之间连接超级电容器,所述Buck/Boost变换器与超级电容器之间连接检测电路II,所述的检测电路II通过调理及保护电路II连接到控制器,所述并联控制器与蓄电池相连,所述并联控制器与蓄电池之间连接检测电路III,所述检测电路III通过调理及保护电路III连接到控制器。
所述控制器采用型号为TMS320F2812的DSP处理器。
所述储能装置还包括总线驱动控制器,所述的总线驱动控制器位于控制器PWM输出信号端与驱动电路信号输入端之间,分别与控制器PWM输出信号端和驱动电路信号输入端相连;所述总线驱动控制器的型号为74HC245。
所述Buck/Boost变换器为非隔离型双向Buck/Boost变换器。
所述驱动电路采用光耦HCPL3120作为驱动芯片。
所述检测电路采用电流传感器和电压传感器进行信号检测,所述电压传感器采用霍尔电压传感器,所述电流传感器采用霍尔闭环电流传感器。
所述储能装置还包括键盘,所述键盘与控制器相连,所述键盘采用采用4×4键盘。
所述储能装置还包括LCD显示模块,所述LCD显示模块与控制器相连,所述LCD显示模块的型号为LCD12864。
所述储能装置还包括串口通讯模块,所述串口通讯模块与控制器相连。
本发明的混合系统储能装置主要由Buck/Boost变换器、并联控制器、检测电路I、检测电路II、检测电路III、调理及保护电路I、调理及保护电路II、调理及保护电路III、驱动电路I、驱动电路II、控制器、超级电容器和蓄电池等组成,其整体方案框图如图1所示。
由图1所示,混合储能系统装置主要通过控制双向Buck/Boost变换器和并联控制器实现混合储能系统的充电、放电以及稳态控制。检测电路检测的参数主要有变换器输入输出电压电流和蓄电池侧的电压电流。各电压电流经过信号调理电路,再由DSP(DigitalSignalProcessor)控制器中的ADC转换器转换为数字信号,从而为系统的闭环控制及状态判断提供反馈信号。同时,为了能够实现混合系统相关参数的整定以及显示,增加了键盘和LCD显示等人机交互界面。其中键盘采用4×4键盘,LCD显示使用LCD12864显示相关参数。另外,考虑混合储能系统与独立光伏直流微网系统中其他设备的通讯及信息交互,设计了串口通讯模块。该串口模块可实现与其他设备的信息交互,也可将混合储能系统中的相参数实时上传至PC机,然后PC机可以经过网络实现远程的监控与调度。
1、控制器
混合储能系统由于在每个运行状态需要尽可能的保持输入输出的稳定性,在状态间切换时需要尽量减小输入输出的波动,因此,对其各个状态的控制及切换控制的实时性要求较高。所以,在控制器的选择上应选择运行速度较高的控制器,而DSP是以数字信号来处理大量信息的控制器,具有强大的数据处理能力和较高的运行速度,因而选择DSP作为主控制器。采用TMS320F2812作为本混合储能系统的控制器。
根据本混合储能系统的功能,主要用到TMS320F2812的两个时间管理器、ADC转换器以及SCI通讯模块。
为了保护控制器,另一方面增强控制器输出信号的输出能力,在PWM输出信号与驱动电路信号输入端之间增加了总线驱动控制器,由于PWM信号频率较高,因此采用高速总线驱动控制器74HC245。
2、变换器与并联控制器
混合系统储能装置采用非隔离型双向Buck/Boost变换器作为充放电电路,变换器中电感L的取值为500μH,高压侧滤波电容的值为20mF,低压侧滤波电容2的值为2000μF。采用MOSFET作为变换器中的可控开关,MOSFET的参数为100V、30A。电容选用耐压值为200~450V的电解电容。功率二极管采用快恢复二极管MUR3020,其参数为额定电压为200V,额定电流30A。另外,并联控制器中功率二极管采用的也是快恢复二极管MUR3020,MOSFET采用的也是IXFH50N20。
如图2所示,为变换器及并联控制器的电路原理图。为了保护电路安全工作,防止出现过流现象,在实际电路设计中增加了熔断器,其通过的最大电流为20A。在低压侧,为了在闭环控制时,输出的电压电流纹波更小,串联了LC滤波器。同时,为进一步减小输入输出的纹波,变换器两侧又都添加了小的滤波电解电容。
双向Buck/Boost变换器中的两个MOSFET通过驱动分别与DSP控制器的T1PWM和T2PWM相连。其中,控制Buck模式的MOSFET管Q1的控制信号由T1PWM控制;控制Boost模式的MOSFET管Q2的控制信号由T2PWM控制。对于并联控制器中Q3的控制信号则由T3PWM控制。
3、MOSFET驱动与检测电路
由变换器的主电路图2知,变换器中的MOSFET管Q1的源极S与Q2漏极D相连,而MOSFET的驱动信号是加在栅极G和源极S之间的,所以Q1和Q2的驱动信号不能共地。同时,在对变换器的Buck和Boost模式使用独立控制方式时,Q1和Q2的驱动信号不是互补的,所以Q1和Q2的驱动信号宜采取独立控制。基于以上两点的考虑,选用HCPL3120作为驱动芯片。使用光耦HCPL3120作为驱动芯片。
如图3所示,为MOSFET驱动电路原理图。首先,DSP控制器输出的PWM信号经过总线驱动器74HC245(PWM信号经过该驱动器输出电平转变为5V)与光耦HCPL3120的信号输入端相连。为了防止PWM在电平变化器件对HCPL3120的输入端产生冲击,串联了50Ω的电阻与并联了5.1KΩ的电阻,起到了限流与分压的作用。然后,在HCPL3120的输出侧采用15V独立电源(每个MOSFET驱动电路配备一个,以防止共地情况的出现),使得产生满足MOSFET驱动的电压信号。由于在HCPL3120输出高电平的瞬间会产生较大的电流上升率;而在由高电平变化到低电平的瞬间由于MOSFET自身存在着杂散电感,在一定程度上会增加关断时间,因此在HCPL3120的输出端串联了一个10Ω的电阻,并且反并联了一个二极管。这样在输出变换到高电平的瞬间会通过电阻抑制输出电流的变化率;而在关断过程中,通过反并联二极管将MOSFET中杂散电感存储的电能快速释放出去,实现快速关断的目的。其次,由于在关断时若给MOSFET一个负压也会加速关断过程,因此在HCPL3120的VEE与MOSFET的源极S端增加了稳压管。当HCPL3120的输出端Vo出现电平时,MOSFET的源极S与VEE端的电压即为负,从而进一步加速关断过程。最后,为了防止驱动电路输出的电压过高,多MOSFET造成不必要的损害,在栅极G和源极S之间添加了稳压管。
由于变换器中的MOSFET管Q1和Q2由T1PWM和T2PWM控制,而T1PWM和T2PWM是由F2812的EVA事件管理器管理。为保证F2812运行的稳定性,其时钟频率设为70MHz,产生PWM的时钟设为37.5MHz,因此要产生20KHz的PWM波形,其定时器周期寄存器的值应为0x753。当混合储能系统处于充电或放电状态时,Q1和Q2则可独立工作,此时分别由定时器T1和T2控制,只需设置定时器T1的周期中断,当中断响应时更新PWM的占空比即可。而在混合储能系统处于稳态时,变换器停止工作,MOSFET管Q1和Q2关闭。
如图4所示为变换器运行中断程序框图,工作时只需要打开T1周期中断即可。此时设置定时器T1和T2的时钟频率都为37.5MHz,并使能定时器比较操作。当定时器T1的周期中断响应时,首先判断变换器的工作模式,然后根据变换器工作模式对定时器比较寄存器T1CMP和T2CMP赋予不同的值,改变占空比。
为了实现变换器的闭环控制,必须要检测变换器的输入输出电压电流。混合系统储能装置所处的直流微网及使用的超级电容器和蓄电池可知,变换器的高压侧为48V,低压侧为0~24V。因此,采用检测电压范围较低的电压传感器即可,使用霍尔电压传感器。该霍尔电压传感器的工作原理是将电压的大小转换为电流的大小。其传感器电源为±15V;额定输入有效值电流10mA;最大检测电流为20mA;额定输出有效值电流20±0.5%mA。由于本混合系统储能装置使用的是双向DC/DC变换器,所以电流既存在正向流动也存在反向流动,所以对于电流传感器而言,须能将两个方向的电流都能检测到。本发明采用霍尔闭环电流传感器TBC15DS3.3,该电流传感器能很好的满足本发明的混合储能系统的要求。并且可以通过DSP控制器的控制板的3.3V电源供电。
如图5所示,为电压检测电路原理图。由于电压传感器是将检测的电压转换为电流输出,并且在额定输入电压时输入电流应为10mA,所以针对不同的检测电压,应该在输入侧串联不同阻值的电阻。因此考虑电压检测的通用性,在输入侧串联电阻的设计上采用多个电阻串联,然后在每个电阻两端引出短路端子,以便灵活手动设置。由于电压的检测是使用DSP控制器F2812内部的ADC检测的,所以电压传感器的输出电压应在0~3.3V之间。电压传感器在额定输入电压时输出的电流为20mA,因此,输出侧与地之间的输出电阻应为100Ω的精密电阻,以减小测量误差。如图6所示,为电流检测电路原理图。由于电流传感器的工作原理是将输入电流转换为输出电压,所以不必像电压传感器电路使用串联电阻,其检测电路较为简单。只需要将电流传感器的电源3.3V接上,然后输入电流通过导线穿过电流传感器的输入方孔即可实现电流检测。
4、信号调理电路与系统保护设计
对于电压电流信号设计了相应的调理和保护电路,以防止检测的电压电流信号超出ADC输入的最大值。并根据各电压电流保护电路输出的保护信号,设计了硬件保护逻辑判断电路,然后将判断结果送入DSP控制器F2812,由DSP控制器处理故障信号,做出相应的执行动作,从而实现硬件保护与软件保护相结合,提高系统保护性能,增强系统的稳定性。
如图7所示,为电压信号调理及保护电路原理图。所所述电压信号调理及保护电路包括电源+3.3V,电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46和R47,电容C35、C36和C41,LM258运算放大器U3A和LM393运算放大器U1A,发光二极管LED1;采集的信号VINSAMPLE输入到电阻R41的一端,电阻R41的另一端分别并接到电容C35的一端和LM258运算放大器U3A的同相输入端,电容C35的另一端接地,LM258运算放大器U3A的反相输入端分别并接到LM258运算放大器U3A的输出端和电阻R42的一端,LM258运算放大器U3A的反相输入端、LM258运算放大器U3A的输出端和电阻R42的公共端连接到控制器的VDC1端;电阻R42的另一端分别并接到电容C36的一端和LM393运算放大器U1A的反相输入端,LM393运算放大器U1A的同相输入端分别并接到电阻R43、R44和R45的一端,电阻R43的另一端连接到+3.3V电源,电阻R44另一端接地,电阻R45另一端分别连接到LM393运算放大器U1A的输出端、电阻R46的一端、电容C41的一端和发光二极管LED1的阴极,电阻R46的另一端连接到+3.3V电源,电容C41的另一端接地,发光二极管LED1的阳极串接电阻R47后连接到+3.3V电源,LM393运算放大器U1A的输出端、电阻R46、电容C41和发光二极管LED1的公共端连接到控制器的PROVDC1端。
首先经过图5电压检测电路输出的信号进入该图的信号输入端,一方面,经电压跟随器后可直接接入DSP控制器F2812的ADC转换输入端,另一方面,电压跟随器输出的信号进入保护电路的输入端。然后,经过比较器LM393,与设定好的电压比较,若小于该设定电压值输出为正,大于则输出为负。同时,为了便于检查各电压的故障,增加了LED显示,当某个检测电压出现过压时对应的保护电路的LED即会通电发亮。
电流信号的调理及保护电路与电压信号的调理及保护电路类似,其原理图如图8所示。所述电流信号调理及保护电路包括电源+3.3V,电阻R27、R28、R29、R30、R31、R32和R21,电容C25和C35,LM258运算放大器U7A和LM393运算放大器U2A,发光二极管LED2;采集的信号CINSAMPLE输入到电阻R21的一端,电阻R21的另一端分别并接到电容C35的一端和LM258运算放大器U7A的同向输入端,电容C35的另一端接地,LM258运算放大器U7A的反向输入端分别并接到LM258运算放大器U7A的输出端和电阻R27的一端,所述LM258运算放大器U7A的反向输入端、LM258运算放大器U7A的输出端和电阻R27的公共端连接到控制器的IDC1端;电阻R27的另一端分别并接到电容C25的一端和LM393运算放大器U2A的反向输入端,电容C25的另一端接地,LM393运算放大器U2A的同向输入端分别并接到电阻R28的一端、电阻R29的一端和电阻R30的一端,电阻R28的另一端连接到+3.3V电源,电阻R29的另一端接地,电阻R30的另一端分别并接到电阻R31的一端、二极管LED2的阴极和LM393运算放大器U2A的输出端,电阻R31的另一端连接到+3.3V电源,二极管LED2的阳极串接电阻R32后连接到+3.3V电源,电阻R30、电阻R31、二极管LED2和LM393运算放大器U2A的输出端的公共端连接到控制器的PROIDC1端。
如图7和图8所示,在电压和电流的信号调理电路中,电路的输入端都加了10nF的电容,以滤除高频信号的干扰,提高检测精度。但由于电流信号的保护电路和电压保护电路类似,所以只能检测正向过流。而当反向过流时可通过DSP控制器的ADC检测,实现软件反向过流保护。电压电流调理信号的ADC连接配置为变换器高压侧电压电流分别接ADCINA0和ADCINB0;变换器低压侧电压电流分别接ADCINA1和ADCINB1;蓄电池输入电压电流分别接ADCINA2和ADCINB2。ADC采样采用同步模式,并设置ADC采样中断,在中断程序里处理得到的采样数据。另外,各电压电流输出的保护信号进过74HC20(双四输入与非门)芯片,经过逻辑判断送入DSP控制器F2812的输入捕捉端CAP3进行处理。DSP控制器F2812系统打开CAP3的捕捉中断,当捕捉到故障信号时,根据ADC检测的各电压电流参数,判断哪一个参数超过了设定值,从而执行相应的保护动作。
在实际电压检测信号的处理程序中,为了进一步提高检测精度,采用了数字平均滤波器。而在电流ADC采样中,由于使用的是额定输入电流为15A的传感器,而DSP控制器F2812的ADC为12位,并受外界干扰的影响,检测到的电流值波动较大。因此为了减小电流检测的扰动,在软件程序设计时采用了数字RC滤波器和平均数字滤波器,在一定程度上减小了干扰信号的影响。数字RC滤波器设计是将模拟输入信号串联电阻R后并联电容C的滤波电路的数字离散化设计,而RC滤波电路的传递函数为式(1)。
为了将该传递函数离散化,须将其转换到Z平面内进行分析。从S平面到Z平面的变换一般采用脉冲响应不变法,但采用脉冲响应不变法变换会产生频谱交叠现象,而双线性换法则可很好克服这一缺点。因此,本发明使用双线性换法将式(1)变换至Z平面内。在双线性变换中,s=2fs(1-z-1)/(1+z-1),其中fs为采样频率,将该式代入式(1),即可得到RC滤波器在Z平面内的表达式(2)。
由于在程序中设定ADC的采样频率fs=100kHz,设定RC滤波器中的电阻R为1kΩ,电容C为0.1μF。然后,代入式(2)并进行离散化,从而得到该数字RC滤波器的差分方程为(3)。由此,即可根据式(3)设计出数字RC滤波器。
21y(n)-20y(n-1)=x(n)+x(n-1) (3)
根据检测到的电压电流即可设计数字PID控制程序,而数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法,因此需要选择合适的数字PID算法。由于MCU、DSP控制器等控制器不能像模拟控制器连续输出控制量,因此对于模拟PID算法中的积分项和微分项不能直接使用,必须进行离散化处理。离散化处理的方法为:以T作为采样周期,k作为采样序号,则离散采样时间kT对应着连续时间t,用矩形法数值积分近似代替积分,用一阶后向差分近似代替微分,从而得到数字PID的计算公式(4)。
其中,k为采样序号;uk为第k次采样时刻的输出值;ek为第k次采样时刻的输入偏差;ek-1为第k-1次采样时刻的输入偏差;Kp为数字PID的比例系数;Ki为数字PID的积分系数,Ki=KpT/Ti;Kd为数字PID的微分系数,Kd=KpTd/T;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。
如果采样周期足够小,则式(4)的近似计算可以获得足够精确的结果,离散控制过程与连续过程十分接近。由于式(4)表示的控制算法是直接按模拟PID公式所给出的控制规律定义进行计算的,所以它给出了全部控制量的大小,因此被称为位置式PID(也称全量式PID或绝对式PID)控制算法。由于全量输出,所以每次输出均与过去状态有关,计算时要对ek进行累加,工作量大。并且位置式PID控制器输出的uk对应的是执行机构的实际位置,如果控制器出现故障,输出的uk将大幅度变化,会引起执行机构的大幅度变化,因此有可能造成严重故障。
而增量式PID则可较好地克服位置式PID的控制缺陷。增量式PID是指数字控制器的输出仅为控制量的增量Δuk。由于位置式PID输出为控制增量,所以根据位置式PID计算公式(4)可推出增量式PID的计算公式(5)。
其中,
增量式PID控制算法与位置式PID算法相比,计算量减小了很多,因此在实际中得到广泛应用,并且位置式PID控制算法也可通过增量式PID控制算法推出。综合位置式PID和增量式PID的分析与比较,可以看出本课题的混合储能系统采用增量式PID较为合适。
对于混合储能系统中增量式PID的参数整定,首先,根据第三章变换器仿真分析中设计的模拟PID控制器参数以及位置式PID的计算公式,初步确定位置式PID中的参数。然后,结合实际工程中常用的经验参数整定法,对之前确定的参数进行修正。根据得到的PID参数和变换器各种工作模式,设计出变换器PID闭环控制程序,其程序框图如图9所示。
如图9所示,变换器的运行状态整体可分为充电、放电和稳态,所以程序首先判断变换器的运行状态。当判断变换器运行于充电时,变换器即工作在单独Buck模式,根据Buck充电模式中超级电容器和蓄电池的当前电压判断应该工作在恒压、恒流还是恒功率模式,然后根据不同的模式计算相应的偏差值。这里为了在Buck模式中只使用一种PID参数,将在恒压、恒流、恒功率情况下计算出的偏差与其对应的修正系数相乘,从而将三种模式的偏差折算到适合一种Buck模式PID的输入偏差,减少了程序的冗余。最后经过Buck模式PID的计算给变换器输入合理的控制量。对于变换器运行在Boost模式中,其程序工作流程与Buck模式类似,此处就不再赘述。而当判断出系统处于稳态时,变换器中的MOSFET管Q1和Q2关闭,停止工作。
5、人机交互界面与上位机通讯设计
在混合储能系统的设计中,为了增强系统的友好性和便于系统各参数的监测,增加了人机交互界面与上位机通讯模块。人机交互界面主要包括键盘与LCD显示;而通讯主要采用DSP控制器F2812的SCI模块,并采用Matlab GUI技术设计出上位机监控程序,实现系统各参数的在线实时监测。
人机交互界面主要分为键盘输入和LCD显示,键盘采用的是4×4键盘,实现参数的输入设定;LCD显示器采用的是LCD12864液晶显示器。
如图10所示,为键盘与LCD显示电路原理图。LCD12864采用串行驱动模式,因此只需要接LCD的CS、SID和CLK即可。其中LCD的CS端与DSP控制器F2812的GPIOB0相连;SID端与GPIOB1相连;CLK端与GPIOB2相连。4×4键盘采用行扫描检测,并且在各行加上拉电阻。各行输入扫描端分别接DSP控制器F2812的GPIOA0-3;而各列检测端分别接DSP控制器F2812的GPIOA8-9和GPIOB8-9。
如图11所示,为串口通讯电路原理图,该电路实现RS-232协议的电平转换。其中,串口的收发端分别接SCITXDA和SCIRXDA。并且考虑DSP控制器的运行速度计数据的收发量,设定串口的波特率为19200bps。
采用Matlab GUI技术开发上位机程序。上位机监控界面,可以监测变换器输入输出电压电流的变化,并且能通过上位机设置参数,通过串行通讯发送至DSP控制器F2812。为了实现监测数据的人性化显示,在面板右侧添加了图形显示面板,可显示电压电流等相关参数的波形。同时,为了对数据进行更详尽的分析,本发明GUI程序将收到的数据自动存储到文本文件中。
Claims (8)
1.混合系统储能装置,其特征在于:包括Buck/Boost变换器、并联控制器、检测电路I、检测电路II、检测电路III、调理及保护电路I、调理及保护电路II、调理及保护电路III、驱动电路I、驱动电路II、控制器、超级电容器和蓄电池;所述Buck/Boost变换器与直流母线连接,所述Buck/Boost变换器通过驱动电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与直流母线之间连接检测电路I,所述检测电路I通过调理及保护电路I连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器相连,所述并联控制器通过驱动电路II连接到控制器,所述Buck/Boost变换器与并联控制器之间连接超级电容器,所述Buck/Boost变换器与超级电容器之间连接检测电路II,所述的检测电路II通过调理及保护电路II连接到控制器,所述并联控制器与蓄电池相连,所述并联控制器与蓄电池之间连接检测电路III,所述检测电路III通过调理及保护电路III连接到控制器;所述控制器采用型号为TMS320F2812的DSP处理器;所述调理及保护电路包括电压信号调理及保护电路和电流信号调理及保护电路;
所述电流信号调理及保护电路包括电源+3.3V,电阻R27、R28、R29、R30、R31、R32和R21,电容C25和C35,LM258运算放大器U7A和LM393运算放大器U2A,发光二极管LED2;采集的信号CINSAMPLE输入到电阻R21的一端,电阻R21的另一端分别并接到电容C35的一端和LM258运算放大器U7A的同向输入端,电容C35的另一端接地,LM258运算放大器U7A的反向输入端分别并接到LM258运算放大器U7A的输出端和电阻R27的一端,所述LM258运算放大器U7A的反向输入端、LM258运算放大器U7A的输出端和电阻R27的公共端连接到控制器的IDC1端;电阻R27的另一端分别并接到电容C25的一端和LM393运算放大器U2A的反向输入端,电容C25的另一端接地,LM393运算放大器U2A的同向输入端分别并接到电阻R28的一端、电阻R29的一端和电阻R30的一端,电阻R28的另一端连接到+3.3V电源,电阻R29的另一端接地,电阻R30的另一端分别并接到电阻R31的一端、二极管LED2的阴极和LM393运算放大器U2A的输出端,电阻R31的另一端连接到+3.3V电源,二极管LED2的阳极串接电阻R32后连接到+3.3V电源,电阻R30、电阻R31、二极管LED2和LM393运算放大器U2A的输出端的公共端连接到控制器的PROIDC1端;
所述电压信号调理及保护电路包括电源+3.3V,电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46和R47,电容C35、C36和C41,LM258运算放大器U3A和LM393运算放大器U1A,发光二极管LED1;采集的信号VINSAMPLE输入到电阻R41的一端,电阻R41的另一端分别并接到电容C35的一端和LM258运算放大器U3A的同相输入端,电容C35的另一端接地,LM258运算放大器U3A的反相输入端分别并接到LM258运算放大器U3A的输出端和电阻R42的一端,LM258运算放大器U3A的反相输入端、LM258运算放大器U3A的输出端和电阻R42的公共端连接到控制器的VDC1端;电阻R42的另一端分别并接到电容C36的一端和LM393运算放大器U1A的反相输入端,LM393运算放大器U1A的同相输入端分别并接到电阻R43、R44和R45的一端,电阻R43的另一端连接到+3.3V电源,电阻R44另一端接地,电阻R45另一端分别连接到LM393运算放大器U1A的输出端、电阻R46的一端、电容C41的一端和发光二极管LED1的阴极,电阻R46的另一端连接到+3.3V电源,电容C41的另一端接地,发光二极管LED1的阳极串接电阻R47后连接到+3.3V电源,LM393运算放大器U1A的输出端、电阻R46、电容C41和发光二极管LED1的公共端连接到控制器的PROVDC1端。
2.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述储能装置还包括总线驱动控制器,所述的总线驱动控制器位于控制器PWM输出信号端与驱动电路信号输入端之间,分别与控制器PWM输出信号端和驱动电路信号输入端相连;所述总线驱动控制器的型号为74HC245。
3.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述Buck/Boost变换器为非隔离型双向Buck/Boost变换器。
4.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述驱动电路采用光耦HCPL3120作为驱动芯片。
5.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述检测电路采用电流传感器和电压传感器进行信号检测,所述电压传感器采用霍尔电压传感器,所述电流传感器采用霍尔闭环电流传感器。
6.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述储能装置还包括键盘,所述键盘与控制器相连,所述键盘采用采用4×4键盘。
7.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述储能装置还包括LCD显示模块,所述LCD显示模块与控制器相连,所述LCD显示模块的型号为LCD12864。
8.根据权利要求1所述的混合系统储能装置,其特征在于:所述储能装置还包括串口通讯模块,所述串口通讯模块与控制器相连。
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CN109462248A (zh) * | 2017-09-06 | 2019-03-12 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | 一种光伏储能一体化机柜及其运行方法 |
CN109995061A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 国网冀北电力有限公司张家口供电公司 | 一种微电网下带反馈的储能能量调度方法 |
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN203261111U (zh) * | 2013-04-09 | 2013-10-30 | 中国人民解放军重庆通信学院 | 基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统 |
CN203363958U (zh) * | 2013-07-22 | 2013-12-25 | 徐州工业职业技术学院 | 混合储能式太阳能led路灯 |
CN103904766A (zh) * | 2014-04-04 | 2014-07-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法 |
CN204407995U (zh) * | 2014-12-25 | 2015-06-17 | 张丽玉 | 一种新型风光互补充气帐篷 |
CN204681125U (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-30 | 何琼 | 一种基于太阳能的电动汽车充电系统 |
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Patent Citations (5)
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---|---|---|---|---|
CN203261111U (zh) * | 2013-04-09 | 2013-10-30 | 中国人民解放军重庆通信学院 | 基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统 |
CN203363958U (zh) * | 2013-07-22 | 2013-12-25 | 徐州工业职业技术学院 | 混合储能式太阳能led路灯 |
CN103904766A (zh) * | 2014-04-04 | 2014-07-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法 |
CN204407995U (zh) * | 2014-12-25 | 2015-06-17 | 张丽玉 | 一种新型风光互补充气帐篷 |
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