CN105356842B - 光伏电池与储能装置相结合的模块化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能光伏电池发电技术和储能装置储能领域，具体涉及光伏电池与储能装置相结合的模块化装置。光伏电池与储能装置相结合的模块化装置，包括光伏电池单元、第一直流变换电路、储能单元、剩余能量检测电路、第二直流变换电路、投切电路、中央处理器、数据总线。一个光伏电池组件或一个储能元件处于非正常运行状态时，该光伏电池组件或储能元件只会影响其自身所在的模块化装置的控制方案和运行状态，不会影响到其他模块化装置的控制和运行，进而提高了整体运行的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池发电技术和储能装置储能领域，具体涉及光伏电池与储能装置相结合的模块化装置。
背景技术
目前，在新能源发电技术领域，储能装置被广泛地应用于太阳能光伏电池发电系统中，通过对储能装置的充放电控制在保证负载供电可靠性的前提下，实现太阳能到电能的最大转化。在实际使用中，往往通过将一定数目的光伏电池组件串并联在一起构成光伏电池阵列，来提高发电容量和输出电压等级。但是由于构成光伏电池阵列的光伏电池组件的性能不一致性，光伏电池阵列输出的最大电能小于其阵列中所有光伏电池组件的各自最大输出之和，也就是说，光伏电池阵列的有效容量没有得到充分的利用。此外，当存在有局部阴影时，光伏电池阵列输出功率会严重下降，甚至会对光伏电池组件造成损坏。由多个储能元件串并联在一起构成储能装置在运行过程中也存在有类似的问题，例如由于充放电特性不同导致总的储能容量不能被充分利用、单个储能元件的损害会致使储能装置无法正常运行等。
发明内容
本发明针对串并联运行的光伏电池阵列和储能装置，其有效容量不能被充分利用，以及个体的非正常状态对整体运行的不利影响等问题，提出了一种光伏电池与储能装置相结合的模块化装置。
本发明的目的是这样实现的：
光伏电池与储能装置相结合的模块化装置，包括光伏电池单元、第一直流变换电路、储能单元、剩余能量检测电路、第二直流变换电路、投切电路、中央处理器、数据总线，光伏电池单元的输出接至第一直流变换电路的输入；第一直流变换电路的输出与储能单元连接，同时第一直流变换电路的输出接至第二直流变换电路的输入；剩余能量检测电路与储能单元连接在一起；第二直流变换电路的正极性输出端接至投切电路的I1接线端，第二直流变换电路的负极性输出端接至投切电路的I2接线端；投切电路的O1接线端和O2接线端于与外部负载或电路连接；中央处理器通过数据线分别与第一直流变换电路2、剩余能量检测电路4、第二直流变换电路5、投切电路6之间进行通讯。
本发明的有益效果在于：
与现有的将多个光伏电池组件串并联构成光伏电池阵列和将多个储能元件串并联构成装能装置，然后再将光伏电池阵列和储能装置结合在一起实现发电、储能目的的这种使用方式相比，本发明是将一个光伏电池组件(即光伏电池单元1)和一个储能元件(即储能单元3)结合在一起构成一个模块化装置，再将多个模块化装置串连在一起来实现发电、储能运行，其具有以下有益效果：
(1)一个光伏电池组件或一个储能元件处于非正常运行状态(包含故障状态)时，该光伏电池组件或储能元件只会影响其自身所在的模块化装置的控制方案和运行状态，不会影响到其他模块化装置的控制和运行，进而提高了整体运行的安全性和可靠性。
(2)合理的设计储能元件的容量，可以使所有的光伏电池组件都工作在自己的最大功率点，进而真正地实现最大太阳能到电能的转化。
附图说明
图1光伏电池与储能装置相结合的模块化装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
采用本发明所提出的光伏电池与储能装置相结合的模块化装置结构图如图1所示，主要包括光伏电池单元1、第一直流变换电路2、储能单元3、剩余能量检测电路4、第二直流变换电路5、投切电路6、中央处理器7、数据总线8等组成部分。具体连接关系为：光伏电池单元1的输出接至第一直流变换电路2的输入；第一直流变换电路2的输出与储能单元3连接，同时第一直流变换电路2的输出接至第二直流变换电路5的输入；剩余能量检测电路4与储能单元3连接在一起；第二直流变换电路5的正极性输出端接至投切电路6的I1接线端，第二直流变换电路5的负极性输出端接至投切电路6的I2接线端；投切电路6的O1接线端和O2接线端用于与外部负载或电路连接；中央处理器7通过数据线8分别与第一直流变换电路2、剩余能量检测电路4、第二直流变换电路5、投切电路6之间进行通讯。
工作原理：
本发明所提出的光伏电池与储能装置相结合的模块化装置(以下简称为模块化装置)在正常工作时，首先中央处理器7执行初始控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2，使第一直流变换电路2工作在对光伏电池单元1的最大功率点跟踪(MPPT控制)状态，并实时监测第一直流变换电路2的输出功率；控制第二直流变换电路5工作在恒压或恒流输出状态(具体的工作状态和参数值取决于设计、实际需求)，并实时监测第二直流变换电路5的输出功率；控制剩余能量检测电路4对储能单元3中的剩余能量进行检测，并对剩余能量进行实时监测；中央处理器7通过对以上这些实时监测数据的比较、分析，将模块化装置的具体状态分成以下五种不同的工况，针对不同的工况将采用不同的控制方案来控制模块化装置的运行。
(1)光伏电池单元1的最大输出功率大于第二直流变换电路5的输出功率、储能单元3没有充满电的工况。在该工况下，中央处理器7执行以下控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2工作在对光伏电池单元1的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路2的输出功率；控制第二直流变换电路5工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能，实时监测第二直流变换电路5的输出功率；控制剩余能量检测电路4对储能单元3中的剩余能量进行检测；通过数据线8实时监测第一直流变换电路2的输出功率、第二直流变换电路5的输出功率、储能单元3的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案。在该工况控制方案的控制过程中，如果中央处理器7监测到储能单元3的剩余能量在一定时间内(改时间长度需要结合实际来设定)没有发生变化，则认为储能单元3发生故障，转而执行相应的控制方案。
(2)光伏电池单元1的最大输出功率大于或等于第二直流变换电路5的输出功率、储能单元3已经充满电或由于故障无法充电的工况。在该工况下，中央处理器7执行以下控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2工作在恒压输出状态，输出电压值等于储能单元3的额定电压(或其他设计电压值)；控制第二直流变换电路5工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能；控制剩余能量检测电路4对储能单元3中的剩余能量进行检测；通过数据线8实时监测第一直流变换电路2的输出功率、第二直流变换电路5的输出功率、储能单元3的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案。
(3)光伏电池单元1的最大输出功率小于第二直流变换电路5的输出功率需求、储能单元3还有剩余能量可以输出的工况。在该工况下，中央处理器7执行以下控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2工作在对光伏电池单元1的最大功率点跟踪状态；控制第二直流变换电路5工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能；控制剩余能量检测电路4对储能单元3中的剩余能量进行检测；通过数据线8实时监测第一直流变换电路2的输出功率、第二直流变换电路5的输出功率、储能单元3的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案。在该工况控制方案的控制过程中，如果中央处理器7监测到储能单元3的剩余能量在一定时间内(改时间长度需要结合实际来设定)没有发生变化，则认为储能单元3发生故障，转而执行相应的控制方案。
(4)光伏电池单元1的最大输出功率小于第二直流变换电路5的输出功率需求、储能单元3没有剩余能量可以输出或由于故障无法充放电的工况。在该工况下，中央处理器7首先执行以下控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2工作在对光伏电池单元1的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路2的输出功率；在外部负载或电路允许的范围内，减小第二直流变换电路5输出的电压或电流幅值，进而减小第二直流变换电路5的输出功率，实时监测第二直流变换电路5的输出功率。如果在允许的范围内，通过减小第二直流变换电路5输出电压或电流幅值，实现了光伏电池单元1的最大输出功率与外部负载或电路需求相平衡，则保持当前的运行控制状态不变，否则中央处理器7执行以下控制方案：断开投切电路6的I1接线端和O1接线端以及I2接线端和O2接线端之间的电气联系，即将外部负载或电路从第二直流变换电路5的输出端切除，如果此时该模块化装置是与其他模块化装置串联运行，则还要控制投切电路6将O1接线端和O2接线端短接在一起，确保串联运行的其他模块化装置能够运行；控制第二直流变换电路5处于停止工作状态(即输出电压和电流均为零)；控制第一直流变换电路2工作在对光伏电池单元1的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路2的输出功率，如果检测到第一直流变换电路2的输出电流为零(即储能单元3发生故障，无法充电)，则第一直流变换电路2执行恒压输出(该恒压值的大小可根据实际运行需求设定)；控制剩余能量检测电路4对储能单元3进行剩余能量检测；当储能单元3的剩余能量超过某一限值(该限值的大小可根据实际运行需求设定，储能装置状态正常时采用该判据)或者达到设定的时间间隔(该时间间隔的大小可根据实际运行需求设定，储能装置故障时采用该判据)，中央处理器7重新执行初始控制方案。
(5)光伏电池单元1的输出功率为零的工况。由于没有光照或者结构损坏等原因致使光伏电池单元1的输出功率为零，在该工况下，中央处理器7执行以下控制方案：控制投切电路6的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路5的输出连接在一起；控制第一直流变换电路2处于停止工作状态；控制第二直流变换电路5工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能，实时监测第二直流变换电路5的输出功率；控制剩余能量检测电路4对储能单元3中的剩余能量进行检测，并对剩余能量进行实时监测。当储能单元3中的剩余能量小于外部负载或电路的需求(包含储能单元3发生故障而无法放电的情况，故障的判别方法如前所述)时，中央处理器7执行以下控制方案：断开投切电路6的I1接线端和O1接线端以及I2接线端和O2接线端之间的电气联系，即将外部负载或电路从第二直流变换电路5的输出端切除，如果此时该模块化装置是与其他模块化装置串联运行，则还要控制投切电路6将O1接线端和O2接线端短接在一起，确保串联运行的其他模块化装置能够运行；控制第二直流变换电路5处于停止工作状态；实时检测第一直流变换电路2的输入电压值，当该电压值大于某一幅值时(该幅值的大小，根据光伏电池单元1的实际输出特性来选取)，判断光伏电池单元1可提供电能输出，中央处理器7重新执行初始控制方案。
实施方法一
光伏电池单元1可采用现有的各种光伏电池组件构成，也可以根据实际要求将几个光伏电池组件串并联在一起构成。
第一直流变换电路2应包含可以实现直流到直流变换的主电路和控制器。主电路一般采用输出电压可调、可控的升压电路来实现，例如boost电路。控制器应该能够对第一直流变换电路2的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流进行检测，并能根据中央处理器7的指令对输出电压、电流进行调节，因此控制器可采用具有通讯功能且满足上述要求的现有各种控制器来实现。
储能单元3可由现有的蓄电池、超级电容等各种储能元件的单体构成，也可以根据实际要求将几个储能元件单体串并联在一起构成。
剩余能量检测电路4应该具有能够对储能单元3的剩余能量进行实时检测，并将检测结果传递给中央处理器7的功能，因此可采用具有上述要求的现有各种电路来实现，例如针对超级电容构成的储能单元，可利用霍尔型的电压传感器对其端电压进行检测，电压传感器的输出经过模拟/数字转换芯片处理后变成数字信号，再由通讯模块经过数据总线8发送至中央处理器7。
第二直流变换电路5应包含可以实现直流到直流变换的主电路和控制器。主电路一般采用输出电压可调、可控的升压或降压电路来实现，例如boost电路、buck电路。控制器应该能够对第二直流变换电路5的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流进行检测，并能根据中央处理器7的指令对输出电压、电流进行调节，因此控制器可采用具有通讯功能且满足上述要求的现有各种控制器来实现。
投切电路6应该能够根据中央处理器7的指令来改变4个接线端I1、I2、O1、O2之间电气联系的功能，可以由多个继电器或接触器及其驱动电路构成。
中央处理器7可以由具有数字信号处理和通讯功能的单片机、数字信号处理器(DSP)等来构成。
数据总线8可以根据需要选择并行数据总线、串行数据总线或CAN总线等数据总线来构成。
Claims (1)
1.光伏电池与储能装置相结合的模块化装置，包括光伏电池单元(1)、第一直流变换电路(2)、储能单元(3)、剩余能量检测电路(4)、第二直流变换电路(5)、投切电路(6)、中央处理器(7)、数据总线(8)，其特征在于：光伏电池单元的输出接至第一直流变换电路的输入；第一直流变换电路的输出与储能单元连接，同时第一直流变换电路的输出接至第二直流变换电路的输入；剩余能量检测电路与储能单元连接在一起；第二直流变换电路的正极性输出端接至投切电路的I1接线端，第二直流变换电路的负极性输出端接至投切电路的I2接线端；投切电路的O1接线端和O2接线端于与外部负载或电路连接；中央处理器通过数据线分别与第一直流变换电路（2）、剩余能量检测电路（4）、第二直流变换电路（5）、投切电路（6）之间进行通讯；
首先中央处理器执行初始控制方案：控制投切电路的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路，使第一直流变换电路工作在对光伏电池单元的最大功率点跟踪状态，并实时监测第一直流变换电路的输出功率；控制第二直流变换电路工作在恒压或恒流输出状态，并实时监测第二直流变换电路的输出功率；控制剩余能量检测电路对储能单元中的剩余能量进行检测，并对剩余能量进行实时监测；中央处理器通过对以上这些实时监测数据的比较、分析，将模块化装置的具体状态分成以下五种不同的工况，针对不同的工况将采用不同的控制方案来控制模块化装置的运行；
(1)光伏电池单元的最大输出功率大于第二直流变换电路的输出功率、储能单元没有充满电的工况；在该工况下，中央处理器执行以下控制方案：控制投切电路的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路工作在对光伏电池单元的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路的输出功率；控制第二直流变换电路工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能，实时监测第二直流变换电路的输出功率；控制剩余能量检测电路对储能单元中的剩余能量进行检测；通过数据线实时监测第一直流变换电路的输出功率、第二直流变换电路的输出功率、储能单元的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案；在该工况控制方案的控制过程中，如果中央处理器监测到储能单元的剩余能量在一定时间内没有发生变化，则认为储能单元发生故障，转而执行相应的控制方案；
(2)光伏电池单元（1）的最大输出功率大于或等于第二直流变换电路的输出功率、储能单元已经充满电或由于故障无法充电的工况；在该工况下，中央处理器执行以下控制方案：控制投切电路的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路工作在恒压输出状态，输出电压值等于储能单元的额定电压；控制第二直流变换电路工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能；控制剩余能量检测电路对储能单元中的剩余能量进行检测；通过数据线实时监测第一直流变换电路的输出功率、第二直流变换电路的输出功率、储能单元的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案；
(3)光伏电池单元的最大输出功率小于第二直流变换电路的输出功率需求、储能单元还有剩余能量可以输出的工况；在该工况下，中央处理器执行以下控制方案：控制投切电路（6）的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路工作在对光伏电池单元的最大功率点跟踪状态；控制第二直流变换电路工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能；控制剩余能量检测电路对储能单元中的剩余能量进行检测；通过数据线实时监测第一直流变换电路的输出功率、第二直流变换电路的输出功率、储能单元的剩余能量，当这些数据间的大小关系发生变化时，判断对应的工况，转而执行相应的控制方案；在该工况控制方案的控制过程中，如果中央处理器监测到储能单元的剩余能量在一定时间内没有发生变化，则认为储能单元发生故障，转而执行相应的控制方案；
(4)光伏电池单元的最大输出功率小于第二直流变换电路的输出功率需求、储能单元没有剩余能量可以输出或由于故障无法充放电的工况；在该工况下，中央处理器首先执行以下控制方案：控制投切电路的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路工作在对光伏电池单元的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路的输出功率；在外部负载或电路允许的范围内，减小第二直流变换电路输出的电压或电流幅值，进而减小第二直流变换电路的输出功率，实时监测第二直流变换电路的输出功率；如果在允许的范围内，通过减小第二直流变换电路输出电压或电流幅值，实现了光伏电池单元的最大输出功率与外部负载或电路需求相平衡，则保持当前的运行控制状态不变，否则中央处理器执行以下控制方案：断开投切电路的I1接线端和O1接线端以及I2接线端和O2接线端之间的电气联系，即将外部负载或电路从第二直流变换电路的输出端切除，如果此时该模块化装置是与其他模块化装置串联运行，则还要控制投切电路将O1接线端和O2接线端短接在一起，确保串联运行的其他模块化装置能够运行；控制第二直流变换电路处于停止工作状态；控制第一直流变换电路工作在对光伏电池单元的最大功率点跟踪状态，实时监测第一直流变换电路的输出功率，如果检测到第一直流变换电路的输出电流为零，则第一直流变换电路执行恒压输出；控制剩余能量检测电路对储能单元进行剩余能量检测；当储能单元的剩余能量超过某一限值或者达到设定的时间间隔，中央处理器重新执行初始控制方案；
(5)光伏电池单元的输出功率为零的工况；由于没有光照或者结构损坏等原因致使光伏电池单元的输出功率为零，在该工况下，中央处理器执行以下控制方案：控制投切电路的I1接线端和O1接线端电气短接在一起，I2接线端和O2接线端电气短接在一起，使得外部负载或电路能够与第二直流变换电路的输出连接在一起；控制第一直流变换电路处于停止工作状态；控制第二直流变换电路工作在恒压或恒流输出状态，为外部负载或电路提供其所需的电能，实时监测第二直流变换电路的输出功率；控制剩余能量检测电路对储能单元中的剩余能量进行检测，并对剩余能量进行实时监测；当储能单元中的剩余能量小于外部负载或电路的需求时，中央处理器执行以下控制方案：断开投切电路的I1接线端和O1接线端以及I2接线端和O2接线端之间的电气联系，即将外部负载或电路从第二直流变换电路的输出端切除，如果此时该模块化装置是与其他模块化装置串联运行，则还要控制投切电路将O1接线端和O2接线端短接在一起，确保串联运行的其他模块化装置能够运行；控制第二直流变换电路处于停止工作状态；实时检测第一直流变换电路的输入电压值，当该电压值大于某一幅值时，判断光伏电池单元可提供电能输出，中央处理器重新执行初始控制方案。
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| CN104810845A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-07-29 | 国网冀北电力有限公司电力科学研究院 | 分布式光储能参与母线调节自适应控制装置及方法 |
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2015
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