CN105659181A - 太阳能发电设备和太阳能发电设备的控制方法 - Google Patents

太阳能发电设备和太阳能发电设备的控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种太阳能发电设备，其包括：第一DC-DC转换器，其中太阳能电池的输出输入到所述第一DC-DC转换器；蓄电池，其中第一DC-DC转换器的输出输入到所述蓄电池；第二DC-DC转换器，其中所述第二DC-DC转换器转换所述蓄电池的电压；以及控制单元，其在指示所述蓄电池的充电状态的值等于或大于预设值的情况下，改变所述第一DC-DC转换器的占空比从而不对蓄电池充电，且改变第二DC-DC转换器的占空比从而将所述太阳能电池的工作点设置到最大功率点。

Description

太阳能发电设备和太阳能发电设备的控制方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电设备和一种太阳能发电设备的控制方法。
背景技术
控制转换器占空比以跟踪太阳能电池的最大功率点以及当蓄电池接近充满电状态时控制该转换器占空比以将太阳能电池的工作点从最大功率点切换至开路电压侧的技术是已知的(例如，参见日本专利申请公开No.6-324752(JP6-324752A))。
然而，在上述背景技术中，当该蓄电池接近充满电状态时，太阳能电池的工作点从最大功率点切换以及因此该太阳能电池不能在该最大功率点处工作。
发明内容
因此，本发明的一个方面提供了一种太阳能发电设备，其即便是在指示蓄电池充电状态的值等于或大于预设值的情况下，也能够将太阳能电池的工作点调整到最大功率点。
根据本发明的一个方面，提供了太阳能发电设备，该设备包括：第一DC-DC转换器，其中太阳能电池的输出被输入到该转换器；蓄电池，其中所述第一DC-DC转换器的输出被输入到该蓄电池；第二DC-DC转换器，其转换所述蓄电池的电压；以及控制单元，其改变所述第一DC-DC转换器的占空比以使得不对所述蓄电池充电以及改变第二DC-DC转换器的占空比以使得在指示蓄电池充电状态的值等于或大于预设值的情况下将太阳能电池的工作点设置成最大功率点。
根据本发明的该方面，可以提供太阳能发电设备，该设备能够在指示蓄电池充电状态的值等于或大于预设值的情况下将太阳能电池的工作点调整到最大功率点。
附图说明
本发明的示例实施方式的特性、优点以及技术和工业意义将参照附图在下文中进行描述，其中相同的数字表示相同的元素，其中：
图1是示出了根据本发明的实施方式的太阳能发电设备的配置的框图。
图2是示意性地示出了根据本发明的实施方式的太阳能发电设备的控制方法的图。
图3是示出了DC-DC转换器的示例的电路图；以及
图4是示出了DC-DC转换器的另一个示例的电路图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来描述本发明的实施方式。在以下描述和附图中，具有基本相同的功能性配置的元素将以相同的参考标记来引用，且其描述将不被重复。
太阳能发电设备1的配置
根据本发明的实施方式的太阳能发电设备1的配置将在下文参照图1进行描述。
如图1所示，太阳能发电设备1包括太阳能电池100，第一DC-DC转换器200，第二DC-DC转换器300，蓄电池400，控制单元600以及存储单元700。
太阳能发电设备1还包括用于测量电路部件的电流和电压的电流检测器10a，10b，10c和10d以及电压检测器11a，11b，11c和11d。例如，可以使用电流传感器或电流表作为电流检测器10a，10b，10c和10d。例如，可以使用电压传感器或电压表作为电压检测器11a，11b，11c和11d。
包括辅助蓄电池510以及负载520的功耗部500连接到太阳能发电设备1的输出端。
在图1中，Vin1表示太阳能电池100的输出电压或者第一DC-DC转换器200的输入电压。Iin1表示太阳能电池100的输出电流或者第一DC-DC转换器200的输入电流。Vout1和Iout1分别表示第一DC-DC转换器200的输出电压和输出电流。Iin2表示第二DC-DC转换器300的输入电流。Vout2和Iout2分别表示第二DC-DC转换器300的输出电压和输出电流。E1表示蓄电池400的电压。
太阳能电池100是被光例如日光照射以及将光能转化为电能的半导体装置。其类型不被限制，且例如，可以使用太阳能电池模块，太阳能电池板以及太阳能电池阵列。
第一DC-DC转换器200是DC电压转换器，其将太阳能电池100的输出电压Vin1升压和降压，以及在太阳能电池100和蓄电池400之间串联布置。
所述第一DC-DC转换器200具有2个驱动模式：最大功率点追踪(MPPT)模式和恒定电压输出模式。MPPT模式是其中第一DC-DC转换器200被驱动以使得太阳能电池100的工作点在最大功率点(MPP)的模式。恒定电压输出模式是其中第一DC-DC转换器200被驱动以使得相对于太阳能电池100的变化的输出电压Vin1而输出恒定电压的模式。
作为第一DC-DC转换器200的驱动模式，响应于来自稍后描述的控制单元600的命令来选择MPPT模式或者恒定电压输出模式。
第二DC-DC转换器300是DC电压转换器，其将第一DC-DC转换器200或者蓄电池400的输出电压升压和降压，以及在蓄电池400和功耗部500之间串联布置。
第二DC-DC转换器300具有2个驱动模式：MPPT模式和恒定电压输出模式。MPPT模式是其中第二DC-DC转换器300被驱动以使得太阳能电池100的工作点在最大功率点(MPP)的模式。恒定电压输出模式是其中第二DC-DC转换器300被驱动以使得相对于第一DC-DC转换器200或蓄电池400的变化的输出电压而输出恒定电压的模式。
作为第二DC-DC转换器300的驱动模式，响应于来自稍后描述的控制单元600的命令来选择MPPT模式或者恒定电压输出模式。
蓄电池400存储(积累)由太阳能电池100产生的电力以及通过必要时的放电来对功耗部500供电。蓄电池400的类型不被特别地限制以及可以使用例如铅蓄电池，钠硫(NaS)电池，氢镍电池以及锂离子电池的电池，或电容器例如锂离子电容器和双电层电容器。
控制单元600包括例如微型计算机，其获取由电流检测器测量的电流和由电压检测器测量的电压，以及将获取的电流和电压存储在存储单元700中。控制单元600使用所获取的电流和电压来执行计算并将计算结果存储在存储单元700中。
控制单元600基于所获取的电流和电压来监控蓄电池400的充电状态，且控制单元600依据蓄电池400的充电状态来选择第一DC-DC转换器200和第二DC-DC转换器300的驱动模式。
存储单元700存储蓄电池400的预设的阈值电压Eth以及由控制单元600所获取的电流、电压和计算值。存储单元700能够采用例如半导体存储器、磁盘或者光盘。
功耗部500包括例如辅助蓄电池510和负载520。
辅助蓄电池510存储由太阳能发电设备1的第二DC-DC转换器300输出的电力以及通过必要时的放电对负载520供电。
负载520是消耗由太阳能发电设备1的第二DC-DC转换器300输出的电力以及由辅助蓄电池510供应的电力的单元。负载520能够采用例如DC驱动装置，用于将DC转换为AC的逆变器，或者在AC功率下工作的AC驱动装置。
太阳能发电设备1的操作
太阳能发电设备1的操作将在下文参照图1至图4进行描述。
图2是示意性地示出了根据本实施方式的太阳能发电设备1的控制方法的图。
根据这一实施方式的太阳能发电设备1的控制方法包括监控蓄电池400的充电状态的步骤；在指示蓄电池400的充电状态的值等于或大于预设值的情况下，改变第一DC-DC转换器200的占空比以使得从最大功率点切换太阳能电池100的工作点的步骤，即执行控制以使得不对蓄电池400充电，以及改变第二DC-DC转换器300的占空比以使得将太阳能电池100的工作点设置成最大功率点；以及在指示蓄电池400的充电状态的值小于预设值的情况下，改变第一DC-DC转换器200的占空比以使得将太阳能电池100的工作点设置到最大功率点的步骤。
如图2所示，控制单元600监控蓄电池400的充电状态以及依据该蓄电池400的充电状态切换第一DC-DC转换器200和第二DC-DC转换器300的驱动模式。
在指示蓄电池400的充电状态的值等于或大于预设值(转变条件A)的情况下，控制单元600改变第一DC-DC转换器200的占空比D1以使得从MPP切换太阳能电池100的工作点，从而执行控制以使得不对蓄电池400充电(恒定电压输出模式)。
与此同时，控制单元600改变第二DC-DC转换器300的占空比D2以使得将太阳能电池100的工作点设置到MPP(MPPT模式)。
充电的预设状态能够由用户任意设置，以及能够是例如充满电状态或约80％的部分充电状态。
另一方面，在指示蓄电池400的充电状态的值小于预设值(转变条件B)的情况下，控制单元600改变第一DC-DC转换器200的占空比D1以将太阳能电池100的工作点设置到MPP(MPPT模式)。
与此同时，控制单元600改变第二DC-DC转换器300的占空比D2以使得以恒定电压对负载520侧供电以及以剩余电力对蓄电池400充电(恒定电压输出模式)。
将在下文参照图1详细描述太阳能发电设备1的操作。
首先，控制单元600获取由电压检测器11c测量的蓄电池400的电压E1，以及将所获取的电压存储在存储单元700中。控制单元600比较蓄电池400的电压E1和预先存储在存储单元700中的阈值电压Eth，当E1＜Eth(小于阈值电压)成立时执行第一状态S1的控制，以及当E1≥Eth(等于或大于阈值电压)成立时执行第二状态S2的控制。
第一状态S1和第二状态S2能够依据蓄电池400的充电状态被反复选择。
例如，第一DC-DC转换器200的占空比能够改变以从最大功率点切换太阳能电池100的工作点，即，不对蓄电池400进行充电，第二DC-DC转换器300的占空比能够改变以将太阳能电池100的工作点设置成最大功率点，以及随后第一DC-DC转换器200的占空比能够改变以在指示蓄电池400的充电状态的值小于预设值的情况下将太阳能电池100的工作点设置成最大功率点。
阈值Eth能够由用户任意设置。阈值Eth优选地设置成低于蓄电池400的充满电的电压Emax。因此，控制蓄电池400以使得不超过充满电的状态(使得电压E1不大于充满电的电压Emax)以及被保护以避免过载状态。
第一状态S1
首先，控制单元600获取由电压检测器11a测量的电压Vin1a以及由电流检测器10a测量的电流Iin1a并且将所获取的电压和电流存储到存储单元700中。
然后，控制单元600将电压Vin1a乘以电流Iin1a以计算功率Pin1a并且将计算的功率存储到存储单元700中。
然后，控制单元驱动第一DC-DC转换器200以使得达到比电压Vin1a大预设值△V的电压Vin1b，执行电流Iin1b的测量和功率Pin1b的计算并且将所获得的值存储在存储单元700中。
然后，控制单元600比较功率Pin1a和功率Pin1b以及当功率Pin1b大于功率Pin1a时驱动第一DC-DC转换器200以使得达到比电压Vin1b大预设值△V的电压Vin1c。
另一方面，当功率Pin1b大于功率Pin1a时，控制单元600驱动第一DC-DC转换器200以使得设置比电压Vin1b小预设值△V的电压Vin1a。
这一系列操作通过使控制单元600改变第一DC-DC转换器200的占空比D1来重复地执行，且太阳能电池100的工作点被设置到MPP。
控制单元600在控制第一DC-DC转换器200的同时确定第二DC-DC转换器300的占空比D2，以使得第二DC-DC转换器300的输出电压Vout2是功耗部500的目标电压Vout。
首先，控制单元600获取由电压检测器11b测量的电压Vout1并将获取的电压存储在存储单元700中。控制单元600对电压Vout1与预先存储在存储单元700中的功耗部500侧的目标电压Vout进行比较。
当电压Vout1小于目标电压Vout时，控制单元600驱动第二DC-DC转换器300以使得电压Vout1是目标电压Vout并对电压Vout1升压。另一方面，当电压Vout1大于目标电压Vout时，控制单元600驱动第二DC-DC转换器300以使得电压Vout1是目标电压Vout并对电压Vout1降压。
第一DC-DC转换器200和第二DC-DC转换器300不被具体地限制，且例如可以使用降压转换器，升压转换器，或者升降压转换器。
图3是降压转换器的电路图的示例，其中开关Q与输入电压Vout1串联布置。该输入电压Vout1通过包括开关Q、电感器L和电容器C2的低通滤波器连接到输出。
图4是升压转换器的电路图的示例，其中电感器L与输入电压Vout1串联布置。该输入电压Vout1通过电感器L和二极管D连接到输出。
例如，当图3中所示的降压转换器用作第二DC-DC转换器300时，控制单元600能够通过设置占空比D2为D2＝Vout/Vout1来控制电压Vout1以使其成为目标电压Vout。
例如，当图4中所示的升压转换器用作第二DC-DC转换器300时，控制单元600能够通过设置占空比D2为D2＝1－Vout1/Vout来控制电压Vout1以使其成为目标电压Vout。
在第二DC-DC转换器300的恒定电压输出模式中的驱动不限于这些示例，而是能够依据由本领域技术人员所选择的DC-DC转换器的类型而被任意确定。
第二状态S2
将在下文描述如下情况：蓄电池400被充电，蓄电池400的电压E1等于或大于阈值Eth(E1≥Eth)，以及指示蓄电池400的充电状态的值等于或大于预设值。
首先，控制单元600获取由电流检测器10b测量的电流Iout1以及由电流检测器10c测量的电压Iin2并将获取的电流存储在存储单元700中。控制单元600使用电流Iout1和电流Iin2计算流到蓄电池400中的充电电流I1(＝Iout1－Iin2)。
然后，控制单元600控制第一DC-DC转换器200的占空比D1以使得输出电压Vout1，其中充电电流I1为0。因此，可以预防蓄电池400被充电高于预设充电状态。然而，控制单元600不能使用第一DC-DC转换器200来MPPT控制太阳能电池100。
因此，控制单元600获取由电压检测器11a测量的电压Vin1A以及由电流检测器10a测量的电流Iin1A并将获取的电压和电流存储在存储单元700中。
然后，控制单元600将电压Vin1A与电流Iin1A相乘以计算功率Pin1A并将计算的功率存储在存储单元700中。
然后，控制单元600驱动第二DC-DC转换器300以使得达到比电压Vin1A大预设值△V的电压Vin1B，执行电流Iin1B的测量和功率Pin1B的计算并将获取的值存储在存储单元700中。
然后，控制单元600比较功率Pin1A和功率Pin1B，且在功率Pin1B大于功率Pin1A时驱动第二DC-DC转换器300以达到比电压Vin1B大预设值△V的电压Vin1C。
另一方面，当功率Pin1B小于功率Pin1A时，控制单元600驱动第二DC-DC转换器300从而设置比电压Vin1B小预设值△V的电压Vin1A。
这一系列操作通过使控制单元600改变第二DC-DC转换器300的占空比D2来重复地执行，以及太阳能电池100的工作点被设置成MPP。
控制单元600在预定的时间间隔获取第一DC-DC转换器200的充电电流I1(＝Iout1－Iin2)。
当获取的充电电流I1大于0时，控制单元600驱动第一DC-DC转换器200从而将第一DC-DC转换器200的输出电压Vout1设置成比电压Vout1小预设值△V的电压。
另一方面，当获取的充电电流I1小于0时，控制单元600驱动第一DC-DC转换器200从而将第一DC-DC转换器200的输出电压Vout1设置成比电压Vout1大预设值△V的电压。
控制单元600在预设的时间间隔控制第一DC-DC转换器200，从而防止蓄电池400被充电高于预设的充电状态。
这一系列操作通过使控制单元600改变第一DC-DC转换器200的占空比D1来执行。
控制单元600获取第一DC-DC转换器200的充电电流I1的预设时间间隔优选地与改变第二DC-DC转换器300的占空比D2的时间间隔同步。
控制单元600获取由电压检测器11d测量的电压Vout2以及由电流检测器10d测量的电流Iout2并将获取的电压和电流存储在存储单元700中。控制单元600能够基于电压Vout2和电流Iout2获取供应到功耗部500的电压和电流的信息以及能够在需要时改变第二DC-DC转换器300的占空比D2。
如上所述，在根据本实施方式的太阳能发电设备1和该太阳能发电设备1的控制方法中，可以将太阳能电池100的工作点调整到MPP，即便指示蓄电池400的充电状态的值等于或大于预设值。
尽管参照实施方式描述了太阳能发电设备1和该太阳能发电设备1的控制方法，本发明不限于实施方式并能够以各种形式进行修改和改进而不脱离本发明的范围。
例如，测量蓄电池400的电压E1与对蓄电池400的电压E1和阈值电压Eth进行比较的方法在上文中描述为使控制单元600确定蓄电池400的充电状态的方法，但本发明不限于该方法。
例如，蓄电池400可以不设有电压检测器，蓄电池400的内阻能够通过第一DC-DC转换器200的输出电压Vout1和充电电流I1来计算，以及蓄电池400的电压E1能够通过内阻和充电电流I1来预测。例如，可以使用第一DC-DC转换器200的输出电压Vout1而不是蓄电池400的电压E1。
爬坡(hill-climbing)方法被用作DC-DC转换器的MPPT模式中的操作，但本发明不限于该方法。例如，可以使用能够跟踪太阳能电池100的MPP的操作，例如电导增量法。
描述了其中单个第二DC-DC转换器300在蓄电池400和功耗部500之间串联布置的示例，但第二DC-DC转换器300的数量不限于一个。
例如，可以并联连接多个第二DC-DC转换器300，以及在第二状态S2中的MPPT模式中仅需要驱动第二DC-DC转换器300中的至少一个。在此情况下，能够连接具有不同的目标电压Vout的多个负载520。
与第二DC-DC转换器300相似，第一DC-DC转换器200的数量不限于一个。例如，可以并联连接多个第一DC-DC转换器200。在此情况下，具有不同的输出电压的多个太阳能电池100能够被分别连接到第一DC-DC转换器200。

Claims (6)

1.一种太阳能发电设备，包括：
第一DC-DC转换器，太阳能电池的输出被输入到所述第一DC-DC转换器；
蓄电池，所述第一DC-DC转换器的输出被输入到所述蓄电池；
第二DC-DC转换器，所述第二DC-DC转换器转换所述蓄电池的电压；以及
控制单元，被配置成在指示所述蓄电池的充电状态的值等于或大于预设值的情况下，改变所述第一DC-DC转换器的占空比以使得不对所述蓄电池充电，且被配置成改变所述第二DC-DC转换器的占空比以使得将所述太阳能电池的工作点设置到最大功率点。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电设备，其中，在指示所述蓄电池的充电状态的值等于或大于所述预设值的情况下，所述控制单元执行对所述第一DC-DC转换器的输出电压的输出的控制，以使得不对所述蓄电池充电。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能发电设备，其中，所述控制单元通过比较所述蓄电池的电压与阈值电压，来确定指示所述蓄电池的充电状态的值是否等于或大于所述预设值。
4.根据权利要求1或2所述的太阳能发电设备，其中，在所述蓄电池的电压等于或大于阈值电压的情况下，所述控制单元确定指示所述蓄电池的充电状态的值等于或大于所述预设值。
5.一种太阳能发电设备的控制方法，所述太阳能发电设备用于执行将太阳能电池的工作点切换到最大功率点的控制，所述控制方法包括：
监控存储由所述太阳能电池产生的电力的蓄电池的充电状态；
在指示所述蓄电池的充电状态的值等于或大于预设值的情况下，改变所述太阳能电池的输出被输入到的第一DC-DC转换器的占空比，以使得不对所述蓄电池充电，以及改变转换所述蓄电池的电压的第二DC-DC转换器的占空比，以使得将所述太阳能电池的工作点设置到最大功率点；以及
在指示所述蓄电池的充电状态的值小于所述预设值的情况下，改变所述第一DC-DC转换器的占空比以使得将所述太阳能电池的工作点设置到所述最大功率点。
6.根据权利要求5所述的太阳能发电设备的控制方法，其中，在改变所述第一DC-DC转换器的占空比以使得不对所述蓄电池充电以及改变所述第二DC-DC转换器的占空比以使得将所述太阳能电池的工作点设置到所述最大功率点之后，在指示所述蓄电池的充电状态的值小于所述预设值的情况下，改变所述第一DC-DC转换器的占空比以使得将所述太阳能电池的工作点设置到所述最大功率点。
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