CN105811568A - 太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法 - Google Patents

太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法，发电系统包括蓄电池；光伏组件；用于检测当前光照强度的光照传感器；时钟模块；存储单元；电压检测装置；与光照传感器、时钟模块、存储单元以及电压检测装置连接，用于控制系统的光照处理单元；与光照处理单元连接，用于控制光伏组件为蓄电池充电的太阳能充电控制器；以及与光照处理单元连接，用于控制市电为蓄电池补充充电的市电充电控制器。发电系统的控制方法包括判断是否进入有效光强时刻，及比较蓄电池的实际待充电量与理论待充电量。本发明比较太阳能可充电电量与蓄电池的实际待充电量，提高了太阳能的利用率。

Description

太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法。
背景技术
随着社会的进步和发展，生活中对于电的依赖越来越大。目前很多地区由于供电条件不足，市电经常性发生停电现象，特别是晚上用电高峰期，由于电力调配的需要，更是存在短时停电的现象。为了缓解这一现象，不少家庭配备了蓄电池以备不时之需。
随着全球气候问题日益严重，能源危机不断加剧，太阳能作为一种绿色能源越来越得到重视。在光照条件允许的情况下，利用太阳发电并将电力储存下来以便市电停电时使用，是一种较好的选择。
但是，光照条件会随着时间、天气等客观因素发生改变。当光照条件不理想时，仅仅依靠太阳能为蓄电池充电可能无法提供足够的电量而影响蓄电池的使用寿命；若采用容量较小的蓄电池，则当光照条件较好时又会影响太阳能的利用效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种太阳能市电互补家庭发电系统及其控制方法，该系统在判断利用光能可以充满蓄电池时，用太阳能对蓄电池充电，在利用光能不可以充满蓄电池时，同时采用市电对蓄电池充电，既保证蓄电池有足够的电量来源，又提高了太阳能的利用率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：
一种太阳能市电互补家庭发电系统，包括：
蓄电池，其用于存储电能；
光伏组件，其通过一太阳能充电控制器而连接于所述蓄电池，用于在有效光强时间内将太阳能转化为电能为所述蓄电池充电；
市电充电控制器，连接于市电输出端和所述蓄电池之间；
光照传感器，其用于检测当前光照强度；
时钟模块，其用于为当前光照强度数据添加时间属性；
存储单元，其用于存储光照历史数据；
第一电压检测装置，其与蓄电池连接，用于检测蓄电池电压；
第二电压检测装置，其与所述光伏组件连接，用于检测光伏组件的输出电压；
光照处理单元，分别与所述光照传感器、时钟模块、存储单元、第一电压检测装置、第二电压检测装置、太阳能充电控制器和市电充电控制器连接，所述光照处理单元接收所述光照传感器检测到的当前光照强度，调用存储单元中存储的光照历史数据，结合光照历史数据与当前光照强度通过极限学习机深度学习算法计算蓄电池的理论待充电量，其通过第一电压检测装置检测到的蓄电池电压计算出蓄电池的实际待充电量，并将理论待充电量与实际待充电量进行比较，控制所述太阳能充电控制器及市电充电控制器对所述蓄电池充电。
优选地，所述第二电压检测装置检测到的光伏组件输出电压比所述第一电压检测装置检测到的蓄电池电压高1伏及以上时，进入有效光强时间。
优选地，所述光照处理单元对所述光照历史数据进行分析，计算求得每一天进入有效光强时间的时刻、结束有效光强时间的时刻、光强最强时刻、光强增大速率、以及光强衰减速率并以此作为参数训练极限学习机。
优选地，在所述太阳能市电互补家庭发电系统安装之初，理论待充电量值被设置为蓄电池容量的40％。
优选地，所述太阳能市电互补家庭发电系统还包括逆变器，其与所述蓄电池连接，用于将蓄电池输出的直流电转换为交流电。
一种太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，包括如下步骤：
S1：判断理论待充电量是否大于或等于实际待充电量，若是，则启动光伏组件对蓄电池充电，若否，则启动市电补充充电；
S2：判断蓄电池是否充满,若是，则结束充电，若否，则维持工作状态。
优选地，在步骤S1之前还包括如下步骤：
S00：判断是否进入有效光强时间，若是，则执行步骤S1，若否，则执行步骤S01；
S01：判断是否进入工作时间，若是，则执行S1，若否，则重复判断是否进入工作时间。
优选地，所述步骤S1每隔10-15分钟重复执行一次。
优选地，所述光照处理单元对所述光照历史数据进行分析，计算求得每一天的进入有效光强时间的时刻、结束有效光强时间的时刻、光强最强时刻、光强增大速率、以及光强衰减速率并以此作为参数训练极限学习机。
优选地，在所述太阳能市电互补家庭发电系统安装之初，理论待充电量值被设置为蓄电池容量的40％。
本发明的有益技术效果在于：通过光照处理单元，可以将光照获取单元检测到的当前光照数据结合历史数据通过极限学习机深度学习算法计算蓄电池的理论待充电量，并将其与实际待充电量进行比较，分析决策是否用市电对蓄电池补充充电。保证了蓄电池的使用寿命同时，增大了光能的利用率，解决了现有技术的缺陷。
附图说明
图1是本发明太阳能市电互补家庭发电系统的原理框图。
图2是本发明太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1所示，太阳能市电互补家庭发电系统1包括用于储存电能的蓄电池10、用于在有效光强时间内获取太阳能并将太阳能转化为电能的光伏组件20、用于检测当前光照强度的光照传感器30、用于提供时刻信息的时钟模块40、用于存储数据的存储单元50、用于检测蓄电池10两端电压的第一电压检测装置11，用于检测光伏组件20输出电压的第二电压检测装置21、用于整个系统控制的光照处理单元60、用于控制启动光伏组件充电的太阳能充电控制器70、以及用于控制启动市电补充充电的市电充电控制器80。
第一电压检测装置11与蓄电池10连接，用于检测蓄电池10的电压，并将检测所得数据反馈至光照处理单元60。第二电压检测装置21与光伏组件20连接，用于检测光伏组件20的电压，并将检测所得数据反馈至光照处理单元60。
光照处理单元60与光照传感器30、时钟模块40、存储单元50、第一电压检测装置11以及第二电压检测装置21连接，其用于控制整个太阳能市电互补家庭发电系统。光照处理单元60接收光照传感器30检测到的当前光照强度，并将其以光照历史数据的形式存储于存储单元50，同时光照处理单元60可调用存储单元50中存储的光照历史数据，结合光照历史数据与当前光照强度通过极限学习机深度学习算法计算蓄电池的理论待充电量。光照处理单元60通过第一电压检测装置11检测到的蓄电池电压计算出蓄电池10的实际待充电量，并将理论待充电量与实际待充电量进行比较。
太阳能充电控制器70与光伏组件20、光照处理单元60以及蓄电池10连接，用于接收光照处理单元70的指令在有效光强时间内启动光伏组件20为蓄电池10充电。
市电充电控制器80与蓄电池10以及光照处理单元60连接，当理论待充电量小于实际待充电量时，光照处理单元60启动市电充电控制器80连接市电为蓄电池10补充充电，当理论待充电量大于或等于实际待充电量时，光照处理单元60控制市电充电模块80断开市电不为蓄电池10补充充电。
蓄电池10的实际待充电量为从当前时刻直至蓄电池容量充满时所需要的电量。第一电压检测装置11测量到的蓄电池10两端的电压后，将电压数据传送至光照处理单元60，光照处理单元60可以计算出蓄电池10的实际已充电量，对于容量一定的蓄电池，用蓄电池的总容量减去实际已充电量，即可得到蓄电池10的实际待充电量。充电进行一段时间后，当第一电压检测装置11检测到蓄电池电压达到某一值时，光照处理单元60判断蓄电池已充满，则控制系统结束充电。
蓄电池10的理论待充电量为从当前时刻直至蓄电池容量充满时仅以太阳能充电，理论上可以充入的电量。理论待充电量为光照处理单元60通过极限学习机深度学习算法计算得出。作为一种优选方案，光照处理单元60对存储于存储单元50中的光照历史数据进行分析，计算求得每一天进入有效光强时间的时刻、结束有效光强时间的时刻、光强最强时刻、光强增大速率、以及光强衰减速率，结合当前时刻，将这些数据作为输入，并记录该时刻的实际待充电量作为标准值，训练极限学习机。随着家庭发电系统的使用，极限学习机各项输入的权重被逐渐修正，以得到较为准确的理论待充电量值。在其他实施例中，也可选择其他参数作为输入。
本实施例中，当光伏组件20的输出电压比蓄电池10两端的电压高出1伏及以上时，光照处理单元60判断进入有效光强时间；当光伏组件20的输出电压未比蓄电池10两端的电压高出1伏及以上时，光照处理单元60判断未进入有效光强时间。于其他实施例中，也可通过其他方式判断进入有效光强时间。
本实施例中，蓄电池10还连接有用于将蓄电池的直流电转换为交流电输出的逆变器12。
为了保证蓄电池被充满，系统投入使用之前会将理论待充电量值预设为一个较小的值，如，可将理论待充电量值设置为蓄电池容量的40％，以便在光照条件较差时可以及时通过市电补充充电。随着系统的使用，理论待充电量值将逐渐得到修正。当系统使用一段时间后，将累积大量的光照历史数据，此时，在光照条件相同的日期内，便可使用相同的理论待充电量。
在系统投入使用之初，为得到较为准确的理论待充电量值，可在有效光强时间内，每隔半小时记录一次当前实际待充电量，并将当前实际待充电量作为标准值训练极限学习机。
光伏组件的输出电压会随着光照条件的改变而发生变化，当遇到阴雨天气时，进入有效光强时间的时刻可能较迟，或者一整天都无法进入有效光强时间。出现这种情况时，为了保证能够对蓄电池进行充电，此时，系统将相邻的前一天系统正常工作时进入有效光强时间的时刻作为基准来判断是否进入工作时间。即，若某一天的光照条件较差，光伏组件的输出电压未比蓄电池电压高1伏及以上，此时，根据前一天进入有效光强时间的时刻来判断是否进入工作时间。若已经进入工作时间而未进入有效光强时间，则直接启动市电进行充电，随着时间的推进光照条件发生改变，一旦检测达到进入有效光强的条件，则开启光伏组件充电，并判断理论待充电量与实际待充电量的大小进而确定是否需要开启市电补充充电。
如图2所示，太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法包括如下步骤：
S1：判断理论待充电量是否大于或等于实际待充电量，若是，则启动光伏组件对蓄电池充电，若否，则启动市电补充充电；
S2：判断蓄电池是否充满,若是，则结束充电，若否，则维持工作状态。
步骤S1中，若仅以光伏组件对蓄电池充电即可充满蓄电池，及当步骤S1判断为是时，仅仅启动光伏组件充电，可减少对市电的使用，大限度地利用太阳能。
步骤S1中，若仅以光伏组件对蓄电池充电无法使蓄电池充满，即当步骤S1判断为否时，同时启动市电，以市电和光伏组件同时对蓄电池进行充电，以保证蓄电池电量能够被充满。
步骤S2中，通过第一电压检测装置11检测到的蓄电池电压，光照处理单元60即可判断蓄电池10是否充满，若已充满，则结束充电，若未充满，则继续工作。
优选地，在执行步骤S1之前，还可以包括如下步骤：
S00：判断是否进入有效光强时间，若是，则执行步骤S1，若否，则执行步骤S01；
S01：判断是否进入工作时间，若是，则执行步骤S1，若否，则重复判断是否进入工作时间。
步骤S00中，光照处理单元60通过比较蓄电池电压与光伏组件的输出电压来判断是否进入有效光强时间。若光伏组件输出电压比蓄电池电压高出1伏及以上，则光照处理单元60判断进入有效光强时间，系统执行步骤S1。若光伏组件输出电压未比蓄电池电压高出1伏及以上，则光照处理单元60判断没有进入有效光强时间，系统执行步骤S01。
步骤S01中，系统将相邻的前一个正常工作日进入有效光强时间的时刻作为基准来判断是否进入工作时间，若进入工作时间，则执行步骤S1，若未进入工作时间，则重复步骤S01。
当某一天的光照条件较差时，经步骤S00判断未进入有效光强，则进入步骤S01判断是否进入工作时间。若此时已经进入工作时间，则执行步骤S1，即判断理论待充电量是否大于或等于实际待充电量。因为当天的光照条件较差，步骤S1的判断结果为否，因此，系统将直接启动市电充电。
当某一天的光照条件较好时，经步骤S00判断进入有效光强时间，则直接执行步骤S1。
优选地，步骤S1可定期重复执行。如每隔10-15分钟执行一次。当光照条件由强转弱时，S1判断为否，则市电和光伏组件同时充电；当光照条件由弱转强时，S1判断为是，则关闭市电，只由光伏组件充电。
太阳能控制器控制光照获取单元给蓄电池充电，本实施例中，充电方式采用MPPT最大功率追踪技术进行，太阳能控制芯片采用DSPTMS320F280200芯片。市电充电控制器用于控制市电给蓄电池充电，充电方式采用PWM方式，市电充电控制器控制芯片采用MSP430单片机。
本系统主要针对的是用电高峰期时电力调配不足的问题，因此，本发明主要设计为在白天有光照条件下对蓄电池进行充电，而在夜晚无光照时，遇到市电停电时蓄电池对外输出电能。因此，本发明中蓄电池的容量与光照获取单元的发电容量相匹配，以求最大限度地利用光能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能市电互补家庭发电系统，其特征在于，包括：
蓄电池，其用于存储电能；
光伏组件，其通过一太阳能充电控制器而连接于所述蓄电池，用于在有效光强时间内将太阳能转化为电能为所述蓄电池充电；
市电充电控制器，连接于市电输出端和所述蓄电池之间；
光照传感器，其用于检测当前光照强度；
时钟模块，其用于为当前光照强度数据添加时间属性；
存储单元，其用于存储光照历史数据；
第一电压检测装置，其与蓄电池连接，用于检测蓄电池电压；
第二电压检测装置，其与所述光伏组件连接，用于检测光伏组件的输出电压；
光照处理单元，分别与所述光照传感器、时钟模块、存储单元、第一电压检测装置、第二电压检测装置、太阳能充电控制器和市电充电控制器连接，所述光照处理单元接收所述光照传感器检测到的当前光照强度，调用存储单元中存储的光照历史数据，结合光照历史数据与当前光照强度通过极限学习机深度学习算法计算蓄电池的理论待充电量，其通过第一电压检测装置检测到的蓄电池电压计算出蓄电池的实际待充电量，并将理论待充电量与实际待充电量进行比较，控制所述太阳能充电控制器及市电充电控制器对所述蓄电池充电。
2.如权利要求1所述的太阳能市电互补家庭发电系统，其特征在于，所述第二电压检测装置检测到的光伏组件输出电压比所述第一电压检测装置检测到的蓄电池电压高1伏及以上时，进入有效光强时间。
3.如权利要求1所述的太阳能市电互补家庭发电系统，其特征在于，所述光照处理单元对所述光照历史数据进行分析，计算求得每一天进入有效光强时间的时刻、结束有效光强时间的时刻、光强最强时刻、光强增大速率、以及光强衰减速率并以此作为参数训练极限学习机。
4.如权利要求1所述的太阳能市电互补家庭发电系统，其特征在于，在所述太阳能市电互补家庭发电系统安装之初，理论待充电量值被设置为蓄电池容量的40％。
5.如权利要求1所述的太阳能市电互补家庭发电系统，其特征在于，所述太阳能市电互补家庭发电系统还包括逆变器，其与所述蓄电池连接，用于将蓄电池输出的直流电转换为交流电。
6.一种太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：判断理论待充电量是否大于或等于实际待充电量，若是，则启动光伏组件对蓄电池充电，若否，则启动市电补充充电；
S2：判断蓄电池是否充满,若是，则结束充电，若否，则维持工作状态。
7.如权利要求6所述的太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括如下步骤：
S00：判断是否进入有效光强时间，若是，则执行步骤S1，若否，则执行步骤S01；
S01：判断是否进入工作时间，若是，则执行S1，若否，则重复判断是否进入工作时间。
8.如权利要求6所述的太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1每隔10-15分钟重复执行一次。
9.如权利要求6所述的太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，其特征在于，所述光照处理单元对所述光照历史数据进行分析，计算求得每一天的进入有效光强时间的时刻、结束有效光强时间的时刻、光强最强时刻、光强增大速率、以及光强衰减速率并以此作为参数训练极限学习机。
10.如权利要求6所述的太阳能市电互补家庭发电系统的控制方法，其特征在于，在所述太阳能市电互补家庭发电系统安装之初，理论待充电量值被设置为蓄电池容量的40％。
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