CN106059077A - 一种太阳能供电的在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能供电的在线监测装置，用以通过对多路负载的监控保证关键负载的供电，该装置包括太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、检测单元、主控单元和多路输出开关，所述的太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、主控单元、多路输出开关和多路负载依次连接，所述的检测单元分别与主控单元和储能单元连接，所述的主控单元分别与多路负载和MPPT充电控制器连接。与现有技术相比，本发明具有提高回收率、降低功耗、可靠性高等优点。

Description

一种太阳能供电的在线监测装置

技术领域

本发明涉及分布式光伏发电领域，尤其是涉及一种太阳能供电的在线监测装置。

背景技术

无线传感及远程监测是保障社会安全生产的重要手段之一。因地理环境和现实条件的限制，大部分的远程检测点和无线设备无法获取市电，利用太阳能绿色能源为其供电是一种较为理想和便捷的措施。然而，受环境及场地的限制，太阳能电池板发电及存储能量，往往无法有效的保障多路负载长期供电。如何延长负载在线工作时间，保证关键负载的长期工作，已经成为太阳能电源的优先考虑的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高回收率、降低功耗、可靠性高的太阳能供电的在线监测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能供电的在线监测装置，用以通过对多路负载的监控保证关键负载的供电，该装置包括太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、检测单元、主控单元和多路输出开关，所述的太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、主控单元、多路输出开关和多路负载依次连接，所述的检测单元分别与主控单元和储能单元连接，所述的主控单元分别与多路负载和MPPT充电控制器连接。

所述的太阳能电池板和MPPT充电控制器均设有多组，且一一对应连接，多组MPPT充电控制器通过直流母线与储能单元连接。

该装置还包括无线通信模块和远程监控模块，所述的远程监控模块通过无线通信模块与主控单元通信，所述的无线通信模块与储能单元连接。

所述的主控单元分别通过RS485总线与多路负载和MPPT充电控制器通信。

所述的MPPT充电控制器通过两级直流母线电压外环控制将太阳能电池板产生的电能传输给储能单元，具体包括以下步骤：

11)检测直流母线电压Udc与给定电压Udc_ref，并计算其偏差值Udc_err作为第一调节器的输入值；

12)设定第一调节器的高偏差阈值Udc_ref_H和低偏差阈值Udc_ref_L，并通过MPPT算法获取太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref；

13)当偏差值Udc_err大于高偏差阈值Udc_ref_H时，第一调节器输出的控制电流Iin值为太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref，则第二调节器输入给定电流Iref为0，停止给直流母线充电；

14)当偏差值Udc_err小于高偏差阈值Udc_ref_H且大于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为P*Udc_err，其中P为比例系数，并与太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref求和得到Iref，从而降低太阳能电池板对直流母线的注入电流，保持母线电压在设定范围内；

15)当偏差值Udc_err小于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为0，DC-DC变换电路的输入给定电流为太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref，从而增大太阳能电池板对直流母线的注入电流。

所述的远程监控模块通过负载优化控制策略控制多路输出开关对负载进行切换管理，包括以下步骤：

21)远程监控模块设置负载工作时长阈值TL、负载工作间隔阈值TS、负载的优先级P、储能单元下限电压Ubat_L及负载优先级下限P_L；

22)判断储能单元电压Ubat是否小于储能单元下限电压Ubat_L，若是，则主控单元将多路负载中优先级P小于负载优先级下限P_L的负载关闭，若否，则进行步骤23)；

23)判断负载的工作间隔时间T是否小于负载工作间隔阈值TS，若是，则继续判断直到满足开启条件为止，若否，则开启负载，进行步骤24)；

24)在负载开启后，判断负载的工作时间是否大于负载工作时长阈值TL，若是，则关闭负载，若否，则继续判断直到满足关闭条件为止。

所述的远程监控模块还可以通过多层次的控制策略控制多路输出开关对负载进行切换管理，包括以下步骤：

31)根据储能单元的容量将储能单元的储能电压分为n个电压阶段，设置n+1个储能单元电压限值，同时将负载分为n个优先级，并再每个优先级的负载中设置优先级下限P_Ln，并且将负载的优先级与储能单元的电压阶段一一对应；

32)根据储能单元电压限值获取储能单元电压Ubat所处的电压阶段，并获取与该电压阶段对应的负载优先级；

33)判断该负载优先级内所有负载的优先级是否低于优先级下限P_Ln，若是，则主控单元将多路负载中优先级P小于负载优先级下限P_L的负载关闭，若否，则进行步骤34)；

34)判断该负载优先级内所有负载的工作间隔时间T是否小于负载工作间隔阈值TS_n，若是，则继续判断直到满足开启条件为止，若否，则开启负载，进行步骤35)；

35)在负载开启后，判断负载的工作时间是否大于负载工作时长阈值TL_n，若是，则关闭负载，若否，则继续判断直到满足关闭条件为止。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、提高回收率：采用两级直流母线电压外环控制，一方面当储能单元容量较低时，MPPT充电控制器以太阳能电池最大功率点向其充电；另一方面随着储能单元电压升高，逐步减小充电电流，直到充满为止。这样可以在保障储能单元合理充电的前提下，最大限度的利用太阳能发电，提高太阳能电源的回收率。

二、降低整体功耗：通过设定负载工作及间隔时间，实现对负载在线工作的合理的切换管理，减小了负载整体功耗，延长了系统供电时间，降低成本。

三、可靠性高：在系统能量有限的情况下，通过对负载优先级的设定，有力保障了优先级较高的关键负载的供电，提高了系统的供电可靠性。

四、多层控制：本发明通过将储能单元的电压与负载的优先级分为一一对应的多个层次，然后根据单独负载优化控制策略分层次控制，针对性强，可以根据电池的容量大小，分阶段优化负载的工作状态，进一步优化系统的供电策略。

附图说明

图1为本发明提供的一种太阳能电源结构系统框图。

图2为本发明提供的一种两级直流母线电压外环控制框图。

图3为本发明提供的一种负载优化控制策略流程图。

图4为本发明提供的一种多层次负载优化控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

图1为一种在线监测用太阳能供电装置系统框图，包括多组太阳能电池板101、多组MPPT充电控制器102、储能单元103、检测单元104、无线模块1105、主控制系统106、多路输出模块107、多路负载108)、无线模块109以及远程监测、设置系统110。多组MPPT充电控制器102输入端为多组太阳能电池板101，其输出端为储能单元103，储能单元103为主控制系统106、多路输出模块107提供能量。多路输出模块107输入端为储能单元103，输出端为多路负载108，主控制系统106通过控制各路开关K1-Kn实现负载供电关断。检测单元(104)采集储能单元(103)的能量信息反馈给主控制系统106。主控制系统106通过485总线与多组MPPT充电控制器102及多路负载108相连，并利用无线模块105和无线模块109与远程监控、设置系统110进行通信，实现信息交互。

图2为一种两级直流母线电压外环控制框图，通过检测直流母线电压Udc与给定电压Udc_ref之间的偏差值Udc_err，并将其划分为高偏差Udc_ref_H值和低偏差Udc_ref_L值，通过调节器1转为输出控制电流Iin。当偏差值Udc_err大于高偏差阈值Udc_ref_H时，第一调节器输出的控制电流Iin值为MPPT算法给定电流Ipv_ref并与太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref，使得第二调节器输入给定电流Iref为0，停止给直流母线充电；当偏差值Udc_err小于高偏差阈值Udc_ref_H且大于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为P*Udc_err，其中P为比例系数。并与太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref求和得到Iref，以降低对直流母线的注入电流，以维持母线电压在合理范围之内；当偏差值Udc_err小于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为0，DC-DC变换电路的输给定电流为太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref。为了实现对给定电流Iref的控制，调节控制2采用PI调节器。

图3为一种负载优化控制策略流程图，通过远程监控、设置系统110设置负载工作时长TL、负载工作间隔TS、优先级大小P、储能单元下限电压Ubat_L及负载优先级下限P_L。当储能单元103电压Ubat小于Ubat_L时，主控制系统106将负载的优先级P小于P_L的负载关闭；当储能单元电压103Ubat大于Ubat_L时，主控制系统106通过判断负载工作时间T，来开启和关闭负载；当T大于等于TS时，开启负载；当T小于TS时，等待满足设定时间为止。在负载开启时，继续判断负载的工作时间是否满足设计时长TL，如果负载工作时间大于TL，关闭负载，否则继续等待，直到条件满足。

图4为一种多层次负载优化控制策略流程图，本控制策略是对图3所述一种负载优化控制策略的补充和深化。通过远程监控、设置系统110设置负载工作时长TL、负载工作间隔TS、优先级大小P、储能单元下限电压Ubat_L1、Ubat_L2…Ubat_Ln+1及负载优先级下限P_L1、P_L2…P_Ln。为了更加优化对负载的控制，根据储能单元103的容量，把储能能量分成n段，设置n+1个储能单元下限电压值。根据多路负载108的数量和优先级先后排列顺序，把负载分成n个优先级，设置n个负载优先级下限。在主控制系统106接收到设置信息后，开始进行供电控制处理。首先判决采集到的储能单元电压值属于何等阶段，具体判决方法为：将Ubat的值依次放入各个电压段进行判决，若电压值不属于此段范围，则跳出此段，返回上一级继续判决，直达找到Ubat属于的电压段。假设此时Ubat属于Ubat_Ln与Ubat_Ln+1段，继续进行下一阶段处理，主控制系统对优先等级P小于P_Ln的负载停止供电。对于优先等级P大于P_Ln的负载，判断其工作间隔，当负载间隔时间T小于设定的负载工作间隔Ts时，返回上一级，继续等待判断，直到T大于等于Ts时，开启负载。开启负载的同时记录在工作时间T，当T小于设定的负载工作时长TL时，开关保持闭合状态，负载保持工作状态；当T大于TL时，切断开关，使负载停止工作。

以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳能供电的在线监测装置，用以通过对多路负载的监控保证关键负载的供电，其特征在于，该装置包括太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、检测单元、主控单元和多路输出开关，所述的太阳能电池板、MPPT充电控制器、储能单元、主控单元、多路输出开关和多路负载依次连接，所述的检测单元分别与主控单元和储能单元连接，所述的主控单元分别与多路负载和MPPT充电控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，所述的太阳能电池板和MPPT充电控制器均设有多组，且一一对应连接，多组MPPT充电控制器通过直流母线与储能单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，该装置还包括无线通信模块和远程监控模块，所述的远程监控模块通过无线通信模块与主控单元通信，所述的无线通信模块与储能单元连接。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，所述的主控单元分别通过RS485总线与多路负载和MPPT充电控制器通信。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，所述的MPPT充电控制器通过两级直流母线电压外环控制将太阳能电池板产生的电能传输给储能单元，具体包括以下步骤：

11)检测直流母线电压Udc与给定电压Udc_ref，并计算其偏差值Udc_err作为第一调节器的输入值；

12)设定第一调节器的高偏差阈值Udc_ref_H和低偏差阈值Udc_ref_L，并通过MPPT算法获取太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref；

13)当偏差值Udc_err大于高偏差阈值Udc_ref_H时，第一调节器输出的控制电流Iin值为太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref，则第二调节器输入给定电流Iref为0，停止给直流母线充电；

14)当偏差值Udc_err小于高偏差阈值Udc_ref_H且大于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为P*Udc_err，其中P为比例系数，并与太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref求和得到Iref，从而降低太阳能电池板对直流母线的注入电流，保持母线电压在设定范围内；

15)当偏差值Udc_err小于低偏差阈值Udc_ref_L时，第一调节器的输出电流Iin为0，DC-DC变换电路的输入给定电流为太阳能电池板最大功率电流Ipv_ref，从而增大太阳能电池板对直流母线的注入电流。

6.根据权利要求3所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，所述的远程监控模块通过负载优化控制策略控制多路输出开关对负载进行切换管理，包括以下步骤：

21)远程监控模块设置负载工作时长阈值TL、负载工作间隔阈值TS、负载的优先级P、储能单元下限电压Ubat_L及负载优先级下限P_L；

22)判断储能单元电压Ubat是否小于储能单元下限电压Ubat_L，若是，则主控单元将多路负载中优先级P小于负载优先级下限P_L的负载关闭，若否，则进行步骤23)；

23)判断负载的工作间隔时间T是否小于负载工作间隔阈值TS，若是，则继续判断直到满足开启条件为止，若否，则开启负载，进行步骤24)；

24)在负载开启后，判断负载的工作时间是否大于负载工作时长阈值TL，若是，则关闭负载，若否，则继续判断直到满足关闭条件为止。

7.根据权利要求3所述的一种太阳能供电的在线监测装置，其特征在于，所述的远程监控模块还可以通过多层次的控制策略控制多路输出开关对负载进行切换管理，包括以下步骤：

31)根据储能单元的容量将储能单元的储能电压分为n个电压阶段，设置n+1个储能单元电压限值，同时将负载分为n个优先级，并再每个优先级的负载中设置优先级下限P_Ln，并且将负载的优先级与储能单元的电压阶段一一对应；

32)根据储能单元电压限值获取储能单元电压Ubat所处的电压阶段，并获取与该电压阶段对应的负载优先级；

33)判断该负载优先级内所有负载的优先级是否低于优先级下限P_Ln，若是，则主控单元将多路负载中优先级P小于负载优先级下限P_L的负载关闭，若否，则进行步骤34)；

34)判断该负载优先级内所有负载的工作间隔时间T是否小于负载工作间隔阈值TS_n，若是，则继续判断直到满足开启条件为止，若否，则开启负载，进行步骤35)；

35)在负载开启后，判断负载的工作时间是否大于负载工作时长阈值TL_n，若是，则关闭负载，若否，则继续判断直到满足关闭条件为止。