CN108054826A - 一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统 - Google Patents

Abstract

一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统，属于分布式离网的太阳能‑蓄电池一体化的发电供电技术领域。通过在蓄电池开关和双向直流变流器之间加入防冲击电流模块，当系统的工作模式发生变化而产生冲击电流时，通过调节防冲击电流模块中4个开关(K1、K2、K3、K4)的关断，使接入系统中的电阻值发生变化，这样不仅可以防止一次冲击电流，还可以防止二次冲击电流，使电流平缓恢复到正常值，有效减小冲击电流对系统的影响。同时，防冲击电流模块中采用三级限流电阻的方式，4个开关快速切换将限流电阻降为零，极大地减少了加入的电阻引起的功率损失。

Description

一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统

技术领域

本发明属于分布式离网的太阳能-蓄电池一体化的发电供电技术领域，具体涉及一种具有防冲击电流蓄电池保护的光储系统。

背景技术

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对环境问题越来越重视。太阳能作为一种清洁环保的能源，具有丰富的来源，是近年来能源研究的热点。

然而，太阳能发电很大程度上与天气有关，不同的光照强度、不同的温度都会对发电效果产生一定的影响，进而导致太阳能发电输出不稳定。为了使电能输出比较平滑，可在太阳能发电系统中加入储能装置，当光伏电池的输出存在波动时，则通过蓄电池的充放电来稳定系统的输出电能，同时还可以将多余的电量储存起来，在某种程度上起到减少弃光限电的作用。但是蓄电池等储能装置价格较高，这在很大程度上就决定了光储系统的成本，因此，蓄电池等储能装置的使用寿命对系统来说至关重要。另外，加入蓄电池等储能装置的光伏系统还需要考虑以下两方面：一是能量的优化管理，尽可能的减少太阳能资源的浪费；二是维持系统能量输出的稳定，减少能量的波动，为系统并网提供良好的技术前提。

目前，光储系统受到越来越多研究者的重视，其中，如何优化光储系统、减少光储系统的成本、提高光储系统的效率成为关注的主要问题。中国专利CN106816949A公开了一种12V蓄电池光伏市电互补充放电维护装置，主要是通过自动检测蓄电池的状态，并进行自动充放电和关断控制、以及关断恢复控制。中国专利CN106887865A公开了一种有效延长光伏发电配套蓄电池寿命的智能控制系统，主要是通过检测不同的工作状态，实现太阳能电源的即充即用、充电和用电可同时进行，减少了市电和蓄电池的消耗，延长了使用寿命。上述方法均是从蓄电池充放电的控制上来对蓄电池进行维护，以解决电池出现过冲过放的问题。但是，均没有提出由于光伏系统的不稳定性、系统不同工作状态的突变所引起的冲击电流对系统和电池的损害的解决方案。

发明内容

本发明针对背景技术提出的光储系统中工作状态突变所带来的冲击电流的问题，提出了一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统。本发明光储系统的结构简单，添加的防冲击电流模块的成本和功耗均很小，可满足实际应用需求；同时，该光储系统还考虑了多种不同状态的工作模式，有利于提高系统的能源利用效率。

本发明的技术方案如下：

一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统，包括太阳能光伏电板1、单向直流变流器2、公共直流母线3、蓄电池4、蓄电池开关5、防冲击电流模块6、双向直流变流器7、负载开关控制模块8、直流负载9和主控模块10；所述防冲击电流模块6位于蓄电池开关5和双向直流变流器7之间；所述防冲击电流模块6包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第一电阻R7、第二电阻R8和第三电阻R9，所述第二电阻R8与第二开关K2串联，第一电阻R7和第三电阻R9串联，第三开关K3与第三电阻R9串联，所述第一开关K1与第二电阻R8、第二开关K2，第一电阻R7、第三电阻R9，第三开关K3、第三电阻R9，第四开关K4并联；所述主控模块包括中心控制单元、蓄电池开关控制单元、负载开关控制单元、防冲击电流控制单元、PWM(脉冲宽度调制)产生单元、数据采集单元和AD转化单元。

所述主控模块通过数据采集单元采集太阳能光伏电板输出的电压电流信号、公共直流母线上的电压电流信号和蓄电池两端的电压电流信号，然后经过AD转化单元，将模拟信号转化为数字信号，并传输到中心控制单元。中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式是否有变化：当系统的工作模块没有发生变化时，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关K1闭合，第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均断开。当系统的工作模式发生变化时，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关K1断开，此时相当于电路中串联阻值为(R7+R9)的电阻；然后使第三开关K3闭合，此时相当于电路中串联阻值为R9的电阻；然后断开第三开关K3，闭合第二开关K2，此时电路中串联阻值为((R7+R9)//R8)的电阻；最后，断开第二开关K2，闭合第四开关K4。当第四开关K4闭合后，第一开关K1又重新闭合，同时第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4断开，整个系统又恢复到最初状态。

所述主控模块中的防冲击电流控制单元包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元控制第一开关K1的关断，第二控制单元通过三个延时器(延时器1、延时器2、延时器3)分别控制第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的关断时间，当系统的工作模式发生变化产生冲击电流时，第二控制单元控制接入系统中的阻值不断减小，以防止一次和二次冲击电流，使电流平缓的恢复到正常值，有效减小冲击电流对系统的影响。

进一步地，所述中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式，控制PWM(脉冲宽度调制)产生单元产生四路PWM波，分别控制单向直流变流器2和双向直流变流器7，使他们工作在升压、降压或者停止模式。

进一步地，所述中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式，通过蓄电池开关控制单元控制蓄电池开关的关断，通过负载开关控制单元控制负载开关的关断。

进一步地，本发明光储系统的工作模式包括以下8种：(1)太阳能光伏电板的输出功率小于负载功率，蓄电池电压高于过放电压时，太阳能光伏电板工作在MPPT，蓄电池恒压放电；(2)太阳能光伏电板的输出功率大于负载功率，蓄电池电压小于过充电压时，太阳能光伏电板工作在MPPT，蓄电池恒压充电；(3)太阳能光伏电板的功率大于负载功率，蓄电池充满时，断开蓄电池开关，蓄电池停止充电，增加直流负载，若负载调节失效，则光伏就工作在恒压模式；(4)太阳能光伏电板的输出功率为零，蓄电池的电压高于过放电压时，蓄电池限流放电；(5)太阳能光伏电板的输出功率为零，蓄电池电压低于过放电压时，该光储系统停止工作；(6)太阳能光伏电板的输出功率远小于负载功率时，太阳能光伏电板工作在MPPT，负载开关全部断开，蓄电池进行MPPT充电；(7)太阳能光伏电板的输出功率远大于负载功率，蓄电池的充电电流达到上限电流时，蓄电池限流充电，增加直流负载，若负载调节失效，则光伏就工作在恒压模式；(8)太阳能光伏电板的输出功率小于负载功率，蓄电池放电电流已达到上限时，蓄电池限流放电，太阳能光伏电板工作在MPPT，减小负载，如负载调节失效，再切断所有负载。

进一步地，所述负载开关控制模块8包括一个一级开关P1和n个并联的二级开关P2，当太阳能发电的环境发生变化时，如果蓄电池已经充满或者已经达到放电下限时，可以通过自动调节或者手动调节负载来维持母线电压的稳定，以便最大限度的利用太阳能资源。例如：可以考虑加一个加热装置，当太阳能发电过多，电池充满时，可以连接加热装置对水箱加热，将多余的太阳能转化热能。

进一步地，所述负载开关控制模块8连接于公共直流母线3并联的电容器和负载9之间，防止切断负载时，电容继续对负载放电，使负载长时间在低于额定功率的条件下工作。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统，通过在蓄电池开关和双向直流变流器之间加入防冲击电流模块，当系统的工作模式发生变化而产生冲击电流时，通过调节防冲击电流模块中4个开关(K1、K2、K3、K4)的关断，使接入系统中的电阻值发生变化，这样不仅可以防止一次冲击电流，还可以防止二次冲击电流，使电流平缓的恢复到正常值，有效减小冲击电流对系统的影响，延长了蓄电池的使用寿命，减小了系统的不稳定性。同时，防冲击电流模块中采用三级限流电阻的方式，4个开关(K1、K2、K3、K4)快速切换将限流电阻降为零，极大地减少了加入的电阻引起的功率损失。

2、本发明提出了8种不同的工作模式，主控模块通过实时检测太阳能光伏电板的电压电流、公共直流母线的电压电流以及蓄电池的电压电流，判断系统的工作模式，使得在不同工况下该系统都能实现能量的最优利用转换，而且不同工况下能实现快速转换，维持了母线电压的稳定，为并网提供了良好的基础。

3、本发明提出的防冲击电流蓄电池保护的光储系统中，负载开关控制模块包括一个一级开关P1和n个并联的二级开关P2，可通过能量的大小自动增加或减少负载，也可以根据需求手动控制开关进行负载的切换，提高了利用效率，减小了资源浪费；同时，负载的总控制开关P1串接在直流母线并联的电容之后，这样既可以采用较大的电容来维持母线的稳定又能快速的切除负载，防止母线电容对负载放电而影响负载的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统中防冲击电流模块和防冲击电流控制单元的结构示意图；

图3为本发明提供的一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统在光照强度变化时公共直流母线电压的仿真结果；

图4为本发明提供的一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统的蓄电池容量和电压电流仿真结果(b)与未加入防冲击电流模块的光储系统的蓄电池容量和电压电流仿真结果(a)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明提供的一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统的结构示意图，包括太阳能光伏电板1、单向直流变流器2、公共直流母线3、蓄电池4、蓄电池开关5、防冲击电流模块6、双向直流变流器7、负载开关控制模块8、直流负载9和主控模块10；其中，太阳能光伏电板1通过单向直流变流器2连接到公共直流母线3；蓄电池4依次连接蓄电池开关5、防冲击电流模块6、双向直流变流器7和公共直流母线3；公共直流母线3通过负载开关控制模块8连接直流负载9；主控模块10分别控制单向直流变流器2、双向直流变流器7、蓄电池开关5和负载开关控制模块8。其中，所述太阳能光伏电板为该光储系统的主要能量来源，它通过单向直流变流器连接到公共直流母线；单向直流变流器采用BUCK电路，它通过对开关管的控制实现光伏电池的最大功率追踪和恒压功能，进而实现能源的最优利用；蓄电池在该光储系统中主要起到能量调节的作用，它通过蓄电池开关、防冲击电流模块和双向直流变流器连接到公共直流母线；双向直流变换器采用BOOST-BUCK电路，通过对双向直流变换器的开关进行控制，可以实现蓄电池的充放电管理；直流负载通过负载开关控制模块连接到公共直流母线，负载开关控制模块中包含了不同等级的开关，可以实现对负载的自动调控也可以手动的切换负载。该光储系统中加入了负载调节和蓄电池储能设备，使其在不同的工况下都能快速稳定的转换，减少了能源的浪费。

如图2所示，为本发明提供的光储系统中的防冲击电流模块和防冲击电流控制单元的结构示意图，在蓄电池开关和双向直流变流器之间连接防冲击电流模块，防冲击电流模块包括四个可控开关管(K1、K2、K3、K4)和三个不同阻值的电阻(R7、R8、R9)。所述第二电阻R8与第二开关K2串联，第一电阻R7和第三电阻R9串联，第三开关K3与第三电阻R9串联，所述第一开关K1与第二电阻R8、第二开关K2，第一电阻R7、第三电阻R9，第三开关K3、第三电阻R9，第四开关K4并联；四个开关管的关断通过STM32主控模块中的防冲击电流控制单元控制。当主控模块检测到系统的工作模式没有发生变化时，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关K1闭合，第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均断开，相当于蓄电池开关与双向直流变流器直接相连。当系统的工作模式发生变化时，为了消除冲击电流，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关K1断开，此时相当于电路中串联阻值为(R7+R9)的电阻；然后使第三开关K3闭合，此时相当于电路中串联阻值为R9的电阻；然后断开第三开关K3，闭合第二开关K2，此时电路中串联阻值为((R7+R9)//R8)的电阻；最后，断开第二开关K2，闭合第四开关K4。当第四开关K4闭合后，第一开关K1又重新闭合，同时第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4断开，整个系统又恢复到最初状态。

其中，防冲击电流控制单元通过三个延时器(延时器1、延时器2、延时器3)分别控制第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的关断时间，当系统的工作模式发生变化产生冲击电流时，通过不断改变接入系统中电阻的大小，不仅可有效防止一次和二次冲击电流，而且还能使接入的限流电阻快速降为0，减小加入限流电阻而引起的功率损耗。另外，采用三级限流电阻来防止冲击电流与采用电感相比，不仅节约了系统的成本，也减小了系统的体积，提高了系统的反应速度。

如图3所示，是在仿真条件为：0-0.15s光照强度为300W/m²、0.15-0.3s光照强度为200W/m²、0.3-0.5s光照强度为50W/m²，系统开始额定负载为6欧，设定母线电压为12伏的情况下，本发明光储系统在光照强度变化时公共直流母线电压的仿真结果；图4为在仿真条件为：0-0.15s光照强度为300W/m²、0.15-0.3s光照强度为200W/m²、0.3-0.5s光照强度为50W/m²，系统开始额定负载为6欧，设定母线电压为12伏的情况下，本发明光储系统的蓄电池容量和电压电流仿真结果(b)与未加入防冲击电流模块的光储系统的蓄电池容量和电压电流仿真结果(a)。

由图3和图4可知，在光照强度为300W/m²时，太阳能光伏电板输出的功率加上蓄电池的最大放电功率超过了负载所需功率，所以此时蓄电池恒压放电；当光照强度为200W/m²时，太阳能光伏电板和蓄电池的最大功率小于负载功率，此时系统自动减少负载使光伏电池和蓄电池一起维持系统重要负载的运行以及维持母线电压的稳定，此时蓄电池限流放电；当光照强度为50W/m²时，系统所提供的能量已经远远低于负载所需能量，通过负载调节也无法实现，这时就需要切断所有负载，同时太阳能光伏电板以MPPT对蓄电池进行充电。

由图4可知，在0.3S时，由于光照强度十分微弱，所以蓄电池不再放电，而是由放电状态突变为充电状态。未添加防冲击电流模块的系统(a)在0.3S时蓄电池的电流突然由正的2安转变为负的8安左右，这远远超过了蓄电池允许的最大充放电电流，对蓄电池会造成一定的损害，同时在蓄电池一上电的时候，会产生近10安左右的冲击电流。而本发明加入了防冲击电流模块的光储系统(b)，无论是在刚开始蓄电池上电，还是在0.3s时蓄电池突然由放电变为充电的情况下，蓄电池的电流突变都较小，都在两伏以内即在蓄电池的安全电流范围之内。因此，本发明光储系统中加入了防冲击电流模块，可以很好地防止冲击电流对蓄电池的损害，达到延长蓄电池寿命的效果。

综上所述，本发明提出了一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统，通过在光储系统中加入防冲击电流模块，使蓄电池免受冲击电流的损害，延长蓄电池的使用寿命。其中，防冲击电流模块中采用三级限流电阻的方式，可以快速将限流电阻降为零而不引起二次冲击电流，减少了由限流电阻引起的功率损失，同时使系统快速恢复稳定。另外，本发明提出了8种不同的工作模式，使系统能够在不同的环境下自动进行转换，实现能源的最优利用转换；通过加入负载开关控制模块，使负载能够根据不用的工况自动调节，也可以根据需求手动调节，有效维持了母线的稳定，减少了资源的浪费。

Claims (4)

1.一种防冲击电流蓄电池保护的光储系统，包括太阳能光伏电板(1)、单向直流变流器(2)、公共直流母线(3)、蓄电池(4)、蓄电池开关(5)、防冲击电流模块(6)、双向直流变流器(7)、负载开关控制模块(8)、直流负载(9)和主控模块(10)；所述防冲击电流模块(6)位于蓄电池开关(5)和双向直流变流器(7)之间；所述防冲击电流模块(6)包括第一开关(K1)、第二开关(K2)、第三开关(K3)、第四开关(K4)、第一电阻(R7)、第二电阻(R8)和第三电阻(R9)，所述第一开关(K1)与第二电阻(R8)、第二开关(K2)，第一电阻(R7)、第三电阻(R9)，第三开关(K3)、第三电阻(R9)，第四开关(K4)并联；所述主控模块包括中心控制单元、蓄电池开关控制单元、负载开关控制单元、防冲击电流控制单元、PWM产生单元、数据采集单元和AD转化单元；

所述主控模块通过数据采集单元采集太阳能光伏电板输出的电压电流信号、公共直流母线上的电压电流信号和蓄电池两端的电压电流信号，然后经过AD转化单元，将模拟信号转化为数字信号，并传输到中心控制单元；中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式是否有变化：当系统的工作模块没有发生变化时，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关闭合，第二开关、第三开关和第四开关均断开；当系统的工作模式发生变化时，中心控制单元控制防冲击电流控制单元，使第一开关断开，此时相当于电路中串联阻值为(R7+R9)的电阻；然后使第三开关闭合，此时相当于电路中串联阻值为R9的电阻；然后断开第三开关，闭合第二开关，此时电路中串联阻值为((R7+R9)//R8)的电阻；最后，断开第二开关，闭合第四开关。

2.根据权利要求1所述的防冲击电流蓄电池保护的光储系统，其特征在于，所述中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式，PWM产生单元分别控制单向直流变流器和双向直流变流器，使他们工作在升压、降压或者停止模式。

3.根据权利要求1所述的防冲击电流蓄电池保护的光储系统，其特征在于，所述中心控制单元根据接收到的信号判断系统的工作模式，通过蓄电池开关控制单元控制蓄电池开关的关断，通过负载开关控制单元控制负载开关的关断。

4.根据权利要求1或2或3所述的防冲击电流蓄电池保护的光储系统，其特征在于，所述工作模式包括：(1)太阳能光伏电板的输出功率小于负载功率，蓄电池电压高于过放电压时，太阳能光伏电板工作在MPPT，蓄电池恒压放电；(2)太阳能光伏电板的输出功率大于负载功率，蓄电池电压小于过充电压时，太阳能光伏电板工作在MPPT，蓄电池恒压充电；(3)太阳能光伏电板的功率大于负载功率，蓄电池充满时，断开蓄电池开关，蓄电池停止充电，增加直流负载，若负载调节失效，则光伏工作在恒压模式；(4)太阳能光伏电板的输出功率为零，蓄电池的电压高于过放电压时，蓄电池限流放电；(5)太阳能光伏电板的输出功率为零，蓄电池电压低于过放电压时，该光储系统停止工作；(6)太阳能光伏电板的输出功率远小于负载功率时，太阳能光伏电板工作在MPPT，负载开关全部断开，蓄电池进行MPPT充电；(7)太阳能光伏电板的输出功率远大于负载功率，蓄电池的充电电流达到上限电流时，蓄电池限流充电，增加直流负载，若负载调节失效，则光伏就工作在恒压模式；(8)太阳能光伏电板的输出功率小于负载功率，蓄电池放电电流已达到上限时，蓄电池限流放电，太阳能光伏电板工作在MPPT，减小负载，如负载调节失效，再切断所有负载。