CN109792154A

CN109792154A - 用于在电池和电网之间优化地分配功率的方法和系统

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Publication number: CN109792154A
Application number: CN201780062477.4A
Authority: CN
Inventors: P.R.米施拉; S.唐加; G.马吉
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2037-10-09
Also published as: EP3306772B1; US10411641B2; CN109792154B; ES2748298T3; US20180102728A1; WO2018069221A1; EP3306772A1

Abstract

提供了一种方法，其在连续时隙上重复以控制来自时变可再生电源的功率在电池和电网之间的分配。所述方法包括将电池的最大输入功率与时变电源的功率输出相比较，并且基于比较确定在电池和电网之间分配功率的比率。其中，在电源的输出功率低于能量存储设备的最大输入功率时，作为优先级向能量存储设备分配输出功率；并且在电源的输出功率增大而高于能量存储设备的最大输入功率时，提高针对电网的比率且降低针对能量存储设备的比率。在输出功率被分配至能量存储设备时，电源所产生的高于能量存储设备的最大输入功率的剩余功率被丢弃。

Description

用于在电池和电网之间优化地分配功率的方法和系统

技术领域

本发明涉及电功率分配的领域，并且更具体地涉及包括电网馈入能力的电功率分配方法。

背景技术

获取电力的能力在国家的整体经济增长及其居民的整体生活质量这两方面都是关键因素。在世界的大部分地方，没电地区的发展远远落后于有电地区。在常规能源储备有限的地区，上升的功率需求加上不充足的发电已经使在没有频繁中断的情况下提供可靠功率成为了主要挑战。

为了解决提供可靠功率的问题以及应对气候变化的挑战，对于提升可再生能源的使用的关注正在增加。一些发展中国家的高水平太阳辐照以及无法通过常规能源来满足对于电力的需求已经促使当地政府去通过提供激励以及具有吸引力的电网馈入费用来推广诸如太阳能街道照明和太阳能屋顶光伏（PV）系统之类的方案。

这已经使得PV系统越来越普及。为了有效地利用这样的政府措施，重要的是寻找高效地利用具有电网馈入能力的太阳能PV系统中所生成的功率的方式，从而不仅降低资金成本，为更大范围的用户带来更多的获取能力，而且还改善了电网薄弱区域的电网可靠性。

文献WO2015/169131描述了从PV阵列同时到电池及电网的能量分配。然而，诸如此类的同时分配要求针对电池和电网的两个控制回路集成在一起，以便从系统获得令人满意的性能。这是高度复杂的过程。

电池和电网之间的分时功率分配将更加适用于简单用途。分时功率分配意味着功率在给定时间要么被发送至电池，要么被发送至电网，而不是被发送至它们二者。

为了向道路用户提供安全和便利，基于PV的街道照明系统正变得更加普及，因为它们独立于电网，并且因此无论电网条件如何都照亮道路。对于基于PV的街道系统而言，已发现，通过选择集中式分配架构而非分散式系统，能够实现更好地利用所生成能量。针对各种这样的集中式分配架构在街道照明应用中的效率和复杂度而对它们进行了研究，并且发现狭窄总线（narrow bus）DC集中式分布架构相比于其它分配架构造成优异的效率。DC分配架构允许使用基于DC的线性LED驱动器，这导致了相比AC分配架构的进一步的能量节约。

近年来PV系统价格的显著下降以及对于电池的负面环境影响的认知已经催生了对用于街道照明的PV系统进行优化定制的新技术。这些优化的PV系统设计考虑了天气条件不良之日的日照水平，造成了具有高PV发电能力以及最小的电池充电需求的系统。

这样的系统在具有最小日照的多云之日生成充足的能量以满足所连接负载的能量要求。在具有晴朗天空的日子里，被优化定制的系统产生剩余能量，所述剩余能量能够被出售给公共事业公司以带来更好的资本成本回报以及弥补电网薄弱地区的功率需求和供应之间的隔阂。

大多数被用于街道照明的具有电网馈入能力的PV系统使用简单的最大功率点跟踪（MPPT）充电控制器和电网馈入逆变器。它们通常是离散的，并且这样的系统中所采用的控制策略允许能量仅在电池被完全充电之后才被馈送至电网。对于被优化定制的具有大的PV发电能力以及低的电池充电要求的系统而言，这样的控制策略在具有低太阳辐照的日子提供了令人满意的性能；然而，在具有良好太阳辐照的日子，该PV系统仍然在很大程度上未被充分利用。

这是因为，随着太阳辐照的增加，在PV阵列的输出部可获得的最大功率增加。然而，为电池充电所需的功率被电池电压和充电电流要求所限制。换句话说，该功率被电池的最大输入功率所限制。在高太阳辐照期的日子里，在PV阵列输出部可获得的最大功率高于电池功率要求。在这种情况下，MPPT充电控制器被迫以较低工作功率点来操作PV阵列，该较低工作功率点等于电池的最大输入功率，这意味着PV阵列能够产生的额外功率仍然未被利用并且被浪费。

US20120235497A1公开了一种控制存储发电机所生成的电功率的电池的方法，其中它从发电机和电池中的至少一个向电功率传输系统供应对应于目标输出值的电功率。

发明内容

本发明的目标是在诸如光伏面板的可变电源的最大输出功率超过电池的最大输入功率时，通过该电源减少功率损失。本发明的进一步的目标是以优化方式从电源向能量存储设备和电网分配输出功率以便惠及整个系统。该系统针对输出功率使用时分分配（time-divided distribution）而不是时间共享（即，同时）分配（time-shareddistribution），以便降低系统的复杂度。本发明实施例的基础在于，通过电池充电与电网馈送的比率来确定优化的时分分配，该比率基于电源的最大输出功率和能量存储设备的最大输入功率。

本发明由权利要求书所限定。

根据依据本发明一方面的示例，提供了一种用于在能量存储设备和电网之间分配来自可再生电源的功率的方法，所述可再生电源具有随时间可变的输出功率，其中所述方法被调适成，针对多个时隙中的每一个：

确定所述电源在相应时隙中的输出功率；

将所述电源的输出功率与所述能量存储设备的最大输入功率相比较；

基于所述比较，确定在相应时隙中向所述能量存储设备或所述电网分配输出功率的比率；以及

根据所确定的比率，在所述相应时隙中的时间划分中，将所述输出功率从所述电源分配到所述能量存储设备或所述电网，其中在所述输出功率被分配至所述能量存储设备时，所述电源所产生的高于所述能量存储设备的最大输入功率的剩余输出功率被丢弃。

通过例如在一天期间内在每个时隙比较所述电源的输出功率与所述能量存储设备的最大输入功率，电源所产生的功率可以被能量存储设备和电网二者更好地利用。

优选地，其中在所述电源的输出功率低于所述能量存储设备的最大输入功率时，优先地向所述能量存储设备分配输出功率；并且在所述电源的输出功率增大而高于所述能量存储设备的最大输入功率时，提高针对电网的比率且降低针对能量存储设备的比率。

在低功率阶段，能量存储是优先级，因此能量存储更可能被充分充电。在所述电源的输出功率高于电池的最大输入功率的时段期间，功率可以被至少部分地引导而馈送到电网之中，减少潜在的功率损失。在这种情况下，所丢弃的剩余功率可以被减少。

在一个实施例中，所述方法可以被调适成，在确定所述电源的输出功率时，通过先前时隙期间的最大功率跟踪来确定所述电源的输出功率。

在这种布置下，时隙期间的最大功率输出可以通过最大功率跟踪来确定。这种布置可以探测到所述电源的潜在发电的上限。该最大功率输出可以被用来确定功率应当在给定时隙中的什么时点被馈送入电网或者用来对电池充电。

每个单一时隙中的电池充电和电网馈送的顺序可以通过来自所述电源的输出功率的变化速率来确定。例如，在时隙期间，所述输出功率可能被稳定地增加，从而最大功率输出出现在时隙结尾。在这种情况下，如果输出功率高于电池的最大输入功率，则将更可取的是，在时隙起点执行电池充电，此时仅有少部分输出功率可能损失，随后则将功率馈入电网。相反地，如果输出功率在给定时隙中稳定减小，则电网馈送可以首先进行，并且接着进行电池充电。通过这行这种功能，由于电池的限制，最少量的功率被损失。

在一些布置中，控制器可被调适成，在确定用于分配功率的比率时，如果所确定的输出功率低于所述能量存储设备的最大输入功率，则针对能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对电网将所述比率设置为0，由此给予所述能量存储设备优先级。在所述电源产生比所述电池的最大输入功率低的功率时，所有输出功率可以被用来对电池充电。

当所述电源的输出功率在给定时隙内小于或等于所述电池的最大输入功率时，所有输出功率都可以被所述电池所利用，导致在该时隙期间没有功率损失。在该设计中，电池可能接收到足够电荷以确保在一天结束时其被完全充电。对于可变电源在一天的某些部分中不活跃的情形，例如夜间的太阳能面板，这甚至可能是更相关的，因为这确保了电池在活跃时段期间（例如白天）接收到充足的功率，从而允许它在非活动时段期间（例如夜晚）供应恒定功率。

电池无法利用高于其最大功率输入的功率。然而，电网馈送没有输入功率限制，并且因此其能够完全利用电源的所有功率输出。为了对为能量存储设备充电和馈入电网这二者进行平衡，在功率输出增大至高于该阈值时，将至少部分时间配置成馈入电网使得原本就不会被电池使用的被浪费的功率更少。

在一些布置中，所述方法可以被调适成，在确定用于分配功率的比率时，在所述电源的输出功率达到所述电源的峰输出功率时，则针对电网将所述比率设置为1，并且针对能量存储设备将所述比率设置为0，由此给予所述电网优先级。

该实施例通过更准确地定义功率分配比率而进一步减小了功率损失/使功率损失最小化。

在一些设计中，所述方法可以被调适成，在确定用于分配功率的比率时，如果电网不可用，则针对能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对电网将所述比率设置为0。

在电网不可用的情况下，例如如果功率线路断开，则被引导成馈入电网的任何功率都将被浪费。在这种情况下将优选由电池来接收所生成的功率，即使功率输出高于电池的最大输入，因为这减轻了潜在的功率损失。该特征的优势在电网不稳定的地方变得更加明显，在损失电网不稳定的地方，对电网的接入可能是间歇性的。

在一些设计中，所述方法可以被调适成，在确定用于分配功率的比率时，如果能量存储设备被完全充电，则针对能量存储设备将所述比率设置为0，并且针对电网将所述比率设置为1。

在该设计中，所述方法通过考虑电池所具备的电荷水平而被进一步优化。如果电池的电荷状态是已知的，则可以以更大的准确性来执行向电池或电网的功率分配。作为简单示例，如果发现电池被完全充电，则整个时隙都可以被用于将功率馈入电网。在这种情况下，将功率转为馈入电网是有益的，因为功率将不会被不必要地浪费在尝试对电池充电上。如果发现电池的电荷低于10%，则整个时隙都可以用于对电池充电。

在一实施例中，电源包括光伏面板。光伏面板是具有可变输出功率的典型电源。如背景技术中所讨论的那样，传统技术无法以简单方式对其加以利用。该实施例能够在不使用复杂控制回路的情况下更好地利用光伏面板。

在另外的实施例中，所述方法可以被调适成，在确定用于分配功率的比率时，确定所述光伏面板的日照，并且如果所述光伏面板的日照小于预确定的最小日照值，则针对能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对电网将所述比率设置为0。

光伏面板的低日照意味着入射在光伏面板上的光较少，意味着来自光伏面板的功率输出低。在这些条件下，为了满足能量存储设备的充电需求，所有功率输出都被分配给能量存储设备以用于充电。

在一些实施例中，在下述两个条件中的任一个被满足时，电池接收来自电源的所有输出功率以便以恒定电压模式进行充电：所述电源的输出功率等于或小于所述能量存储设备的最大输入功率，或者达到一天的某时间。

在这种设计中，在来自电源的功率输出低时采用恒定电压充电。电池充电所需的功率在恒定电压充电被使用时持续降低，并且因此即使在所生成的功率水平低时，电池也可以有效率地使用所生成的功率。所述一天的某时间是用全部输出功率对电池充电的附加条件，除非电池已经被完全充电。这满足能量存储设备的要求，以避免它变得充电不足。例如，在时间来到15:00时，所有的输出功率都被分配给能量存储设备以用于充电，除非它已经被完全充电，从而确保能量存储设备在夜晚之前被完全充电。

在一实施例中，电池以恒定电流模式被充电直至所述电池的电荷状态达到85%，此后所述电池以恒定电压模式被充电直至所述电池的电荷状态达到100%。该布置对于较小的电池是优化良好的充电方案。

在一些设计中，所述时隙包括贯穿太阳辐射期的规律间隔。

根据依据本发明一方面的示例，提供了一种用于在电池和电网之间分配来自电源的功率的系统，所述电源具有随时间可变的输出功率，所述系统包括：

电源；

连接至所述电源的电池；

介于所述电源和所述电网之间的连接部；

用于控制来自所述电源的功率在所述电池和所述电网之间的分配的控制器，其中所述控制器在连续时隙中被调适成：

确定所述电源的输出功率；

将所述电源的输出功率与所述电池的最大输入功率相比较；

基于比较，确定用于向所述电池或所述电网分配功率的比率；并且

根据所确定的比率，在时间的划分中，将来自所述电源的功率分配到所述电池或所述电网，其中在输出功率被分配至能量存储设备时，所述电源所产生的高于所述能量存储设备的最大输入功率的剩余输出功率被丢弃。

在一些实施例中，所述电源可以包括光伏系统，该系统还可以包括光传感器。

在另外的实施例中，所述控制器被调适成使用由所述光传感器测量的日照水平来确定所述电源的输出功率。

在此设计中，所述系统的电源是光伏系统，其输出功率可以通过利用光检测器测量日照水平来确定。在低日照水平下，所述光伏系统的输出功率将低于所述电池的最大输入功率，并且因此所述控制器将选择电池来接收功率以用于充电。在高日照水平下，所述光伏系统的输出功率将高于所述电池的最大输入功率，意味着所述控制器将优先馈送功率给所述电网。

由于所述光伏系统的功率输出取决于天气条件，所以功率输出水平可能快速变化。出于此原因，有利的是，所述系统规律地检查日照水平以便确定所述光伏系统针对给定时隙的功率输出，以便优化功率分配的表现。

在一些布置中，所述电源的最大输出功率与所述电池的最大输入功率相比是大的。这是要结合上文所描述的控制系统而使用的最为有效的设计。

根据依据本发明一方面的示例，提供了一种用于在能量存储设备和电网之间分配来自电源的功率的方法，所述电源具有随时间可变的输出功率，所述方法包括，针对多个时隙中的每一个：

确定所述电源在相应时隙中的输出功率；

基于比较，确定在相应时隙中用于向所述能量存储设备或所述电网分配输出功率的比率；以及

根据所确定的比率，在相应时隙中的时间划分中，将输出功率从所述电源分配到所述能量存储设备或所述电网，其中在所述输出功率被分配至所述能量存储设备时，所述电源所产生的高于所述能量存储设备的最大输入功率的剩余输出功率被丢弃。

确定用于分配输出功率的比率的步骤可以进一步包括：

如果所确定的输出功率低于所述能量存储设备的最大输入功率，则针对能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对电网将所述比率设置为0；

在所述电源的输出功率增大而高于所述能量存储设备的最大输入功率时，提高分配至电网的功率的比例且降低分配至能量存储设备的功率的比例；以及

在所述电源的输出功率达到所述电源的峰输出功率时，针对电网将所述比率设置为1，并且针对能量存储设备将所述比率设置为0。

在另一方面中，本发明的实施例提供了一种存储了计算机程序的计算机可读介质，其中所述计算机程序被调适成，在计算机上执行时，使所述计算机实施如上文所讨论的方法的步骤。

本发明的这些和其它方面将从下文所描述的（多个）实施例而明显，并且将参考从下文所描述的（多个）实施例而被阐述。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了由控制系统的控制器所实施的、在电池和电网之间分配来自时变电源的功率的方法；

图2示出了用于确定对电池充电所用时间与向电网馈送功率所用时间的比率的方法；

图3示出了输出功率相对时间的曲线图，其具有针对被发送至电池、被发送至电网或损失的功率的指示；

图4示出了用于在具有集成光伏发电机的街道照明系统中实施图1所示的方法的控制系统；

图5示出了针对具有不同天气条件的三个单独的日子的日照相对时间的曲线图；并且

图6A-6D示出了图示已知控制系统和图4所描述的控制系统之间的预测功率分配差异的曲线图，其基于图5所示的日照水平。

具体实施方式

本发明提供了一种用于基于电池和电源的各种参数比较而在电池和电网之间分配来自电源的功率的控制器和方法，所述电源具有随时间可变化的输出功率。

图1示出了本发明的方法5。

在步骤6，确定电源的输出功率。

在步骤7，将电源的输出功率与电池的最大输入功率相比较。

在步骤8，基于步骤7中所进行的比较确定用于向电池或电网分配功率的比率。

在步骤9，根据步骤8中所确定的比率，在时间划分中将功率从电源分配至电池或电网。

当电池被充电时，它无法接收比其最大功率输入更多的功率。电池的最大功率输入可以经由下式获得：

其中P_{max_bat}是以kW计量的电池的最大输入功率，V_batt是以V计量的电池端子处的电压，并且I_{max_bat}是以A计量的最大电池充电电流。

对于具有诸如光伏面板的时变电源的系统而言，电源的功率输出可能将会大于电池的最大功率输入。在这种情况下，电源所能够产生的高于电池的最大功率输入的潜在功率在对电池充电时并未被利用。然而，电网没有这样的限制并且可以利用电源的整个范围。另外，重要的是确保电池接收到充足电荷。因此，应当为了包括电池和电网的整体系统的利益而找到平衡。

通过将电池的最大功率输入与电源的输出功率相比较，可能的是确定以优化的方式在对电池充电和馈送电网之间分配功率的比率，以便减少功率损失，为合理的利益回报馈送电网，以及尽可能多地对电池充电。例如，如果功率输出小于或等于电池的最大功率输入，则功率可以完全被电池用于能量存储。另外，如果功率输出大于电池的最大输入功率，则功率可以至少部分地被电网所利用，这意味着优化的系统将改变功率分配以有利于馈入电网，从而减少功率损失。

由于电源的功率输出随时间变化，所以有必要例如贯穿太阳辐射期以规律的间隔重复该方法，以便确保功率针对当前条件以优化的方式被分配。为了实现这点，太阳辐射期可以被划分为如以下等式中所示的离散时隙：

其中t是总时段，例如太阳辐射期，t_k是例如十分钟的离散时隙，并且n是该总时段中的离散时隙的总数，例如在该情形中是144。

每个离散时隙可以进一步根据步骤8中所确定的比率而划分为时间划分。该划分被执行以便遵从下式：

其中，t_gk是离散时隙t_k中用于向电网分配功率的时间划分，而t_bk是t_k中用于向电池分配功率以便充电的时间划分。

确定电源的输出功率的步骤（步骤6）可以包括在先前时隙期间确定电源的最大输出功率。该最大输出功率可以使用以下等式来确定：

其中P^k _{max_PV}是电源在时隙k期间的最大功率输出，其以kW计量，V^k _MPP是电源在时隙k中在其最大功率点的电压，其以V计量，并且I^k _MPP是电源在时隙k中在其最大功率点的电流，其以A计量。P以千瓦为单位，因此V和I的乘积被除以1000。应当理解的是，存在在光伏系统中普遍使用的用于最大功率跟踪的各种技术。

通过确定电源在时隙内的最大输出功率，可以更加准确地计算用于向电池或电网分配功率的比率。例如，在电源的输出功率低于电池的最大输入功率的时隙中，该比率可以优选地将功率分配至电池。在已经从电源确定了时隙的最大输出功率的情况下（例如通过测量太阳能面板的光水平），该比率可能已经考虑了升高至电池的最大输入功率以上的功率输出，并且在该时隙的后续划分中表现出优先向电网分配功率。潜在功率损失可以以如下方式来计算：

其中P^k _loss是时隙k期间的功率损失，P^k _{max_PV}是电源在时隙k期间所产生的最大功率，并且P^k _batt是在时隙k期间供应至电池的功率，所有这些都是以kW计量的。P^k _batt的值可以使用以下等式来计算：

其中V^k _batt是时隙k起点处的电池的端子处的电压，其以V计量，并且I^k _batt是时隙k起点处的电池的充电电流，其以A计量。

该方法还可以包括确定电池的电荷状态的步骤。该步骤将进一步为了使功率损失最小化而优化该系统。例如，如果电池被完全充电，则任何分配给电池的功率都将被浪费。然而，如果已知电池被完全充电，则功率分配比率可以对此有所反映并且优选地针对该时隙将功率分配至电网。电池的电荷状态可以被用来以下述等式来计算对电池完全充电所需的能量：

其中E_{bat_deficit}是将电池从其初始电荷状态充电至满容量所需的能量，其以kWh计量，SOC_ini是电池的初始电荷状态，V_batt是电池端子处的电压，其以V计量，并且B_cap是电池的总容量，其以Ah计量。

图2示出了步骤8中的用于确定比率的示例性方法10。

在步骤12，该方法开始。

在步骤14，确定电池的电荷状态。如果电池被完全充电，则该方法进行至步骤15，其跳过电池充电并且将所有输出功率分配至电网馈送，否则该方法进行至步骤16。

在步骤16，PV面板的日照被确定并且被与最小日照值相比较。如果PV面板的日照小于最小日照值，这意味着太阳辐射低，则该方法进行至步骤17，其跳过电网馈送并且分配所有输出功率来为电池充电，否则该方法进行至步骤18。

在步骤18，确定用于向电池或电网分配功率的比率。该比率以给定时隙t_k内用于对电池充电的时间划分t_bk或者用于馈入电网的时间划分t_gk的形式来计算，使得t_k=t_gk+t_bk。随着电源的输出功率增加而高于电池的最大输入功率，t_gk的值可以增大并且t_bk的值可以对应地减小。该步骤可以通过以下等式来体现：

其中，P_{peak_PV}是以kW计量的电源的峰额定功率，并且其它符号保留它们来自上文的含义。这意味着如果PV面板在该时隙中的最大输出功率小于或等于电池的最大输入功率，则全部时隙都被用于对电池充电，即t_bk=t_k。否则，如果PV面板在该时隙中的最大输出功率大于电池的最大输入功率，则用于对电池充电的时间仅是该时隙的一部分。该部分的大小与PV面板的最大输出功率成反比关系。如上式中所表达的，随着PV面板的最大输出功率接近于该PV面板的峰输出功率，基于历史数据，用于对电池充电的时间接近于零。

在该比率已经被确定之后，在步骤20，对电网进行测试以确定该电网是否可用于功率馈入。如果电网不可用，则该方法进行至步骤17，然而如果电网可用，则该方法进行至步骤22。

返回至步骤15，电池已经被检测为被完全充电，这意味着向电池发送功率的比率被设置为0从而t_bk=0，而向电网发送功率的比率被设置为1从而t_gk=t_k。该方法随后进行至步骤20。

在步骤17，电源的输出功率已经被确定为小于或等于电池的最大输入功率，或者电网已经被确定为不可用于功率馈入。在该步骤中，向电池分配功率以用于充电的比率被设置为1从而t_bk= t_k，而向电网分配功率的比率被设置为0从而t_gk=0。该方法随后进行至步骤22。

在步骤22，电池针对该时隙的划分而被充电。该时间划分的长度由步骤18中所确定的比率所确定，或者在满足所要求条件的情况下由步骤15或17中的预确定比率所确定。

在步骤24，功率针对该时隙的划分而被馈入电网。该时间划分的长度通过从该时隙的总时间中减去对电池充电所用的时间来确定。在该时隙的结尾，该方法返回至起始步骤12并且再次开始该过程，针对每个时隙重复该方法。

如在发明内容中所讨论的，该方法可以将步骤22和24互换，从而功率首先被馈入电网，并且随后功率在第二时间划分中被用来对电池充电。这在功率输出在时隙起点高于电池的最大输入功率但正减小的情况下可能是有益的布置。在这种情况下，通过在第一时间划分中将功率转移至电网，功率损失可以被最小化，因为它可以在高功率输出下被完全利用。随着功率输出随时隙的流逝而减小，当功率被转移至电池时，与首先对电池充电并随后馈入电网相比，将会被浪费的功率更少。电源的输出功率是在减小还是增大可以通过在先前时隙中所计算的输出功率数据来确定。

更优选地，如果电池并未被完全充电，一天中的某时间也可以被用作将来自PV面板的所有输出功率都分配成对该电池充电的充分条件。例如，如果时间来到15:00且电池并未被完全充电，则控制器可以无论功率损失如何都将全部输出功率分配成对电池充电，以便避免电池在晚间的低电荷状态。

电池可以以恒定电流模式被充电直至电池的电荷状态达到85%，此时电池以恒定电压模式被充电直至电池的电荷状态达到100%。当以恒定电压模式对电池充电时，电池需要量有所减少的功率，以便在它接近于100%的电荷状态时进行充电。该方法在电池已经达到85%的电荷状态时生效，在该85%的电荷状态以下，以恒定电流模式对电池充电更有效率。由于恒定电压模式需要较低的功率要求来对电池充电，所以它也可以在电源的功率输出低于电池的最大输入功率时被采用。

太阳辐射期结尾处的电池容量可以通过使用下式来确定：

其中B_total是以Ah计量的一天结尾处的电池容量，SOC_ini是以百分比计量的电池的初始电荷状态，B_cap是以Ah计量的电池的总容量，I_bk是以A计量的电池随时隙k流逝的充电电流，并且t_bk是时隙k中用于对电池充电的时间划分。该和值表示在总时段t的流逝期间被馈入电池的总电荷。

图3示出了输出功率32相对时间34的曲线图30。该曲线图的形状基于太阳能面板在太阳辐射期中的功率输出。在该太阳辐射期的起点，太阳能面板接收非常少的日照并且因此输出功率水平是低的。随着太阳升起，输出功率水平也升高，在正午达到顶峰并且随后随着太阳下落而减小。该曲线图的时间轴线已经被划分为规则的时隙36，在该时隙期间可以进行图1和2所示的方法。该时隙可以进一步被划分为对电池分配功率的时间划分37或者对电网分配功率的时间划分38。这些时间划分的长度由图1的步骤8中确定并在图2中进一步详述的比率所掌控。

当沿轴线32示出的输出功率小于或等于电池的最大输入功率39时，功率被分配至电池以用于充电。供应至电池的能量由被网格阴影化的区域40所示出。

当该输出功率上升而高于电池的最大输入功率水平时，电源被限制为只要功率被分配至电池来用于充电就以该水平产生功率。凭借该限制而未被利用并损失的能量由被线条阴影化的区域41所示出。为了使该能量损失最小化，针对输出功率水平高于电池的最大功率输入的时隙，增大向电网分配功率的比率。供应至电网的能量由被点阴影化的区域42所示出。可以看到，PV面板的输出功率越高，时隙中被用于电网馈送的就越多，而用于电池充电的就越少。在中间时隙，整个时隙都被用于电网馈送。

图4示出了用于为街道照明系统实施图1和2所示的方法的控制系统50，所述街道照明系统包括电池52以及具有电网56馈入能力的太阳能光伏阵列54。光伏阵列产生DC功率，其必须通过电网馈入逆变器57被馈送，以便将其变换为适于由电网使用的AC功率。该光伏阵列所产生的功率可以与用于对电池充电的理想功率不完全相同，并且因此其通过最大功率点跟踪（MPPT）充电控制器58被输送，所述MPPT充电控制器58是可以对功率输出和电池充电要求之间的匹配进行优化的DC至DC转换器。

系统50由操作开关60的控制器59所控制，所述开关60可以将光伏阵列54所产生的功率分配至电池52或电网56。该控制器使用诸如电池的额定电流62和电压64以及当前日照水平66之类的信息。由电池额定功率，电池的最大输入功率可以被确定并且与光伏阵列的输出功率相比较，后者可以使用所测量的光照水平来预测。光伏阵列在时隙k中的最大功率输出可以通过以下等式来确定：

其中，Ins^k是以W/m计量的在时隙k中测量的日照水平，并且PV_cap是以kWp计量的完全日照下的光伏阵列的峰输出功率。光伏阵列在太阳辐射期内所生成的总功率可以通过使用以下等式来计算：

其中，PV_E是以kWh计量的光伏阵列在总时段t中所生成的总能量，Ins是以W/m计量的平均每日日照水平，并且PV_cap如上文所定义。

如果控制器59基于当前日照水平66确定光伏阵列54的功率输出小于或等于电池52的最大功率输入并且可能针对该时隙保持低于该水平，则该控制器将使用开关60来将功率分配至电池以用于充电。这是将引发来自光伏阵列的与电池的最大功率输入完全相等的功率输出的日照水平。这可以通过使用下式来确定：

其中，Ins_{hi_bat}是以W/m计量的光伏阵列的功率输出等于电池的最大输入功率的日照水平，并且其它项如上文所定义。

如果控制器59基于当前日照水平66确定光伏阵列54的功率输出大于电池52的最大功率输入或者可能上升至该水平以上，则控制器将确定用于将该时隙的时间划分为用于向电池分配功率以充电的时段和用于向电网分配功率的时段的比率。

来自电池52的功率随后可以通过DC总线调节器68输送并且被用来对包括街灯的LED系统70进行供电。

该系统在电源的最大输出功率与电池的最大输入功率相比大时最为有效率。

图5示出了针对三个单独日子的日照（以W/m²计量）相对时间（以小时计量）的曲线图。线80示出了完全晴朗的一天的日照水平，线81示出了部分晴朗的一天的日照水平，而线82示出了完全阴天的一天的日照水平。

图6A至6D示出了能量（以kWh计量）相对时间（以小时计量）的曲线图，其比较了已知控制方法与图1和2中描述的所提出的方法之间的能量分布。该控制方法基于图5所示的日照水平80和81而被用于图4所描述的简单系统。电池的放电深度保持在70%，这意味着电池保持30%的最低电荷，并且电池充电电流被设置为对应于0.12C的充电率（C-rate）。针对所提出的控制方法，采用电池充电的恒定电流模式直至电池的电荷状态达到85%，随后为恒定电压模式直至电池的SOC达到100%。恒定电压模式仅在光伏阵列的功率输出等于或小于电池的最大输入功率时或者下午3:00之后才被使用，取决于哪一个更早。这样做以便确保电池在一天结束时被完全充电。假设该系统中诸如MPPT充电控制器和电网馈入逆变器之类的所有各个部分都以100%的效率工作。

假设电池在一天开始时具有30%的SOC并且每个时段t_k的持续时间被选取为10分钟或1/6小时。

图6A和6B示出了已知控制方法和所提出的控制方法之间在具有高日照水平的一天的比较，所述具有高日照水平的一天意味着如图5中的线80所示的晴天。图6A所示的已知控制策略导致了大约23.5%的高水平的能量损失41。采用图6B中所示的所提出的控制策略，能量损失41可以被减少至大约8%，损失减少了接近66%。

图6C和6D分别示出了如图5中的线81所示的部分晴天的能量分布，其使用已知的和所提出的控制方法。使用已知控制方法的能量损失41为大约11.6%，而使用所提出的方法的能量损失则为大约6.3%。

从图6A至6D能够看出，所提出的控制方法在具有高日照水平的日子提供了能量损失量的显著减少。

应当注意的是，图6A至6D示出了能量分布在给定时间的比例，而不是如图3所示的给定时隙的明确时间划分。

该方法可以包括将太阳辐射期划分为10-200个时隙t_k。连续时隙的持续时间可能并不相同并且可能取决于一天的时间。例如，正午的时隙可以比上午8点的时隙更短，因为诸如云层覆盖增加之类的天气条件的变化将在正午对日照水平产生更大的影响，这意味着该系统将必须快速作出响应以便保持效率。电源的峰发电能力可以处于0.5和5 kWp之间，并且电池的等级可以介于12和72V之间。电池例如是铅酸电池。

可以对真实数据执行示例性计算。下面的表格示出了班加罗尔市在非连续的不同三天的按小时计的日照数据。

表1

实验使用具有良好太阳辐照的两天05/08/2005（第1日）和22/08/2005（第2日）来提供所提出的方案的性能计算。下面的表格示出了所计算的性能。

表2

上表示出了所提出的方案中的未利用能量与已知控制方法相比被减少超过10%。针对所提出的方案，存储在电池中的能量几乎与已知方法相同，而用于电网馈送的能量与已知控制方法相比则增加了超过50%。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能用于获利。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims

1.一种用于在能量存储设备（52）和电网（56）之间分配来自可再生电源（54）的功率的方法，所述可再生电源（54）具有随时间可变的输出功率，其中所述方法被调适成，针对多个时隙中的每一个：

（6）确定所述电源在相应时隙中的输出功率；

（7）将所述电源的输出功率与所述能量存储设备的最大输入功率相比较；

（8）基于比较，确定在相应时隙中用于向所述能量存储设备或所述电网分配所述输出功率的比率，其中

在所述电源的输出功率低于所述能量存储设备的最大输入功率时，作为优先级向所述能量存储设备分配所述输出功率；并且

在所述电源的输出功率增大而高于所述能量存储设备的最大输入功率时，针对所述电网提高所述比率且针对所述能量存储设备降低所述比率；以及

（9）根据所确定的比率，在相应时隙中的时间划分中，将来自所述电源的输出功率分配到所述能量存储设备或所述电网，其中在所述输出功率被分配至所述能量存储设备时，所述电源所产生的高于所述能量存储设备的最大输入功率的剩余输出功率被丢弃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法被调适成，在确定所述电源的输出功率时，通过先前时隙期间的最大功率跟踪来确定所述电源的输出功率。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中控制器被调适成，在确定用于分配功率的比率时，（17）如果所确定的输出功率低于所述能量存储设备的最大输入功率，则针对所述能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对所述电网将所述比率设置为0，从而为所述能量存储设备赋予优先级。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法被调适成，在确定用于分配功率的比率时，在所述电源的输出功率达到所述电源的峰输出功率时，则针对所述电网将所述比率设置为1，并且针对所述能量存储设备将所述比率设置为0，从而为所述电网赋予优先级。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法被调适成，在确定用于分配功率的比率时，（20）如果所述电网不可用，则针对所述能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对所述电网将所述比率设置为0。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法被调适成，在确定用于分配功率的比率时，（15）如果所述能量存储设备被完全充电，则针对所述能量存储设备将所述比率设置为0，并且针对所述电网将所述比率设置为1。

7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述电源包括光伏面板，并且所述方法被调适成，在确定用于分配功率的比率时：

（16）确定所述光伏面板的日照；并且

（17）如果所述光伏面板的日照小于预确定的最小日照值，则针对所述能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对所述电网将所述比率设置为0。

8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法被调适成，在确定用于分配功率的比率时，在满足以下任一条件时，针对所述能量存储设备将所述比率设置为1，并且针对所述电网将所述比率设置为0：

所述电源的输出功率等于或小于所述能量存储设备的最大输入功率；以及

达到一天的某时间，

其中所述方法被调适成，在分配能量时，以恒定电压模式对所述能量存储设备充电。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述能量存储设备至少包括电池，并且所述方法被调适成，在向所述能量存储设备分配输出功率时：

以恒定电流模式对所述电池充电直至所述电池的电荷状态达到85%，此后以恒定电压模式对所述电池充电直至所述电池的电荷状态达到100%。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述时隙（36）包括贯穿太阳辐射期的规律间隔。

11.一种用于在电池和电网之间分配来自电源的功率的系统（50），所述电源具有随时间可变的输出功率，所述系统（50）包括：

电源（54）；

连接至所述电源的电池（52）；

介于所述电源和所述电网（56）之间的连接部；

用于控制来自所述电源的输出功率在所述电池和所述电网之间的分配的控制器（59），其中所述控制器（59）被调适成执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

12.根据权利要求12所述的方法，其中所述电源包括光伏系统。

13.一种存储计算机程序的计算机可读介质，其中所述计算机程序被调适成，当在计算机上执行时，使所述计算机实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。