CN110048400A - 基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，光伏PV输出依次通过汇流器、第一多功能电能计量表、MPPT1控制器、二极管后接入锂电池；燃料电池输出依次经过第二多功能电能计量表、降压型MPPT2控制器后接锂电池；锂电池给负载供电；MPPT1控制器输出和锂电池之间通过控制开关并列接两个排气扇，微控制单元输出控制信号控制开关闭或合；光伏PV做主电源，燃料电池做辅助电源给锂电池供电；家用两个排气扇分级消耗光伏PV产生的用不完的电量。通过把光伏发电、燃料电池、锂电池和微电网技术结合起来，实现用户侧就近消纳，提升能源的整体利用率等，并为未来家庭全直流微电网系统的推广应用提供相关参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源管理技术，特别涉及一种基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法。
背景技术
随着可持续发展理念逐步深入人心，大部分国家开始对能源结构进行调整，分布式光伏、燃料电池等可再生能源发电系统结合微电网技术的应用越来越多。目前主要供配电类型是交流电，而光伏电池和燃料电池发出的电均为直流电，需要通过交直流转换装置转换为交流电才可利用，转换过程造成了能量损耗和经济负担。而且，节能灯、个人电脑、电视机、手机等常用的家用设备内部通常使用直流电工作；为了降低能耗，空调、洗衣机、电冰箱等旋转类设备逐渐转向含直流环节的变频器驱动，且已大量进入市场。随着太阳能光伏发电等直流发电技术占比越来越大和电动车的大规模应用，直流技术将反客为主，一个全新的直流时代将会加速到来。
光伏发电的缺点是间歇性，导致阴雨天发电量不能满足负载的需求，与储能系统的结合可弥补这一缺陷。光伏方阵输出功率不稳定，与光照强度密切相关，由于太阳的升起和落山，太阳辐照强度从零(接近于零)变到强，再由强变到零，光伏方阵输出功率的变化紧随其后，从零逐渐增大到最大工作电压附近，随后光强增大，电压基本不变，直到太阳快落山时再逐渐掉落到零。由于逆变器或DC/DC转换器都具备一定的启动电压，因此，系统每天都要经历两个(早上和傍晚)无法正常工作的时间段，阴雨天的孱弱辐照强度的效果与此相同。根据相关的研究显示，平均每年被废弃的电能约占光伏系统总发电量的2％左右，如图1所示太阳辐照强度变化和光伏方阵输出电压变化曲线示意图，其中阴影部分为被废弃的光能。
目前，大部分相关的研究主要集中于软件设计和仿真，偏重理论分析，缺少实际应用过程中可行性分析和效益分析。
发明内容
本发明是针对可再生能源合理利用的问题，提出了一种基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，设计并搭建了一套容量为1kW由光伏(PV)、燃料电池(FC)、锂电池(LIB)、负载(Load)组成的全直流微电网系统，为未来家庭全直流微电网系统的推广应用提供相关参考。
本发明的技术方案为：一种基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，光伏PV输出依次通过汇流器、第一多功能电能计量表、降压型MPPT1控制器、二极管后接入锂电池LiB；燃料电池FC输出依次经过第二多功能电能计量表、降压型MPPT2控制器后接锂电池LiB；锂电池LiB给负载供电；降压型MPPT1控制器输出和锂电池LiB之间通过控制开关并列接两个排气扇Fan1和Fan2，微控制单元输出控制信号控制开关闭或合；光伏PV做主电源，燃料电池FC做辅助电源给锂电池LiB供电；家用两个排气扇Fan1和Fan2分级消耗光伏PV产生的用不完的电量。
所述微控制单元进行如下控制：
1)微控制单元根据降压型MPPT1控制器输出功率值输出控制信号来控制排气扇Fan1回路的通断，控制Fan1消耗早晚或阴雨天光伏PV产生的没有被利用的电量；
2)微控制单元根据锂电池LiB电压，进行分级消耗，第一级：通过控制Fan1回路的通断来消耗没有被负载和锂电池LiB利用的多余的电量；第二级：当Fan1启动后，光伏输出的电量过多，锂电池LiB电压超出限定值时，控制Fan2回路的通断来消耗没有被利用的多余电量；
3)微控制单元采集锂电池LiB电压过低时，通过电磁阀控制开关的通断控制燃料电池的氢气的供应，从而控制燃料电池FC辅助供电，及时补充电量以满足负载耗电量的要求。
本发明的有益效果在于：本发明基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，提高供电系统效率，实现资源最大化利用，协调配合以实现整个系统的经济效益最大化。
附图说明
图1为太阳辐照强度变化和光伏方阵输出电压变化曲线示意图；
图2为本发明基于光伏发电、燃料电池的全直流微电网系统结构示意图；
图3为本发明基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法的控制电路图。
具体实施方式
如图2所示基于光伏发电、燃料电池的全直流微电网系统结构示意图，设计并搭建了一套容量为1kW由光伏PV、燃料电池FC、锂电池LiB三种电源组成的全直流微电网系统。光伏PV输出依次通过汇流器Sh、多功能电能计量表M1、降压型MPPT1(最大功率点跟踪)控制器、二极管后接入锂电池LiB；燃料电池FC输出依次经过多功能电能计量表M2、降压型MPPT2控制器后接锂电池LiB；锂电池LiB给负载供电；MPPT1控制器输出和锂电池之间通过控制开关并列接排气扇Fan1和Fan2。多功能电能计量表M1、M2对电流、电压、功率、电量进行计量。
本系统选择PV做主电源，FC做辅助电源；引入了节能环保的排气扇Fan1和Fan2；并对能量流动方式和控制策略进行了优化；通过实验分析了全直流微电网系统各部分效率。为家庭全直流微电网系统的推广应用提供系统的设计参考。
排气扇Fan1和Fan2的引入：系统设计中引入排气扇Fan1和Fan2，消耗早晚、阴雨天发出的垃圾电量和晴天光强较好时分级消耗产生用不完的电量(特别是夏天，辐照度较强)，实现资源最大化利用；
PV、FC的能量流动方式的优化。本系统结合现阶段经济成本分析，采用以PV发电为主，FC发电为辅的设计思路。PV、FC发出电量先经过LiB电池再供给负载的供电模式的优化，排除了PV发电间歇性和FC输出功率不稳定性对负载的影响(功率波动，如果直接供电给负载，常会出现带不起负载的情况，如果是对输入功率要求较高的负载如电视机等，会导致电视显示屏忽亮忽暗，易损坏设备。)；
FC的位置一定装在通风顺畅的地方，有利于氢氧化学反应进行，提升FC的转换效率；
系统控制策略的优化设计。系统通过MCU(微控制单元)进行控制，通过控制开关S11的通断控制Fan1消耗早晚或阴雨天PV产生较小的没有被利用的电量，通过控制开关S1的通断控制Fan1一级消耗没有被负载和LiB电池利用的多余的电量。当Fan1启动后，光伏输出的功率仍然较大时控制开关S2闭合，Fan2的作用是二级消耗没有被利用的多余电量。通过电磁阀控制开关SV的通断控制燃料电池的氢气的供应，从而控制FC的工作状态，及时补充电量以满足负载耗电量的要求。
控制模块的具体控制如下(此控制条件针对直流母线电压为12V电路所设，24V、48V系统控制条件可参考12V系统)：线路连接如图3所示控制电路图，利用控制继电器实现如下控制，S11：MPPT1输出功率小于20W时闭合，则Fan1通电，大于25W时断开，则Fan1断电；S1:锂电池LiB两端电压ULiB高于14.0V时闭合，则Fan1通电，低于13.8V时开放断开，则Fan1断电；S2：锂电池LiB两端电压ULiB高于14.2V时闭合，则Fan2通电，低于14.0V时断开，则Fan2断电；SV：锂电池LiB两端电压ULiB低于11V时导通，则氢储气罐给燃料电池充气，高于12.5V时闭合，则氢储气罐与燃料电池断开。
由于采用直流供配电方式，省去逆变环节，提升太阳能光伏发电系统从发电到用电的综合效率且提高了电能传输质量(微电网系统的光伏直流部分，即图2中去掉燃料电池系统部分)，平均效率达到88％，相比相同环境下的光伏交流系统平均效率高约8％。。
直流系统设计图中排气扇Fan1和Fan2的引入，消耗早晚、阴雨天发出的垃圾电量和晴天光强较好时分级消耗产生的用不完的电量，实现资源最大化利用，且改善家庭通风环境。保险丝F1、F2的引入，起到保护负载的作用。
PV、FC的能量流动方式的优化：本系统中PV、FC发出电量先经过LIB电池再供给负载的供电模式的优化，排除了PV发电间歇性和FC输出功率不稳定性对负载的影响。
通过PV和FC现阶段经济效益评估，选择PV发电为主，FC发电为辅，使LIB容量和FC功率控制在合理范围内，使其协调配合以实现整个系统的经济效益最大化。
Claims (2)
1.一种基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，其特征在于，光伏PV输出依次通过汇流器、第一多功能电能计量表、降压型MPPT1控制器、二极管后接入锂电池LiB；燃料电池FC输出依次经过第二多功能电能计量表、降压型MPPT2控制器后接锂电池LiB；锂电池LiB给负载供电；降压型MPPT1控制器输出和锂电池LiB之间通过控制开关并列接两个排气扇Fan1和Fan2，微控制单元输出控制信号控制开关闭或合；光伏PV做主电源，燃料电池FC做辅助电源给锂电池LiB供电；家用两个排气扇Fan1和Fan2分级消耗光伏PV产生的用不完的电量。
2.根据权利要求1所述基于光伏发电、燃料电池的住宅全直流微电网控制方法，其特征在于，所述微控制单元进行如下控制：
1)微控制单元根据降压型MPPT1控制器输出功率值输出控制信号来控制排气扇Fan1回路的通断，控制Fan1消耗早晚或阴雨天光伏PV产生的没有被利用的电量；
2)微控制单元根据锂电池LiB电压，进行分级消耗，第一级：通过控制Fan1回路的通断来消耗没有被负载和锂电池LiB利用的多余的电量；第二级：当Fan1启动后，光伏输出的电量过多，锂电池LiB电压超出限定值时，控制Fan2回路的通断来消耗没有被利用的多余电量；
3)微控制单元采集锂电池LiB电压过低时，通过电磁阀控制开关的通断控制燃料电池的氢气的供应，从而控制燃料电池FC辅助供电，及时补充电量以满足负载耗电量的要求。
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