CN110707992A - 一种光伏发电接口系统及其控制方法 - Google Patents

一种光伏发电接口系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电接口系统，包括光伏发电模块、模式设置模块、主电路模块以及储能模块。主电路模块使用双向半桥变换器，传输功率较小，效率高，方便实现光伏发电接口系统充放电模式的转换。同时，本发明公开的光伏发电接口系统的控制方法中，采用单片机直接产生PWM信号，既能通过对主电路模块的输出进行采样进而改变PWM信号的占空比来调节光伏发电接口系统的输出；又能够根据选择的工作模式以及实际工作状态来判断光伏发电接口系统是否正常工作，为光伏发电接口系统提供保护。数字控制产生PWM控制信号的控制方案，没有模拟电路的温漂，干扰等问题，通过软件控制可以实现较高的精度，同时系统的升级改造也很简单，便于扩展。

Description

一种光伏发电接口系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电路领域，特别地，涉及一种光伏发电接口系统及其控制方法。
背景技术
可再生能源的大量利用不仅能缓解目前的能源危机，同时也能大大减少污染物的排放，能够取得比较好的节能减排效益。太阳能作为一种最清洁的可再生能源之一，具备分布地域广、总量大、可持续使用时间长的优点。因此现在利用太阳能发电的光伏发电接口系统发展前景良好。但是现在的光伏发电接口系统非常容易受太阳的辐射时间影响：在阳光充足时，光伏发电接口系统产生的电量充裕，负载使用电量不多时，剩余的电能无法使用，造成电能浪费；而在阳光不足时，光伏发电接口系统产生的阳光无法满足负载使用量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种既能满足负载使用又不浪费能源的光伏发电接口系统及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一方面，
一种光伏发电接口系统，包括：
光伏发电模块，用于将太阳能转化为电能；
模式设置模块，与光伏发电模块以及主电路模块连接，用于选择所述系统的工作模式，所述工作模式包括充电模式、放电模式和自动模式；
主电路模块，连接有储能模块，用于实现所述系统充放电；
储能模块，用于存储或释放电能。
进一步地，所述光伏发电模块包括太阳能电池板和稳压器。
进一步地，所述模式设置模块包括第一开关、第二开关、负载、第三开关以及第一电阻，所述第一开关和所述第一电阻依次串联在所述主电路模块和所述光伏发电模块之间；所述第二开关与所述负载的串联支路与所述主电路模块并联；所述第三开关与所述第一电阻并联。
进一步地，所述主电路模块包括：
辅助电源单元，用于为所述主电路模块提供辅助电源；
测控单元，用于对所述主电路模块采样并生成控制信号发送至驱动单元；
驱动单元，用于接受所述测控单元的控制信号，驱动双向变换器单元；
双向变换器单元，用于实现电流的双向流通。
进一步地，所述测控单元包括采样电路和控制电路；所述控制电路采用PID算法调节脉宽调制信号的占空比进而对所述驱动单元进行控制。
进一步地，所述双向变换器单元采用同步整流技术，包括升压变换电路和降压变换电路；
当所述工作设置模块选择充电模式时，所述升压变换电路工作；
当所述工作设置模块选择放电模式时，所述降压变换电路工作；
当所述工作设置模块选择自动模式时，升压变换电路和降压变换电路由测控单元发出的控制信号控制是否工作。
进一步地，所述储能模块为蓄电池或超级电容。
另一方面，
一种光伏发电接口系统控制方法，包括以下步骤：
接收模式设置模块的工作模式选择信息；
检测主电路模块两端的电流和电压信息；
根据所述电流和电压信息生成输出量信息；
根据所述输出量信息调节脉宽调制信号的占空比；根据所述工作模式选择信息和所述输出量信息控制所述主电路模块是否关断。
进一步地，所述根据所述电流和电压信息生成输出量信息包括：根据所述电流和电压信息判断得到主电路模块的输入端和输出端，将输出端的输出电流和输出电压生成输出量信息。
进一步地，所述根据所述工作模式选择信息和所述输出量信息控制所述主电路模块是否关断包括：
根据所述工作模式选择信息得到在选择的工作模式下的预设的输出量信息；
将所述预设的输出量信息与实际的输出量信息比较；
根据比较结果判断主电路模块是否正常工作并控制主电路模块是否关断
本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
光伏发电模块将太阳能转化为电能，提供能源；工作模式设置模块方便快速选择工作模式，及时切换工作模式，保证有充足的电能并保证不被浪费；主电路模块实现光伏发电接口系统中的充放电时电流的转化，能够双向流通；储能模块用于存储多余电能，并在系统电能不足时释放电能供系统使用。既能保证光伏发电接口系统稳定的提供电能，又能保证产生的多余电能存储起来供系统使用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种光伏发电接口系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种光伏发电接口系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种主电路模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种辅助电源单元的电路结构图；
图5是本发明实施例提供的一种采样电路的电路结构图；
图6是本发明实施例提供的一种控制电路的电路结构图；
图7是本发明实施例提供的一种驱动单元的电路结构图；
图8是本发明实施例提供的一种双向变换器单元的电路结构图；
图9是本发明实施例提供的一种光伏发电接口系统控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
参照图1，本发明实施例提供一种光伏发电接口系统，包括：
光伏发电模块110，用于将太阳能转化为电能；
模式设置模块120，与光伏发电模块以及主电路模块连接，用于选择系统的工作模式，工作模式包括充电模式、放电模式和自动模式；
主电路模块130，连接有储能模块，用于实现系统充放电；
储能模块140，用于存储或释放电能。
本发明实施例提供的一种光伏发电接口系统，光伏发电模块将太阳能转化为电能，提供能源；工作模式设置模块方便快速选择工作模式，及时切换工作模式，保证有充足的电能并保证不被浪费；主电路模块实现光伏发电接口系统中的充放电时电流的转化，能够双向流通；储能模块用于存储多余电能，并在系统电能不足时释放电能供系统使用。既能保证光伏发电接口系统稳定的提供电能，又能保证产生的多余电能存储起来供系统使用。
作为对上述实施例的进一步改进说明，本发明实施例提供另一种光伏发电接口系统，如图2所示，包括：
光伏发电模块210，用于将太阳能转化为电能；
在实际应用中，可选地，光伏发电模块包括太阳能电池板211和稳压器212。太阳能电池板将太阳能转化为电能，稳压器将光伏发电模块变为一个直流稳压输出源。
模式设置模块220，与光伏发电模块以及主电路模块连接，用于选择系统的工作模式，工作模式包括充电模式、放电模式和自动模式；
作为本发明实施例的一种可选实现方式，模式设置模块包括第一开关S1、第二开关S2、负载RL、第三开关S3以及第一电阻RS，第一开关和第一电阻依次串联在主电路模块和光伏发电模块之间；第二开关与负载的串联支路与主电路模块并联；第三开关与第一电阻并联。
应当理解的是当第一开关和第三开关接通，第二开关断开时，光伏发电接口系统工作模式为充电模式；当第一开关断开，第二开关接通时，光伏发电接口系统工作模式为放电模式；当第一开关和第二开关接通，第三开关断开时，光伏发电接口系统工作模式为自动模式。
主电路模块230，连接有储能模块，用于实现系统充放电；
一些可选实施例中，如图3所示，主电路模块包括：
辅助电源单元310，用于为主电路模块提供辅助电源；
示例性的，辅助供电单元可以从220V市电或给定的电源箱内获得。最终选择使用LM2596系列芯片构成电路实现5V与12V的辅助电源。5V的LM2596电路基本原理图如图4所示。12V辅助电源电路原理图与5V类似，在此不再具体说明。
测控单元320，用于对主电路模块采样并生成控制信号发送至驱动单元；
一些可选实施例中，测控单元包括采样电路321和控制电路322；控制电路采用PID算法调节脉宽调制信号的占空比进而对驱动单元进行控制。
示例性的，如图5所示，采样电路采用IN270芯片，P5处对输出电流进行采样。P2处输出经过IN270芯片处理结果。如图6所示，控制电路采用STM32芯片，采用PID算法调节脉宽调制信号的占空比进而对驱动单元进行控制。在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。开关电源设计最重要的参数是稳定度和精确度，所以采用增量型的PID控制算法。采样电路不断对输出的电流进行采样，控制电路不断判断是否过充保护，控制电路及时关断，保护电池。
可选地，控制电路采用滤波算法对采样电路的采样结果进行数字滤波。使采样结果更精确。
驱动单元330，用于接受测控单元的控制信号，驱动双向变换器单元；
在实际使用中，可选地，驱动单元采用半桥驱动芯片。示例性的，如图7所示，驱动单元采用半驱动芯片IR2109作为其驱动芯片，产生互补且夹有死区时间的PWM分别来驱动主电路。
双向变换器单元340，用于实现电流的双向流通。
需要说明的是，DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。
通常DC/DC变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关(SCR，I GBT等)均为单向，并且主功率回路上都有单向导电的二极管，所以能量只能单向流动。然而随着科技和社会的发展，双向直流不间断电源系统、航空电源系统等场合对DC/DC变换器的需求逐渐增加。为了减轻系统的体积重量，节省成本，在电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等场合，双向DC/DC变换器(Bi一direCtionalDC/DCConverter，BDC)获得了越来越广泛的应用。双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设
备，单向DC/DC变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向DC/DC变换器则可以实现能量的双向传输，而且双向DC/DC变换器就是DC/DC变换器的双象限运行，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。它的输入输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。
理论上讲，将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关，则所有的单向拓扑均变为双向拓扑，加上合理的控制就能实现能量的双向流动。双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，它是伴随着航空航天、电动汽车、电动船舶和新的无污染能源科技的发展而发展起来的。所以说需求是
双向DC/DC变换器发展的动力，随着太阳能风能、燃料电池等无污染发电技术的发展和电动汽车技术的发展，会有更多的双向DC/DC变换器拓扑被提出，双向DC/DC变换器的应用将进入新的发展阶段。
非隔离型双向DC/DC变换器有：Bi Buck-Boost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第I和第II象限。电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不变，变换器工作在第I和第Ⅳ象限。桥式直流变换器既能实现电流的正与负，也能改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。因而这种四象限直流变换器对直流电机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。
隔离型双向DC/DC变换器有：反激式双向(Bi flyback)DC/DC变换器，正激式双向(Bi forward)DC/DC变换器，双向半桥(Bi half bridge)DC/DC变换器，双向推挽(Bi push-pull)DC/DC变换器，双向全桥(Bi full bridge)DC/DC变换器等。不仅同一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向DC/DC变换器，而且不同形式的隔离直流变换器也可组合成隔离型双向DC/DC变换器。
示例性的，如图8所示，双向变换器单元采用同步整流技术，包括升压变换电路和降压变换电路；
当工作设置模块选择充电模式时，升压变换电路工作，此时电路即为boost升压电路；
当工作设置模块选择放电模式时，降压变换电路工作，此时电路即为buck降压电路；
当工作设置模块选择自动模式时，升压变换电路和降压变换电路由测控单元发出的控制信号控制是否工作。
储能模块240，用于存储或释放电能。
作为本发明实施例的一种可选的实现方式，储能模块为蓄电池；
作为本发明实施例的另一种可选的实现方式，储能模块为超级电容。
本发明实施例提供的另一种光伏发电接口系统，太阳能电池板和稳压器连接保证光伏发电模块成为一个直流稳压源；模式设置模块能够方便快速的选择光伏发电接口系统的工作模式；主电路模块中辅助电源单元提供辅助电源，测控单元对主电路模块采样并向驱动单元发送信号控制主电路模块的工作，双向变换器单元在驱动单元的驱动下实现电流的双向流通；储能模块为蓄电池或超级电容，更好的存储电能。这样能快速的切换工作模式，变换效率更高，即保证负载正常工作，又不浪费能源。
一个实施例中，本发明还提供了一种光伏发电接口系统控制方法，如图9所示，包括以下步骤：
接收模式设置模块的工作模式选择信息，工作模式包括充电模式、放电模式和自动模式；
检测主电路模块两端的电流和电压信息，电流和电压信息包括两端电流和电压的值，包括电流和电压的大小以及方向；
根据电流和电压信息生成输出量信息；根据所述电流和电压信息判断得到主电路模块的输入端和输出端，将输出端的输出电流和输出电压生成输出量信息。示例性的，根据电流和电压的方向判断出哪端为输出端，这样得到输出电流和输出电压。
根据输出量信息调节脉宽调制信号的占空比，实时调节主电路模块的输出；根据工作模式选择信息和输出量信息控制主电路模块是否关断。
一些可选实施例中，根据工作模式选择信息和输出量信息控制主电路模块是否关断包括以下步骤：
根据所述工作模式选择信息得到在选择的工作模式下的预设的输出量信息；
将所述预设的输出量信息与实际的输出量信息比较；
根据比较结果判断主电路模块是否正常工作并控制主电路模块是否关断
示例性的，根据工作模式选择信息和输出量信息控制主电路模块是否关断为，当选择的工作模式为充电模式时，如果得到的输出量信息中电流和电压的方向与充电模式时的预设的方向一致，则主电路模块正常进行。当不一定时，则关断主电路模块，对电路进行保护。当选择的工作模式为放电模式时，与充电模式判断相同，在此不再赘述。当选择的工作模式为自动模式时，优先选选择光伏发电模块供电，当得到光伏发电模块的输出的电流和电压不能满足负载的使用要求时，由蓄能模块提供辅助光伏发电模块提供电能。保证光伏发电接口系统的稳定性。
本发明实施例提供的一种光伏发电接口系统的控制方法，根据模式设置模块选择的工作模式，得到该工作模式下的主电路模块的预设的输出电流和电压的方向，与实际的输出电流和电压的方向进行比较，判断出主电路模块工作模式是否正常避免电路中的涌浪电流对电池或者负载造成损坏。同时通过电流的输出量信息来实时调节PWM信号对主电路模块进行控制。自动调节输出，方便系统控制。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光伏发电接口系统，其特征在于，包括：
光伏发电模块，用于将太阳能转化为电能；
模式设置模块，与光伏发电模块以及主电路模块连接，用于选择所述系统的工作模式，所述工作模式包括充电模式、放电模式和自动模式；
主电路模块，连接有储能模块，用于实现所述系统充放电；
储能模块，用于存储或释放电能。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光伏发电模块包括太阳能电池板和稳压器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述模式设置模块包括第一开关、第二开关、负载、第三开关以及第一电阻，所述第一开关和所述第一电阻依次串联在所述主电路模块和所述光伏发电模块之间；所述第二开关与所述负载的串联支路与所述主电路模块并联；所述第三开关与所述第一电阻并联。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述主电路模块包括：
辅助电源单元，用于为所述主电路模块提供辅助电源；
测控单元，用于对所述主电路模块采样并生成控制信号发送至驱动单元；
驱动单元，用于接受所述测控单元的控制信号，驱动双向变换器单元；
双向变换器单元，用于实现电流的双向流通。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述测控单元包括采样电路和控制电路；所述控制电路采用PID算法调节脉宽调制信号的占空比进而对所述驱动单元进行控制。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述双向变换器单元采用同步整流技术，包括升压变换电路和降压变换电路；
当所述工作设置模块选择充电模式时，所述升压变换电路工作；
当所述工作设置模块选择放电模式时，所述降压变换电路工作；
当所述工作设置模块选择自动模式时，升压变换电路和降压变换电路由测控单元发出的控制信号控制是否工作。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述储能模块为蓄电池或超级电容。
8.一种光伏发电接口系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收模式设置模块的工作模式选择信息；
检测主电路模块两端的电流和电压信息；
根据所述电流和电压信息生成输出量信息；
根据所述输出量信息调节脉宽调制信号的占空比；根据所述工作模式选择信息和所述输出量信息控制所述主电路模块是否关断。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述根据所述电流和电压信息生成输出量信息包括：根据所述电流和电压信息判断得到主电路模块的输入端和输出端，将输出端的输出电流和输出电压生成输出量信息。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述根据所述工作模式选择信息和所述输出量信息控制所述主电路模块是否关断包括：
根据所述工作模式选择信息得到在选择的工作模式下的预设的输出量信息；
将所述预设的输出量信息与实际的输出量信息比较；
根据比较结果判断主电路模块是否正常工作并控制主电路模块是否关断。
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