CN110912246B - 一种应用于光储系统的功率协调控制器 - Google Patents

Abstract

一种应用于光储系统的功率协调控制器，其单片机控制光伏发电系统和蓄电池组，光伏发电系统和蓄电池组接负载，有电压采集电路Ⅰ、Ⅱ，电流采集电路Ⅰ、Ⅱ，DC‑DC电路，驱动电路，温度采集电路；电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ连接到单片机的引脚PA1、PA2；电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ连接到单片机的引脚PA4和PA5；DC‑DC电路通过驱动电路连接单片机，驱动电路连接到单片机的引脚PA8；温度采集电路连接到单片机的引脚PA6；光伏发电系统通过DC‑DC电路连接蓄电池组；第一负载通过降压电路形成第二负载可用电压。本发明以实现最大功率状态下光伏供电和蓄电池充放电模式之间的配合，实现光伏发电系统和蓄电池组联合供电带大负载长时稳定地工作。

Description

一种应用于光储系统的功率协调控制器

技术领域

本发明属于光伏电源控制领域，具体指一种应用于光储系统的功率协调控制器及其功率协调控制方法。

背景技术

太阳能取之不尽，用之不竭，初始能源成本低，随处可得可就近供电，不必长距离输送。所以，使用独立光伏发电系统为负载供电，使得该使用该电源的用电设备在市场上具有一定的竞争力，对于落实国家开拓国内光伏市场的政策、促进光伏与建筑一体化在国内的应用具有十分重要的意义。

近年来，协调控制在各个领域的应用越来越广泛，但是在光伏控制器方面的应用较少。

发明内容

本发明提供一种应用于光储系统的功率协调控制器及其功率协调控制方法，实现最大功率状态下光伏供电和蓄电池充放电模式之间的配合，实现光伏发电系统和蓄电池联合供电带大负载长时稳定地工作。

本发明所采用的技术方案为：

一种应用于光储系统的功率协调控制器，包括光伏发电系统、单片机和蓄电池组，单片机控制光伏发电系统和蓄电池组，光伏发电系统和蓄电池组均连接负载，包括电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ，电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ，DC-DC电路，驱动电路，温度采集电路；其中电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA1、PA2；电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA4和PA5；DC-DC电路通过驱动电路连接单片机，驱动电路连接到单片机的引脚PA8；温度采集电路连接到单片机的引脚PA6；光伏发电系统通过DC-DC电路连接蓄电池组；第一负载通过降压电路形成第二负载可用电压。

包括电子开关，其一端连接到单片机的引脚PB10 ，另一端连接到负载和蓄电池组。

所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构采用分级递阶控制结构，具体为：将控制系统分为两级，上级为主控芯片，作为整个控制器的核心，下级为MPPT光伏控制子系统和蓄电池组充放电子系统的功率协调控制级；当光伏阵列发出的功率大于负载所需的功率，多余的电能为蓄电池组充电；若光伏阵列的输出只能满足负载需求，此时蓄电池组停止充电动作；若光伏阵列输出功率难以满足负载需求，功率协调控制器协调光伏发电系统和蓄电池组联合供电以满足负载的运行需求；若无光照且蓄电池满足放电条件时仅由蓄电池为负载供电，否则，断开负载；同时选用NSGA-Ⅱ算法进行优化，能根据负载需求精确分配光伏发电系统和蓄电池的出力大小。

所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构的数学模型为：

以光伏发电系统和蓄电池组联合供电功率最大和光伏发电系统功率波动最 小为目标函数，使电源输出能够安全稳定地为负载供电而制定的控制器目标函数 如下：

Z＝min{f₁(X),f₂(X)}

式中：X为决策向量；f₁(X)为电源输出功率的倒数；f₂(X)为光伏子系统 输出功率的波动大小。

该多目标优化问题的数学模型：

f₁(X)＝f1(P_pv,P_ess)＝(P_pv+KP_ess)^-1

约束条件：

功率平衡约束：Ppv+KPess＝P*

光伏系统功率约束：0≤Ppv≤Ppv,max

蓄电池容量约束：Csoc,min<Csoc(t)<Csoc,max

充放电功率上下限制约束：Pess,c,max<Pess<Pess,dis,max

功率偏差约束：-mPpv,max<Ppv-P*<mPpv,max

-mPess,max<Pess-P*<mPess,max

式中：Ppv是光伏发电系统最大发电功率，Pess是蓄电池放电功率，P*pv 是光伏子系统的额定功率，K是蓄电池充放电状态，K＝1时处于放电状态，K＝-1 时处于充电状态，K＝0时蓄电池不工作。P*是负载的功率；Pmax是光伏发电系 统和蓄电池所能发出的最大功率；m是约束乘子；Csoc,min和Csoc,max分别为 电池荷电状态的最小值和最大值；Pess,c,max和Pess,dis,max分别表示电池最大 允许充电功率和最大允许放电功率，负号表示电池充电。

所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构的具体实现方法为：首先由电压采集电路，电流采集电路采集光伏发电子系统的电压电流信息传递给主控芯片并与预设负载的功率进行对比，其次，电压采集电路采集蓄电池组端的电压、电流和蓄电池的环境温度数据并传递到主控芯片与预设数据进行对比判断蓄电池的充放电条件，再决定为负载供电的模式以及负载的工作状态；

若PPV>PL，此时，光伏发出的电能首先给负载供电，同时，判断蓄电池是否可充电，若可充电则多余的电能给蓄电池充电；如果蓄电池已经充满，则系统工作在恒功率状态；

若PPV<PL，光伏发出的电能不足以为负载供电，此时判断蓄电池是否可放电，若可放电（满足放电条件）则由蓄电池和光伏板同时给负载供电；

若PPV=0时，判断蓄电池是否可放电（满足放电条件），若蓄电池可放电则由蓄电池给负载放电；如果蓄电池不满足放电条件，则控制器控制电子开关断开负载，防止蓄电池过放电；

若PL=0，此时，判断蓄电池是否可充电（满足放电条件），若蓄电池可充电则光伏发出的电能只给蓄电池充电。

本发明采用独立光伏发电系统，通过光生伏特效应将光能转化为电能为负载供电，富余电能储存在蓄电池组中，在光照不足时为负载供电。本发明针对光伏发电系统和蓄电池组在负载供电过程功率如何分配的问题以及带大用电负载工作时蓄电池可用时长较短问题，采用一种功率协调控制方法以实现最大功率状态下光伏供电和蓄电池充放电模式之间的配合，实现光伏发电系统和蓄电池组联合供电带大负载长时稳定地工作。本发明控制目标明确，响应速度快，保证供电稳定，同时选用综合性能良好的NSGA-Ⅱ算法进行优化，控制可靠性高，能根据负载需求精确分配光伏发电系统和蓄电池的出力大小；采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，在复杂光照条件下采用最大功率点跟踪（MPPT）技术提高光伏系统发电效率，并使系统以最大功率运行，保证整个系统的高效运行。

附图说明

图1为本发明的系统总框图；

图2为本发明的控制结构示意图；

图3为本发明协调控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1，参照图1，一种应用于光储系统的功率协调控制器，包括光伏发电系统（太阳能电池方阵）、单片机和蓄电池组（储能装置），单片机控制光伏发电系统和蓄电池组，光伏发电系统和蓄电池组均连接负载。其具体构成：包括电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ，电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ，DC-DC电路，驱动电路，温度采集电路；其中电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA1、PA2；电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA4和PA5；DC-DC电路通过驱动电路连接单片机，驱动电路连接到单片机的引脚PA8；温度采集电路连接到单片机的引脚PA6；光伏发电系统通过DC-DC电路连接蓄电池组；第一负载通过降压电路形成第二负载可用电压。第一负载为48V用电器，通过降压电路形成12V电压以满足负载的用电需求。下面具体说明各部件：

单片机：采用STM32F103C8T6单片机。

DC-DC电路（MPPT主电路）采用BUCK电路实现。由于本发明能够实时检测太阳能板电压和电流，并不断追踪最大功率，使系统始终以最大功率对蓄电池进行充电，跟踪效率高，充电效率高。故主电路电路实现最大功率跟踪。BUCK电路会因选择不同的电感和电容而工作在不同的工作模式：电流断续和电流连续，本发明的BUCK电路工作在电流连续模式。

采样电路：包括电压采集电路（光伏阵列端、蓄电池端），电流采集电路，温度采集电路。主要采集光伏阵列的输出电压、输出电流、蓄电池的充电电压、充电电流、工作环境温度。

驱动电路：MOS管驱动电路，驱动电路连接单片机的PA8引脚。在单片机内部经程序作用产生PWM信号，经过驱动电路来增强PWM信号的驱动能力，驱动DC-DC电路工作。

温度采集电路：铅酸蓄电池的开路电压会随着当前的环境温度而发生一定范围的漂移。在光伏充放电控制器中，蓄电池的开路电压将被用于计算其当前状态的荷电量，而准确计算蓄电池的荷电量SOC将决定控制器对其采用何种充电策略，若环境温度发生变化，蓄电池的荷电量计算受其温度漂移影响会发生相应的变化。因此，需采集当前工作环境下的实时温度，对蓄电池的荷电量进行适当的补偿计算，才能准确的得出实况中的充电策略，提髙光伏充放电控制器的有效性。

温度采集电路采用热敏电阻阻值得变化来采集温度信息，连接到单片机的PA6引脚，将当前环境的温度信息传递给单片机，单片机对温度信息作出反应从而做出蓄电池充电策略的变化。

电压采集电路：电路设计采用电阻分压法。电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ分别采集光伏阵列的电压信息和蓄电池端的电压信息，分别通过引脚PA1、PA2连接到单片机将信息传递给单片机。

电流采集电路：电路设计采用功率小电阻法。电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ分别采集光伏阵列的电流信息和蓄电池端的电流信息，分别通过单片机引脚PA4和PA5连接到单片机将信息传递给单片机。

DC48V-12V降压电路：根据负载需求，需要将48V电压转换为12V电压，考虑到控制器的体积和成本等问题，该电源控制器选用电压转换模块来实现电压转换。

由图1图可以看出，DC-DC电路在整个电路系统中起到中间过渡的作用，系统中的光伏阵列在接收到光照之后，所发电能经由DC-DC电路控制并直接输出到蓄电池端，完成对蓄电池的充电。

实施例2，参照图1，一种应用于光储系统的功率协调控制器，还包括电子开关，其一端连接到单片机的引脚PB10 ，另一端连接到负载和蓄电池组。采用电子开关实现过放保护功能。电子开关采用MOS管控制负荷的通断防止控制器产生过流、短路以及过载等故障。蓄电池系统运行时频繁过冲过放电，都会影响蓄电池的寿命，且蓄电池组的使用寿命长短对光伏发电系统的寿命具有较大的影响，延长蓄电池组的使用寿命关键在于对其充放电过程加以控制。

参照图2，一种应用于光储系统的功率协调控制器，其中单片机如何控制光伏发电系统和蓄电池组，从以下几方面具体说明。

(1) 控制结构

所述功率协调控制器采用分级递阶控制结构，将控制系统分为两级，上级为主控芯片，作为整个控制器的核心，下级为MPPT光伏控制子系统和蓄电池充放电子系统的功率协调控制级；当光伏阵列发出的功率大于负载所需的功率，多余的电能为蓄电池充电；若光伏阵列的输出只能满足负载需求，此时蓄电池停止充电动作；若光伏阵列输出功率难以满足负载需求，功率协调控制器协调光伏发电系统和蓄电池联合供电以满足负载的运行需求；若无光照且蓄电池满足放电条件时仅由蓄电池为负载供电，否则，断开负载；同时选用NSGA-Ⅱ算法进行优化，能根据负载需求精确分配光伏发电系统和蓄电池的出力大小。

(2)光伏发电系统数学模型

建立工程用太阳能单体数学模型：

I＝I_sc·{1-α·[e^(βV)-1]}

任意温度和辐照度下的模型参数求取：

ΔT＝T-T_ref

ΔS＝S-S_ref

V′oc＝Voc·ln(e+bΔS)·(1-cΔT)

V′_m＝V_m·ln(e+bΔS)·(1-cΔT) (2)

式中：T为实际温度，T_ref为参考温度；S为实际辐照度，S_ref为参考辐照度； I_sc为太阳电池板短路电流；V_oc为太阳电池板开路电压；I_m为最大功率点电流；V_m为最大功率点电压；e为自然对数底数，约为2.71828；补偿系数a，b，c的经典 推荐值为：a＝0.0025℃^-1，b＝0.0005(W/m²)^-1，c＝0.00288℃^-1。

(3)蓄电池充放电数学模型

式3是充电过程，式4是放电过程。式中：t为仿真时刻；Δt为采样间隔， 本文取1h；ε表示蓄电池剩余电量每小时的损失率，简称自放电率；P_ess，C(t)、 P_ess，P_dis(t)分别表示蓄电池充、放电功率大小；α和β分别表示蓄电池的充、放 电效率；E_e为蓄电池的容量。

P_pv＝I′_m·V′_m·N (5)

由式3、式4得蓄电池的充放电功率为：

式6中：当蓄电池处于充电状态时，K＝-1，

当蓄电池处于放电状态 时，K＝1，J＝β；K＝0时蓄电池不工作。

将式1和2代入式5可得光伏发电系统的最大功率；其中，N为光伏板的个数。

(4) 所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构（功率协调控制器）的数学模型为：

以光伏发电系统和蓄电池联合供电功率最大和光伏发电子系统功率波动最小为目标函数，使电源输出能够安全稳定地为负载供电。

系统的目标函数如下：

Z＝min{f₁(X),f₂(X)}

式中：X为决策向量；f₁(X)为电源输出功率的倒数；f₂(X)为光伏子系统 输出功率的波动大小。

该多目标优化问题的数学模型：

f₁(X)＝f1(P_pv,P_ess)＝(P_pv+KP_ess)^-1

约束条件：

功率平衡约束：P_pv+KP_ess＝P^*

光伏系统功率约束：0≤Ppv≤Ppv,max

蓄电池容量约束：Csoc,min<C_soc(t)<Csoc,max

充放电功率上下限制约束：P_ess,c,max<Pess<P_ess,dis,max

功率偏差约束：-mP_pv,max<Ppv-P^*<mP_pv,max

-mP_ess,max<Pess-P^*<mP_ess,max

式中：P_pv是光伏发电系统最大发电功率，P_ess是蓄电池放电功率，P^* _pv是光 伏子系统的额定功率，K是蓄电池充放电状态，K＝1时处于放电状态，K＝-1时 处于充电状态，K＝0时蓄电池不工作。P^*是负载的功率；P_max是光伏发电系统和 蓄电池所能发出的最大功率；m是约束乘子；C_soc,min和C_soc,max分别为电池荷电 状态的最小值和最大值；P_ess,c,max和P_ess,dis,max分别表示电池最大允许充电功率和 最大允许放电功率，负号表示电池充电。

参照图3，所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构的具体实现方法（功率协调控制方法），从以下三方面说明：

(1) 优化方法

本电源控制器采用功率协调控制方法，根据电源输出功率和光伏发电子系统功率输出稳定性为目标函数，对电源系统进行优化，使得该电源能够安全稳定地为负载供电。在该控制系统中选用综合性能良好的NSGA-Ⅱ算法进行优化。

(2) 协调控制过程

功率协调控制具体方法为：首先由电压采集电路，电流采集电路采集光伏发电子系统的电压电流信息传递给主控芯片并与预设负载的功率进行对比，其次，电压采集电路采集蓄电池组端的电压、电流和蓄电池的环境温度数据并传递到主控芯片与预设数据进行对比判断蓄电池的充放电条件，再决定为负载供电的模式以及负载的工作状态；

若P _PV>P _L，此时，光伏发出的电能首先给负载供电，同时，判断蓄电池是否可充电，若可充电则多余的电能给蓄电池充电；如果蓄电池已经充满，则系统工作在恒功率状态；

若P _PV<P _L，光伏发出的电能不足以为负载供电，此时判断蓄电池是否可放电，若可放电（满足放电条件）则由蓄电池和光伏板同时给负载供电；

若P _PV=0时，判断蓄电池是否可放电（满足放电条件），若蓄电池可放电则由蓄电池给负载放电；如果蓄电池不满足放电条件，则控制器控制电子开关断开负载，防止蓄电池过放电；

若P _L=0，此时，判断蓄电池是否可充电（满足放电条件），若蓄电池可充电则光伏发出的电能只给蓄电池充电。

(3)总体实现过程描述

首先在控制结构的上级即单片机中通过程序设计将光伏子系统的数学模型、蓄电池的数学模型、功率协调控制器的数学模型和优化算法存储到单片机中；其次外接电路采集所需电压电流信息传递给单片机，在单片机内部完成实时数据下的系统数学模型的更新，并且利用优化算法进行模型的最优解的求解；最后，在最优解的基础上对控制结构下级的两个子系统的供电模型以及出力量进行切换和精确分配，实现整个光储系统供能的最大化和精确化。

Claims (4)

1.一种应用于光储系统的功率协调控制器，包括光伏发电系统、单片机和蓄电池组，单片机控制光伏发电系统和蓄电池组，光伏发电系统和蓄电池组均连接负载，其特征在于，包括电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ，电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ，DC-DC电路，驱动电路，温度采集电路；其中电压采集电路Ⅰ和电压采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA1、PA2；电流采集电路Ⅰ和电流采集电路Ⅱ分别连接到单片机的引脚PA4和PA5；DC-DC电路通过驱动电路连接单片机，驱动电路连接到单片机的引脚PA8；温度采集电路连接到单片机的引脚PA6；光伏发电系统通过DC-DC电路连接蓄电池组；第一负载的供电电压通过降压电路形成第二负载可用电压；所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构的数学模型为：

以光伏发电系统和蓄电池组联合供电功率最大和光伏发电系统功率波动最小为目标函数，使电源输出能够安全稳定地为负载供电而制定的控制器目标函数如下：

Z＝min{f₁(X₁),f₂(X₂)}

式中：f₁(X₁)为电源输出功率的倒数；f₂(X₂)为光伏子系统输出功率的波动大小；

多目标优化问题的数学模型：

f₁(X₁)＝f₁(P_pv,P_ess)＝(P_pv+KP_ess)^-1

约束条件：

功率平衡约束：P_pv+KP_ess＝P^*

光伏系统功率约束：0≤Ppv≤Ppv,max

蓄电池容量约束：Csoc,min<C_soc(t)<Csoc,max

充放电功率上下限制约；束：P_ess,c,max<Pess<P_ess,dis,max

光伏发电系统功率偏差约束：-mP_pv,max<Ppv-P^*<mP_pv,max

蓄电池组功率偏差约束：-mP_ess,max<Pess-P^*<mP_ess,max，该式中负号表示电池充电；

式中：P_pv是光伏发电系统发电功率，P_ess是蓄电池放电功率，P^* _pv是光伏子系统的额定功率，K是蓄电池充放电状态，K＝1时处于放电状态，K＝-1时处于充电状态，K＝0时蓄电池不工作，P^*是负载的功率；P_pv,max是光伏发电系统最大发电功率；m是约束乘子；C_soc,min和C_soc,max分别为电池荷电状态的最小值和最大值；P_ess,c,max和P_ess,dis,max分别表示电池最大允许充电功率和最大允许放电功率。

2.根据权利要求1所述的一种应用于光储系统的功率协调控制器，其特征在于，包括电子开关，其一端连接到单片机的引脚PB10，另一端连接到负载和蓄电池组。

3.根据权利要求1所述的一种应用于光储系统的功率协调控制器，其特征在于，所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构采用分级递阶控制结构，具体为：将控制系统分为两级，上级为主控芯片，作为整个控制器的核心，下级为MPPT光伏控制子系统和蓄电池组充放电子系统的功率协调控制级；当光伏阵列发出的功率大于负载所需的功率，多余的电能为蓄电池组充电；若光伏阵列的输出只能满足负载需求，此时蓄电池组停止充电动作；若光伏阵列输出功率难以满足负载需求，功率协调控制器协调光伏发电系统和蓄电池组联合供电以满足负载的运行需求；若无光照且蓄电池满足放电条件时仅由蓄电池为负载供电，否则，断开负载；同时选用NSGA-Ⅱ算法进行优化，能根据负载需求精确分配光伏发电系统和蓄电池的出力大小。

4.根据权利要求1所述的一种应用于光储系统的功率协调控制器，其特征在于，所述单片机控制光伏发电系统和蓄电池组的控制结构的具体实现方法为：首先由电压采集电路，电流采集电路采集光伏发电子系统的电压电流信息传递给主控芯片并与预设负载的功率进行对比，其次，电压采集电路采集蓄电池组端的电压、电流和蓄电池的环境温度数据并传递到主控芯片与预设数据进行对比判断蓄电池的充放电条件，再决定为负载供电的模式以及负载的工作状态；

若P_PV>P_L，P_L为负载功率，此时，光伏发出的电能首先给负载供电，同时，判断蓄电池是否可充电，若可充电则多余的电能给蓄电池充电；如果蓄电池已经充满，则系统工作在恒功率状态；

若P_PV<P_L，光伏发出的电能不足以为负载供电，此时判断蓄电池是否可放电，若可放电则由蓄电池和光伏板同时给负载供电；

若P_PV＝0时，判断蓄电池是否可放电，若蓄电池可放电则由蓄电池给负载放电；如果蓄电池不满足放电条件，则控制器控制电子开关断开负载，防止蓄电池过放电；

若P_L＝0，此时，判断蓄电池是否可充电，若蓄电池可充电则光伏发出的电能只给蓄电池充电。

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