CN110994760B - 一种新能源发电的储能装置管理电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新能源发电的储能装置管理电路及其控制方法，所述控制方法包括充电控制方法和放电控制方法，所述放电控制方法根据期望输出电压值选择超级电容组中的a个超级电容形成串联支路输出电压；当期望输出电压值和超级电容组实际输出电压值之差大于超级电容的平均电压值，且串联支路的超级电容个数小于上限个数b时，串联支路增加1个超级电容输出电压；当串联支路的超级电容个数达到上限个数b个时，超级电容组停止输出电压。本发明能对超级电容组输出电压值进行调整，在保证超级电容组带载能力的前提下，有效抑制超级电容组输出电压的下降，使负载能够尽可能地消耗掉超级电容组存储的电能，从而提高超级电容组的输出能力和效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种新能源发电的储能装置管理电路及控制方法。
背景技术
近年来，随着全球气候变暖、冰川大面积减少、海平面上升，人们的环境保护意识逐渐增强，节能减排成为能源领域的一个热点话题，环境友好型发展成为主流趋势，各种新能源技术在这一时期得到了迅速发展。
传统能源是依靠化石燃料的燃烧，一方面化石燃料是不可再生的，另一方面化石燃料的燃烧会排放含硫化合物、二氧化碳和PM2.5等造成温室效应或对人体有害的排放物。新能源是利用大自然中的一些可再生资源，例如太阳能、风能、潮汐能等，通过这些可再生资源生成二次清洁能源（电能）再使用，可以做到零排放。
尽管新能源很环保，但目前的弃风、弃光现象仍很普遍，因为风电、光电受天气影响大，发电功率不稳定。如果发电功率大于负载用电功率，多出的发电功率只有浪费掉，电网是不会愿意接收这部分功率的，因为时断时续的发电功率会给电网带来谐波干扰，得不偿失，除非这部分功率可以保证在电网处于用电高峰期时持续稳定向电网输送；但是当发电功率小于用电功率甚至为零时，负载还得依赖电网供电。
如果能够在发电功率高于负载用电功率的时候将多出的电能存储起来，在发电功率低于负载用电功率的时候使用存储的电能，最后多出来的电能还能在电网用电高峰期向电网持续稳定地输送电能，那么既能解决负载的用电问题，还能切实为电网分担用电高峰期的电网负荷。
目前国外有利用回收的锂电池来构成锂电池组储能的，但锂电池寿命不长，一般充电几千次之后性能就会慢慢下降，而且锂电池功率密度较低。与锂电池相比，超级电容寿命长，功率密度高，很适合储能，但随着电能的释放，超级电容两端的电压越低，其电压下降速度越快，对负载影响很大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种新能源发电的储能装置管理电路及其控制方法，在保证超级电容组带载能力的前提下，能有效抑制超级电容组输出电压的下降，使负载能够尽可能地消耗掉超级电容组存储的电能，从而提高超级电容组的输出能力和效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，包括充电控制方法和放电控制方法，所述放电控制方法包括：
S11：根据期望输出电压值选择超级电容组中的a个超级电容形成串联支路输出电压；
S12：当所述期望输出电压值和所述超级电容组实际输出电压值之差大于所述超级电容的平均电压值，且所述串联支路的超级电容个数小于所述串联支路的上限个数b时，所述串联支路增加1个超级电容输出电压；
S13：当所述串联支路的超级电容个数等于所述串联支路的上限个数b个时，所述超级电容组停止输出电压。
进一步地，所述步骤S11具体包括：
获取每个所述超级电容的平均电压值，并根据所述期望输出电压值与所述超级电容平均电压值之比计算出所述超级电容组所需串联的所述超级电容个数a；
通过控制开关管的导通与关断使所述超级电容组的a个所述超级电容形成所述串联支路输出电压。
进一步地，所述步骤S12具体包括：
当所述期望输出电压值和所述超级电容组实际输出电压值之差大于所述超级电容的平均电压值时，判断所述串联支路的超级电容个数a是否小于所述串联支路的超级电容上限个数b；
当所述串联支路的超级电容个数a是否小于所述串联支路的超级电容上限个数b时，所述串联支路增加1个超级电容输出电压；
刷新所述超级电容组的输出电压和单个所述超级电容的平均电压值。
进一步地，所述放电控制方法还包括：
在所述超级电容组放电过程中对所述串联支路中的进行过压保护，所述过压保护具体包括以下步骤：
当所述串联电路中一个超级电容的电压值大于或等于所述超级电容的额定电压时，将所述超级电容从串联支路中切出；
将所述超级电容并入能量泄放回路放电；
当放电后的所述超级电容的电压值小于或等于所述超级电容组的电压平均值时，将所述超级电容重新接入串联支路。
进一步地，所述放电控制方法还包括：
当放电后的所述超级电容的电压值大于所述超级电容组的电压平均值时，继续将所述超级电容并入能量泄放回路放电，直至当放电后的所述超级电容的电压值小于或等于所述超级电容组的电压平均值。
进一步地，所述充电控制方法包括：
S21：控制开关管的导通和关断使所述超级电容组的超级电容处于并联充电状态；
S22：获取任意一个所述超级电容的电压值；
S23：当所述超级电容的电压值小于所述超级电容的额定电压值，且所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值大于阈值UT时，关断所述超级电容两端的开关管；
S24：延时t0秒后，当所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，导通所述超级电容两端的开关管。
进一步地，所述步骤S23具体包括：
当所述超级电容的电压值大于或等于所述超级电容的额定电压值时，表示所述超级电容充电完成，关断所述超级电容两端的开关管，停止为所述超级电容充电。
进一步地，所述步骤S23具体包括：
当所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，刷新所述超级电容的电压值。
第二方面，本发明还提供一种新能源发电的储能装置管理电路，所述新能源发电的储能装置管理电路应用于第一方面所述的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法。
进一步地，所述新能源发电的储能装置管理电路包括超级电容组，所述超级电容组n个超级电容，每个所述超级电容的正极都通过开关管连接到供电电源正极DC+，每个所述超级电容的负极都通过开关管连接到供电电源负极DC-，所述第n个超级电容的负极还连接到第（n-1）个超级电容的正极。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种新能源发电的储能装置管理电路及其控制方法，
能对超级电容组输出电压值进行调整，在保证超级电容组带载能力的前提下，有效抑制超级电容组输出电压的下降，使负载能够尽可能地消耗掉超级电容组存储的电能，从而提高超级电容组的输出能力和效率。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的实施例1的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法的一个流程示意图。
图2是本发明的实施例1的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法的另一个流程示意图。
图3是本发明的实施例1的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法的又一个流程示意图。
图4是本发明的实施例2的新能源发电的储能装置管理电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1，一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法。
超级电容在对负载供电时，随着电能的释放，其输出电压会下降，尤其是在储能较低时，根据公式E=1/2C*U2，输出电压的下降速度会越来越快，导致最后超级电容里面会残存较大一部分无法向负载提供输出的电能，从而使超级电容组的输出能力和效率下降。
为此，本实施例提供了一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，应用于附图4所示的新能源发电的储能装置管理电路，包括充电控制方法和放电控制方法，如附图1所示，放电控制方法包括：
S11：根据期望输出电压值选择超级电容组中的a个超级电容形成串联支路输出电压；
S12：当期望输出电压值和超级电容组实际输出电压值之差大于超级电容的平均电压值，且述串联支路的超级电容个数小于串联支路的上限个数b时，串联支路增加1个超级电容输出电压；
S13：当串联支路的超级电容个数等于串联支路的上限个数b个时，超级电容组停止输出电压。
其中，步骤S11具体包括：
获取每个超级电容的平均电压值，并根据期望输出电压值与超级电容平均电压值之比计算出超级电容组所需串联的超级电容个数a；
通过控制开关管的导通与关断使超级电容组的a个超级电容形成串联支路输出电压。
具体地，首先根据超级电容组的额定输出电流值及并联支路额定输出电流值计算出超级电容组的最小串联支路数，总的超级电容个数为n，根据总的超级电容个数和最小串联支路数可以计算出并联支路串联超级电容上限个数b。根据超级电容组期望输出电压值与超级电容组单个超级电容平均电压值之比可以计算出并联支路所需串联超级电容个数a，通过控制开关管的导通与关断使超级电容组处于a个超级电容串联后再形成并联支路出输出状态。
以超级电容上限个数b为6个，并联支路所需串联超级电容个数a为3个为例进行说明，3个超级电容串联时，开关管S2、开关管S3、开关管S6、开关管S7导通，使超级电容C1、超级电容C2、超级电容C3形成串联支路输出电压。
步骤S12具体包括：
当期望输出电压值和超级电容组实际输出电压值之差大于超级电容的平均电压值时，判断串联支路的超级电容个数a是否小于串联支路的超级电容上限个数b；
当串联支路的超级电容个数a是否小于串联支路的超级电容上限个数b时，串联支路增加1个超级电容输出电压；
刷新超级电容组的输出电压和单个超级电容的平均电压值。
具体地，比较期望输出电压值与超级电容实际输出电压值之差是否大于此时的单个超级电容平均电压值，若没有大于，则循环检测；若大于，若支路串联超级电容个数a不小于支路串联超级电容上限个数b，说明超级电容组已无法满足负载额定输出电压，停止输出；若支路串联超级电容个数a小于支路串联超级电容上限个数b，则通过控制开关管的导通与关断重组串并联组合，使支路串联超级电容个数a增加一个并向负载输出，刷新超级电容组的输出电压和单个超级电容的平均电压值，同时循环比较期望输出电压值与超级电容实际输出电压值之差是否大于单个超级电容平均电压值，并通过控制开关管的导通与关断来对超级电容组的输出电路进行切换控制。
放电控制方法还包括：
在超级电容组放电过程中对串联支路中的进行过压保护，过压保护具体包括以下步骤：
当串联电路中一个超级电容的电压值大于或等于超级电容的额定电压时，将超级电容从串联支路中切出；
将超级电容并入能量泄放回路放电；
当放电后的超级电容的电压值小于或等于超级电容组的电压平均值时，将超级电容重新接入串联支路。
当放电后的超级电容的电压值大于超级电容组的电压平均值时，继续将超级电容并入能量泄放回路放电，直至当放电后的超级电容的电压值小于或等于超级电容组的电压平均值。
具体地，因为超级电容组的拓扑电路中涉及到超级电容的串联，电容之间略微个体差异或局部电路略微个体差异会导致支路中各个超级电容两端分压不相等，严重时会导致个别超级电容两端实际电压大于其额定值，所以需要对各个超级电容进行过压保护。当检测到串联支路中有超级电容两端电压超过其额定电压值时，将该超级电容切出串联支路，并接入能量泄放回路放电，当该超级电容两端电压放电至小于或等于超级电容组单个超级电容平均电压值时，再将其重新接入支路，并循环检测其两端电压值进行过压保护。
超级电容如果部分串联后再并联充电，那么一旦串联支路内的电容之间有略微个体差异，或局部电路存在略微个体差异，都会导致支路中各超级电容两端电压不等，即当有的超级电容已经达到其额定电压时，有的超级电容两端电压还离额定电压有较大差距。
这一方面会使超级电容组的最大电能存储量下降，另一方面会在后续放电阶段造成并联支路之间由于电压的不均衡而出现拓扑切换瞬间不可控的支路间放电现象，对电路造成损伤。为了降低充电过程中电容之间的相互影响和提高超级电容组的最大电能存储量，超级电容组中的所有超级电容均需处于并联状态充电。
虽然电容并联，但由于电路局部上存在的个体差异以及元器件的个体差异（例如靠近电源进线处电源电压略高于远离电源进线处电源电压），不同并联支路上电容的电压也会略有差异。这些差异虽小，但后续多个超级电容构成串联输出支路时这些误差就会由于累积效应而变得不可忽略，导致并联支路之间由于电压的不均衡而导致超级电容组的输出拓扑电路出现切换瞬间不可控的支路间放电现象，对电路造成损伤，因此需要对单个超级电容的充电过程通过充电控制方法进行控制。
其中，充电控制方法包括：
S21：控制开关管的导通和关断使超级电容组的超级电容处于并联充电状态；
S22：获取任意一个超级电容的电压值；
S23：当超级电容的电压值小于超级电容的额定电压值，且超级电容的电压值与超级电容组的平均电压值的差值大于阈值UT时，关断超级电容两端的开关管；
S24：延时t0秒后，当超级电容的电压值与超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，导通超级电容两端的开关管。
步骤S23具体包括：
当超级电容的电压值大于或等于超级电容的额定电压值时，表示超级电容充电完成，关断超级电容两端的开关管，停止为超级电容充电。
步骤S23具体包括：
当超级电容的电压值与超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，刷新超级电容的电压值。
在充电时，对每一个超级电容两端的电压进行检测，当有超级电容两端的电压值达到其额定电压值时，说明该电容已完成充电，直接关断开关管，停止对该电容充电。对于两端电压值没有达到额定电压值的超级电容，则判断其两端电压值与整个超级电容组所有超级电容的电压平均值之差是否大于阈值UT，如果没有大于阈值UT，则对该超级电容继续充电并检测其两端电压值；如果大于阈值UT，则关断开关管停止对其充电，经过t0秒的延时后，再次检测其两端电压值与整个超级电容组所有超级电容的电压平均值之差是否大于阈值UT，如果仍然大于阈值UT，则继续延时检测，如果不再大于阈值UT，则导通其两端开关管，使其再次进入充电状态，并重复检测其两端电压值进行充电控制。
本实施例提供的一种新能源发电的储能装置管理电路及其控制方法，能根据对超级电容组输出电压的检测值调整超级电容组的输出拓扑电路，在保证超级电容组带载能力的前提下，有效抑制超级电容组输出电压的下降，使负载能够尽可能地消耗掉超级电容组存储的电能，从而提高超级电容组的输出能力和效率。
实施例2，一种新能源发电的储能装置管理电路。
如附图4所示，本实施例提供了一种新能源发电的储能装置管理电路，所述新能源发电的储能装置管理电路应用于实施例1所述的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法。
所述新能源发电的储能装置管理电路包括超级电容组，所述超级电容组n个超级电容，每个所述超级电容的正极都通过开关管连接到供电电源正极DC+，每个所述超级电容的负极都通过开关管连接到供电电源负极DC-，所述第n个超级电容的负极还连接到第（n-1）个超级电容的正极。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，包括充电控制方法和放电控制方法，所述放电控制方法包括：
S11：根据期望输出电压值选择超级电容组中的a个超级电容形成串联支路输出电压；
S12：当所述期望输出电压值和所述超级电容组实际输出电压值之差大于所述超级电容的平均电压值，且所述串联支路的超级电容个数小于所述串联支路的上限个数b时，所述串联支路增加1个超级电容输出电压；
S13：当所述串联支路的超级电容个数等于所述串联支路的上限个数b个时，所述超级电容组停止输出电压；
所述充电控制方法包括：
S21：控制开关管的导通和关断使所述超级电容组的超级电容处于并联充电状态；
S22：获取任意一个所述超级电容的电压值；
S23：当所述超级电容的电压值小于所述超级电容的额定电压值，且所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值大于阈值UT时，关断所述超级电容两端的开关管；
S24：延时t0秒后，当所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，导通所述超级电容两端的开关管。
2.如权利要求1所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括：
获取每个所述超级电容的平均电压值，并根据所述期望输出电压值与所述超级电容平均电压值之比计算出所述超级电容组所需串联的所述超级电容个数a；
通过控制开关管的导通与关断使所述超级电容组的a个所述超级电容形成所述串联支路输出电压。
3.如权利要求1所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括：
当所述期望输出电压值和所述超级电容组实际输出电压值之差大于所述超级电容的平均电压值时，判断所述串联支路的超级电容个数a是否小于所述串联支路的超级电容上限个数b；
当所述串联支路的超级电容个数a小于所述串联支路的超级电容上限个数b时，所述串联支路增加1个超级电容输出电压；
刷新所述超级电容组的输出电压和单个所述超级电容的平均电压值。
4.如权利要求1所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述放电控制方法还包括：
在所述超级电容组放电过程中对所述串联支路中的超级电容进行过压保护，所述过压保护具体包括以下步骤：
当所述串联支路中一个超级电容的电压值大于或等于所述超级电容的额定电压时，将所述超级电容从串联支路中切出；
将所述超级电容并入能量泄放回路放电；
当放电后的所述超级电容的电压值小于或等于所述超级电容组的电压平均值时，将所述超级电容重新接入串联支路。
5.如权利要求4所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述放电控制方法还包括：
当放电后的所述超级电容的电压值大于所述超级电容组的电压平均值时，继续将所述超级电容并入能量泄放回路放电，直至当放电后的所述超级电容的电压值小于或等于所述超级电容组的电压平均值。
6.如权利要求1所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括：
当所述超级电容的电压值大于或等于所述超级电容的额定电压值时，表示所述超级电容充电完成，关断所述超级电容两端的开关管，停止为所述超级电容充电。
7.如权利要求1所述的一种新能源发电的储能装置管理电路的控制方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括：
当所述超级电容的电压值与所述超级电容组的平均电压值的差值小于或等于阈值UT时，刷新所述超级电容的电压值。
8.一种新能源发电的储能装置管理电路，其特征在于，所述新能源发电的储能装置管理电路应用于权利要求1至7任意一项所述的新能源发电的储能装置管理电路的控制方法。
9.如权利要求8所述的一种新能源发电的储能装置管理电路，其特征在于，所述新能源发电的储能装置管理电路包括超级电容组，所述超级电容组具有n个超级电容，每个所述超级电容的正极都通过开关管连接到供电电源正极DC+，每个所述超级电容的负极都通过开关管连接到供电电源负极DC-，第n个所述超级电容的负极还连接到第n-1个超级电容的正极。
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