CN111130092A - 太阳能家庭系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能家庭系统(Ik)，具有光伏面板(3)、电池(4)、被设计成将系统(Ik)连接到电力总线(2)的连接装置(9)，以及控制模块(6)，控制模块被设计成确定系统(Ik)是否有能量过剩，并接着给予系统主控状态，或者确定该系统是否有能量不足且电网(1)的另一系统是否具有主控状态，并接着给予该系统从属状态，控制模块(6)被设计成驱动连接装置来将该系统(Ik)连接至电力总线，以在该系统具有主控状态时将内部能量盈余分配到电网的其余部分，以及驱动连接装置来将该系统(Ik)连接到电力总线，以在该系统具有从属状态时回收来自电网(1)的其余部分的外部能量盈余，控制模块还被设计成将与系统的状态相关的状态信息传送到电网。

Description

太阳能家庭系统

本发明涉及太阳能家庭系统的领域。

发明背景

太阳能家庭系统(SHS)使得为无法接入电网的家庭供应电能成为可能。这种家庭坐落于例如农村地区的村庄中。

太阳能家庭系统通常具有光伏面板和电池，并且向家庭供应通常在200W至1kW之间的相对低的电力。该电力足以为家庭中的电器供电：风扇、冰箱、电视、水泵电机等。

已经构想了将同一村庄中的多个太阳能家庭系统连接在一起，为的是汇集由各太阳能家庭系统的所有光伏面板产生的电能，以便取决于各家庭的需求来“实时”分配电能。

太阳能家庭系统的常规电网架构具有所有太阳能家庭系统都被连接到的电力总线。电力总线以高电压(通常大于120Vdc)传输电能。这种高电压要求为每个太阳能家庭系统配备复杂且昂贵的电力组件。

在这样的架构中，太阳能家庭系统之一通常扮演着管理电能交换的中央单元的角色。对该电网负责的该太阳能家庭系统更加先进、更加复杂且因此更加昂贵。

发明目的

本发明的目的是对太阳能家庭系统的电网中的能量交换进行简化、降低成本和改进。

发明内容

为了达成该目的，提出了一种太阳能家庭系统，该太阳能家庭系统被设计成经由电力总线连接到其他太阳能家庭系统以形成电网，该系统具有光伏面板、电池、被设计成将该系统与电力总线选择性地连接或断开连接的连接装置，以及控制模块，该控制模块被设计成在时间T处确定该系统是否有能量过剩，并接着给予该系统主控(master)状态，或者确定该系统是否有能量不足且电网的另一系统是否具有主控状态，并接着给予该系统从属(slave)状态，该控制模块被附加地设计成驱动连接装置来将该系统连接至电力总线，以便在该系统具有主控状态时将其具有的内部能量盈余分配到电网的其余部分，以及驱动连接装置来将该系统连接到电力总线，以便在该系统具有从属状态时回收来自电网的其余部分的外部能量盈余，该控制模块被进一步设计成将与该系统的状态相关的状态信息传送到电网。

因此，根据本发明的太阳能家庭系统能够被集成到全部等同且可互换的系统的电网中。因此减少了每个系统的(开发、生产)成本。

取决于其能量容量，每个系统授予其自身主控状态、从属状态，或者不授予状态(或授予中性状态)。因而，每个系统本身决定连接到电网以分配或获取能量，或者不连接到电网。因此，这些能量交换可以被简单且高效地执行：具有过剩能量的系统经由单条电力总线将其直接传送到不足的系统。

还提出了一种电网，该电网包括多个太阳能家庭系统，每个太阳能家庭系统都符合刚刚所描述的太阳能家庭系统，这些太阳能家庭系统通过电力总线彼此连接。

附加地，提出了一种在太阳能家庭系统(诸如刚刚所描述的太阳能家庭系统)中实现的用于交换电能的方法，该方法包括以下步骤：

-确定该系统是否有能量过剩或者该系统是否有能量不足；

-如果该系统有能量过剩，则给予该系统主控状态，并接着驱动连接装置来将该系统连接到电力总线，以使得所述系统将其具有的内部能量盈余分配给电网的其余部分；

-如果该系统有能量不足，则检查电网是否包括具有主控状态的另一系统；

-如果是这种情形，则给予该系统从属状态，并接着驱动连接装置来将该系统连接到电力总线，以使得该系统回收来自电网的其余部分的外部能量盈余。

附加地，提出了一种计算机程序，该计算机程序包括用于太阳能家庭系统的处理组件以实现刚刚所描述的交换方法的指令。

进一步提出了一种存储装置，其特征在于，它们储存计算机程序，该计算机程序包括用于太阳能家庭系统的处理组件以实现上面描述的交换方法的指令。

本发明将鉴于以下对本发明的一种特定非限定性实现模式的描述而被更好地理解。

附图说明

将参考附图，其中：

-图1示出了根据本发明的太阳能家庭系统的电网；

-图2示出了根据本发明的在太阳能家庭系统中实现的用于交换电能的方法的步骤。

发明的详细描述

图1示出了根据本发明的太阳能家庭系统I1,…,IN的电网1。所有的系统I都是严格地等同的。

诸系统I通过电力总线2彼此连接。电力总线2包括高电势导体和低电势导体(其例如是接地导体)。

电力总线2以48Vdc的DC总线电压Vbus_dc传输电能。总线电压Vbus_dc是相对低的电压，以使得诸系统I不需要复杂的电力组件来在电力总线2上交换电能。而且，该48Vdc电压是标准电压，该标准电压与家庭中的大多数电器相兼容，并且还附加地与其他电器相兼容，诸如电信设备。因此，该电压的使用是实用的，并且不要求诸系统I和所供电的电器之间的附加电压转换器(或者很少的电压转换器)。

每个系统Ik(1≤k≤N)在该情形中被用来向同一家庭中的电器供应电能。这里用负载Zk(1≤k≤N)来表示家庭中的电器。

每个系统Ik包括光伏面板3、电池4、DC-DC转换器5和控制模块6。每个系统Ik还包括用于连接到电池4的装置，在该情形中包括电池开关7；用于连接到负载Zk的装置，在该情形中包括负载开关8；以及用于连接到电力总线2的装置，在该情形中包括总线开关9。整个系统Ik在该情形中被集成到同一壳体中，但这不是必需的：特别地，光伏面板3可以是远程的并且坐落于距离系统Ik的其余部分一定距离处。

在系统Ik中，光伏面板3将太阳能转换成电压为Vpv_dc的电能。

此外，光伏面板3包括与光伏面板3的其他光伏单元类似的控制单元10。“类似”应理解为意指控制单元10由相同的材料制成并且具有等同的转换特性。控制单元10被连接为开路，以使得跨其端子的控制电压Vpv_oc形成光伏面板3的空载电压(其本身取决于“实时”存在的日照量)的镜像。

电池4是48Vdc铅酸或锂离子电池。电池4使用快充(bulk)、升压(boost)和浮动过程进行充电，该过程包括三个充电步骤：快充步骤、升压步骤和浮动步骤。

电压Vpv_dc被施加在DC-DC转换器5的输入处，该DC-DC转换器将其转换成48Vdc的电压Vconv。

控制模块6包括至少一个电处理组件，诸如微控制器、处理器、FPGA等。处理组件被设计成执行程序的指令以便执行专用于其的任务。

控制模块6获取系统Ik的一定数目的电参数。具体而言，控制模块6获取跨电池4的端子的电压Vbatt、电池4的充电或放电电流Ibatt、电池4的温度Tbatt、控制单元10的控制电压Vpv_oc等的测量。

控制模块6包括用于控制DC-DC转换器的控制块12。“块”应理解为意指由硬件组件和/或软件组件执行的一组功能。

控制块12驱动DC-DC转换器5，以实现MPPT(最大功率点跟踪)控制器。

控制块12还实现用于管理电池4的系统(或BMS，电池管理系统)。管理系统管理电池4的充电和放电并监视电池4的各种参数，以便确保充电和放电被最佳地执行。

控制模块6还包括实现用于交换能量的方法的互连块13，该交换能量的方法下面将在本文档中作进一步描述。

此外，控制模块6被连接到电池开关7。控制模块6通过在有必要对电池4充电或放电时将电池开关7闭合，或者通过打开该电池开关以将电池4从系统Ik的其余部分和从负载Zk断开连接来驱动该电池开关。

控制模块6也被连接到负载开关8。控制模块6通过在有必要将系统Ik连接到负载Zk以便为其供应电能时将负载开关8闭合，或者通过在有必要将系统Ik从负载Zk断开连接时将该负载开关打开来驱动该负载开关。当负载开关8被闭合时，被供应给负载Zk的电能要么经由系统Ik的DC-DC转换器5直接来自系统Ik的光伏面板3，要么来自系统Ik的电池4，要么如将看到的，经由电力总线2上的能量交换而来自于电网1的其余部分。

现在给出对在电力总线2上的电网1的诸系统I之间交换电能的方式的描述。

电能的交换使用对每个系统Ik等同且由每个系统Ik的控制模块6的互连块13实现的互连程序。因此，诸系统Ik在硬件和软件两个方面是等同的。

每个系统Ik的控制模块6在时间T处(即实时地)给予所述系统Ik主控状态、从属状态、或者不给予状态(或给予中性状态，即，既非主控状态亦非从属状态)。

在时间T处，如果控制模块6确定系统Ik具有能量过剩，则控制模块6给予其主控状态。

为了确定系统Ik具有能量过剩，控制模块6在时间T处评估日照量并尤其根据日照量的评估结果来估计光伏板3是否能够产生内部能量盈余。

内部能量盈余是系统Ik能够产生且因为其电池4被充分充电而将不被用来对所述电池充电的能量的量，或者是因为系统Ik已经具有足够的能量来为家庭中的电器供电而无需使电池4放电并且无需使用该内部能量盈余而致使系统Ik能够为系统Ik所连接到的家庭中的电器供电的能量的量。内部能量盈余的存在尤其要求日照量足够高，以使得系统Ik产生的电能多于对其电池4充电并为其所连接到的家庭供电所需的电能。

因此，如果电池4的充电水平大于第一预定充电阈值并且如果光伏面板3能够产生内部能量盈余，则控制模块6确定系统Ik具有能量过剩。

在该情形中，控制模块6驱动总线开关9，以便将系统Ik连接到电力总线2，以便将其具有的内部能量盈余分配给电网1的其余部分。

在时间T处，如果控制模块6确定系统Ik能量不足，并且如果电网1的另一系统具有主控状态，则控制模块6给予系统Ik从属状态。

如果电池的充电水平低于第二预定充电阈值并且如果光伏面板3无法产生内部能量盈余，则控制模块6确定系统Ik具有能量不足。

在该情形中，控制模块6驱动总线开关9，为的是将系统Ik连接到电力总线2，以便回收来自电网1的其余部分的外部能量盈余。外部能量盈余得自在电网1上具有对主控状态的(一个或多个)系统I的(一个或多个)内部能量盈余的传输。

如果在时间T处控制模块6确定系统Ik不具有主控状态或从属状态，则控制模块6不将系统Ik连接至电网1。系统Ik应对向与其连接的家庭中的电器供电并以独立模式运行，直到其状态改变。

参考图2，现在给出对系统Ik上这些各个步骤的实现的更详细的描述。当然，这些步骤也可在电网1的其他系统I上被实现。

在步骤E1中，系统Ik的控制模块6检查以下两个条件是否被满足：

条件1：[SOC_Ik>SOC_float且VBatt_Ik>V_float]

且

条件2：[Ppv_real_Ik<Pmpp_Ik且Vpv_Ik>Vdc_min]，

其中：

-SOC_Ik是在时间T处估计的系统Ik的电池的充电状态；

-SOC_float是电池处于浮动阶段中时所达到的充电状态阈值(通常等于95％)；

-Vbatt_Ik是在时间T处测得的跨系统Ik的电池的端子的电压；

-V_float是电池的浮动电压值；

-Ppv_real_Ik是在时间T处由系统Ik的光伏面板供应的功率；

-Pmpp_Ik是系统Ik的光伏面板在时间T处能够供应的最大功率；

-Vpv_Ik是时间T处在系统Ik的光伏面板的输出处测得的电压；

-Vdc_min是光伏面板的最小输出电压阈值的值，该值使得MPPT控制器触发DC-DCMPPT转换(与日照量的开始相对应)成为可能。

条件1使得检查电池4实际上被完全充电(即，电池4的充电水平大于第一预定充电阈值)成为可能。在该情形中，当电池4的充电状态大于浮动阶段中的充电状态阈值时，并且当跨电池4的端子的电压大于电池4的浮动电压时，认为电池4的充电水平大于第一预定充电阈值。

条件2使得检查光伏面板3能够产生内部能量盈余成为可能。

该条件2的第一部分因此是：

Ppv_real_Ik<Pmpp_Ik。

条件：

Ppv_real_Ik<Pmpp_Ik＝TRUE

意味着在时间T处由系统Ik的光伏面板3供应的功率低于光伏面板3能够供应的最大功率，且因此光伏面板3能够产生内部能量盈余。

MPP(最大功率点)确定算法是一种估计算法，而不是用于迭代搜索(扰动和观察类型的)MPP的简单算法。因此，该确定算法能够准确地确定系统Ik处于“太阳能盈余”境况的时间。

FOCV(分数开路电压)MPP计算算法被使用，该算法使用以下关系：

Vmpp_est_Ik＝K*Vpv_oc

其中K是取决于光伏面板的特性的系数，K满足：0.7<K<0.8。

以下等价关系被获得：

其中：

-Vmpp_est_Ik＝K*Vpv_oc；

-G在1和20之间(在该情形中，G＝5)；

-Vpv_oc是控制电压。

如果这些条件被满足，则在步骤E2中，以下成立：

K_Ik＝ON：系统Ik的控制模块6闭合系统Ik的总线开关9。

以下也成立：

SHS_Ik∈{SHS MASTERS}：控制模块6给予系统Ik主控状态。系统Ik的标识符临时包含状态表，该状态表列出具有主控状态的系统I。

该状态表由电网1的所有系统I以下面将进一步描述的方式共享。

控制模块6以规则区间进行测试(步骤E3)：

条件3：[SOC_Ik<SOC_boost且Vbatt_Ik<V_float]

且

条件4：Ppv_real_Ik＝Pmpp_Ik，

其中SOC_boost是电池在升压阶段中所达到的充电状态阈值(通常等于80％)。

条件3的目的是检查电池4实际上不再被完全地充电。

条件4的目的是检查光伏面板3不再能够产生内部能量盈余。

如果这两个条件不被满足，则系统Ik保持其主控状态，并且用于能量交换的该方法返回到步骤E2。

如果这两个条件被满足，则以下成立(步骤E4)：

K_Ik＝OFF。

这意味着控制模块6打开总线开关9并将系统IK从电网断开连接。

以下也成立：

控制模块6将主控状态从系统Ik撤消。

用于交换能量的该方法接着返回到步骤E1。

需要注意，在步骤E3中，使用低于阈值SOC_float的阈值SOC_boost，以便引入迟滞，并因而避免系统Ik通过得到及接着快速地再次失去其主控状态而连续地切换。

在步骤E1中，如果条件1和条件2两者被满足，则用于交换能量的该方法移动到步骤E5。

在步骤E5中，控制模型6检查是否：

条件5：[SOC_Ik<SOC_inf且Vbatt_Ik<V_float]；

且

条件6：Ppv_real_Ik＝Pmpp_Ik；

且

条件7：{SHS MASTERS}≠{}，

其中SOC_inf是放电的电池4所达到的临界较低充电状态阈值(例如30％)。

条件5意味着电池4低于临界充电阈值，即，电池的充电水平低于第二预定充电阈值。

条件6意味着光伏面板3无法产生内部能量盈余。

条件7意味着在电网1上至少存在一个具有主控状态的系统I(除系统Ik以外)。

如果这三个条件全都被满足，则在步骤E6中，以下成立：

K_Ik＝ON。

控制模块6闭合总线开关9，以便将系统1k连接到电力总线2。控制模块6给予系统Ik从属状态。

在步骤E7中，控制模型6检查是否：

条件8：SOC_Ik>SOC_sup

或

条件9：

{SHS MASTERS}＝{}，

其中SOC_sup是已再充电电池所达到的较高充电状态阈值(例如70％)。

条件8意味着电池不再被放电(或者在任何情形中比其在步骤E5中更少地放电)。条件9意味着电网1上不再存在任何具有主控状态的系统。

如果这些条件之一被满足，则系统Ik失去其从属状态，并且控制模块6打开总线开关9：

K_Ik＝OFF(步骤E8)。

在步骤E5中，如果这三个条件5、6和7没有全都被满足，则用于交换能量的该方法移动至步骤E8。

如已经看到的，当系统Ik获得或丢失主控状态时，其将该状态信息传送到电网的其他系统，尤其使得其他系统能够访问从属状态。当然，系统Ik还必须传送标识符，以使得主控状态(或主控状态的丢失)与其相关联。每个系统I在其状态的修改或接收到另一系统的状态后都会更新状态表，该状态表因此被所有系统I等同地共享。

为了传送该状态信息和标识符，系统Ik的控制模块6迅速地切换系统Ik的总线开关9，以便产生能够在电力总线2上检测到的切换序列，这些切换序列形成包含系统Ik的标识符和状态信息的帧。

总线开关9的迅速切换要求该开关具有合适的设计(例如静态开关)。

接着由每个系统I通过测量和通过滤波在电力总线2上流动的总线电压Vbus_dc和/或总线电流Ibus_dc来检测这些帧。

提供了与十个系统I(I1,…,I10))的电网1相兼容的简单而稳健的通信协议的一个示例。

在将系统Ik与主控状态连接时：

-1秒内10次OFF/ON切换操作的序列(T_off/T_on＝0.8)：

系统

{SHSMASTERS}：系统I1具有主控状态；

-1秒内11次OFF/ON切换操作的序列(T_off/T_on＝0.8)

系统

{SHSMASTERS}；

…

-1秒内19次OFF/ON切换操作的序列(T_off/T_on＝0.8)

系统

{SHSMASTERS}；

在将丢失其主控状态的系统Ik断开连接时：

-1秒内20次ON/OFF切换操作的序列(T_on/T_off＝0.8)

系统

{SHSMASTERS}；系统I1丢失其主控状态；

-1秒内21次ON/OFF切换操作的序列(T_on/T_off＝0.8)

系统

{SHSMASTERS}；

…

-1秒内29次ON/OFF切换操作的序列(T_on/T_off＝0.8)

系统

{SHSMASTERS}。

通信冲突被管理如下。每个系统I必须启动两个连贯的切换序列(2s内)，以便用信号通知主控状态的获得(或者其断开连接和主控状态的丢失)。该状态将被确认并且在接收第二个序列时被纳入考虑。

因此，一旦在电力总线2上检测到切换序列的发送，其他系统便阻止它们自身发送它们自己的帧达至少2s。

太阳能家庭系统I的特征及其在电网中的放置是特别有利的。

如已被阐述的，这些系统在设计方面是完全等同的：仅它们的标识符不同并且必须被配置。这些系统根据菊花链原理被以简单的方式彼此连接。

这些系统使用“尽力而为(best effort)”的概念来共享其“太阳能”能量盈余：输出约束可能不太严格，并且允许以相当低的DC电压且因此以不太昂贵的电力电子设计运行。

通过使用长度为100m的电力总线(该电力总线的每个导体由铜制成且具有10mm²的截面)，估计到电力总线中的最大损耗小于5％(在系统满功率的情况下)。因此，电能的传递是尤其高效的。

当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落入如权利要求所限定的本发明范围内的所有变体。

此处已经指出，每个太阳能家庭系统被连接到一个家庭。当然，术语“家”和“家庭”应被广义地理解。村庄或城镇中的任何建筑物都可以被视为家庭，即使它不是住宅，并且其包含不仅对一个家庭而且对社区有用的电器：水泵、电信设备等。

Claims (11)

1.一种太阳能家庭系统(Ik)，所述太阳能家庭系统被设计成经由电力总线(2)连接到其他太阳能家庭系统(I1,…,IN)以形成电网(1)，所述系统(Ik)具有光伏面板(3)、电池(4)、被设计成将所述系统(Ik)与所述电力总线(2)选择性地连接或断开连接的连接装置(9)，以及控制模块(6)，所述控制模块被设计成在时间T处确定所述系统(Ik)是否有能量过剩，并接着给予所述系统主控状态，或者确定所述系统是否有能量不足且所述电网(1)的另一系统是否具有所述主控状态，并接着给予所述系统从属状态，所述控制模块(6)被附加地设计成驱动所述连接装置来将所述系统(Ik)连接至所述电力总线，以便在所述系统具有所述主控状态时将其具有的内部能量盈余分配到所述电网的其余部分，以及驱动所述连接装置来将所述系统(Ik)连接到所述电力总线，以便在所述系统具有所述从属状态时回收来自所述电网(1)的其余部分的外部能量盈余，所述控制模块被进一步设计成将与所述系统的状态相关的状态信息传送到所述电网。

2.根据权利要求1所述的太阳能家庭系统，其特征在于，所述控制模块(6)被设计成在时间T评估日照量，并且尤其根据对所述日照量的评估来估计所述光伏面板(3)是否能够产生所述内部能量盈余。

3.根据权利要求2所述的太阳能家庭系统，其特征在于，如果所述电池(4)的充电水平大于第一预定充电阈值并且如果所述光伏面板(3)能够产生所述内部能量盈余，则所述控制模块(6)被设计成确定所述系统(Ik)具有能量过剩。

4.根据权利要求2所述的太阳能家庭系统，其特征在于，如果所述电池(4)的充电水平小于第二预定充电阈值并且如果所述光伏面板(3)无法产生所述内部能量盈余，则所述控制模块(6)被设计成确定所述系统(Ik)具有能量不足。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的太阳能家庭系统，其特征在于，所述光伏面板(3)包括与所述光伏面板(3)的光伏单元类似的控制单元(10)，所述控制单元被连接为开路以使得跨其端子的控制电压取决于所述日照量，所述控制模块(6)被设计成获取所述控制电压并基于所述控制电压在时间T处评估所述日照量。

6.根据权利要求5所述的太阳能家庭系统，其特征在于，所述控制模块(6)被设计成在以下情况时估计所述系统(Ik)的光伏面板(3)能够产生所述内部能量盈余：

Vpv_Ik<Vmpp_est_Ik-G％或Vpv_Ik>Vmpp_est_Ik+G％，

其中Vmpp_est_Ik＝K*Vpv_oc，

其中：

-K是取决于所述光伏面板的特性的系数，K满足：0.7<K<0.8；

-G在1和20之间；

-Vpv_oc是所述控制电压；

-Vpv_Ik是跨所述光伏面板(3)的端子测得的电压。

7.根据前述权利要求之一所述的太阳能家庭系统，其特征在于，所述连接装置包括开关(9)，所述控制模块(6)被设计成切换所述开关以便产生能够在所述电力总线(2)上被检测到的切换序列，所述切换序列形成包含所述太阳能家庭系统(Ik)的标识符和所述状态信息的帧。

8.一种包括多个太阳能家庭系统(I1,…,IN)的电网(1)，每个太阳能家庭系统符合根据前述权利要求之一所述的太阳能家庭系统，所述太阳能家庭系统通过电力总线(2)彼此连接。

9.一种在根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能家庭系统中实现的用于交换电能的方法，包括以下步骤：

-确定所述系统(Ik)是否有能量过剩或者所述系统(Ik)是否有能量不足；

-如果所述系统(Ik)有能量过剩，则给予所述系统所述主控状态，并接着驱动所述连接装置来将所述系统连接到所述电力总线(2)，以使得所述系统将其具有的所述内部能量盈余分配给所述电网的其余部分；

-如果所述系统(Ik)有能量不足，则检查所述电网是否包括具有所述主控状态的另一系统(I)；

-如果是这种情形，则给予所述系统(Ik)所述从属状态，并接着驱动所述连接装置来将所述系统连接到所述电力总线，以使得所述系统回收来自所述电网的其余部分的所述外部能量盈余。

10.一种计算机程序，包括用于太阳能家庭系统(Ik)的处理组件以实现根据权利要求9所述的交换方法的指令。

11.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置储存计算机程序，所述计算机程序包括用于太阳能家庭系统(Ik)的处理组件以实现根据权利要求9所述的交换方法的指令。

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