CN114172256B - 一种太阳能发电智能控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能发电智能控制装置，包括：太阳能电池、发电智能监控模块、储能变流模块、蓄电池、MCU控制模块及人机交互模块。本发明提供一种可预测太阳能发电能力、最大功率点跟踪、蓄电池荷电容量精确估算、充放电闭环控制和负载用能平滑调节的装置，以确保发电量预测、充放电深度和负载用能三者之间可以精准匹配，从而提高太阳能发电系统的转化效率和电源管理水平。

Description

一种太阳能发电智能控制装置
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体涉及一种太阳能发电监控装置及其控制方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源，是取之不尽用之不绝、廉价的绿色可再生能源。太阳能光伏发电是利用太阳辐射能产生的光生伏特效应进行发电的技术。
现有通过仿真的方式获得太阳能电池的电压-电流曲线和功率-电压曲线。由于太阳能电池主要受到温度、光强以及自身材料特性的影响，其输出特性具有一定的非线性。因此通过特性曲线的仿真并不能真实获得太阳能电池的发电能力，进而无法精确控制蓄电池的充放电深度，也无法合理满足负载用能的非线性需求。
现有一种蓄电池充电控制技术，采用开路电压监测和温度系数补偿的方法，经恒压限流、限流限压和浮充三个阶段的充电控制，使蓄电池的荷电容量发生变化。这种方法采用充电电压与充电电流的跟随关系以及温度系数的修正关系进行开环控制，需要用较长的时间轴监测充电电流的瞬时值维持不变，才能判定蓄电池充电完成。这种控制方法带有时间滞后性，且温度系数修正关系会随环境温度发生变化，容易导致蓄电池被惯性过充电或欠充电。
现有一种蓄电池放电控制技术，通过估算蓄电池的荷电容量来控制蓄电池的放电过程。然而在实际估算蓄电池的荷电容量时受到电压、电流、温度和内阻等因素的影响，荷电容量很难直接由电池本身得到，只能通过其影响因素间接推算出来，这种估算方法存在精确度不高的缺陷，也有一些先进的估算方法虽能保证精确度，但运算量大，对硬件要求较高，导致成本成倍增加。
因此，有必要提供一种可预测太阳能发电能力、最大功率点跟踪、蓄电池荷电容量精确估算、充放电闭环控制和负载用能平滑调节的装置，以确保发电量预测、充放电深度和负载用能三者之间可以精准匹配，从而提高太阳能发电系统的转化效率和电源管理水平。
发明内容
为了确保发电量预测、充放电深度和负载用能三者之间可以精准匹配，提高太阳能发电系统的转化效率和电源管理水平，本发明提供一种太阳能发电智能控制装置，包括：太阳能电池、发电智能监控模块、储能变流模块、蓄电池、MCU控制模块及人机交互模块。
发电智能监控模块包含发电预测子模块和MPPT子模块，其中发电预测子模块包括太阳能辐照仪、温度传感器及发电预测计算子模块；太阳能辐照仪，用于探测太阳能电池的辐射量；温度传感器，用于探测太阳能电池的环境温度；发电预测计算子模块用于根据待测时间以前N小时内采集的太阳能辐射量、环境温度T，对待测时间太阳能电池发电能力M进行评估，其中N为大于1的正整数，包括：
当T≤25度时，基于下述公式确定M的值：
Figure BDA0003420720990000021
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，α为太阳能辐射量动态调整因子，α的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，β为环境温度动态调整因子，β的范围是大于1的正整数，随着温度的增加而增加；
当25<T<50度时,基于下述公式确定M的值：
Figure BDA0003420720990000031
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，λ为太阳能辐射量动态调整因子，λ的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，γ为环境温度动态调整因子，γ的范围是0<γ<1，随着温度的增加而减小。
MCU控制模块，用于根据天气预报数据、人机交互模块获取的交互数据、发电预测子模块的待测时间太阳能电池发电能力M，控制待测时间蓄电池的充放电深度和蓄电池电压电流的输出值以及确定是否同时给储电池和负载同时供电，并将太阳能发电系统状态的实时信息发送到人机交互模块进行显示；其中，天气预报数据为根据天气预报系统预测的待测时间天气数据中与太阳能电池发电相关的数据，包括光照强度、温度；交互数据包括待测时间；
储能变流模块用于控制蓄电池的充电、放电以及蓄电池的状态管理；
人机交互模块，用于人机数据交互。
优选的，MPPT子模块，用于跟踪太阳能电池最大发电功率，根据发电预测子模块提供的M和太阳能电池的实时发电状态，控制太阳能电池板始终工作在最大功率点附近；
优选的，储能变流模块，包括:充电子模块、放电子模块和BMS子模块。
充电子模块包括第一电压电流检测器、第二电压电流检测器、充电控制子模块；
所述第一电压电流检测器，用于对太阳能电池的输出电流、漏电流和输出电压检测；
第二电压电流检测器，用于对蓄电池的充电电流、充电电压检测；
所述充电控制子模块，用于采集蓄电池的充电电流、充电电压检测数据，控制和调节蓄电池的充电过程；
放电子模块，包括：变压器、第三电压电流检测器、放电控制子模块、直流/交流转换器；
第三电压电流检测器，用于对变压器的输出电压、电流进行检测；
放电控制子模块，用于采集蓄电池的放电电流、放电电压检测数据，控制和调节蓄电池的放电过程；
直流/交流转换器，用于从蓄电池取电，将直流电转换成交流电；
优选的，BMS子模块，用于管理电池的过充、过放及荷电量计算。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
提供一种可预测太阳能发电能力、最大功率点跟踪、蓄电池荷电容量精确估算、充放电闭环控制和负载用能平滑调节的装置，以确保发电量预测、充放电深度和负载用能三者之间可以精准匹配，从而提高太阳能发电系统的转化效率和电源管理水平。
附图说明
图1为一种太阳能发电智能控制装置的示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一种太阳能发电监控装置示意图。所述装置包括：太阳能电池、发电智能监控模块、储能变流模块、蓄电池、MCU控制模块及人机交互模块。
1.发电智能监控模块包含发电预测子模块和MPPT子模块，其中发电预测子模块包括太阳能辐照仪、温度传感器及发电预测计算子模块；太阳能辐照仪，用于探测太阳能电池的辐射量；温度传感器，用于探测太阳能电池的环境温度；发电预测计算子模块用于根据待测时间以前N小时内采集的太阳能辐射量、环境温度T，对待测时间太阳能电池发电能力M进行评估，其中N为大于1的正整数，包括：
当T≤25度时，基于下述公式确定M的值：
Figure BDA0003420720990000051
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，α为太阳能辐射量动态调整因子，α的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，β为环境温度动态调整因子，β的范围是大于1的正整数，随着温度的增加而增加；
当25<T<50度时,基于下述公式确定M的值：
Figure BDA0003420720990000052
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，λ为太阳能辐射量动态调整因子，λ的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，γ为环境温度动态调整因子，γ的范围是0<γ<1，随着温度的增加而减小；
上述评估方法的好处在于能精准的计算太阳能电池发电能力，且动态调整因子可以灵活的随着太阳能辐射量和环境温度的变化而变化。
MPPT子模块，用于跟踪太阳能电池最大发电功率，根据发电预测子模块提供的M和太阳能电池的实时发电状态，控制太阳能电池板始终工作在最大功率点附近；
2.MCU控制模块，用于根据天气预报数据、人机交互模块获取的交互数据、发电预测子模块的待测时间太阳能电池发电能力M，控制待测时间蓄电池的充放电深度和蓄电池电压电流的输出值，以及确定是否同时给储电池和负载同时供电并将太阳能发电系统状态的实时信息发送到人机交互模块进行显示；其中，天气预报数据为根据天气预报系统预测的待测时间天气数据中与太阳能电池发电相关的数据，包括光照强度、温度；交互数据包括待测时间；
具体的，当天气预报的数据和发电预测子模块待测时间太阳能电池发电能力M较好时，可以同时给储电池和负载供电；
当天气预报的数据和发电预测子模块待测时间太阳能电池发电能力M较差时，优先保证负载供电，即负载供电的优先级高于储电池；
3.储能变流模块用于控制蓄电池的充电、放电以及蓄电池的状态管理；
具体的，储能变流模块，包括:充电子模块、放电子模块和BMS子模块。
充电子模块包括第一电压电流检测器、第二电压电流检测器、充电控制子模块；
第一电压电流检测器，用于对太阳能电池的输出电流、漏电流和输出电压检测；
第二电压电流检测器，用于对蓄电池的充电电流、充电电压检测；
充电控制子模块，用于采集蓄电池的充电电流、充电电压检测数据，控制和调节蓄电池的充电过程；
放电子模块，包括：变压器、第三电压电流检测器、放电控制子模块、直流/交流转换器；
第三电压电流检测器，用于对变压器的输出电压、电流进行检测；
放电控制子模块，用于采集蓄电池的放电电流、放电电压检测数据，控制和调节蓄电池的放电过程；
直流/交流转换器，用于从蓄电池取电，将直流电转换成交流电；
BMS子模块，用于管理电池的过充、过放及荷电量计算。
4.人机交互模块，用于人机数据交互。
进一步地，所述人机交互模块包括输入设置子模块、显示屏模块；
所述输入设置子模块，用于输入数据，所述数据包括待测时间、预测待测时间发电量的历史数据；
所述显示屏，实时显示太阳能发电系统状态信息。
本实施例与现有技术相比，具有以下优点：
提供一种可预测太阳能发电能力、最大功率点跟踪、蓄电池荷电容量精确估算、充放电闭环控制和负载用能平滑调节的装置，以确保发电量预测、充放电深度和负载用能三者之间可以精准匹配，从而提高太阳能发电系统的转化效率和电源管理水平。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能发电智能控制装置，其特征在于，所述装置包括：太阳能电池、发电智能监控模块、储能变流模块、蓄电池、MCU控制模块及人机交互模块；
所述发电智能监控模块包含发电预测子模块和MPPT子模块，其中发电预测子模块包括太阳能辐照仪、温度传感器及发电预测计算子模块；所述太阳能辐照仪，用于探测太阳能电池的辐射量；
所述温度传感器，用于探测太阳能电池的环境温度；所述发电预测计算子模块用于根据待测时间以前N小时内采集的太阳能辐射量、环境温度T，对待测时间太阳能电池发电能力M进行评估，其中N为大于1的正整数，包括：
当T≤25度时，基于下述公式确定M的值：
Figure FDA0003790266630000011
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，α为太阳能辐射量动态调整因子，α的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，β为环境温度动态调整因子，β的范围是大于1的正整数，随着温度的增加而增加；
当25<T<50度时,基于下述公式确定M的值：
Figure FDA0003790266630000012
其中Qi表示待测时间以前第i小时采集的太阳能辐射量，Ti表示待测时间以前第i小时的环境温度，λ为太阳能辐射量动态调整因子，λ的范围是大于1的正整数，随着太阳能辐射量的增加而增加，γ为环境温度动态调整因子，γ的范围是0<γ<1，随着温度的增加而减小；
所述MCU控制模块，用于根据天气预报数据、人机交互模块获取的交互数据、发电预测子模块的待测时间太阳能电池发电能力M，控制待测时间蓄电池的充放电深度、蓄电池电压电流的输出值以及确定是否同时给蓄电池和负载供电，并将太阳能发电系统状态的实时信息发送到人机交互模块进行显示；其中，所述天气预报数据为根据天气预报系统预测的待测时间天气数据中与太阳能电池发电相关的数据，包括光照强度、温度；所述交互数据包括待测时间；
所述储能变流模块用于控制蓄电池的充电、放电以及蓄电池的状态管理；
所述人机交互模块，用于人机数据交互。
2.如权利要求1所述的太阳能发电智能控制装置，其特征在于，所述MPPT子模块，用于跟踪太阳能电池最大发电功率，根据发电预测子模块提供的M和太阳能电池的实时发电状态，控制太阳能电池板始终工作在最大功率点附近。
3.如权利要求1所述的太阳能发电智能控制装置，其特征在于，
所述储能变流模块，包括:充电子模块、放电子模块和BMS子模块。
4.如权利要求3所述的太阳能发电智能控制装置，其特征在于，所述充电子模块包括第一电压电流检测器、第二电压电流检测器、充电控制子模块；
所述第一电压电流检测器，用于对太阳能电池的输出电流、漏电流和输出电压检测；
所述第二电压电流检测器，用于对蓄电池的充电电流、充电电压检测；
所述充电控制子模块，用于采集蓄电池的充电电流、充电电压检测数据，控制蓄电池的充电过程。
5.如权利要求3或4所述的太阳能发电智能控制装置，其特征在于，所述放电子模块，包括：变压器、第三电压电流检测器、放电控制子模块、直流/交流转换器；
所述第三电压电流检测器，用于对变压器的输出电压、电流进行检测；
所述放电控制子模块，用于采集蓄电池的放电电流、放电电压检测数据，控制和调节蓄电池的放电过程；
所述直流/交流转换器，用于从蓄电池取电，将直流电转换成交流电。
6.如权利要求3或4所述的太阳能发电智能控制装置，其特征在于，所述BMS子模块，用于管理电池的过充、过放及荷电量计算。
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