CN114553124A - 用于光伏电池控制的多电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种多电源系统，包括第一电源、与第一电源并联的第二电源和阻止第二电源的电能驱动第一电源而允许第一电源为第二电源充电的二极管。该系统还包括可操作地耦合至第一电源和第二电源的控制器、以及与第一电源、第二电源和负载中的一个或多个串联连接的多个场效应晶体管(FET)，其中控制器能够转换多个FET使得第一电源能够驱动负载或者使得第二电源能够驱动负载。

Description

用于光伏电池控制的多电源系统
分案申请
本发明是申请号为201810282832.5的发明专利申请的分案申请。原申请的申请日为2018年04月02日，申请号为201810282832.5，发明名称为“用于光伏电池控制的多电源系统”。
技术领域
本发明涉及一种双电源系统及控制算法，该算法用于确定将哪个电源应用于负载。特别地，本发明涉及太阳能系统，并更特别地涉及自供电太阳跟踪系统以及在太阳能和电池电能之间转换以驱动太阳跟踪器的控制系统和算法。
背景技术
在双电源和多电源系统，已经开发了许多电源控制解决方案。在太阳跟踪器方案中，特别是自供电太阳跟踪器方案中，如在2016年12月15日提交的，共同拥有的名称为“自供电太阳能跟踪器装置”，公开号为2016/0308488的美国专利中所描述，已经开发了某些控制系统。其中一个控制系统确定将应用于驱动电机的动力来源，该电机驱动太阳跟踪器追踪太阳，以确保太阳能面板被定位为最大限度地产生能量。能够使用的一个来源是太阳能电池组件产生的电力。通常，这种太阳能电池组件尤其地分配为仅用于产生驱动电机的电能。单个面板，即使是相对小的面板通常足以驱动电机，这可能仅需要每天约15W(通常在每天约10W和25W之间)来驱动太阳跟踪器。在某种程度上，这个很小的负载是对太阳追踪器自身和高精度工程的平衡的证明，通过平衡和减少系统内的摩擦大大减少了机械负荷。
尽管系统的负载相对低，但仍有一些时候，专用太阳能电池所产生的能量不足以驱动电机。例如，当系统跟随日落回到早晨开始位置时，这可能发生。或者当太阳被云层遮盖且太阳能面板无法产生足够的动力来驱动电机时，这可能发生。在这些情况下，使用电池驱动太阳跟踪器。应当理解的是，在两个供能系统(即太阳能面板或电池)之间转换的能力是任何此类系统的重要特征。尽管已经开发出支持这种转换的系统，但是总是需要改进和更高效的系统。
发明内容
本发明涉及一种多电源系统，包括第一电源、与第一电源并联的第二电源和阻止第二电源的电能驱动第一电源而允许第一电源为第二电源充电的二极管。该系统还包括可操作地耦合至第一电源和第二电源的控制器、与第一电源中的、第二电源和负载中的一个或多个串联连接的多个场效应晶体管(FET)，其中控制器能够转换多个FET使得第一电源能够驱动负载或者使得第二电源能够驱动负载。
第一电源可为太阳能面板阵列，例如多个太阳能面板组成的太阳跟踪器。负载可为用于驱动太阳跟踪器的驱动电机。第二电源可为电池。
该系统还包括比较第一电源和第二电源的输出的多个比例-积分-微分控制器。此外，多个FET可为以相反方式操作的两个FET。根据本发明的一个方面，该系统还包括与第二电源串联的电感器，其中该FET设置为通过将电感器两端的电流的方向控制为负值来由第一电源对第二电源充电。附加地或可替代地，该系统还包括与第二电源串联的电感器，其中FET设置为通过将电感器两端的电流的方向控制为正值来引起第一电源向负载供电。此外，该系统包括与第二电源串联的电感器，其中通过使电感器两端的电流方向为零来断开第二电源与负载电连接。
附加地或可替代地，该系统可还包括与负载电机并联的电容器。此外，当汇流条电压低于低电压阈值时，调节多个FET使得第一电源向第二电源充电。进一步地，当汇流条电压高于高电压阈值时，多个FET不可用。此外，当汇流条电压在高电压阈值和低电压阈值之间时，在第二电源上检测充电状态，在这种情况下，充电状态表示第二电源电量低，随后调节多个FET使得第一电源向第二电源充电。
附图说明
以下参照附图描述了本发明的各个方面，这些附图并入并构成本说明书的一部分，其中
图1示出了根据本发明的自供电太阳跟踪系统；
图2示出了根据本发明的自供电太阳跟踪器的驱动机构的详细视图；
图3示出了根据本发明的自供电太阳跟踪器的控制系统的原理图；
图4示出了根据本发明的多电源系统的原理图；
图5示出了图4的硬件原理图，包括根据本发明的双向电能控制电路的细节；
图6示出了根据本发明的与图4和图5相关联的控制原理图；以及
图7示出了根据本发明的控制算法的逻辑流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于控制双电源系统的系统和方法，凭此单个负载可由两个独立电源单独地或共同地驱动，尽管此处通常在使用光伏(太阳能)板和电池提供能量驱动电机转动跟踪器组件的自供电太阳跟踪装置的情况下进行了描述，但是此处描述的系统、电路图和算法在任何情况下都有两个电源。特别地，当一个电源为将使用的首选电源而系统在转换至另一电源时应当几乎不出现延迟时，本发明的系统和算法非常有用。本发明的另一个使用环境为在太阳能发电厂区域中，该发电厂连接至大型电网，并可与能够用于在太阳能面板不能满足需求时向电网提供电能的大型电池组相关联。在2017年3月31日提交的共同拥有的名称为“标准储能容器平台”，公开号为2017/0288184的美国专利中教导了蓄电池箱，名称为“用于标准能量存储封装平台的直流电池组串”，申请序号为15/872,071的美国专利教导了用于将电池和光伏系统连接至能源网的控制器和系统。这两篇参考文献均通过引用并入本文。需要监视和在能量供给系统之间转换的其他双电源能量系统也在本发明的范围内。
图1示出了太阳跟踪系统10，其通常部署为更大阵列的一部分。每个跟踪器10包括多个光伏面板12(太阳能面板)。电机14驱动轴15，太阳能面板12固定在该轴15上。通过驱动轴14，太阳能面板12与太阳保持适当的角度以确保最大的发电量。轴15悬在电机14与摆动支架或旋转支架16之间。电机14和旋转支架16均支撑在立杆18上。
图2示出了电机14附近的跟踪系统10的区域。可以看出，专用驱动太阳能板20位于电机14附近并且由轴15支撑。箱22悬挂在轴15的下侧或者安装立杆18上。箱22容纳电池24例如锂离子(Li-ion)电池和控制器26。控制器26向电机14提供输入，该输入是关于是否驱动轴15以及将轴15驱动多远，从而使面板12能够跟踪太阳。
在图3中能够看到控制器26的一个示例。控制器26包括控制区28，控制区28容纳有通信组件30(例如无线个域网、无线局域网、蓝牙等)、倾角仪32和主控制器(MCU)34。主控制器34与电池充电器36通信以控制电池24的充电，并与控制电机14的驱动的电机驱动控制器40通信。如图3所示，太阳能面板20向电池充电器36提供电力，该电力根据主控制器34的判断或者被引导至电池24进行充电，或者被引导至升压转换器38以应用至电机14，并实际引起电机14驱动。主控制器34还可以基于来自太阳能面板20的输入来确定供应的能量是否不足以驱动电机14，并且能够使得电池24中存储的能量将被用于该目的。
图4为根据本发明的双电源供应的高层次原理图，可用于代替图3中的部件或与图3中的部件结合。太阳能面板20与电池24通过中央汇流条42并联连接。负载(例如电机14)也与中央汇流条42并联连接。控制器(例如主控制器34)接收来自每个太阳能面板20、电池24和汇流条42的输入。基于这些输入，主控制器34可确定是否使用太阳能面板20的输出、电池24的输出驱动电机14以及驱动电机14所应用的每个输出的比例来。更进一步，控制器可确定何时为电池24充电。目标是能够使用太阳能面板20或电池24而不中断电机14的驱动。如下文将更详细描述的，来自主控制器34的信号被输入到双向电能变换器44以实现来自太阳能面板20、电池24或两者的所需的输出，或者实现电池24的充电。
图5为图4中示出的系统的硬件原理图。太阳能面板20提供了向中央汇流条42(由电容器C1表示)的输出。一对场效应晶体管(FET)46和48用于有选择地允许电流流入和从电池24流出，或者阻止电流从电池24流出。太阳能面板20总是向中央汇流条42以及电机14供应其产生的任何电流。基于主控制器34的确定，该对FET46和48打开或关闭以调节电池24充电电压，电池24的放电或者将电池24从回路中移除。该对FET46和48以例如50KHz的速率打开或关闭，(例如脉冲)，以完成这三种状态。
当确定电池充分充电，且太阳能面板20提供足够的电力驱动电机14，控制器34将控制该对被脉冲的FET46和48的平均工作周期，这样使得太阳能面板20主要向电机14提供电力并向电池24提供有限的充电，以适当的保持电池24的完全充电。这样，电池的充电和放电循环能够最小化并且提高电池的预期寿命。特别地，电池24不连续从太阳能面板20充电，并且仅当确定太阳能面板20不提供足够的电力(电流)驱动电机14时电池24放电。如果电池24充电且太阳能面板提供足够的功率，那么电池24本质上从放电电路移除，以防止其电能意外降低。
图6为控制原理图，示出了向FET46、48提供输入并控制电池24的充电、放电和移除所需的逻辑。在图6中，例如使用最大功率点跟踪(MPPT)确定的由太阳能面板20的输出电压与由主控制器提供的参考电压进行比较，以在最小/最大选择器51中确定哪一个较大。该最小/最大选择器51的输出随后在比较器52中与参考电压进行比较。比较器52的输出被输入到PID(比例-积分-微分)控制器54。然后PID控制器的输出被提供给最小/最大选择器56。
与此同时，在上述太阳能面板20的输出确定的情况下，关于电池24进行类似的确定。电池24的电压与参考电压在比较器58中进行比较。比较器58的输出通过第二PID控制器60。比较器58的输出也提供给最小/最大选择器56。该最小/最大选择器56比较PID控制器60的输出与PID控制器54的输出，其中较大的值被提供为比较器62的输入。然后比较器62将该值与电池24的电流进行比较。在电感器25处测量电池24的电流。电感器25处的正电流指示电池24正在放电，而负电流意味着电池24正在充电。来自比较器62的值的结果被馈送到PID控制器64以驱动该对FET 46和48，使得电池24适当地充电、放电或从电路中移除以适当地维持电池24。
不同于监视太阳能面板20和电池24的输出，可以采用图7中描绘的第二算法来确定FET 46和48的状态。如图7所示，监视汇流条42的电压。参照图5，汇流条42的电压是电容器C1两端的电压。
在该图的外部环路中，太阳能面板20和电池24在汇流条42(C1)两端提供足够的电压。汇流条42的电压由控制器34持续监视71。如果所测量的汇流条42电压低于低电压阈值电压(例如，低于MPPT(最大功率点电压)设置，则汇流条42电压由该对FET 46和48调节72。第一FET 46和第二FET 48由控制器34以例如50KHz的速率脉冲至MPPT电压。如果所测量的汇流条42电压高于高电压阈值，该对FET 46和48不可用74，并且控制器34检查汇流条42电压是否在低汇流条电压和电池24电压之间74。如果汇流条42电压不在低汇流条电压和电池24的电压之间74，则该对FET 46和48不可用74，并且控制器34返回到监视模式71。如果汇流条42的电压在低汇流条电压阈值和电池24电压之间，那么FETS能够调节72汇流条42电压。如果汇流条42电压处于高电压阈值和低电压阈值之间，则控制器34检查以查看电池24是否完全充电73。如果电池24没有完全充电，则控制器34使该对FET 46和48能够在MPPT电压调节汇流条42电压72。如果电池24被完全充电，则该对FET46和48不可用74，并且控制器34返回监视模式71。以这种方式，汇流条42电压可以保持相对恒定。这意味着光伏能量、电池能量和负载需求处于平衡状态。此外，一旦电池24完全充电并且太阳能面板20在汇流条42两端提供足够的电压，电池24在充电和放电之间的循环可以最小化。通过改变第一FET46和第二FET48的平均工作周期控制该充电和放电。此外，在充电期间和未充电期间可以定期检查电池24以确保其准备好并且在需要时能够满足电机14的需求。
尽管在附图中已经示出了本发明的一些实施例，但是本发明不旨在限于此，而是意在本发明的范围与本领域允许的范围同样宽，说明书也是同样的。上述实施例的任何组合也已设想并且处于所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应该被解释为限制，而仅仅是作为特定实施例的示例。本领域技术人员将想到的其他修改在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种多电源系统，包括：
中央汇流条；
第一电源，所述第一电源耦合至所述中央汇流条；
与第一电源并联的第二电源，所述第二电源耦合至所述中央汇流条；
可操作地耦合至第一电源和第二电源以及中央汇流条的控制器；以及
与第一电源中、第二电源和负载中的一个或多个耦合的双向电能变换器，其中控制器能够控制双向电能变换器使得第一电源能够驱动负载，使得第二电源能够驱动负载，或者防止来自所述第二电源的电能驱动所述第一电源，而允许所述第一电源为所述第二电源充电。
2.根据权利要求1所述的多电源系统，其特征在于，所述第一电源为太阳能面板阵列。
3.根据权利要求2所述的多电源系统，其特征在于，所述第一电源为由多个太阳能面板组成的太阳跟踪器。
4.根据权利要求3所述的多电源系统，其特征在于，所述负载为用于驱动太阳跟踪器的驱动电机。
5.根据权利要求1所述的多电源系统，其特征在于，所述第二电源为电池。
6.根据权利要求1所述的多电源系统，还包括比较第一电源和第二电源的输出的多个比例-积分-微分控制器。
7.根据权利要求1所述的多电源系统，其特征在于，双向电能变换器包括以相反方式操作的多个场效应晶体管FET。
8.根据权利要求7所述的多电源系统，还包括与第二电源串联的电感器，其中多个FET设置为通过将电感器两端的电流的方向控制为负值来由第一电源对第二电源充电。
9.根据权利要求7所述的多电源系统，还包括与第二电源串联的电感器，其中多个FET设置为通过将电感器两端的电流的方向控制为正值来由第一电源对负载供电。
10.根据权利要求7所述的多电源系统，还包括与第二电源串联的电感器，其中通过使电感器两端的电流方向为零来断开第二电源与负载电连接。
11.根据权利要求7所述的多电源系统，其特征在于，当中央汇流条的电压低于低电压阈值时，调节多个FET使得第一电源向第二电源充电。
12.根据权利要求7所述的多电源系统，其特征在于，当中央汇流条的电压高于高电压阈值时，多个FET不可用。
13.根据权利要求7所述的多电源系统，其特征在于，当中央汇流条的电压在高电压阈值与低电压阈值之间时，在第二电源上检测充电状态，在这种情况下，充电状态表示第二电源电量低，随后调节多个FET使得第一电源向第二电源充电。
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