CN115885444A - 用于从能量存储介质提取所需功率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在能量存储介质(121)经由DC‑DC转换器(122)连接至具有最大功率点跟踪(141)MPPT的逆变器(140)的太阳能板侧时，从能量存储介质(121)中提取所需功率(127)的方法；并且其中，所述方法包括以下步骤：利用太阳能板特性并且以所需功率(127)作为最大功率点来对电流‑电压曲线进行确定；以及对DC‑DC转换器(122)进行控制，使得输出遵循电流‑电压曲线，从而致使逆变器朝向最大功率点移动并且从能量存储介质提取所需功率(127)。

Description

用于从能量存储介质提取所需功率的方法和装置
技术领域
本发明特别地涉及当能量存储介质经由DC-DC转换器连接至具有最大功率点跟踪(MPPT)的逆变器的太阳能板侧时从能量存储介质提取所需功率。
背景技术
太阳能板装置包括一个或更多个太阳能板，所述一个或更多个太阳能板耦合至逆变器。在操作中，太阳能板通常用作电流源，在该电流源中，输送的电流取决于转换的光量。逆变器的目的是对由太阳能板输送的电力进行转换，并且在输出端处输送稳定的电压，即稳定的交流电压或直流电压。
除了逆变器电路之外，逆变器通常还包括最大功率点跟踪模块，简称MPPT模块。MPPT模块必须确保太阳能板在其最佳工作点运行。MPPT模块然后确保电负载使得太阳能板在其理想工作点运行，即在太阳能板输送其最大功率的理想工作点运行。这个理想工作点被称为最大功率点，简称MPP。
能量存储系统，例如电池，也可以耦合至太阳能板，太阳能板通过具有MPPT的逆变器耦合至电网。能量存储系统然后可以存储来自太阳能板的能量，太阳能板可能与逆变器并联。当没有产出时，例如在夜间，能量存储系统可以通过向电网输送能量来放电。
专利申请GB 2541431A描述了一种用于与电网上的微发电设备(例如光伏板)一起使用的电池存储系统，以对进入配电网或电网或者从配电网或电网输出的电力进行限制。电池存储系统连接至太阳能板仿真器的输入端，该仿真器在其输出端向光伏逆变器内的MPPT(最大功率点跟踪)电路呈现一个或更多个可设置的电压-电流曲线。电池存储装置和仿真器布置允许对电池放电率的多样选择并且允许连接至标准MPPT太阳能逆变器。电池存储系统还包括控制器，所述控制器用于：在能量输出高于设定阈值时，激活充电，并且在能量输入高于设定阈值时，对针对放电速率控制而呈现的最大功率点进行调整。可以针对每个电池或电池组提供电池控制模块，该控制模块具有过充电保护、过放电保护、过电流保护、或温度保护功能、或平衡功能中的至少之一。
由于大多数能量存储系统输送直流电压，因此将能量存储系统安装在逆变器的直流侧是最有效的。
一种解决方案是例如将能量存储系统安装在MPPT模块和逆变器电路之间，使得能量存储系统不干扰MPPT。这种解决方案的一个问题是逆变器通常作为一个单元提供，因此不可能在不调整逆变器的情况下对能量存储系统进行改造。
另一解决方案是将能量存储系统放置在逆变器前面，即逆变器和太阳能板之间。以此方式，只需通过将能量存储系统连接在太阳能板与逆变器之间，就可以对能量存储系统进行改造。然而，此解决方案的一个问题是电池会影响MPPT模块的操作，反之亦然。更具体地，很难使电池输送给定的预设功率。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种直接的解决方案来解决上述问题，该解决方案用于在太阳能板和逆变器之间提供具有可调节的可输送功率的能量存储系统。
根据第一方面，本发明涉及一种用于在能量存储介质经由DC-DC转换器连接至具有最大功率点跟踪MPPT的逆变器的太阳能板侧时从能量存储介质提取所需功率的方法；并且其中，所述方法包括以下步骤：
-利用太阳能板特性并以所需功率作为最大功率点MPP来对电流-电压曲线进行确定；
-对所述DC-DC转换器进行控制，使得输出遵循所述电流-电压曲线，从而致使所述逆变器朝向所述最大功率点移动并且从所述能量存储介质提取所需功率；
-其中，对所述电流-电压曲线进行确定还包括：对所述太阳能板特性的开路电压进行确定；并且
-其中，对所述DC-DC转换器进行控制还包括：利用所述电流-电压曲线的开路电压来对用于所述DC-DC转换器的偏置电压进行设置；以及对用于所述DC-DC转换器的最大输出电流进行设置，所述最大输出电流是根据所述电流-电压曲线以由逆变器施加的电压作为电压来获得的。
换言之，在放电期间，对能量存储介质的DC-DC转换器进行控制，使得MPPT模块在其输入极上了解到太阳能板的电流-电压曲线。因此，MPPT模块将调整其负载，以便尽可能快地朝向该电流-电压曲线的MPP移动。由于电流-电压曲线被选择成使得该电流-电压曲线具有作为MPP的所需的功率，因而该能量存储介质会输送所需功率。
有利的是，可以将这样的能量存储介质放置在逆变器的太阳能板侧，因为能量存储介质的功率输送是可调节的。这进一步允许能量存储介质以受控方式(例如以需求驱动方式)进行放电。
待确定的电流-电压曲线的一个可能参数是开路电压，即根据电流-电压曲线当没有电流流动时的电压。对所述电流-电压曲线进行确定还包括：对太阳能板特性的开路电压进行确定。然后，对DC-DC转换器进行控制还可以包括：利用该开路电压对用于所述DC-DC转换器的偏置电压进行设置。换言之，请求DC-DC转换器输送这样设置的电压，该电压等于电流-电压曲线的开路电压。这产生了DC-DC转换器的参数(即偏置电压)与电流-电压曲线的参数(即开路电压)之间的直接关系。
对DC-DC转换器进行控制还包括：对用于DC-DC转换器的最大输出电流进行设置，所述最大输出电流是根据电流-电压曲线以由逆变器施加的电压作为电压而获得的。换言之，所述电流-电压曲线是通过连续地调节根据电流-电压曲线的DC-DC转换器的最大输出电流而获得的。
由于MPPT模块对电压进行确定，这可以简单地通过以下来执行：对DC-DC转换器的输出处的电压进行测量，然后借助于电流-电压曲线对相应的电流值进行确定。另外有利的是，具有可调节输出电压和可调节最大输出电流的DC-DC转换器是容易获得的。因此，可以使用市场上已经可用的DC-DC转换器来执行该方法。
根据一个实施方式，对所述电流-电压曲线进行确定还包括：对太阳能板特性的短路电流进行确定。短路电流是确定电流-电压曲线的另一个可能参数，即电压为零时的电流，即在短路的情况下的电流。对电流-电压曲线进行确定然后还可以包括：基于所需功率和开路电压来对所述短路电流进行确定。
根据一个实施方式，对太阳能板特性的开路电压进行确定是基于由能量存储介质输送的电压来执行的。优选地，将开路电压选择成低于由能量存储介质输送的电压。
一些DC-DC转换器只能输送低于输入电压的输出电压，所述输入电压即由能量存储介质输送的电压。通过将开路电压选择成低于该电压，能够确保可以遵循整个电流-电压曲线。
根据一个实施方式，该方法还包括以下步骤：
-对由所述能量存储介质输送的电压何时低于给定限制电压进行检测；
-基于检测到的电压来对新的开路电压进行确定；
-基于所确定的新的开路电压来对新的电流-电压曲线进行确定；
-对所述DC-DC转换器进行控制，使得输出遵循所述电流-电压曲线，从而致使所述逆变器朝向所述最大功率点移动并且从所述能量存储介质提取所需功率。
能量存储介质的输出电压在放电期间会缓慢下降，导致转换器的最大输出电压也下降。通过执行上述步骤，能够确保DC-DC转换器可以在任何给定时刻更具体地在具有最高电压的区域遵循电流-电压曲线。
根据第二方面，提供了一种用于在太阳能板设备中存储和输送能量的装置，所述装置包括：
-能量存储介质；
-DC-DC转换器，所述DC-DC转换器用于将来自所述能量存储介质的电压转换为输出电压，并且所述DC-DC转换器能够连接至具有最大功率点跟踪MPPT的逆变器的太阳能板侧；以及
-控制单元，所述控制单元被配置成执行根据第一方面所述的方法。
根据第三方面，提供了一种太阳能板设备，所述太阳能板设备包括：
-至少一个太阳能板；
-逆变器；以及
-根据第二方面所述的装置。
根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，所述指令可以在计算机上运行，使得在所述程序在计算机上运行时执行根据第一方面所述的方法。
根据第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括根据第四方面所述的计算机程序产品。
附图说明
图1示出了根据一个实施方式的具有能量存储系统的太阳能板设备；
图2示出了根据一个实施方式的电流-电压曲线；
图3示出了根据一个实施方式的控制DC-DC转换器所执行的步骤；
图4示出了根据一个实施方式的控制DC-DC转换器所执行的另外的步骤；以及
图5示出了适于执行根据所描述的实施方式的各种方法的控制单元。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施方式的具有装置120的太阳能板设备100。太阳能板设备包括一个或更多个太阳能板101，所述一个或更多个太阳能板101经由逆变器140耦合至电力网络143。这种设备100可以例如设置在电力网络143的私人用户侧、工业用户侧或作为工业规模的电力解决方案。逆变器140包括DC-AC转换器142，该DC-AC转换器142将来自太阳能板的DC电压电平转换为网络143的AC电压电平。替选地，当被供应的是例如本地DC电压网络143时，DC-AC转换器142也可以是DC-DC转换器。逆变器140还包括用于最大功率点跟踪或MPPT的模块141。MPPT模块141然后确保太阳能板101在其理想工作点(即，最大功率点，简称MPP)下工作。在某些情况下，太阳能板将作为非理想电流源工作，如图2中的电流-电压曲线210所示。当太阳能板的端子短路时，电池板会输送所谓的短路电流213。随着负载的增加，该短路电流将随着电压的升高而缓慢下降，直到在某一时刻该短路电流在开路电压212处达到零。然后，MPPT模块141将调整太阳能板的负载，从而调整输出电压105，使得太阳能板输送其最大的功率，即位于MPP211处的位置。
装置120是能够耦合在太阳能板101与逆变器140之间的能量存储系统。装置120包括能量存储介质121，例如电池121，其输送DC电压VBAT126。装置120还可以包括连接部，以便从外部连接至这种能量存储介质。该输出电压126可以根据电池121的充电水平而变化。通常，该输出电压126将随着充电水平的增加而降低。能量存储介质121耦合至DC-DC转换器122，DC-DC转换器又耦合至逆变器140。DC-DC转换器可以被配置成输送确定的开路电压VDC124，并且将输送的电流限制到最大上限IMAX125。装置120还包括控制单元128，该控制单元128被配置成执行根据一个实施方式所述的方法的各个步骤，下文将参照图3和图4进行更详细的解释。该控制单元128被配置成基于所测量的电压105和所需功率127来朝向最大电流125和偏置电压124对DC-DC转换器122进行控制，使得能量存储介质121将该所需功率127经由逆变器140输送到网络143。控制单元128还可以基于由能量存储介质121输送的电压126来执行控制。
装置120还可以包括开关129，开关129允许太阳能板101在能量存储介质121的放电期间与逆变器140和DC-DC转换器122去耦。控制单元还可以被配置成利用由太阳能板产生的能量对能量存储介质121进行充电，太阳能板可能与逆变器140并联。
图3示出了能够由控制单元128执行的方法300的步骤，以允许能量存储介质121以所需功率127放电到逆变器140中。这优选地发生在太阳能板101不工作时，例如通过开关129将太阳能板去耦、通过在夜间或天黑时进行放电、或通过两者的组合。因此，方法300可以在能量存储介质121的放电循环期间执行。方法300确保DC-DC转换器122根据太阳能板的电流-电压曲线210而相对于逆变器140进行操作。对该电流曲线210进行选择以使得MPP211对应于所需功率127。由于逆变器140以MPPT工作，DC-DC转换器122将随着时间朝向MPP211移动，因而将所需功率127输送到逆变器。
太阳能板的电流-电压曲线的特征可以在于：短路电流ISC213、开路电压VOC212和填充因子(简称FF)。然后，它们确定MPP 211，因此确定所需功率127。该方法300示出了用于对确定的电流-电压曲线210进行选择以供控制单元128使用的步骤。
在第一步骤301中，对开路电压VOC323、212进行确定。开路电压VOC323、212是在逆变器140的工作范围内选择的，并且开路电压VOC 323、212优选地被选择为低于太阳能板101的最大开路电压。典型地，多个太阳能板串联成“串”进行布置，并且最大开路电压是整个串的开路电压。优选地，开路电压VOC 212被取为尽可能高，因为这样放电会尽可能高效地进行。因此，所选择的开路电压323可以被确定为逆变器的最大电压的预定百分比，例如80％或90％。
一些DC-DC转换器只能输送低于输入电压的电压，即降压转换器。在这种情况下，所选择的开路电压323因此必须被选择为低于能量存储介质的电压VBAT126。优选地，开路电压323被选择为略低于电压VBAT 126，这是因为电压126在放电期间可以进一步下降。因此，对于这种类型的DC-DC转换器，所选择的端子电压323可以被确定为电压VBAT 126的预定百分比，例如80％或90％。
在下一步骤302中，对电流-电压曲线210的短路电流213、327进行确定。当曲线210的填充因子固定时，可以基于MPP 211以及由此所需功率127并且基于开路电压323来对短路电流213、327进行确定。可以通过表310来对短路电流213、327进行确定，在该表310中，对于开路电压323和所需功率127的每个可能的集合都给出了相应的短路电流327。为此，开路电压323和所需功率127可以四舍五入到表310中的一组值。因此，执行步骤302能够确定用于定义电流-电压曲线所需的必要参数。以这种方式，获得关系304，其中，可以根据给定的输入电压即如由逆变器140施加的电压VMPPT来得出电流。例如，这可以通过基于所得出的值的分析函数来实现。这种分析函数的一个示例为：
Figure BDA0004007835160000091
其中，c是对曲线的填充因子FF进行确定的常数。c的示例值为c＝1.10-10。
然后，该方法继续到步骤303，步骤303用于连续地控制DC-DC转换器。在步骤303开始时，对DC-DC转换器的开路电压VDC进行调整，以对应于所得出的开路电压VOC 323。然后，根据得出的电流-电压特性210基于测量电压VMPPT来对最大电流IMAX 125进行设置。通常，MPPT模块141将首先对太阳能板的开路电压进行测量，并因此在点212处开始。然后在步骤303中相应地设置IMAX＝0。然后，MPPT模块141将通过调整电压105来迭代地朝向MPP 211移动，从而朝向所需功率PD 127移动。必须连续地控制电流IMAX，使得MPPT模块141中的MPPT算法不被中断。因此，优选地在与MPPT算法相同的时间间隔内对电流IMAX进行调整。典型地，该时间间隔将短于一秒，甚至是毫秒量级，例如在一毫秒至一百毫秒之间。
一些类型的DC-DC转换器122仅可以输送低于电池电压126的输出电压105。此外，电池电压126在放电期间可能下降。这可能会导致电池电压下降至低于设定电压124，并且因此低于开路电压212。当发生这种情况时，在步骤303中不再对设定电流-电压特性210进行调整。图4示出了额外的步骤401至403，以避免这种情况。在步骤303期间，在步骤401中以恒定的方式对电池电压126进行控制，例如每秒钟一次。只要测量的电池电压126在限制电压VT以上，步骤303就继续使用在步骤302中确定的特性304(参见箭头402)。如果测量的电池电压126下降到低于限制电压VT，则该方法经由步骤403返回到第一步骤301，以便对新的开路电压301进行确定，从而再次对新的特性304进行确定。
图5示出了用于执行根据上述实施方式的方法的步骤的合适的计算机系统500。计算机系统500通常可以采取适合于一般用途的计算机的形式，计算机系统500包括数据总线510、处理器502、本地存储器504、一个或更多个可选输入接口514、一个或更多个输出接口516、通信接口512、存储元件接口506、以及一个或更多个存储元件508。总线510可以包括一个或更多个导体，所述一个或更多个导体能够使计算机系统500的组件之间能够进行通信。处理器502可以包括解释和执行程序指令的任何类型的常规处理器或微处理器。本地存储器504可以包括存储由处理器502执行的信息和指令的随机存取存储器(RAM)或另一种类型的动态存储设备、以及/或者存储供处理器502使用的静态信息和指令的只读存储器(ROM)或另一种类型的静态存储设备。输入接口514可以包括允许操作者将信息输入至计算机设备500中的一个或更多个常规机制，例如键盘520、鼠标530、触笔、语音识别和/或生物识别机制等。输出接口516可以包括向操作者提供信息的一个或更多个常规机制，如显示器540、打印机550、扬声器等。通信接口512可以包括收发器类型的机制，例如一个或更多个以太网接口，其允许计算机系统500与其他设备和/或系统进行通信。计算机系统500的通信接口512可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)(例如因特网)连接至这样的另外的计算机系统。存储元件接口506可以包括存储接口，例如串行高级技术附件(SATA)接口或小型计算机系统接口(SCSI)，以用于将总线510与一个或更多个存储元件508(例如一个或更多个本地磁盘，例如SATA磁盘驱动器)进行连接，并且用于从这些存储元件508读取数据以及向这些存储元件写入数据。尽管上述存储元件508被描述为本地盘，但通常可以使用可以由计算机读取的任何其他合适的介质，例如可移动磁盘、光学存储介质，例如CD或DVD、CD-ROM、固态驱动器或闪存卡。
尽管本发明已经通过特定实施方式进行了说明，但是本领域技术人员将清楚，本发明不限于上述例示性实施方式的细节，并且本发明可以通过各种改变和修改来实现，而不因此脱离本发明的应用领域。因此，本实施方式在所有领域中都必须被视为是例示性的和非限制性的，并且本发明的应用领域由所附权利要求书来描述而不是通过上述描述来描述，因此落入权利要求书的含义和范围内的任何变化都被并入本文中。换言之，假设这涵盖了落入本专利申请中要求保护的基本原理和基本属性的应用范围内的所有改变、变化等。此外，本专利申请的读者将理解，术语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，单数的术语“一个/一种”不排除复数，并且单个元件，例如计算机系统、处理器或另一集成单元，可以执行权利要求书中提到的各种辅助装置的功能。权利要求书中的任何引用都不能解释为对相应权利要求书的限制。当在说明书或权利要求中使用时，术语“第一”、“第二”、“三”、“a”、“b”、“c”等用于区分相似的元件或步骤，并且不一定指示顺序或时间顺序。以同样的方式，术语“顶侧”、“底侧”、“上方”、“下方”等用于描述，而不一定指相对位置。应当理解，这些术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施方式可以按照与上面描述或例示的那些不同的顺序或方向根据本发明而起作用。

Claims (10)

1.一种计算机实现的方法(300)，所述计算机实现的方法(300)用于在能量存储介质(121)经由DC-DC转换器(122)连接至具有最大功率点跟踪(141)MPPT的逆变器(140)的太阳能板侧时，从所述能量存储介质(121)中提取所需功率(127)；并且其中，所述方法包括以下步骤：
-利用太阳能板特性并以所述所需功率(127)作为最大功率点(211)来对电流-电压曲线(211，304)进行确定(301，302)；
-对所述DC-DC转换器(122)进行控制(303)，使得输出遵循所述电流-电压曲线，从而致使所述逆变器朝向所述最大功率点(211)移动并且从所述能量存储介质提取所述所需功率(127)；
-其中，对所述电流-电压曲线进行确定(301，302)还包括：对所述太阳能板特性的开路电压(212，323)进行确定(301)；并且
-其中，对所述DC-DC转换器(122)进行控制(303)还包括：利用所述电流-电压曲线的开路电压(212，323)来对用于所述DC-DC转换器的偏置电压(124)进行设置；以及对用于所述DC-DC转换器(121)的最大输出电流(125)进行设置，所述最大输出电流(125)是根据所述电流-电压曲线以由所述逆变器(140)施加的电压(105)作为电压来获得的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述电流-电压曲线进行确定(301，302)还包括：对所述太阳能板特性的短路电流(213，327)进行确定。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，对所述电流-电压曲线进行确定(301，302)还包括：基于所述所需功率(127)和所述开路电压(212，323)来对所述短路电流(213，327)进行确定。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，对所述太阳能板特性的开路电压(212，323)进行确定是基于由所述能量存储介质(121)输送的电压来执行的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述开路电压(212，323)低于由所述能量存储介质(121)输送的电压。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
-对由所述能量存储介质(121)输送的电压何时低于给定限制电压(VT)进行检测(401)；
-基于检测到的电压，来对新的开路电压(212，323)进行确定(301)；
-基于所确定的新的开路电压(212，323)来对新的电流-电压曲线(211，304)进行确定(302)；
-对所述DC-DC转换器(122)进行控制(303)，使得输出(134)遵循所述电流-电压曲线，从而致使所述逆变器朝向最大功率点(211)移动并且从所述能量存储介质提取所述所需功率(324)。
7.一种用于在太阳能板设备中存储和输送能量的装置，所述装置包括：
-能量存储介质(121)；
-DC-DC转换器(122)，所述DC-DC转换器(122)用于将来自所述能量存储介质的电压转换为输出电压，并且所述DC-DC转换器(122)能够连接至具有最大功率点跟踪(103)MPPT的逆变器(102)的太阳能板侧(132)；以及
-控制单元，所述控制单元被配置成执行根据权利要求1至6中的一项所述的步骤。
8.一种太阳能板设备，所述太阳能板设备包括：
-至少一个太阳能板；
-逆变器；以及
-根据权利要求7所述的装置。
9.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，所述指令能够在计算机上运行，使得在所述程序在计算机上运行时执行根据权利要求1至6中的一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括根据权利要求9所述的计算机程序产品。
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