CN115963424A

CN115963424A - 储能电源负载接入状态检测及其节能控制方法及储能电源

Info

Publication number: CN115963424A
Application number: CN202310251065.2A
Authority: CN
Inventors: 雷健华; 马辉; 黄志恒; 郭志华; 马昌峰
Original assignee: Shenzhen Delian Minghai New Energy Co ltd
Current assignee: Shenzhen Delian Minghai New Energy Co ltd
Priority date: 2023-03-16
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2043-03-16
Also published as: CN115963424B

Abstract

本发明公开了一种储能电源负载接入状态检测方法，所述储能电源包括逆变电源，所述方法包括以下步骤：S1:对所述逆变电源的输出电压及输出电流进行采样，并计算输出的视在功率；S2:判断所述视在功率是否小于预设功率阈值；若所述视在功率大于预设功率阈值，则检测结果为储能电源有负载接入；若所述视在功率小于预设功率阈值，则执行主动负载在线检测算法以进行二次检测，并根据二次检测结果判断是否有负载接入。本发明能够自动地识别负载接入状态，且在接入的负载为小功率负载时减少负载接入状态误判、提高储能电源负载接入状态检测准确率，从而避免因误判关闭逆变电源输出，导致负载断电。

Description

储能电源负载接入状态检测及其节能控制方法及储能电源

技术领域

本发明涉及储能电源领域，特别是涉及储能电源负载接入状态检测及其节能控制方法及储能电源。

背景技术

得益于锂电池的技术进步及工艺改进，激发了户外或家庭场景下的便捷离网用电需求，便携储能市场规模呈现爆发式增长，然而受限于便携储能电源对体积和重量的要求，便携储能电源内置电池容量受到严格的限制，为了提升储能电源的待机时长，减少电池电量消耗，同时解决用户忘记关闭储能电源输出或者负载暂停工作等场景下电源空载开机带来的电池放电过快的问题，如何降低储能电源的空载损耗成为一个迫切需要解决的问题。

现有的降低逆变电源离网空载损耗的技术方案主要有两种：方案一是通过检测逆变电源的输出功率，当输出功率小于设定的门限阈值且持续一段时间后，判定逆变电源为空载状态并关闭输出，从而降低空载损耗；方案二则是设计了专用的负载检测电路，当检测负载接入时能够自动启动电源输出，当检测负载关断时自动关闭电源输出，达到降低电池电量消耗的目的。

上述方案一为软件逻辑实现，不需要增加额外的硬件成本和体积占用，但受限于功率采样精度的影响，当接入小功率负载时，逆变电源存在误判空载从而关闭电源输出导致负载断电的缺点，同时，当负载再次接入时，逆变电源无法自动识别开机，必须要手动操作，降低了电源使用便捷性。

上述方案二为硬件功能电路实现，能够自动识别负载接入状态，实现电源自动开关机带载，但专用的负载检测电路增加了硬件成本以及电源体积和重量，降低了便携性，同时，复杂的电路给电源系统引入了更多的不稳定性和故障率。

发明内容

本发明的目的在于解决提高储能电源负载接入状态检测准确率及在实现储能电源自动开机带载的前提下降低储能电源的空载损耗的问题，提供储能电源负载接入状态检测及其节能控制方法及储能电源。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种储能电源负载接入状态检测方法，所述储能电源包括逆变电源，所述方法包括以下步骤：

S1:对所述逆变电源的输出电压及输出电流进行采样，并计算输出的视在功率；

S2:判断所述视在功率是否小于预设功率阈值；若所述视在功率大于预设功率阈值，则检测结果为储能电源有负载接入；若所述视在功率小于预设功率阈值，则执行主动负载在线检测算法以进行二次检测，并根据二次检测结果判断是否有负载接入。

在一些实施例中，所述主动负载在线检测算法包括：向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，根据所述电压响应判断是否有负载接入。

在一些实施例中，所述逆变电源包括逆变桥、控制器和交流输出滤波电路，所述逆变桥连接所述交流输出滤波电路，所述控制器与所述逆变桥以及所述交流输出滤波电路连接，所述交流输出滤波电路包括滤波电容及与其并联的放电电阻，所述交流输出滤波电路在负载接入时与负载并联；所述向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，根据所述电压响应判断是否有负载接入包括以下步骤：

A1:当所述控制器控制所述逆变桥的驱动从正弦参考波的零点开始发波，发波至正弦参考波峰值时封波关断驱动信号，使得所述滤波电容两端的电压为所述逆变电源的额定峰值电压；

A2:在封波关断驱动信号的同时开始计时，计时过程中实时采样监测所述滤波电容两端的电压；

A3:当检测到所述滤波电容放电至预设电压值时停止计时，获取计时数值，所述计时数值即所述滤波电容的电压从额定峰值电压放电至预设电压值的放电时长；

A4:根据所述计时数值计算所接负载的额定功率，并判断所述负载的额定功率是否小于预设负载功率阈值；若所述负载的额定功率大于预设负载功率阈值则检测结果为储能电源有负载接入，若所述负载的额定功率小于预设负载功率阈值则检测结果为储能电源无负载接入。

在一些实施例中，所述预设电压值为所述逆变电源的额定峰值电压的3%-10%。

在一些实施例中，所述预设电压值为所述逆变电源的额定峰值电压的5%。

本发明还提出了一种储能电源节能控制方法，包括以下步骤：

B1:执行上述的储能电源负载接入状态检测方法检测储能电源负载接入状态；

B2:若检测结果为储能电源有负载接入，控制器控制启动逆变桥的驱动发波，使逆变电源恢复额定交流正弦波输出。

B3:若检测结果为储能电源无负载接入，在滤波电容放电至预设电压值后，所述控制器控制所述逆变桥的驱动发波以执行所述主动负载在线检测算法。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源负载接入状态检测方法的步骤。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源节能控制方法的步骤。

本发明还提出了一种储能电源，包括计算机可读存储介质及处理器，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源节能控制方法的步骤。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

本发明在对逆变电源的输出电压及输出电流进行采样、计算输出的视在功率后，在视在功率小于预设功率阈值的情况下执行主动负载在线检测算法进行二次检测，能够自动地识别负载接入状态，通过二次检测提高储能电源负载接入状态检测的准确率，特别是在接入的负载为小功率负载时减少负载接入状态误判，从而避免因误判关闭逆变电源输出，导致负载断电。

在一些实施例中，有如下的有益效果：

本发明实施例的储能电源负载接入状态检测方法，通过向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，能够在无需增加任何硬件电路和体积占用的前提下准确地检测储能电源的负载接入状态。

本发明实施例的储能电源节能控制方法通过在检测结果为储能电源无负载接入时，循环执行主动负载在线检测算法，而主动负载在线检测算法通过控制逆变桥的驱动从正弦参考波的零点开始发波，发波至正弦参考波峰值时立即封波关断所有的PWM驱动信号，使得逆变桥的驱动在一个RC放电周期内只发波0.25个工频周期，能够减小逆变电源工作时间占比，相对于逆变电源空载连续发波输出，本发明的逆变电源主功率回路的空载损耗大大降低。

本发明的储能电源节能控制方法在执行主动负载在线检测算法后，在判断储能电源有负载接入时启动逆变桥的驱动发波，使逆变电源恢复额定交流正弦波输出，能够使逆变电源识别到有负载接入时能自动开机，实现储能电源自动开机带载的前提下降低储能电源的空载损耗。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1是本发明实施例中储能电源负载接入状态检测方法的流程图；

图2是本发明实施例中储能电源负载接入状态检测方法的原理图；

图3是本发明实施例中储能电源小功率负载接入状态检测的原理图；

图4是本发明实施例中储能电源负载接入状态检测方法以及主动负载在线检测算法的流程图；

图5是本发明实施例中储能电源节能控制方法流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对便携储能电源对离网空载降损耗的需求，本发明实施例提出了逆变电源的离网空载降损耗的方法，该方法提供了一套纯软件控制算法，在无需增加任何硬件电路的前提下，能够自动地识别负载接入状态，实现电源自动开关机控制，从而降低电源的空载损耗。

对本发明实施例的概述如下：

本发明实施例提出了一种储能电源负载接入状态检测方法，所述储能电源包括逆变电源，逆变电源包括逆变桥、控制器和交流输出滤波电路，逆变桥连接交流输出滤波电路，控制器与逆变桥以及交流输出滤波电路连接，交流输出滤波电路包括滤波电容及与其并联的放电电阻，交流输出滤波电路在负载接入时与负载并联；

储能电源负载接入状态检测方法如图1所示，包括以下步骤：

S1:对逆变电源的输出电压及输出电流进行采样，并计算输出的视在功率；

S2:判断视在功率是否小于预设功率阈值；

若视在功率大于预设功率阈值，则检测结果为储能电源有负载接入；

若视在功率小于预设功率阈值，则执行主动负载在线检测算法以进行二次检测，并根据二次检测结果判断是否有负载接入。

其中主动负载在线检测算法包括：向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，根据所述电压响应判断是否有负载接入。具体包括以下步骤：

A1:控制器控制逆变桥的驱动从正弦参考波的零点开始发波，发波至正弦参考波峰值时封波关断驱动信号，使得滤波电容两端的电压为逆变电源的额定峰值电压；

A2:在封波关断驱动信号的同时开始计时，计时过程中实时采样监测滤波电容两端的电压；

A3:当检测到滤波电容放电至预设电压值时停止计时，获取计时数值，计时数值即滤波电容的电压从额定峰值电压放电至预设电压值的放电时长；

其中预设电压值为逆变电源的额定峰值电压的3%-10%，优选为逆变电源的额定峰值电压的5%。

A4:根据计时数值计算所接负载的额定功率，并判断负载的额定功率是否小于预设负载功率阈值；

若负载的额定功率大于预设负载功率阈值则检测结果为储能电源有负载接入；

若负载的额定功率小于预设负载功率阈值则检测结果为储能电源无负载接入。

本发明实施例还提出了一种储能电源节能控制方法，包括以下步骤：

B1:执行上述储能电源负载接入状态检测方法检测储能电源负载接入状态；

B3:若检测结果为储能电源无负载接入，在滤波电容放电至预设电压值后，控制器控制逆变桥的驱动发波以执行主动负载在线检测算法。

在一些实施例中，步骤B1中，以预设频率检测储能电源负载接入状态。

本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源负载接入状态检测方法的步骤。

本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源节能控制方法的步骤。

本发明实施例还提出了一种储能电源，包括计算机可读存储介质及处理器，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述储能电源节能控制方法的步骤。

实施例

本实施例提出的储能电源负载接入状态检测方法是对现有的储能电源空载状态检测方法的改进，如图2所示，本实施例利用储能电源系统现有的电路结构进行算法改进，无需增加任何硬件电路就能够自动地识别负载接入状态。

如图2所示，储能电源包括逆变电源，逆变电源是由逆变桥、控制器和交流输出滤波电路组成的直流-交流逆变电路，交流输出滤波电路由电感L和滤波电容C组成，R'为关机（关机是指逆变桥的IGBT驱动完全关断）时滤波电容C放电电阻，与滤波电容C并联连接，当有负载接入时交流输出滤波电路与负载并联。

逆变桥连接交流输出滤波电路，控制器和逆变桥以及交流输出滤波电路连接，控制器用于逆变桥的驱动控制（封波、发波）以及交流输出滤波电路的电流/电压采样，控制器中包括采样电路，电压采样使用差分电压采样电路，电流采样使用霍尔传感器采样。

具体包括如下步骤：

S1:通过对逆变电源输出电压和输出电流进行采样，计算输出的视在功率，其表达式如下：

；

其中，n为一个正弦周期内的采样总点数，k为第k个采样点。

S2:设置一个视在功率的预设功率阈值（例如额定视在功率的1%），判断输出视在功率是否小于预设功率阈值；

当输出的视在功率小于预设功率阈值时，逆变电源的控制器开始执行主动负载在线检测算法，并根据主动负载在线检测算法输出检测结果。

需要说明的是，只有当视在功率小于预设功率阈值，且主动负载在线检测算法输出结果为“逆变电源空载”两个条件同时成立时，才判定逆变电源此时处于空载状态，否则判定逆变电源处于非空载状态，解决了带小功率负载时逆变电源误判空载关机的问题。

本实施例的主动负载在线检测算法的工作原理如下：

如图3所示，虚线框部分利用逆变电源自身输出滤波器的滤波电容C与外部负载的阻抗R组成一个RC放电回路，由于滤波电容容值C为已知量，只要给定滤波电容C一个初始的电压，通过测量RC放电回路的零输入响应曲线，即测量电容C的电压从初始值放电到0.05的放电时长t，就可以准确计算出负载R值（R'为与滤波电容C并联的放电电阻，通常阻值为200kΩ左右，用于逆变电源关机后放掉滤波电容残余电压，当逆变电源开机且带载情况下，该电阻阻值远大于负载电阻R，此时忽略不计），负载R值计算过程如下：

如图3所示，电容电压为，负载电阻R两端的电压为，流过负载电阻的电流为根据KVL（基尔霍夫电压定律）可得：

；

将，代入以上方程可得：

；

由上式可知，该方程为一阶齐次微分方程，时刻初始条件为，因此设该方程的通解为，其中A为常数，由一阶齐次微分方程初始条件决定；p为一阶齐次微分方程的特征根；t为时间变量；Ae^pt为一阶齐次微分方程的通解形式。

将通解代入上式可得：

；

特征方程为：

；

特征根为：

；

根据初始条件，代入可得：

；

由此求得该微分方程的解为：

；

t=0时刻给滤波电容一个初始电压，让RC放电回路开始放电，检测电容上的实时电压，当时，记录放电时长t。

本实施例选择当电容释放电量至0.05U₀时记录放电时长的原因如下：

其一，为了减小电流冲击，下一次执行主动负载在线检测算法时逆变桥需要从正弦过零点开始发波，因此需要电容电压尽可能放电到最低电压值，通常要求低于10%额定交流峰值；

其二，根据电容的放电曲线，当电容电压放电到低于3%初始电压后，电压下降速度将越来越慢，并且低压时电容电压采样精度较差，为了提高负载在线检测算法的速度和精度，要求电容电压放电到最低不低于3%初始额定交流峰值时，开始再次执行主动负载在线检测算法。综合上述两点，电容电压放电到3%U₀-10%U₀时记录放电时长是合适的，同时为了简化计算，折中选择5%U₀是最优选的。

将t作为已知量，R作为未知量，代入，可得：

；

整理可得：

；

由于RC放电时长t为测量值，电容容值C为已知量，因此通过上式可以准确地计算出接入负载的阻值R，从而实现负载在线自动检测功能。

如图4所示，本实施例中的主动负载在线检测算法在逆变电源上的具体步骤如下：

A1:当检测到逆变电源输出视在功率小于预设功率阈值后，逆变电源的控制器控制逆变桥的IGBT（绝缘栅双极型晶体管，也可以为其他功率器件开关管）驱动从正弦参考波过零点发波至正弦参考波峰值处时，立即封波关断所有逆变桥IGBT的脉冲宽度调制（PWM）驱动信号，使得逆变电源输出至滤波电容两端的电压为逆变电源的额定峰值电压；逆变电源额定峰值电压为；同时在逆变电源驱动封波的同时开始计时；

A2:在逆变电源驱动封波的同时开始计时，封波即断开了滤波电容C与逆变桥的回路，给滤波电容C和外接负载R形成的RC放电回路一个零输入响应。计时过程中实时采样监测所述滤波电容两端的电压。

具体为在脉冲宽度调制驱动信号封波的同时启动逆变电源主控MCU的片上Timer定时器开始计时，然后实时采样监测滤波电容C两端的电压。

具体为当检测到滤波电容C放电至预设电压值时，停止Timer定时器计时，并读取Timer定时器的计时数值，从而得到滤波电容C的电压从额定峰值电压放电至预设电压值的放电时长t；

具体操作如下：

结合逆变电源输出滤波电容的容值C，计算所接负载的阻值为：

；

逆变电源额定输出电压为，因此计算所接负载的额定功率为:

；

设置一个预设负载功率阈值（例如设定预设负载功率阈值为1W），当计算的负载的额定功率＜预设负载功率阈值时，则判断逆变电源空载，否则判定逆变电源有接入负载。

如图4所示，本实施例还提出了一种储能电源节能控制方法，用于电源自动开关机控制（逆变桥驱动开关自动控制），包括以下步骤：

B2:若检测结果为储能电源有负载接入，控制器控制逆变桥的驱动发波，使逆变电源恢复额定交流正弦波输出。

具体操作如下：

当储能电源负载接入状态检测方法的检测结果为逆变电源处于空载状态时，即储能电源无负载接入，进行如下操作：

在监测到输出滤波电容的电压从放电至预设电压值后，逆变电源的控制器将再次控制逆变桥IGBT驱动从正弦参考波过零点发波至正弦参考波峰值处然后封波，重新给输出滤波电容C充电至额定峰值电压并再次执行主动负载在线检测算法。

在没有负载接入时，放电电阻R'和滤波电容C构成RC放电回路，R'的电阻阻值通常为200kΩ左右，假设滤波电容C为10uF，那么将滤波电容的电压从放电到所需的放电时长计算步骤如下：

；

逆变桥在一个RC放电周期内只会发波0.25个工频周期（从交流参考波过零点发波至波峰），假设额定输出频率为50Hz，那么一个RC放电周期内逆变电源发波时间为：

因此，空载时，逆变电源工作时间占比为：

也就是说，相对于逆变电源空载连续发波输出，采用本技术方案的逆变电源主功率回路的空载损耗仅为原来的1/1200，基本相当于逆变电源关机状态。

当储能电源负载接入状态检测方法的检测结果为逆变电源处于非空载状态时，进行如下操作：

当逆变电源输出端有负载接入时，RC放电回路的R值（负载的电阻值）将远小于放电电阻R'的电阻值（例如：200kΩ），滤波电容C两端的电压将快速放电到接近0V，此时计算到负载额定功率＞下限阈值后，逆变电源控制器立即启动逆变桥的驱动发波，逆变电源恢复额定交流正弦波输出带载，从负载接入到逆变电源正常输出之间的时间间隔不超过一个工频周期。

在逆变电源正常输出后，以预设检测频率检测储能电源负载接入状态，当再次检测到负载视在功率＜预设功率阈值，将再次执行主动负载在线检测算法，从而实现实时的检测负载的接入情况，以最大限度地降低逆变电源的空载损耗。

如图5所示，采用本实施例的储能电源节能控制方法后，能在无任何硬件变动的前提下，极大程度上降低了电源空载损耗，使逆变电源的空载开机损耗接近于完全关机状态。

同时，本实施例的主动负载在线检测算法能够自动且快速地识别负载的接入和切出，并能根据负载接入情况快速自动执行逆变电源的开关动作，对于用户使用来说，同电源持续空载开机状态并无任何区别，无需手动操作，并且解决了带小功率负载时电源误判关机的问题，完美结合了现有的降低逆变电源离网空载损耗的技术方案所有优点。

实验例

本实验例采用储能电源节能控制方法，在一台电池容量600Wh，输出功率600W，输出电压220V/50Hz的便携储能电源应用中，测得仅控制器供电、AC（Alternating Current，交流电）正常开机空载输出，以及加入上述储能电源节能控制方法三种工况下的电池输出功率如表1所示。

表1

表1中的“仅控制器供电”（对应于电路图中的控制器单独开启）为整个逆变电源只有低压控制器及人机交互界面供电，主功率回路不供电，此时需要手动执行开机操作（AC输出启动），逆变电源才能正常工作，加入“AC空载降损耗”功能后，逆变电源能够自动识别负载接入并自动开机，无需人为干预，可以实现“AC空载正常开机”一样的带载功能，却只需要消耗“仅控制器上电”的功率大小。

实现一方面相较于AC空载正常开机，其电池输出功率要少很多，另一面又能够根据负载接入情况快速自动执行AC输出的开关动作，且比“仅控制器供电”多了一点点。

本实验例的储能电源节能控制方法简单，降低逆变电源空载降损耗效果明显，通用性强，可以应用于所有单相逆变电源设备、三相逆变电源设备、三个单相逆变电源组成的三相逆变系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种储能电源负载接入状态检测方法，所述储能电源包括逆变电源，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主动负载在线检测算法包括：向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，根据所述电压响应判断是否有负载接入。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述逆变电源包括逆变桥、控制器和交流输出滤波电路，所述逆变桥连接所述交流输出滤波电路，所述控制器与所述逆变桥以及所述交流输出滤波电路连接，所述交流输出滤波电路包括滤波电容及与其并联的放电电阻，所述交流输出滤波电路在负载接入时与负载并联；所述向逆变电源输出端口主动注入电压激励后再检测输出端口的电压响应，根据所述电压响应判断是否有负载接入包括以下步骤：

A1:所述控制器控制所述逆变桥的驱动从正弦参考波的零点开始发波，发波至正弦参考波峰值时封波关断驱动信号，使得所述滤波电容两端的电压为所述逆变电源的额定峰值电压；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设电压值为所述逆变电源的额定峰值电压的3%-10%。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设电压值为所述逆变电源的额定峰值电压的5%。

6.一种储能电源节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

B1:执行如权利要求1-5中任一项所述的方法检测储能电源负载接入状态；

B2:若检测结果为储能电源有负载接入，控制器控制启动逆变桥的驱动发波，使逆变电源恢复额定交流正弦波输出；

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤B1中，以预设检测频率检测储能电源负载接入状态。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-7中任一项所述方法的步骤。

10.一种储能电源，包括计算机可读存储介质及处理器，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-7中任一项所述方法的步骤。