CN116774768B - 一种通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统，其方法包括：采样功率跟踪变换器的输入电压和输入电流进行，并根据输入电压和输入电流对储能电源的接入设备进行识别；如果接入设备为可再生能源设备，则采用最大功率跟踪算法来进行最大功率追踪；如果所述接入设备为非可再生能源设备，则采用恒功率跟踪算法来进行功率追踪。本发明提高了储能装置输入接口的兼容性，降低了储能装置的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种单通道兼容多种输入源的通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统。
背景技术
随着能源危机、环境保护等问题的日益严峻，太阳能光伏发电成为当前世界上极具发展前景的新能源技术，越来越得到人们的重视，各国均积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。但光伏发电在发展中也遇到了成本、效率以及环境上的问题：（1）光伏电池成本高昂；（2）光电转化效率较低；（3）局部遮挡的危害。最大功率跟踪是降低光伏发电成本、提高光伏发电效率最有效直接的方法。
光伏发电系统中的最大功率跟踪方法，传统的有扰动观察法和电导增量法，近年来遗传算法、模糊控制算法和神经网络算法等智能算法也被引入到光伏发电系统的最大功率跟踪控制中。在过往的光伏最大功率控制算法里，研究主要集中于：（1）减少跟踪时间；（2）提高跟踪精度；（3）提高光伏输出效率；（4）减少能量损耗等方面。对于实际光伏发电系统而言，其配有一定量的储能装置/设备。对于配套的储能设备，一般通过功率跟踪变换器，与光伏阵列的输入端相连，其中功率跟踪变换器通过光伏最大功率跟踪算法执行最大功率跟踪功能。由于光伏与蓄电池/蓄电池充电器的伏安特性的不一致，储能设备的光伏输入接口无法兼容蓄电池/蓄电池充电器等其他直流源，如果储能设备想要实现接入光伏与其他直流源功能，则需要多个输入接口和对应的多个功率跟踪变换器连接以响应不同伏安特性，这大大增加了储能装置的成本。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统，提高了可再生能源发电系统中储能设备输入接口的兼容性，从而大大降低了储能设备的成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明公开了一种通道复用的储能电源的功率追踪方法，包括以下步骤：
S1：采样功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，并根据所述输入电压和输入电流，对所述储能电源的接入设备进行类别识别；
S2：如果所述接入设备为可再生能源设备，则采用最大功率跟踪算法来进行最大功率追踪；
S3：如果所述接入设备为非可再生能源设备，则采用恒功率跟踪算法来进行功率追踪。
优选地，步骤S1具体包括：
S11：将所述功率跟踪变换器的输入电流作为反馈量，与输入电流期望值比较，形成第一闭环控制量；
S12：将所述第一闭环控制量与初始占空比相加得到第一占空比，并根据所述第一占空比生成第一PWM控制信号；
S13：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，计算当前时段的输入电压增量与输入功率增量；
S14：判断所述输入功率增量是否为零，如果是，则返回步骤S11，如果否，则执行步骤S15：
S15：判断所述输入电压增量是否小于预设阈值，如果是，则识别所述接入设备为非可再生能源设备，如果否，则识别所述接入设备为可再生能源设备。
优选地，步骤S2包括：
S21：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，并根据所述输入电压和输入电流获取电压步长；
S22：将所述功率跟踪变换器的输入电压作为反馈量，并将获取的电压步长与输入电压期望值相加得到新的输入电压期望值，形成第二闭环控制量；
S23：将所述第二闭环控制量与初始占空比相加得到第二占空比，并根据所述第二占空比生成第二PWM控制信号；
S24：根据所述第二PWM控制信号进行最大功率追踪。
优选地，步骤S21具体包括：
S211：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，计算当前时段的所述功率跟踪变换器的输入电压增量与输入功率增量；
S212：判断所述输入电压增量是否为零，如果是，则执行步骤S213，如果否，则执行步骤S215；
S213：判断所述输入功率增量是否为零，如果是，则得到电压步长为零；如果否，则执行步骤S214；
S214：判断所述输入功率增量是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a，其中a为预设的一正数；
S215：判断所述电压增量与所述功率增量的乘积是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a。
优选地，步骤S3包括：
S31：采样所述功率跟踪变换器的输出电压和输出电流，将功率期望值除以输出电压，以生成输出电流期望值；
S32：将所述功率跟踪变换器的输出电流作为反馈量，与所述输出电流期望值比较，形成第三闭环控制量；
S33：将所述第三闭环控制量与初始占空比相加得到第三占空比，并根据所述第三占空比生成第三PWM控制信号；
S34：根据所述第三PWM控制信号进行功率追踪。
优选地，所述初始占空比为0.5。
优选地，所述输入电流期望值为一固定值与一方波的叠加值，其中固定值为0.5A，方波大小为0.5A，方波周期为2s。
优选地，a取值为2V。
第二方面，本发明公开了一种功率追踪系统，用于实现如第一方面所述的功率追踪方法，包括功率跟踪变换器、采样模块、设备识别模块、最大功率跟踪模块和恒功率跟踪模块，其中：
所述功率跟踪变换器的输入端与储能电源的输入接口连接，所述功率跟踪变换器的输出端用于与负载或逆变器连接；
所述采样模块的输入端与所述功率跟踪变换器的输入端连接，用于在所述储能电源的输入接口与接入设备连接时采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流；
所述设备识别模块的输入端连接所述采样模块的输出端以用于根据所述采样模块采样得到的所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流来对所述接入设备进行类别识别；所述设备识别模块的输出端可选择地连接所述最大功率跟踪模块的输入端和所述恒功率跟踪模块的输入端以用于根据识别的所述接入设备的类别来接通所述最大功率跟踪模块或所述恒功率跟踪模块；
所述最大功率跟踪模块用于采用最大功率跟踪算法来对可再生能源设备进行最大功率追踪；
所述恒功率跟踪模块用于采用恒功率跟踪算法来对非可再生能源设备进行功率追踪。
第三方面，本发明公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面所述的功率追踪方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统，通过对功率跟踪变换器的输入电压和输入电流进行采样并分析，以对接入设备进行识别，识别后再根据接入设备的类别采用不同的功率追踪方法，使输入接口可以兼容不同类型的输入源，实现了单输入通道的多输入源接入，提升了储能电源（储能装置）输入兼容性，降低了储能电源（储能装置）成本。
在进一步的方案中，根据接入设备的不同选择不同的控制反馈量，使户用储能电源功率追踪方法可对不同伏安特性的不同设备进行控制，解决了光储系统储能装置输入端只能接入光伏板的问题，通过一个功率跟踪变换器电路实现了户用储能电源功率追踪方法对于设备的可选择性，提高了储能装置输入接口的兼容性，降低了储能装置成本。
本发明仅对功率跟踪变换器（直流侧的DC/DC变换器）进行控制，不需要逆变器的参与，逆变器可选择工作在并网模式或离网模式，符合户用储能电源的需要。进一步地在识别环节通过将功率跟踪变换器（DC/DC变换器）的输入电流期望值设置为一固定值与一方波叠加，可以使电流期望值小及输出功率小，进而使得光伏跟踪周期缩短为0.5-1s，大幅缩短识别时间，规避了现有技术需要将电流值调到最大导致的判断时间长的缺陷；另一方面，在接入设备为恒压恒流源（如蓄电池充电器）时，使恒压恒流源在检测时处于电压源模态，降低检测难度。
附图说明
图1是本发明优选实施例公开的通道复用的储能电源的功率追踪方法流程图；
图2是本发明优选实施例公开的功率追踪方法的总体流程图；
图3是本发明优选实施例公开的功率追踪方法中设备识别的流程图；
图4是本发明优选实施例公开的功率追踪方法中设备运行的流程图；
图5是本发明优选实施例公开的功率追踪系统结构图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以往的户用储能电源，针对不同的输入源，需要使用不同的接口进行接入，例如光伏阵列、蓄电池、电池充电器都需要分别使用不同的接口进行接入使用以对应三种不同伏安特性，即光伏、恒压源、恒流源；其中电池充电器接口和蓄电池接口也需要功率追踪，但是功率追踪方式与光伏阵列不同，因此需要不同接口接入不同的设备，而这样必然导致储能装置的成本大大增加。
如图1和图2所示，本发明优选实施例公开了一种通道复用的储能电源的功率追踪方法，包括以下步骤：
S1：采样功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，并根据输入电压和输入电流，对储能电源的接入设备进行类别识别；
其中，结合图3，步骤S1具体包括：
S11：将功率跟踪变换器的输入电流作为反馈量，与输入电流期望值I ref 比较，形成第一闭环控制量；
在具体实施例中，输入电流期望值I ref 为一固定值与一方波的叠加值，其中固定值为0.5A，方波大小为0.5A，方波周期为2s。
S12：将第一闭环控制量与初始占空比D int 相加得到第一占空比，并根据第一占空比生成第一PWM控制信号；
在具体实施例中，初始占空比D int 取值为0.5。
S13：采样功率跟踪变换器的输入电压U in 和输入电流I in ，计算当前时段的功率跟踪变换器的输入功率、输入电压增量/>与输入功率增量；其中，/>、/>分别是指上一时段的功率跟踪变换器的输入电压和输入功率。
S14：判断输入功率增量是否为零，如果是，则返回步骤S11，如果否，则执行步骤S15：
S15：判断输入电压增量是否小于预设阈值，如果是，则识别接入设备为非可再生能源设备，如电压源（蓄电池）或恒压恒流源（电池充电器）等，如果否，则识别接入设备为可再生能源设备，如太阳能发电设备（光伏装置）、风力发电设备等。在具体实施例中，该预设阈值为0.2V。
S2：如果接入设备为可再生能源设备，则采用最大功率跟踪算法来进行最大功率追踪。
具体地，结合图4，步骤S2具体包括：
S21：采样功率跟踪变换器的输入电压U in 和输入电流I in ，并根据输入电压U in 和输入电流I in 获取电压步长；
具体地，步骤S21包括：
S211：采样功率跟踪变换器的输入电压U in 和输入电流I in ，计算当前时段的输入功率、输入电压增量/>与输入功率增量/>；其中，/>、/>分别是指上一时段的功率跟踪变换器的输入电压和输入功率；
S212：判断输入电压增量是否为零，如果是，则执行步骤S213，如果否，则执行步骤S215；
S213：判断输入功率增量是否为零，如果是，则得到电压步长为零；如果否，则执行步骤S214；
S214：判断输入功率增量是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a，其中a为预设的一正数；
S215：判断电压增量与功率增量/>的乘积是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a。
在具体实施例中，a取值为2V。
S22：将功率跟踪变换器的输入电压作为反馈量，并将获取的电压步长与输入电压期望值相加得到新的输入电压期望值，形成第二闭环控制量；
S23：将第二闭环控制量与初始占空比D int 相加得到第二占空比，并根据第二占空比生成第二PWM控制信号；
在具体实施例中，初始占空比D int 取值为0.5。
S24：根据生成的第二PWM控制信号进行最大功率追踪。
S3：如果所述接入设备为非可再生能源设备，则采用恒功率跟踪算法来进行功率追踪。
其中，结合图4，步骤S3具体包括：
S31：采样功率跟踪变换器的输出电压U out 和输出电流I out ，将功率期望值P ref 除以输出电压U out ，以生成输出电流期望值I ref ；
S32：将功率跟踪变换器的输出电流作为反馈量，与输出电流期望值比较，形成第三闭环控制量；
S33：将第三闭环控制量与初始占空比D int 相加得到第三占空比，并根据第三占空比生成第三PWM控制信号；
在具体实施例中，初始占空比D int 取值为0.5。
S44：根据生成的第三PWM控制信号进行功率追踪。
本发明另一优选实施例公开了一种功率追踪系统，用于实现上述优选实施例的通道复用的储能电源的功率追踪方法，其中该储能电源的输入接口可以兼容可再生能源设备（如光伏阵列/光伏装置）、恒压恒流源（电池充电器）、电压源（蓄电池）等多途径输入源，该功率追踪系统分为设备识别支路与设备运行支路，设备运行支路包括恒功率控制算法模块和最大功率点跟踪算法模块，系统首先运行于设备识别支路，若识别出接入设备为可再生能源设备（如光伏阵列）则选择最大功率点跟踪算法模块运行，若识别出接入设备为蓄电池/电池充电器等非可再生能源设备则选择恒功率控制算法模块运行。本发明实施例在最大功率点跟踪算法模块的前级增加接入设备类别识别模块，且在最大功率点跟踪算法基础上增加了恒功率跟踪算法，当接入设备类别识别后，并行选择功率跟踪算法模块；其中：设备识别模块以功率跟踪变换器的输入电压增量和输入功率增量判断所接入设备的类别；最大功率点跟踪模块和恒功率跟踪模块组成功率跟踪算法模块，根据功率跟踪变换器的输入电压和输入电流进行功率追踪。
具体地，如图5所示，本实施例的储能电源包括功率追踪系统，功率追踪系统包括功率跟踪变换器10、采样模块20、设备识别模块30、最大功率跟踪模块40、恒功率跟踪模块50、功率跟踪变换器控制模块60、功率跟踪变换器驱动模块70，其中：
功率跟踪变换器10的输入端与储能电源的输入接口连接，功率跟踪变换器10的输出端用于与负载或逆变器连接。功率跟踪变换器10采用的是现有的MPPT控制器中的变换电路，其通常为DC/DC（直流/直流）变换电路，如图5所示，包括由光伏稳压电容C、电感L、二极管D、电容C D 和开关管S组成的Boost电路。
采样模块20的输入端与功率跟踪变换器10的输入端连接，同时也是和储能电源的输入接口相连，用于在充电设备（即接入设备）接入输入接口后，就可以与充电设备（即接入设备）的输出端连接，即时采样功率跟踪变换器10的输入电压和输入电流。该实施例中，采样模块20包括电流采样模块21和电压采样模块22；
设备识别模块30的输入端连接采样模块20的输出端以用于根据采样模块20采样得到的功率跟踪变换器10的输入电压和输入电流计算得到输入功率增量和输入电压增量等参数，进而对接入设备进行类别识别；设备识别模块30的输出端可选择地连接最大功率跟踪模块40的输入端和恒功率跟踪模块50的输入端以用于根据识别的接入设备的类别（本实施例中举例光伏阵列81、蓄电池82或电池充电器83）来接通最大功率跟踪模块40或恒功率跟踪模块50。
在接入设备的识别环节，以输入电流作为反馈量，与输入电流期望值比较，形成闭环控制量并进一步生成占空比信号；最大功率跟踪模块40通过常规电导增量法获得输入电压期望值，以输入电压作为反馈量，与期望值比较，形成闭环控制量并进一步生成占空比信号；恒功率控制模块50以输出电流作为反馈量，与期望值比较，形成闭环控制量并进一步生成占空比信号。
设备识别模块30的输出端、最大功率跟踪模块40的输出端、恒功率跟踪模块50的输出端分别连接功率跟踪变换器控制模块60的输入端，功率跟踪变换器控制模块60的输出端连接功率跟踪变换器驱动模块70的输入端，功率跟踪变换器驱动模块70的输出端连接功率跟踪变换器10中的开关管S。
功率跟踪变换器控制模块60用于将设备识别模块30、最大功率跟踪模块40或恒功率跟踪模块50生成的占空比信号与三角波对比后，生成PWM控制信号。功率跟踪变换器驱动模块70根据PWM控制信号生成控制开关管S导通和关断的PWM驱动信号。
本发明实施例公开的通道复用的储能电源的功率追踪方法及其系统，其输入接口可以兼容不同类型的输入源，比如：光伏阵列、蓄电池、蓄电池充电器等，对于提高光伏发电系统储能装置输入接口的兼容性，降低储能装置成本十分关键。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (7)
1.一种通道复用的储能电源的功率追踪方法，其特征在于，所述储能电源的输入接口可以兼容不同类型的输入源，所述功率追踪方法包括以下步骤：
S1：采样功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，并根据所述输入电压和输入电流，对所述储能电源的接入设备进行类别识别；
S2：如果所述接入设备为可再生能源设备，则采用最大功率跟踪算法来进行最大功率追踪；
S3：如果所述接入设备为非可再生能源设备，则采用恒功率跟踪算法来进行功率追踪；
其中，步骤S1具体包括：
S11：将所述功率跟踪变换器的输入电流作为反馈量，与输入电流期望值比较，形成第一闭环控制量，其中所述输入电流期望值为一固定值与一方波的叠加值，所述输入电流期望值中的固定值为0.5A，方波大小为0.5A，方波周期为2s；
S12：将所述第一闭环控制量与初始占空比相加得到第一占空比，并根据所述第一占空比生成第一PWM控制信号；
S13：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，计算当前时段的输入电压增量与输入功率增量；
S14：判断所述输入功率增量是否为零，如果是，则返回步骤S11，如果否，则执行步骤S15；
S15：判断所述输入电压增量是否小于预设阈值，如果是，则识别所述接入设备为非可再生能源设备，如果否，则识别所述接入设备为可再生能源设备；
步骤S3具体包括：
S31：采样所述功率跟踪变换器的输出电压和输出电流，将功率期望值除以输出电压，以生成输出电流期望值；
S32：将所述功率跟踪变换器的输出电流作为反馈量，与所述输出电流期望值比较，形成第三闭环控制量；
S33：将所述第三闭环控制量与初始占空比相加得到第三占空比，并根据所述第三占空比生成第三PWM控制信号；
S34：根据所述第三PWM控制信号进行功率追踪。
2.根据权利要求1所述的功率追踪方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，并根据所述输入电压和输入电流获取电压步长；
S22：将所述功率跟踪变换器的输入电压作为反馈量，并将获取的电压步长与输入电压期望值相加得到新的输入电压期望值，形成第二闭环控制量；
S23：将所述第二闭环控制量与初始占空比相加得到第二占空比，并根据所述第二占空比生成第二PWM控制信号；
S24：根据所述第二PWM控制信号进行最大功率追踪。
3.根据权利要求2所述的功率追踪方法，其特征在于，步骤S21具体包括：
S211：采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流，计算当前时段的所述功率跟踪变换器的输入电压增量与输入功率增量；
S212：判断所述输入电压增量是否为零，如果是，则执行步骤S213，如果否，则执行步骤S215；
S213：判断所述输入功率增量是否为零，如果是，则得到电压步长为零；如果否，则执行步骤S214；
S214：判断所述输入功率增量是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a，其中a为预设的一正数；
S215：判断所述电压增量与所述功率增量的乘积是否大于零，如果是，则得到电压步长为a，如果否，则得到电压步长为-a。
4.根据权利要求1或2所述的功率追踪方法，其特征在于，所述初始占空比为0.5。
5.根据权利要求3所述的功率追踪方法，其特征在于，a取值为2V。
6.一种功率追踪系统，其特征在于，用于实现如权利要求1至5任一项所述的功率追踪方法，包括功率跟踪变换器、采样模块、设备识别模块、最大功率跟踪模块和恒功率跟踪模块，其中：
所述功率跟踪变换器的输入端与储能电源的输入接口连接，所述功率跟踪变换器的输出端用于与负载或逆变器连接；
所述采样模块的输入端与所述功率跟踪变换器的输入端连接，用于在所述储能电源的输入接口与接入设备连接时采样所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流；
所述设备识别模块的输入端连接所述采样模块的输出端以用于根据所述采样模块采样得到的所述功率跟踪变换器的输入电压和输入电流来对所述接入设备进行类别识别；所述设备识别模块的输出端可选择地连接所述最大功率跟踪模块的输入端和所述恒功率跟踪模块的输入端以用于根据识别的所述接入设备的类别来接通所述最大功率跟踪模块或所述恒功率跟踪模块；
所述最大功率跟踪模块用于采用最大功率跟踪算法来对可再生能源设备进行最大功率追踪；
所述恒功率跟踪模块用于采用恒功率跟踪算法来对非可再生能源设备进行功率追踪。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至5任一项所述的功率追踪方法。
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