CN204271731U - 一种离网光伏vrlab储能控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及离网光伏VRLAB储能控制装置，包括由光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和交流负载；其中，所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接，与能量管理单元呈单向连接；所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接；所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接；所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接，经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。本实用新型的有益效果在于：①可有效提高小型离网光伏系统发电效率；②采用VRLAB分组投切运行、组合式充放电控制策略，可提高充放电效率，延长储能装置寿命；③外部设备结构简单，技术成熟稳定，易于实现和控制。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源发电系统控制领域，特别是一种离网光伏VRLAB储能控制装置。
背景技术
近年来，新能源产业及分布式发电技术发展迅速，尤其是风能、光伏发电在偏远地区、城市建筑等场合得到了广泛推广。由于风能、光伏发电本身具有间歇性和波动性等特点，引入储能装置可有效解决电能质量问题，提高一次能源利用率和发电系统效率。
蓄电池是分布式发电系统中最常见的储能装置。随着现代制造技术的发展，阀控铅酸蓄电池(Valve Relation Lead Acid Battery，VRLAB)以其技术成熟、比能量大、循环使用寿命长、自放电小、高低温特性稳定、过放电恢复性能强、环境友好等诸多优点，近年来在光伏发电系统中得到广泛应用。
蓄电池成本占太阳能光伏发电系统初始设备成本的25％左右，在20年的运行周期中占投资费用的43％，而蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因。其中，小型离网光伏系统的规模小易受环境扰动的影响，发电量较小且系统器件损耗较大，对于储能装置充放电能力的高效快速性、精确控制的要求更高。目前，光伏发电系统中对蓄电池的控制多采用粗放式管理，充放电过程没有做到精细化控制，仅作为光伏系统的附属对象与逆变环节、并网环节一起受控制器分时控制，实时性差，蓄电池利用率低常造成资源浪费，增加了光伏系统的运行成本，增加了小型离网光伏系统用户的经济负担。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种离网光伏VRLAB储能控制装置，结合小型离网光伏系统和VRLAB特性，采用电池分组投切运行模式可优化电池组的使用效率，引入组合式充放电控制算法可实现储能装置的高效、精确充放电控制，提高了VRLAB的使用寿命和效率，改善了储能系统的运行，降低了小型离网光伏系统的运行成本。
本实用新型提供了一种离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于它是由光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和交流负载构成；其中，所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接，与能量管理单元呈单向连接；所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接；所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接；所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接，经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。
所述滤波单元由电容C1、电容C2、电阻R、电感L构成；其中，所述电容C1的两端分别与光伏阵列的输出端相连，分别与电感L的一端和电容C2的一端相连；电感L与电阻R串联后与电容C2相连；电容C2的两端分别于主控单元的DC/DC变换器相连。
所述能量管理单元由处理器、人机交互模块、传感器、驱动电路构成；其中，所述人机交互模块与处理器呈双向连接；所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单元呈单向连接；所述驱动电路分别与处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。
所述处理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片，它包含32KB片内可编程FLASH程序存储器、1KB的EPROM(Erasable Programmable Read OnlyMemory)、2KB的RAM(random access memory)、看门狗电路、8路10位ADC接口、3路可编程PWM输出接口，片内资源丰富，集成度高，可实现在线编程。
所述人机交互模块由输入输出设备构成。
所述传感器由电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路构成，采集光照强度、蓄电池端电压和电流、环境及蓄电池温度、负载电流等原始数据，经处理计算后可得到光伏发电量、电池容量等二次数据。
所述驱动电路由驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C构成；其中，所述驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C均由驱动器、开关管VT、二极管VD、电容C3构成；所述驱动器采用美国IR公司生产的IR2110驱动器，其输入端与处理的PWM输出接口相连，其输出端与开关管VT相连；开关管VT与二极管VD并联，与电容C并联；电容C两端与VRLAB单元的充放电控制继电器连接；驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C分别与VRLAB单元的充放电控制继电器KM1、KM2、KM3连接。
所述VRLAB单元由VRLAB电池组、充放电控制继电器构成；其中，所述VRLAB电池组中VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3分别与充放电控制继电器KM1、KM2、KM3相连；KM1、KM2、KM3分别与DC/DC变换器的输出端相连，与驱动电路A、驱动电路B、驱动电路C相连。
能量管理单元，还用于根据光伏发电量、负载电能需求量、以及VRLAB电量，向VRLAB单元发出驱动信号指令，进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略；在光伏发电量能够满足负载使用且电能富裕时，将电能储存至VRLAB单元，当发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统。
电池分组投切运行方式包括：
根据蓄电池容量，对容量低于额定容量15％的蓄电池组优先充电，同时允许容量高于额定容量15％的电池组放电；
在线判断三组蓄电池容量的变化，当任意两组蓄电池容量相差达25％时，进行充电、放电、或静默状态的切换；
在保证同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下，结合组合式充放电控制策略，达到均衡充放电的目的；
在系统的荷电状态低于系统总容量的5％时，输出低荷电状态警告；组合式充放电策略包括：充电控制：初期(OA)采用快速充电恢复蓄电池容量；中期(ABC)采用快速充电恢复蓄电池容量；末期(CD)采用额定电流的30％大小的电流长期补充电；临界点(D)停止充电；
放电控制：初期(OE)采用快速放电方式回馈光伏系统；中期(EFG)采用稳定放电方式；末期(G点后)立即停止放电。
本实用新型还提供了一种离网光伏VRLAB储能控制装置的工作方法，该工作方法包括：光伏阵列构成的太阳能电池组接收太阳能并将其转换为电能，输出的直流电经滤波单元处理后接DC/DC变换器升压处理，一部分供直流负载使用，一部分经DC/AC逆变器变为交流电后供交流负载使用；能量管理单元根据光伏发电量、负载电能需求量、以及VRLAB电量，向VRLAB单元发出驱动信号指令，进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略；在光伏发电量可以满足负载使用且电能富裕时，将电能储存至VRLAB单元，当发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统。
电池分组投切运行方式包括：根据蓄电池容量，对容量低于额定容量15％的蓄电池组优先充电，同时允许容量高于额定容量15％的电池组放电；在线判断三组蓄电池容量的变化，当任意两组蓄电池容量相差达25％时，进行充电、放电、或静默状态的切换；在保证同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下，结合组合式充放电控制策略，达到均衡充放电的目的；在系统的荷电状态低于系统总容量的5％时，输出低荷电状态警告；组合式充放电策略包括：充电控制：初期(OA)采用快速充电恢复蓄电池容量；中期(ABC)采用快速充电恢复蓄电池容量；末期(CD)采用额定电流的30％大小的电流长期补充电；临界点(D)停止充电；放电控制：初期(OE)采用快速放电方式回馈光伏系统；中期(EFG)采用稳定放电方式；末期(G点后)立即停止放电。
本实用新型的有益效果在于：①针对小型离网光伏系统开发，可有效提高发电效率；②VRLAB分组投切运行、组合式充放电控制策略，可提高充放电效率，延长储能装置寿命；③处理器采用高性能的ATMEGA32芯片可实现高速运算，实时处理能力强；④周边外部设备结构简单，技术成熟稳定，易于实现和控制。
附图说明
图1为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的总体结构图。
图2为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的滤波单元结构图。
图3为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的能量管理单元结构图。
图4为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的驱动电路结构图。
图5为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的VRLAB单元结构图。
图6为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的充放电控制策略曲线。
图7为本实用新型所涉一种离网光伏VRLAB储能控制装置的充放电控制策略结构图。
具体实施方式
本实用新型提供的一种小型离网光伏VRLAB储能控制装置(见图1)，它是由光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器构成；其中，所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接，与能量管理单元呈单向连接；所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接；所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接；所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接，经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。
所述滤波单元(见图2)由电容C1、电容C2、电阻R、电感L构成；其中，所述电容C1的两端分别与光伏阵列的输出端相连，分别与电感L的一端和电容C2的一端相连；电感L与电阻R串联后与电容C2相连；电容C2的两端分别于主控单元的DC/DC变换器相连。
所述能量管理单元(见图3)由处理器、人机交互模块、传感器、驱动电路构成；其中，所述人机交互模块与处理器呈双向连接；所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单元呈单向连接；所述驱动电路分别与处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。
所述处理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片，它包含32KB片内可编程FLASH程序存储器、1KB的EPROM(Erasable Programmable Read OnlyMemory)、2KB的RAM(random access memory)、看门狗电路、8路10位ADC接口、3路可编程PWM输出接口，片内资源丰富，集成度高，可实现在线编程。
所述人机交互模块由输入输出设备构成。
所述传感器由电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路构成，采集光照强度、蓄电池端电压和电流、环境及蓄电池温度、负载电流等原始数据，经处理计算后可得到光伏发电量、电池容量等二次数据。
所述驱动电路(见图4)由驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)构成；其中，所述驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)均由驱动器、开关管VT、二极管VD、电容C3构成；所述驱动器采用美国IR公司生产的IR2110驱动器，其输入端与处理的PWM输出接口相连，其输出端与开关管VT相连；开关管VT与二极管VD并联，与电容C并联；电容C两端与VRLAB单元的充放电控制继电器连接；驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)分别与VRLAB单元的充放电控制继电器KM1、KM2、KM3连接。
所述VRLAB单元(见图5)由VRLAB电池组、充放电控制继电器构成；其中，所述VRLAB电池组中VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3分别与充放电控制继电器KM1、KM2、KM3相连；KM1、KM2、KM3分别与DC/DC变换器的输出端相连，与驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)相连。
本实用新型的工作方法：
(1)光伏阵列构成的太阳能电池组接收太阳能并将其转换为电能，输出的直流电经滤波单元处理后接DC/DC变换器升压处理，一部分供直流负载使用，一部分经DC/AC逆变器变为交流电后供交流负载使用；
(2)能量管理单元根据光伏发电量、负载电能需求量、VRLAB电量等信息，向VRLAB单元发出驱动信号指令，进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略；
(3)在光伏发电量可以满足负载使用需求且电能富裕时，将电能储存至VRLAB单元，当光伏发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统；
(4)光伏发电系统和储能及其控制系统结合使用，经合理优化配置，提高光伏系统发电利用率，延长VRLAB的寿命，减小运行成本。
本实用新型的工作原理：
(1)分组投切运行原理：
储能装置在在运行时需考虑到光伏阵列发电量及最大输出电流、负载容量，蓄电池组的最大可充电电流及放电容量等因素，将太阳能光伏发电系统中蓄电池进行分组投切运行管理，使其变成多个容量较小的蓄电池组，可提高充电电流有效利用光伏阵列的能量，提高蓄电池组的充电效率，并可对蓄电池进行维护性充电。分组投切运行示意图如图5所示，具体的策略如下：
①根据蓄电池容量，对容量低于额定容量15％的蓄电池优先充电，同时允许容量高于额定容量15％的电池组放电；
②在线判断三组蓄电池容量的变化，当任意两组蓄电池容量相差达25％时，进行充电和放电(或静默)状态的切换；
③在保证同时有两组电池充电或放电、第三组静默状态的原则下，结合组合式充放电控制策略，达到均衡充放电的目的；
④在系统的荷电状态低于系统总容量的5％时，输出低荷电状态警告。
分组投切充放电控制继电器指令表如下所示：
(2)组合式充放电控制策略原理：
VRLAB具有蓄能大、安全和密封性能好、寿命长、免维护等优点，但对，本实用新型根据VRLAB特性及其荷电状态采用组合式充放电控制策略，实现充放电过程控制的精细化，可提高充放电效率，延长其使用寿命。VRLAB充放电特性曲线如图6所示，具体的控制策略如下：
①充电控制：初期(OA)电压快速上升，采用快速充电恢复蓄电池容量；中期(ABC)电压缓慢上升，采用快速充电恢复蓄电池容量；末期(CD)电压开始上升，采用额定电流的30％大小的电流长期补充电；临界点(D)，蓄电池中的水被电解，停止充电，防止损坏电池。
②放电控制：初期(OE)电压下降较快，采用快速放电方式回馈光伏系统；中期(EFG)电压缓慢下降，采用稳定放电方式；末期(G点后)放电电压急剧下降，应立即停止放电。
控制原理如图7所示，其中，V1为VRLAB充放电时给定的目标曲线值，V2为经充放电控制策略PID调节后VRLAB的输出实测电压值。
Claims (7)
1.一种离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，该离网光伏VRLAB储能控制装置包括光伏阵列、滤波单元、能量管理单元、VRLAB单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、直流负载和交流负载；其中，所述光伏阵列经滤波单元与DC/DC变换器呈单向连接，所述光伏阵列与能量管理单元呈单向连接；所述能量管理单元与VRLAB单元呈双向连接；所述VRLAB单元与DC/DC变换器的输出端呈双向连接；所述DC/DC变换器的输出端与直流负载呈单向连接，所述DC/DC变换器经DC/AC变换器与交流负载呈单向连接。
2.根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，所述滤波单元由电容(C1)、电容(C2)、电阻(R)、电感(L)构成；其中，所述电容(C1)的两端分别与光伏阵列的输出端相连，电容(C1)的两端分别与电感(L)的一端和电容(C2)的一端相连；电感(L)与电阻(R)串联后与电容(C2)的一端相连；电容(C2)的两端分别与DC/DC变换器相连。
3.根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，所述能量管理单元包括处理器、人机交互模块、传感器和驱动电路；其中，所述人机交互模块与处理器呈双向连接；所述传感器分别与处理器、光伏阵列、VRLAB单元呈单向连接；所述驱动电路分别与处理器、VRLAB单元的充放电控制继电器呈单向连接。
4.根据权利要求3所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，所述传感器包括电压检测电路、电流检测电路、以及温度检测电路。
5.根据权利要求3所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，所述驱动电路包括驱动电路(A)和驱动电路(B)、驱动电路(C)；其中，所述驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)均包括驱动器、开关管(VT)、二极管(VD)、电容C3；驱动器的输入端与处理器的PWM输出接口相连，驱动器的输出端与开关管(VT)相连；开关管(VT)与二极管(VD)并联，开关管(VT)与电容(C3)并联；电容(C3)两端与VRLAB单元的充放电控制继电器连接；驱动电路(A)、驱动电路(B)、驱动电路(C)分别与VRLAB单元的充放电控制继电器(KM1、KM2、KM3)连接。
6.根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于， 所述VRLAB单元包括VRLAB电池组(VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3)、充放电控制继电器；其中，VRLAB电池组(VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3)分别与充放电控制继电器(KM1、KM2、KM3)相连；充放电控制继电器(KM1、KM2、KM3)分别与DC/DC变换器的输出端相连，充放电控制继电器(KM1、KM2、KM3)分别与驱动电路(A、B、C)相连。
7.根据权利要求1所述的离网光伏VRLAB储能控制装置，其特征在于，能量管理单元，还用于根据光伏发电量、负载电能需求量、以及VRLAB电量，向VRLAB单元发出驱动信号指令，进而控制电池分组投切运行方式和组合式充放电策略；在光伏发电量能够满足负载使用且电能富裕时，将电能储存至VRLAB单元，当发电量不能满足本地负载电能需求时VRLAB单元将电能反馈至系统。
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| CN104253475A (zh) * | 2014-09-11 | 2014-12-31 | 国家电网公司 | 一种离网光伏vrlab储能控制装置及其工作方法 |
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