CN209526548U - 一种蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置，属太阳能光伏发电技术领域。该装置包括太阳能光伏方阵、控制器、逆变器、储能蓄电池组、方阵支架、交流配电器、输电线缆和用电负载等。控制器分别与光伏方阵、蓄电池组、直流负载和逆变器相连接，逆变器的输出端接交流负载。本实用新型适用于中小型光伏发电装置，既实现准确地最大功率点跟踪，又使光伏装置对蓄电池输出平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状态，能够提高蓄电池组的荷电水平，使蓄电池长期工作在欠充的状况得以改善，延长蓄电池的总循环寿命，提高光伏发电装置能量利用效率。

Description

一种蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能光伏发电装置，特别是涉及蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置，属太阳能光伏发电技术领域。
背景技术
光伏发电作为一种重要的分布式电源技术得到了快速发展，独立或并网光伏电站的建设数量和容量不断增加。光伏发电装置一般由太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器及用电负载等部件构成。太阳能电池吸收日照辐射能量，将太阳光能转化成为电能，为装置提供电源，一路通过控制器，用于直流负载；另一路通过控制器与逆变器将光伏方阵输出的直流电转换为交流电给负载供电。由于太阳能电池的I-V与P-V非线性特征，光伏发电装置的输出功率随日照强度和温度变化而不同，相应的最大功率点也不同。日照越强，光伏装置输出的功率越大；太阳能电池本身温度越高，光伏发电装置输出功率越小。在特定日照强度和温度条件下，光伏装置具有唯一的最大输出功率点，而光伏装置只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。因此，为了最大限度高效利用太阳能发电，光伏方阵需要连接太阳能光伏方阵最大功率跟踪器，并与蓄电池的充放电特性结合，才能实现与蓄电池自平衡快速充电耦合控制。
蓄电池充电管理要解决的是快速、高效、析出气少、动态过充、欠充保护等。对于独立光伏发电装置，日照时间是无法人为调节的，而光伏方阵的容量也由装置的投资所限制，仅用常规的充电策略不能达到高效利用的目的。如果光伏方阵输出不足以提供蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，光伏方阵MPPT方式的能量能全部利用。相反，光伏方阵输出能量超过蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，光伏方阵就不能运行在MPPT方式上，太阳能将没有得到充分利用，造成浪费。这在光伏方阵容量设计相对偏大的装置中或在一段时间日照情况相对较好时，经常会出现这种情况。因此，蓄电池有时不能吸收全部能量，并且可能由于充电速度慢，到最后蓄电池并未充满。如果能找到一种方法，使光伏方阵MPPT方式与蓄电池快速充电耦合控制，既能使蓄电池快速充满电，又能充分利用太阳能电池发电效能，提高能量利用率。
发明内容
针对目前技术状况，本实用新型提出了蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置，在充分利用太阳能电池发电效能的基础上，使蓄电池快速充满电，提高能量利用率。
为实现本实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：
该蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置包括太阳能光伏方阵、控制器、逆变器、储能蓄电池组、方阵支架、交流配电器、输电线缆和用电负载；控制器分别与太阳能光伏方阵、储能蓄电池组、直流负载和逆变器相连接，逆变器的输出端接交流负载，其特征在于：
太阳能光伏方阵连接太阳能光伏方阵最大功率跟踪器；控制器包括电压、温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由MCU微处理器发出的三个PWM信号来调节控制，第一路PWM1信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵输出工作在最大功率点；第二路PWM2信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM3信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
所述控制器的DC/DC转换电路模块的直流输入端分别接太阳能光伏方阵的输出端正负极，DC/DC转换电路的直流输出端一路接蓄电池和直流负载，另一路接逆变器的输入端；逆变器的输出端接交流负载；
所述的PWM1控制电路的反馈端与所述的太阳能光伏方阵最大功率跟踪器相连，产生的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接直流/直流变换电路中的MOSFET开关管VT1控制端；所述的PWM2控制电路的反馈端分别与恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生控制所述的DC/DC转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT2控制端，用于向所述的蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；输出保护及PWM3驱动电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
储能蓄电池组由蓄电池自平衡快速充电控制模块控制，蓄电池自平衡快速充电控制模块由智能充电模块、最大功率跟踪模块和PWM模块组成；智能充电模块包括最大功率耦合快速充电、过充电、浮充电模块，智能充电模块对充电过程进行控制，检测蓄电池状态，确定光伏充电控制器的工作状态；所述最大功率跟踪模块和PWM模块对蓄电池自平衡快速充电耦合进行控制：当蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池能够接受光伏方阵发出最大功率时，对蓄电池充电保持原方式；当蓄电池在恒压逐级限流充电方式下，蓄电池不能接受光伏方阵输出的最大功率时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比增大限流充电电流，提高充电速度，使蓄电池快速充满电，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制；当蓄电池长时间欠充时，对蓄电池组进行分组循环充电，即将蓄电池组分成相同容量的小组，集中有限的方阵能量对小组进行充电，使小组达到充满状态。
本实用新型提出了一种适用于中小型光伏发电装置，有益效果如下：（1）通过对蓄电池充放电特性研究，采用了一种适宜太阳能光伏发电特性的蓄电池分阶段恒压限流自平衡快速充电模式与控制策略，提高了蓄电池的荷电水平，结合控制器和逆变电源完善的保护功能，解决了蓄电池过充过放问题，使储能蓄电池组安全可靠工作；（2）通过对光伏方阵输出电能与蓄电池在当前充电条件下的所需能量值比较，采用32位微处理器，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制，提高了光伏装置能量利用效率。
该装置既能准确地实现光伏装置最大功率点跟踪，又使光伏装置对蓄电池输出平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状态，能够提高蓄电池组的荷电水平，使蓄电池长期工作在欠充的状况得以改善，延长蓄电池的总循环寿命，提高光伏发电装置能量利用效率，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为本实用新型独立光伏发电装置构成与原理图；
图2为本实用新型控制装置主控制电路原理图；
图3为本实用新型蓄电池充放电分组管理流程图；
图4为本实用新型蓄电池恒压限流快速充电过程示意图。
具体实施方式
为对本实用新型进行更好说明，结合具体的优选实施方式，举实例说明如下：
实例1
结合附图1，2，3，该蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置包括太阳能光伏方阵1、控制器2、逆变器4、储能蓄电池组3、方阵支架5、交流配电器、输电线缆和交流电负载5和直流电负载6，控制器2分别与太阳能光伏方阵1、储能蓄电池组3、直流负载6和逆变器4相连接，逆变器4的输出端接交流负载5，其特征在于，太阳能光伏方阵1连接太阳能光伏方阵最大功率跟踪器；控制器2包括电压、温度采样模块14、控制环路、功率驱动模块9以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由MCU微处理器8发出的三个PWM信号来调节控制，第一路PWM1信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵输出工作在最大功率点；第二路PWM2信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM3信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
所述控制器2的DC/DC转换电路模块的直流输入端分别接太阳能光伏方阵1的输出端正负极，DC/DC转换电路的直流输出端一路接蓄电池3和直流负载6，另一路接逆变器4的输入端；逆变器4的输出端接交流负载5；
所述的PWM1控制电路的反馈端与所述的太阳能光伏方阵最大功率跟踪器相连，产生的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接直流/直流变换电路中的MOSFET开关管VT1控制端10；所述的PWM2控制电路的反馈端分别与恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生控制所述的DC/DC转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT2控制端11，用于向所述的蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；输出保护及PWM3驱动电路反馈端12与蓄电池3的放电端相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT3控制端13，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
储能蓄电池组3由蓄电池自平衡快速充电控制模块控制，蓄电池自平衡快速充电控制模块由智能充电模块、最大功率跟踪模块和PWM模块组成；智能充电模块包括最大功率耦合快速充电、过充电、浮充电模块，智能充电模块对充电过程进行控制，检测蓄电池状态，确定光伏充电控制器的工作状态；所述最大功率跟踪模块和PWM模块对蓄电池自平衡快速充电耦合进行控制：当蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池能够接受光伏方阵发出最大功率时，对蓄电池充电保持原方式；当蓄电池在恒压逐级限流充电方式下，蓄电池不能接受光伏方阵输出的最大功率时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比增大限流充电电流，提高充电速度，使蓄电池快速充满电，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制；当蓄电池长时间欠充时，对蓄电池组进行分组循环充电，即将蓄电池组分成相同容量的小组，集中有限的方阵能量对小组进行充电，使小组达到充满状态。
使用该装置时，在晴好天气条件下，太阳光照射到太阳能电池方阵上，太阳能电池将太阳光能转换为电能，主控制器通过电流采集电路和电压采集电路检测光伏方阵的实时输出功率，然后根据MPPT算法来调节PWM的占空比D，使光伏方阵工作在最大功率点处；直流电能在主控制器的控制下，经过防反充二极管并通过双向DC／DC转换和输出保护电路给蓄电池组充电；同时，MCU微处理器通过检测回路对电压电流和温度等进行实时采样，计算判断光伏方阵MPPT工作状态与蓄电池组充电状态和容量，在蓄电池低容量阶段时，光伏方阵输出电量为蓄电池充电采用恒流与恒压限流充电方式；当蓄电池容量达到75%后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比尽可能增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制，解决蓄电池组长期欠充问题，提高光伏发电装置能量利用效率。用电时，一路通过控制器，由光伏方阵给直流负载供电，当光伏方阵供电不足时，控制器控制蓄电池组放电，用于直流负载；另一路通过控制器与逆变器将直流电转换成通常频率和电压的交流电，再经交流配电装置和输电线路将交流电送给负载供电。
以12V蓄电池为例，首先当蓄电池的端电压在14.5V以下时，采用恒流充电。设定充电电流值的大小由蓄电池容量的大小而定，一般为容量的0.1倍，即0.1C。在充电过程中，即时检测蓄电池的端电压，当其端电压达到14.5V时，恒流充电状态结束，充电进入恒压充电状态，恒压充电电压值为14.5V。在恒压充电阶段，充电电流不断减少，充电电压保持不变。这种恒流恒压充电方式没有考虑蓄电池的特性，不符合蓄电池的充电特性曲线，容易造成对蓄电池过充和析气现象，充电效率低。本实用新型采用改进的MPPT方法和蓄电池自平衡快速充电耦合控制方式，可提高光伏充电控制装置效率，实现对太阳能发电能量的充分利用，本实用新型设计在蓄电池容量达75%后，且光伏方阵输出有足够电量时，通过提高蓄电池的可接受充电电流来实现快速充电。其控制电路结构设计通过加入大电流放电脉冲来提高充电能力；其次，依靠控制电路实时监测光伏装置输出功率和蓄电池的充电电流值，由微处理器实时比较蓄电池的最大可接受充电电流值，改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的最佳充电状态。三阶段恒压限流耦合快速充电示意图如图4所示。
这种充电过程能形成较完整的充电状态，其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状态，能够增加光伏装置的充电效率并延长蓄电池的总循环寿命。
所述的蓄电池自平衡快速充电方法，还具有内部温度补偿、动态过充欠充过放保护功能。蓄电池随温度变化其内部电解液浓度变化而导致其端电压发生变化，因此，本实用新型测量环境温度对蓄电池作温度补偿。一般12V蓄电池的充电电压维持在25℃时13.5～14.5V之间，蓄电池的浮充电电压为13.8V。当温度变化时的校正系数为：温度每变化10℃，中止电压相应校调整0.2mV。温度补偿系数调节范围0～5mV/℃，优于国标要求的-3～7mV/℃。
本实用新型特点：一方面能够最大限度地利用太阳能电池发电效能，提高能量利用率，另一方面又能使蓄电池快速充满电，使长期工作在欠充的状况得以改善，延长蓄电池的使用寿命。较好解决了蓄电池充电快速高效、析出气少、动态过充欠充保护等，使储能蓄电池组安全可靠工作，实用性强。

Claims (2)

1.蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置，其包括太阳能光伏方阵、控制器、逆变器、储能蓄电池组、方阵支架、交流配电器、输电线缆和用电负载；控制器分别与太阳能光伏方阵、储能蓄电池组、直流负载和逆变器相连接，逆变器的输出端接交流负载，其特征在于：
太阳能光伏方阵连接太阳能光伏方阵最大功率跟踪器；
控制器包括电压、温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由MCU微处理器发出的三个PWM信号来调节控制，第一路PWM1信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵输出工作在最大功率点；第二路PWM2信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM3信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿；
所述控制器的DC/DC转换电路模块的直流输入端分别接太阳能光伏方阵的输出端正负极，DC/DC转换电路的直流输出端一路接蓄电池和直流负载，另一路接逆变器的输入端；逆变器的输出端接交流负载；
所述的PWM1控制电路的反馈端与所述的太阳能光伏方阵最大功率跟踪器相连，产生的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接直流/直流变换电路中的MOSFET开关管VT1控制端；所述的PWM2控制电路的反馈端分别与恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生控制所述的DC/DC转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT2控制端，用于向所述的蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；输出保护及PWM3驱动电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的MOSFET开关管VT3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
2.如权利要求1所述的蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置，其特征在于：
储能蓄电池组由蓄电池自平衡快速充电控制模块控制，蓄电池自平衡快速充电控制模块由智能充电模块、最大功率跟踪模块和PWM模块组成；智能充电模块包括最大功率耦合快速充电、过充电、浮充电模块，智能充电模块对充电过程进行控制，检测蓄电池状态，确定光伏充电控制器的工作状态；
所述最大功率跟踪模块和PWM模块对蓄电池自平衡快速充电耦合进行控制：当蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池能够接受光伏方阵发出最大功率时，对蓄电池充电保持原方式；当蓄电池在恒压逐级限流充电方式下，蓄电池不能接受光伏方阵输出的最大功率时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比增大限流充电电流，提高充电速度，使蓄电池快速充满电，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制；当蓄电池长时间欠充时，对蓄电池组进行分组循环充电，即将蓄电池组分成相同容量的小组，集中有限的方阵能量对小组进行充电，使小组达到充满状态。
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CN111555430A (zh) * 2020-05-11 2020-08-18 广西诚新慧创科技有限公司 一种能量与信息双向支持的移动电源装置及组网系统
CZ308936B6 (cs) * 2020-07-27 2021-09-15 MGM COMPRO s.r.o. Způsob nabíjení baterie z fotovoltaického panelu

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