專利名稱:一種離網(wǎng)光伏vrlab儲能控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，包括由光伏陣列、濾波單元、能量管理單元、VRLAB單元、DC/DC變換器、DC/AC變換器、直流負載和交流負載；其中，所述光伏陣列經(jīng)濾波單元與DC/DC變換器呈單向連接，與能量管理單元呈單向連接；所述能量管理單元與VRLAB單元呈雙向連接；所述VRLAB單元與DC/DC變換器的輸出端呈雙向連接；所述DC/DC變換器的輸出端與直流負載呈單向連接，經(jīng)DC/AC變換器與交流負載呈單向連接。本實用新型的有益效果在于：①可有效提高小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率；②采用VRLAB分組投切運行、組合式充放電控制策略，可提高充放電效率，延長儲能裝置壽命；③外部設備結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟穩(wěn)定，易于實現(xiàn)和控制。
【專利說明】一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置
【技術(shù)領域】
[0001] 本實用新型屬于新能源發(fā)電系統(tǒng)控制領域，特別是一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，新能源產(chǎn)業(yè)及分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是風能、光伏發(fā)電在偏遠地 區(qū)、城市建筑等場合得到了廣泛推廣。由于風能、光伏發(fā)電本身具有間歇性和波動性等特 點，引入儲能裝置可有效解決電能質(zhì)量問題，提高一次能源利用率和發(fā)電系統(tǒng)效率。
[0003] 蓄電池是分布式發(fā)電系統(tǒng)中最常見的儲能裝置。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，閥控 鉛酸蓄電池（Valve Relation Lead Acid Battery，VRLAB)以其技術(shù)成熟、比能量大、循環(huán) 使用壽命長、自放電小、高低溫特性穩(wěn)定、過放電恢復性能強、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，近年來 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應用。
[0004] 蓄電池成本占太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)初始設備成本的25%左右，在20年的運行周 期中占投資費用的43 %，而蓄電池運行管理不合理是導致蓄電池提前失效的重要原因。其 中，小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的規(guī)模小易受環(huán)境擾動的影響，發(fā)電量較小且系統(tǒng)器件損耗較大，對 于儲能裝置充放電能力的高效快速性、精確控制的要求更高。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電 池的控制多采用粗放式管理，充放電過程沒有做到精細化控制，僅作為光伏系統(tǒng)的附屬對 象與逆變環(huán)節(jié)、并網(wǎng)環(huán)節(jié)一起受控制器分時控制，實時性差，蓄電池利用率低常造成資源浪 費，增加了光伏系統(tǒng)的運行成本，增加了小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)用戶的經(jīng)濟負擔。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的在于提供一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，結(jié)合小型離網(wǎng)光 伏系統(tǒng)和VRLAB特性，采用電池分組投切運行模式可優(yōu)化電池組的使用效率，引入組合式 充放電控制算法可實現(xiàn)儲能裝置的高效、精確充放電控制，提高了 VRLAB的使用壽命和效 率，改善了儲能系統(tǒng)的運行，降低了小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的運行成本。
[0006] 本實用新型提供了一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于它是由光伏陣 列、濾波單元、能量管理單元、VRLAB單元、DC/DC變換器、DC/AC變換器、直流負載和交流負 載構(gòu)成；其中，所述光伏陣列經(jīng)濾波單元與DC/DC變換器呈單向連接，與能量管理單元呈單 向連接；所述能量管理單元與VRLAB單元呈雙向連接；所述VRLAB單元與DC/DC變換器的輸 出端呈雙向連接；所述DC/DC變換器的輸出端與直流負載呈單向連接，經(jīng)DC/AC變換器與交 流負載呈單向連接。
[0007] 所述濾波單元由電容C1、電容C2、電阻R、電感L構(gòu)成；其中，所述電容C1的兩端 分別與光伏陣列的輸出端相連，分別與電感L的一端和電容C2的一端相連；電感L與電阻 R串聯(lián)后與電容C2相連；電容C2的兩端分別于主控單元的DC/DC變換器相連。
[0008] 所述能量管理單元由處理器、人機交互模塊、傳感器、驅(qū)動電路構(gòu)成；其中，所述人 機交互模塊與處理器呈雙向連接；所述傳感器分別與處理器、光伏陣列、VRLAB單元呈單向 連接；所述驅(qū)動電路分別與處理器、VRLAB單元的充放電控制繼電器呈單向連接。
[0009] 所述處理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片，它包含32KB片內(nèi)可編程FLASH程 序存儲器、1KB 的 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)、2KB 的 RAM (random access memory)、看門狗電路、8路10位ADC接口、3路可編程PWM輸出接口，片內(nèi)資源豐富， 集成度高，可實現(xiàn)在線編程。
[0010] 所述人機交互模塊由輸入輸出設備構(gòu)成。
[0011] 所述傳感器由電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路構(gòu)成，采集光照強度、 蓄電池端電壓和電流、環(huán)境及蓄電池溫度、負載電流等原始數(shù)據(jù)，經(jīng)處理計算后可得到光伏 發(fā)電量、電池容量等二次數(shù)據(jù)。
[0012] 所述驅(qū)動電路由驅(qū)動電路A、驅(qū)動電路B、驅(qū)動電路C構(gòu)成；其中，所述驅(qū)動電路A、 驅(qū)動電路B、驅(qū)動電路C均由驅(qū)動器、開關管VT、二極管VD、電容C3構(gòu)成；所述驅(qū)動器采用 美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器，其輸入端與處理的PWM輸出接口相連，其輸出端與開關 管VT相連；開關管VT與二極管VD并聯(lián)，與電容C并聯(lián)；電容C兩端與VRLAB單元的充放電 控制繼電器連接；驅(qū)動電路A、驅(qū)動電路B、驅(qū)動電路C分別與VRLAB單元的充放電控制繼電 器 KM1、KM2、KM3 連接。
[0013] 所述VRLAB單元由VRLAB電池組、充放電控制繼電器構(gòu)成；其中，所述VRLAB電池 組中VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3分別與充放電控制繼電器KM1、KM2、KM3相連；KM1、KM2、KM3 分別與DC/DC變換器的輸出端相連，與驅(qū)動電路A、驅(qū)動電路B、驅(qū)動電路C相連。
[0014] 能量管理單元，還用于根據(jù)光伏發(fā)電量、負載電能需求量、以及VRLAB電量，向 VRLAB單元發(fā)出驅(qū)動信號指令，進而控制電池分組投切運行方式和組合式充放電策略；在 光伏發(fā)電量能夠滿足負載使用且電能富裕時，將電能儲存至VRLAB單元，當發(fā)電量不能滿 足本地負載電能需求時VRLAB單元將電能反饋至系統(tǒng)。
[0015] 電池分組投切運行方式包括：
[0016] 根據(jù)蓄電池容量，對容量低于額定容量15%的蓄電池組優(yōu)先充電，同時允許容量 高于額定容量15 %的電池組放電；
[0017] 在線判斷三組蓄電池容量的變化，當任意兩組蓄電池容量相差達25%時，進行充 電、放電、或靜默狀態(tài)的切換；
[0018] 在保證同時有兩組電池充電或放電、第三組靜默狀態(tài)的原則下，結(jié)合組合式充放 電控制策略，達到均衡充放電的目的；
[0019] 在系統(tǒng)的荷電狀態(tài)低于系統(tǒng)總?cè)萘康?%時，輸出低荷電狀態(tài)警告；組合式充放 電策略包括：充電控制：初期（0A)采用快速充電恢復蓄電池容量；中期（ABC)采用快速充 電恢復蓄電池容量；末期（CD)采用額定電流的30%大小的電流長期補充電；臨界點（D)停 止充電；
[0020] 放電控制：初期（0E)采用快速放電方式回饋光伏系統(tǒng)沖期（EFG)采用穩(wěn)定放電 方式；末期（G點后）立即停止放電。
[0021] 本實用新型還提供了一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的工作方法，該工作方法 包括：光伏陣列構(gòu)成的太陽能電池組接收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電能，輸出的直流電經(jīng)濾波 單元處理后接DC/DC變換器升壓處理，一部分供直流負載使用，一部分經(jīng)DC/AC逆變器變?yōu)?交流電后供交流負載使用；能量管理單元根據(jù)光伏發(fā)電量、負載電能需求量、以及VRLAB電 量，向VRLAB單元發(fā)出驅(qū)動信號指令，進而控制電池分組投切運行方式和組合式充放電策 略；在光伏發(fā)電量可以滿足負載使用且電能富裕時，將電能儲存至VRLAB單元，當發(fā)電量不 能滿足本地負載電能需求時VRLAB單元將電能反饋至系統(tǒng)。
[0022] 電池分組投切運行方式包括：根據(jù)蓄電池容量，對容量低于額定容量15 %的蓄電 池組優(yōu)先充電，同時允許容量高于額定容量15%的電池組放電；在線判斷三組蓄電池容量 的變化，當任意兩組蓄電池容量相差達25%時，進行充電、放電、或靜默狀態(tài)的切換；在保 證同時有兩組電池充電或放電、第三組靜默狀態(tài)的原則下，結(jié)合組合式充放電控制策略，達 到均衡充放電的目的；在系統(tǒng)的荷電狀態(tài)低于系統(tǒng)總?cè)萘康?%時，輸出低荷電狀態(tài)警告； 組合式充放電策略包括：充電控制：初期（OA)采用快速充電恢復蓄電池容量；中期（ABC) 采用快速充電恢復蓄電池容量；末期（CD)采用額定電流的30%大小的電流長期補充電；臨 界點⑶停止充電；放電控制：初期（OE)采用快速放電方式回饋光伏系統(tǒng)沖期（EFG)采 用穩(wěn)定放電方式；末期（G點后）立即停止放電。
[0023] 本實用新型的有益效果在于：①針對小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)開發(fā)，可有效提高發(fā)電效 率；②VRLAB分組投切運行、組合式充放電控制策略，可提高充放電效率，延長儲能裝置壽 命；③處理器采用高性能的ATMEGA32芯片可實現(xiàn)高速運算，實時處理能力強；④周邊外部 設備結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟穩(wěn)定，易于實現(xiàn)和控制。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖2為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的濾波單元結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖3為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的能量管理單元結(jié)構(gòu) 圖。
[0027] 圖4為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖5為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的VRLAB單元結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖6為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的充放電控制策略曲 線。
[0030] 圖7為本實用新型所涉一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置的充放電控制策略結(jié)構(gòu) 圖。
【具體實施方式】
[0031] 本實用新型提供的一種小型離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置（見圖1)，它是由光伏 陣列、濾波單元、能量管理單元、VRLAB單元、DC/DC變換器、DC/AC變換器構(gòu)成；其中，所述光 伏陣列經(jīng)濾波單元與DC/DC變換器呈單向連接，與能量管理單元呈單向連接；所述能量管 理單元與VRLAB單元呈雙向連接；所述VRLAB單元與DC/DC變換器的輸出端呈雙向連接；所 述DC/DC變換器的輸出端與直流負載呈單向連接，經(jīng)DC/AC變換器與交流負載呈單向連接。
[0032] 所述濾波單元（見圖2)由電容C1、電容C2、電阻R、電感L構(gòu)成；其中，所述電容 C1的兩端分別與光伏陣列的輸出端相連，分別與電感L的一端和電容C2的一端相連；電感 L與電阻R串聯(lián)后與電容C2相連；電容C2的兩端分別于主控單元的DC/DC變換器相連。
[0033] 所述能量管理單元（見圖3)由處理器、人機交互模塊、傳感器、驅(qū)動電路構(gòu)成；其 中，所述人機交互模塊與處理器呈雙向連接；所述傳感器分別與處理器、光伏陣列、VRLAB 單元呈單向連接；所述驅(qū)動電路分別與處理器、VRLAB單元的充放電控制繼電器呈單向連 接。
[0034] 所述處理器采用Atmel公司的ATMEGA32芯片，它包含32KB片內(nèi)可編程FLASH程 序存儲器、1KB 的 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)、2KB 的 RAM (random access memory)、看門狗電路、8路10位ADC接口、3路可編程PWM輸出接口，片內(nèi)資源豐富， 集成度高，可實現(xiàn)在線編程。
[0035] 所述人機交互模塊由輸入輸出設備構(gòu)成。
[0036] 所述傳感器由電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路構(gòu)成，采集光照強度、 蓄電池端電壓和電流、環(huán)境及蓄電池溫度、負載電流等原始數(shù)據(jù)，經(jīng)處理計算后可得到光伏 發(fā)電量、電池容量等二次數(shù)據(jù)。
[0037]所述驅(qū)動電路（見圖4)由驅(qū)動電路（A)、驅(qū)動電路（B)、驅(qū)動電路（C)構(gòu)成；其中， 所述驅(qū)動電路（A)、驅(qū)動電路（B)、驅(qū)動電路（C)均由驅(qū)動器、開關管VT、二極管VD、電容C3 構(gòu)成；所述驅(qū)動器采用美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器，其輸入端與處理的PWM輸出接口 相連，其輸出端與開關管VT相連；開關管VT與二極管VD并聯(lián)，與電容C并聯(lián)；電容C兩端 與VRLAB單元的充放電控制繼電器連接；驅(qū)動電路（A)、驅(qū)動電路⑶、驅(qū)動電路（C)分別與 VRLAB單元的充放電控制繼電器KM1、KM2、KM3連接。
[0038] 所述VRLAB單元（見圖5)由VRLAB電池組、充放電控制繼電器構(gòu)成；其中，所述 VRLAB電池組中VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3分別與充放電控制繼電器KM1、KM2、KM3相連；KM1、 KM2、KM3分別與DC/DC變換器的輸出端相連，與驅(qū)動電路（A)、驅(qū)動電路（B)、驅(qū)動電路（C) 相連。
[0039] 本實用新型的工作方法：
[0040] (1)光伏陣列構(gòu)成的太陽能電池組接收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電能，輸出的直流電 經(jīng)濾波單元處理后接DC/DC變換器升壓處理，一部分供直流負載使用，一部分經(jīng)DC/AC逆變 器變?yōu)榻涣麟姾蠊┙涣髫撦d使用；
[0041] (2)能量管理單元根據(jù)光伏發(fā)電量、負載電能需求量、VRLAB電量等信息，向VRLAB 單元發(fā)出驅(qū)動信號指令，進而控制電池分組投切運行方式和組合式充放電策略；
[0042] (3)在光伏發(fā)電量可以滿足負載使用需求且電能富裕時，將電能儲存至VRLAB單 元，當光伏發(fā)電量不能滿足本地負載電能需求時VRLAB單元將電能反饋至系統(tǒng)；
[0043] (4)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能及其控制系統(tǒng)結(jié)合使用，經(jīng)合理優(yōu)化配置，提高光伏系統(tǒng) 發(fā)電利用率，延長VRLAB的壽命，減小運行成本。
[0044] 本實用新型的工作原理：
[0045] (1)分組投切運行原理：
[0046] 儲能裝置在在運行時需考慮到光伏陣列發(fā)電量及最大輸出電流、負載容量，蓄電 池組的最大可充電電流及放電容量等因素，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池進行分組投切 運行管理，使其變成多個容量較小的蓄電池組，可提高充電電流有效利用光伏陣列的能量， 提高蓄電池組的充電效率，并可對蓄電池進行維護性充電。分組投切運行示意圖如圖5所 示，具體的策略如下：
[0047] ①根據(jù)蓄電池容量，對容量低于額定容量15%的蓄電池優(yōu)先充電，同時允許容量 高于額定容量15 %的電池組放電；
[0048] ②在線判斷三組蓄電池容量的變化，當任意兩組蓄電池容量相差達25%時，進行 充電和放電（或靜默）狀態(tài)的切換；
[0049] ③在保證同時有兩組電池充電或放電、第三組靜默狀態(tài)的原則下，結(jié)合組合式充 放電控制策略，達到均衡充放電的目的；
[0050] ④在系統(tǒng)的荷電狀態(tài)低于系統(tǒng)總?cè)萘康?%時，輸出低荷電狀態(tài)警告。
[0051] 分組投切充放電控制繼電器指令表如下所示：
[0052]
【權(quán)利要求】
1. 一種離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，該離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置 包括光伏陣列、濾波單元、能量管理單元、VRLAB單元、DC/DC變換器、DC/AC變換器、直流負 載和交流負載；其中，所述光伏陣列經(jīng)濾波單元與DC/DC變換器呈單向連接，所述光伏陣列 與能量管理單元呈單向連接；所述能量管理單元與VRLAB單元呈雙向連接；所述VRLAB單 元與DC/DC變換器的輸出端呈雙向連接；所述DC/DC變換器的輸出端與直流負載呈單向連 接，所述DC/DC變換器經(jīng)DC/AC變換器與交流負載呈單向連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，所述濾波單元由 電容（Cl)、電容（C2)、電阻（R)、電感（L)構(gòu)成；其中，所述電容（Cl)的兩端分別與光伏陣列 的輸出端相連，電容（Cl)的兩端分別與電感（L)的一端和電容（C2)的一端相連；電感（L) 與電阻（R)串聯(lián)后與電容（C2)的一端相連；電容（C2)的兩端分別與DC/DC變換器相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，所述能量管理單 元包括處理器、人機交互模塊、傳感器和驅(qū)動電路；其中，所述人機交互模塊與處理器呈雙 向連接；所述傳感器分別與處理器、光伏陣列、VRLAB單元呈單向連接；所述驅(qū)動電路分別 與處理器、VRLAB單元的充放電控制繼電器呈單向連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，所述傳感器包括 電壓檢測電路、電流檢測電路、以及溫度檢測電路。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電路包 括驅(qū)動電路（A)和驅(qū)動電路（B)、驅(qū)動電路（C);其中，所述驅(qū)動電路（A)、驅(qū)動電路（B)、驅(qū) 動電路（C)均包括驅(qū)動器、開關管（VT)、二極管（VD)、電容C3 ;驅(qū)動器的輸入端與處理器的 PWM輸出接口相連，驅(qū)動器的輸出端與開關管（VT)相連；開關管（VT)與二極管（VD)并聯(lián)， 開關管（VT)與電容（C3)并聯(lián)；電容（C3)兩端與VRLAB單元的充放電控制繼電器連接；驅(qū) 動電路（A)、驅(qū)動電路（B)、驅(qū)動電路（C)分別與VRLAB單元的充放電控制繼電器（KM1、KM2、 KM3)連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，所述VRLAB單 元包括VRLAB電池組（VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3)、充放電控制繼電器；其中，VRLAB電池組 (VRLAB1、VRLAB2、VRLAB3)分別與充放電控制繼電器（KM1、KM2、KM3)相連；充放電控制繼電 器（KM1、KM2、KM3)分別與DC/DC變換器的輸出端相連，充放電控制繼電器（KM1、KM2、KM3) 分別與驅(qū)動電路（A、B、C)相連。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)光伏VRLAB儲能控制裝置，其特征在于，能量管理單元， 還用于根據(jù)光伏發(fā)電量、負載電能需求量、以及VRLAB電量，向VRLAB單元發(fā)出驅(qū)動信號指 令，進而控制電池分組投切運行方式和組合式充放電策略；在光伏發(fā)電量能夠滿足負載使 用且電能富裕時，將電能儲存至VRLAB單元，當發(fā)電量不能滿足本地負載電能需求時VRLAB 單元將電能反饋至系統(tǒng)。
【文檔編號】H02J7-35GK204271731SQ201420521326
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