本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及有效利用光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能容量的控制方法。

背景技術(shù)：

隨著世界能源短缺問題的日益嚴(yán)重，太陽能作為公認(rèn)的可替代能源得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其中太陽能光伏發(fā)電成為主流。作為環(huán)境友好型可再生能源光伏產(chǎn)業(yè)要保持快速發(fā)展，就要提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本，增強(qiáng)全產(chǎn)業(yè)鏈競爭力。

光伏系統(tǒng)中電源由氣候、溫度、時(shí)間、經(jīng)緯度等因素影響的不穩(wěn)定性，使其儲(chǔ)能裝置具有不同于其他系統(tǒng)的特殊性與重要性。蓄電池充放電速度慢，時(shí)間長，循環(huán)使用壽命短，能量密度高；超級(jí)電容充放電速度快，時(shí)間短，循環(huán)使用壽命長，能量密度低。兩者互補(bǔ)，作為光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置最合適不過了。

蓄電池充電存在過充、析氣、充電速度慢、充電時(shí)間長及使用壽命短等問題，盡管超級(jí)電容可以互補(bǔ)蓄電池的不足，減少蓄電池充放電次數(shù)，但蓄電池充電控制方法不當(dāng)會(huì)直接影響到光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)成本。如何控制蓄電池的充放電，提高系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)效率和延長蓄電池使用壽命是設(shè)計(jì)蓄電池充放電控制要解決的問題。常規(guī)充電無法遵循蓄電池的固有充電曲線，不能根據(jù)工作環(huán)境的變化作出調(diào)整，一旦產(chǎn)生極化現(xiàn)象，對電池極板損害很大，或是考慮到蓄電池極化而導(dǎo)致充電時(shí)間更長，能源利用率低，蓄電池容量也沒得到更好的利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種有效利用光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能容量的控制方法，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)小，儲(chǔ)能裝置充放電速度快，使用壽命長的目的，使混合儲(chǔ)能裝置的容量得到有效利用，降低光伏系統(tǒng)成本。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供下述技術(shù)方案：

一種有效利用光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能容量的控制方法，包括下述內(nèi)容：

（1）優(yōu)先給超級(jí)電容充、放電，利用超級(jí)電容可無限次充、放電，無需維護(hù)的特點(diǎn)，減少蓄電池充、放電次數(shù)，延長蓄電池使用壽命。

（2）蓄電池進(jìn)入充、放電狀態(tài)后，超級(jí)電容逐步退出充、放電，以避免超級(jí)電容充滿電或放完電，節(jié)約容量等待下一次直流母線電壓波動(dòng)。

（3）超級(jí)電容充、放電控制采用母線電壓外環(huán)和超級(jí)電容電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，保證充、放電電流不超過超級(jí)電容可承受的最大電流。

（4）蓄電池充、放電控制采用直流母線電壓外環(huán)和蓄電池電壓內(nèi)環(huán)、蓄電池電流內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，控制蓄電池過放與析氣。

所述蓄電池充電采用脈沖充電方法；

所述脈沖充電方法包括下述內(nèi)容：

A.蓄電池充電電壓低于預(yù)設(shè)析氣電壓值時(shí)，直流母線電壓外環(huán)起主要作用 ，蓄電池電壓內(nèi)環(huán)不起作用，此時(shí)蓄電池有能力吸收光伏系統(tǒng)中所有剩余能量；

B.當(dāng)蓄電池充電電壓等于預(yù)設(shè)析氣電壓值時(shí)，電壓內(nèi)環(huán)開始起作用，此時(shí)對蓄電池進(jìn)行△t（0.5~1s）時(shí)間的負(fù)脈沖放電，使蓄電池電壓下降，繼續(xù)以放電以前的電流充電，到蓄電池電壓再次達(dá)到預(yù)設(shè)析氣電壓值，再進(jìn)行△t時(shí)間的負(fù)脈沖放電，以此循環(huán)，直到充電時(shí)間間隔和放電時(shí)間間隔相同；

C.蓄電池充滿，脈沖充電已充不進(jìn)去，進(jìn)入恒壓控制的小電流浮充階段，蓄電池電壓內(nèi)環(huán)起主要作用。

蓄電池電流環(huán)限制充放電電流，當(dāng)充放電電流達(dá)到限值還是不能穩(wěn)定直流母線電壓，超級(jí)電容開始充放電。

本發(fā)明混合儲(chǔ)能充放電控制方法的有益效果是：

充分利用了蓄電池和超級(jí)電容優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的特性，提高了光伏系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定性，保證了供電的可靠性；同時(shí)，減少了蓄電池充放電次數(shù)，改善了析氣現(xiàn)象，提高了充電速度，最終延長蓄電池的使用壽命，提高超級(jí)電容和蓄電池的容量利用率，降低光伏系統(tǒng)的成本。

附圖說明

圖1是蓄電池組和超級(jí)電容組混合充、放電電路圖；電路采用Boost/Buck升降壓電路，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

圖2是超級(jí)電容充放電雙閉環(huán)控制圖；母線電壓外環(huán)保證直流母線電壓的穩(wěn)定，超級(jí)電容端電壓內(nèi)環(huán)避免充電過壓。

圖3是蓄電池充放電三閉環(huán)控制圖；母線電壓外環(huán)保證直流母線電壓的穩(wěn)定，蓄電池充、放電電壓內(nèi)環(huán)、蓄電池電流內(nèi)環(huán)避免過充、過放及析氣，起到限制電壓電流大小的作用。

圖4是蓄電池脈沖充電原理圖；在充電過程中進(jìn)行負(fù)脈沖放電可以提高蓄電池對充電電流的接受能力，從而可以繼續(xù)以原來的電流對蓄電池充電。

圖5是蓄電池組和超級(jí)電容組混合充放電控制流程圖；首先由超級(jí)電容承擔(dān)直流母線電壓的波動(dòng)，如果母線電壓還是超出預(yù)設(shè)范圍再對蓄電池充放電。

圖6是蓄電池脈沖充電流程圖；通過判斷蓄電池端電壓來確定脈沖放電時(shí)刻，通過判斷充電時(shí)間間隔確定進(jìn)入浮充階段。

圖中，T1—第一IGBT，T2—第二IGBT，T3—第三IGBT，T4—第四IGBT； C1—蓄電池充電電流特性曲線，C2—放電后蓄電池充電電流特性曲線，ch1—第一充電電流，ch2—第二充電電流，dc—放電電流。

IGBT是絕緣柵雙極性晶體管的縮寫。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下：

圖1所示，蓄電池組和超級(jí)電容組分別通過第一非隔離型雙向DC/DC變換器、第二非隔離型雙向DC/DC變換器并聯(lián)到光伏系統(tǒng)直流母線上；

所述第一非隔離型雙向DC/DC變換器由第一BOOST升壓電路和第一BUCK降壓電路組成。

所述第二非隔離型雙向DC/DC變換器由第二BOOST升壓電路和第二BUCK降壓電路組成。

所述第一BOOST升壓電路由第二IGBT T2、第一二極管D1、第一電感L1、電容C組成，所述第二BOOST升壓電路由第四IGBT T4、第三二極管D3、第二電感L2、電容C組成。

所述第一BUCK降壓電路由第一IGBT T1、第二二極管D2、第一電感L1組成；所述第二BUCK降壓電路由第三IGBT T3、第四二極管D4、第二電感L2組成；

當(dāng)?shù)谝籌GBT（或第三IGBT）關(guān)斷時(shí)，蓄電池（或超級(jí)電容）通過第一電感L1（或第二電感L2）、第一二極管D1（或第三二極管D3）和直流母線負(fù)載形成回路，與第一電感L1（或第二電感L2）共同作為電源為直流母線Udc供電，于此同時(shí)，給直流母線Udc并聯(lián)的電容C充電；當(dāng)?shù)谝籌GBT（或第三IGBT）開通時(shí)，直流母線Udc與第一電感L1（或第二電感L2）、第一IGBT（或第三IGBT）形成通路，給第一電感L1（或第二電感L2）充電，直流母線Udc由電容C放電提供電能保持連續(xù)，此時(shí)第一二極管D1（或第三二極管D3）處于截止?fàn)顟B(tài)。蓄電池（或超級(jí)電容）輸出電壓與第一電感L1（或第二電感L2）共同作為電源時(shí)，直流母線電壓Udc大于蓄電池（或超級(jí)電容）輸出電壓；

通過控制第二IGBT（或第四IGBT）的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)充電控制。在第二IGBT（或第四IGBT）導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，直流母線側(cè)電流流過第二IGBT（或第四IGBT）、第一電感L1（或第二電感L2）給蓄電池（或超級(jí)電容）充電。在第二IGBT（或第四IGBT）關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，直流母線沒有電流流向蓄電池（或超級(jí)電容），蓄電池（或超級(jí)電容）通過第一電感L1（或第二電感L2）和第二二極管D2（或第四二極管D4）續(xù)流；

蓄電池組和超級(jí)電容組的端電壓低于直流母線電壓，對蓄電池和超級(jí)電容充電時(shí)就要通過控制BUCK降壓電路中第一IGBT T1和第三IGBT T3的PWM占空比進(jìn)行充電控制；對蓄電池和超級(jí)電容放電時(shí)就要通過控制BOOST升壓電路中第二IGBT T2和第四IGBT T4的PWM占空比進(jìn)行放電控制。

光伏系統(tǒng)直流母線電壓設(shè)定上、下波動(dòng)限值，光伏系統(tǒng)直流母線電壓能在限值內(nèi)波動(dòng)，超出限值就要對混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充、放電控制，穩(wěn)定直流母線電壓。

優(yōu)先采用超級(jí)電容充、放電，這樣利用超級(jí)電容充放電的快速性，既可以提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，濾去直流母線較小波動(dòng)，又可以減少蓄電池的充放電次數(shù)，延長蓄電池使用壽命。

超級(jí)電容充放電控制方法：

用采樣電路實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)直流母線電壓值Udc，當(dāng)Udc＞Udc*+△u時(shí)，優(yōu)先給超級(jí)電容充電；當(dāng)Udc＜Udc*-△u時(shí)，超級(jí)電容放電。

△u=0~10V；

充、放電控制采用母線電壓外環(huán)和超級(jí)電容電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，保證充放電電流不超過超級(jí)電容可承受的最大電流，超級(jí)電容充、放電雙閉環(huán)控制如圖2所示。

超級(jí)電容充、放電雙閉環(huán)控制原理：采樣電路實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)直流母線電壓值Udc，通過比較器與預(yù)設(shè)值Udc*進(jìn)行比較，計(jì)算第一差值Udc*-Udc，將第一差值Udc*-Udc輸入比例積分調(diào)節(jié)器PI進(jìn)行運(yùn)算獲得運(yùn)算結(jié)果Uc*，運(yùn)算結(jié)果Uc*與采樣電路實(shí)時(shí)采集的超級(jí)電容端電壓Uc通過比較器進(jìn)行比較，并計(jì)算超級(jí)電容端電壓差值Uc*-Uc；超級(jí)電容端電壓差值Uc*-Uc輸入比例積分調(diào)節(jié)器PI進(jìn)行運(yùn)算生成脈沖波PWM，驅(qū)動(dòng)第三IGBT或第四IGBT；

超級(jí)電容端電壓閉環(huán)控制保證充電電壓不超過額定耐壓值，直流母線電壓環(huán)通過控制超級(jí)電容充放電電流實(shí)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定的目的。

蓄電池組充、放電控制方法：

當(dāng)超級(jí)電容的充電電流達(dá)到最大值且直流母線電壓Udc高于給定限值Udc*+△u時(shí)，給蓄電池組充電，充電采用脈沖充電方法；

當(dāng)超級(jí)電容的放電電流達(dá)到最大值且直流母線電壓Udc低于給定限值Udc*-△u時(shí)，蓄電池組放電。

蓄電池充、放電控制采用直流母線電壓外環(huán)和蓄電池電壓內(nèi)環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的三個(gè)閉環(huán)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，控制蓄電池過放與析氣。

如圖3所示，蓄電池充、放電三閉環(huán)控制原理：采樣電路實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)直流母線電壓值Udc，通過比較器與預(yù)設(shè)值Udc*進(jìn)行比較，獲得第一差值Udc*-Udc；將第一差值Udc*-Udc輸入比例積分調(diào)節(jié)器PI進(jìn)行運(yùn)算獲得電壓運(yùn)算結(jié)果Ubatt*，電壓運(yùn)算結(jié)果Ubatt*與采樣電路實(shí)時(shí)采集的蓄電池端電壓Ubatt通過比較器進(jìn)行比較，并計(jì)算第二差值Ubatt*- Ubatt；將第二差值Ubatt*- Ubatt輸入比例積分調(diào)節(jié)器PI進(jìn)行運(yùn)算獲得電流運(yùn)算結(jié)果Ibatt*,電流運(yùn)算結(jié)果Ibatt*與采樣電路實(shí)時(shí)采集的蓄電池電流Ibatt通過比較器進(jìn)行比較，并計(jì)算第三差值Ibatt*- Ibatt；第三差值Ibatt*- Ibatt輸入比例積分調(diào)節(jié)器PI進(jìn)行運(yùn)算生成脈沖波PWM，驅(qū)動(dòng)第一IGBT或第二IGBT；

蓄電池端電壓及電流的閉環(huán)控制保證充電電壓不超過析氣電壓值，充電電流小于蓄電池能接受的最大電流值，直流母線電壓環(huán)通過控制蓄電池充放電電流實(shí)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定的目的 。

當(dāng)蓄電池進(jìn)入充、放電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容充、放電電流逐漸減小到零，即退出充放電狀態(tài)，準(zhǔn)備迎接下一次直流母線電壓的波動(dòng)。如此，利用了超級(jí)電容充放電快速性，而且避免超級(jí)電容充滿電或放完電，合理分配超級(jí)電容容量，抑制母線電壓的波動(dòng)。

蓄電池充電電流特性曲線為指數(shù)函數(shù)曲線，蓄電池放電容量及放電深度可直接影響蓄電池充電電流接受能力。在充電過程中，當(dāng)蓄電池充電電流接近充電電流特性曲線時(shí)，對蓄電池進(jìn)行短暫的大電流放電，可消除極化現(xiàn)象，增大蓄電池對充電電流的接受能力。此時(shí)放電電流雖大，但放電容量較小，而充電電流可以提高，最終可提高充電效率及蓄電池在系統(tǒng)中容量的利用率。

如圖4所示，蓄電池脈沖充電原理：蓄電池充電電流特性曲線C1為指數(shù)函數(shù)曲線，蓄電池充電電流ch1達(dá)到蓄電池充電電流特性曲線C1值時(shí)，蓄電池脈沖放電消除析氣，蓄電池充電電流特性曲線右移為曲線C2，可繼續(xù)以充電電流ch1對蓄電池充電，到下次蓄電池充電電流ch1達(dá)到蓄電池充電電流特性曲線C1值時(shí)，再次放電。直到△t＇≤△t時(shí)，蓄電池以小電流ch2進(jìn)行浮充。

如圖5所示，蓄電池和超級(jí)電容混合充放電控制流程：

（1）第一次采樣：對直流母線電壓采樣獲得第一直流母線電壓Udc1；

（2）第一次計(jì)算：將第一直流母線電壓Udc1與預(yù)設(shè)值Udc*進(jìn)行比較，并計(jì)算第一直流母線電壓偏差值e1=Udc*-Udc1；

（3）第一次比較：將第一直流母線電壓偏差值e1與直流母線電壓偏差預(yù)設(shè)值△u進(jìn)行比較；

當(dāng)?shù)谝恢绷髂妇€電壓偏差值e1＜-△u時(shí)，超級(jí)電容為充電狀態(tài)；重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）；進(jìn)行第二次采樣獲得第二直流母線電壓Udc2，進(jìn)行第二次計(jì)算獲得第二直流母線電壓偏差值e2=Udc*-Udc2；第二次比較判斷：當(dāng)e2＜-△u時(shí)，蓄電池工作在充電狀態(tài)；否則，蓄電池不工作；

當(dāng)直流母線電壓偏差值-△u≤e1≤△u時(shí)，超級(jí)電容和蓄電池組均不工作；

當(dāng)直流母線電壓偏差值e1＞△u時(shí)，超級(jí)電容為放電狀態(tài)；重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）；進(jìn)行第二次采樣獲得第二直流母線電壓Udc2，進(jìn)行第二次計(jì)算獲得第二直流母線電壓偏差值e2=Udc*-Udc2；第二次比較判斷：當(dāng)e2＞△u時(shí)，蓄電池工作在放電狀態(tài)；否則，蓄電池不工作；

通過對直流母線電壓的不斷檢測，獲得母線電壓與預(yù)設(shè)電壓值的關(guān)系，確定充電還是放電，優(yōu)先選擇超級(jí)電容充放電穩(wěn)定直流母線電壓，若超級(jí)電容充放電過程中檢測到直流母線電壓還是高于（或低于）預(yù)設(shè)值，這時(shí)蓄電池開始充電（或放電）。

蓄電池組充電采用脈沖充電方法：蓄電池充電過程中實(shí)時(shí)采集蓄電池組端電壓Ubatt。

當(dāng)蓄電池充電端電壓Ubatt＜Ubatt*（對于12V70Ah的蓄電池， Ubatt*=14.5~14.9V）時(shí)，充、放電閉環(huán)控制中直流母線電壓外環(huán)起主要作用 ，蓄電池電壓內(nèi)環(huán)不起作用，此時(shí)蓄電池有能力吸收光伏系統(tǒng)中所有剩余能量，充電電流由光伏系統(tǒng)剩余能量大小決定；

當(dāng)蓄電池充電端電壓Ubatt≥Ubatt*時(shí)，對蓄電池進(jìn)行脈沖充電控制，此時(shí)蓄電池電壓內(nèi)環(huán)起作用，限制蓄電池端電壓。

如圖6所示，蓄電池脈沖充電流程：

（1）采集蓄電池端電壓Ubatt；

（2）蓄電池端電壓Ubatt與預(yù)設(shè)電壓Ubatt*進(jìn)行比較：當(dāng)Ubatt＞Ubatt*時(shí)，給蓄電池△t時(shí)間的負(fù)脈沖放電；當(dāng)Ubatt≤Ubatt*時(shí)，蓄電池工作在充電狀態(tài)；

（3）相鄰兩個(gè)放電脈沖間隔時(shí)間△t＇＞△t時(shí)，蓄電池工作在充電狀態(tài)；相鄰兩個(gè)放電脈沖間隔時(shí)間△t＇≤△t時(shí)，蓄電池工作在小電流浮充狀態(tài)。

蓄電池充電過程中不斷檢測其端電壓大小，當(dāng)端電壓等于或大于析氣電壓值時(shí)，對蓄電池進(jìn)行負(fù)脈沖放電，提高蓄電池對電流接受能力，再繼續(xù)以原來充電電流充電，以此循環(huán)直到蓄電池充滿電，最后對蓄電池進(jìn)行小電流浮充補(bǔ)充其自放電損失電量。

當(dāng)蓄電池充電端電壓Ubatt≥Ubatt*時(shí)，電壓內(nèi)環(huán)開始起作用，繼續(xù)以放電以前的電流充電，蓄電池會(huì)產(chǎn)生析氣，此時(shí)對蓄電池進(jìn)行△t時(shí)間的負(fù)脈沖放電，蓄電池端電壓下降，此時(shí)蓄電池固有充電曲線右移，即蓄電池可接受充電電流增加，然后繼續(xù)可以原有電流充電，到蓄電池電壓再次達(dá)到預(yù)設(shè)析氣電壓值Ubatt*，再進(jìn)行△t負(fù)脈沖放電，以此循環(huán)；

直到充電時(shí)間△t＇(與上一次放電時(shí)間間隔)和放電△t相等，此時(shí)蓄電池接近充滿，脈沖充電已充不進(jìn)去，進(jìn)入恒壓控制的小電流浮充階段將（12V70Ah蓄電池浮充電壓通常為13.5~13.8V），蓄電池電壓內(nèi)環(huán)起主要作用。

在蓄電池組充電過程中負(fù)脈沖放電時(shí)，會(huì)引起直流母線電壓的波動(dòng)，此時(shí)利用超級(jí)電容充放電的快速性，吸收掉該波動(dòng)，即吸收蓄電池組放電能量。

蓄電池電流環(huán)限制充、放電電流，當(dāng)電流達(dá)到限值還是不能穩(wěn)定直流母線電壓，超級(jí)電容開始充、放電。

蓄電池組在光伏系統(tǒng)中的主要作用是：

1）光照強(qiáng)的時(shí)候，儲(chǔ)存光伏系統(tǒng)中多余能量：

2）光照弱的時(shí)候或是沒有光照的時(shí)候，釋放能量。

超級(jí)電容在光伏系統(tǒng)中的主要作用是：

1）抑制直流母線電壓的小波動(dòng)及突發(fā)波動(dòng)，特別是光伏發(fā)電和負(fù)載突變引起的波動(dòng)；

2）在蓄電池脈沖充電期間，超級(jí)電容吸收負(fù)脈沖放電能量。