一种离网光伏vrlab储能控制装置制造方法

专利名称:一种离网光伏vrlab储能控制装置制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种离网光伏VRLAB储能控制装置

【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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 Only Memory)、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。
[0010] 所述人机交互模块由输入输出设备构成。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 电池分组投切运行方式包括：
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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（0A)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；
[0020] 放电控制：初期（0E)采用快速放电方式回馈光伏系统冲期（EFG)采用稳定放电 方式；末期（G点后）立即停止放电。
[0021] 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。
[0022] 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⑶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冲期（EFG)采 用稳定放电方式；末期（G点后）立即停止放电。
[0023] 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】

[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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】
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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 Only Memory)、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。
[0035] 所述人机交互模块由输入输出设备构成。
[0036] 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。
[0037]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⑶、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。
[0038] 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。
[0039] 本实用新型的工作方法：
[0040] (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；
[0041] (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；
[0042] (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；
[0043] (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。
[0044] 本实用新型的工作原理：
[0045] (1)分组投切运行原理：
[0046] 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：
[0047] 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；
[0048] 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；
[0049] 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；
[0050] 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。
[0051] 分组投切充放电控制继电器指令表如下所示：
[0052]

【权利要求】
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（Cl)、电容（C2)、电阻（R)、电感（L)构成；其中，所述电容（Cl)的两端分别与光伏阵列 的输出端相连，电容（Cl)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。
【文档编号】H02J7-35GK204271731SQ201420521326
【发明者】马步云, 代志纲, 翟化欣, 杨猛, 李明, 朱斯, 岳巍澎, 王婧, 隋晓雨, 刁佳 [申请人]国家电网公司, 国网新源张家口风光储示范电站有限公司, 国网冀北电力有限公司物资分公司