大功率光伏充電系統及其主電路及其控制方法
2024-03-11 07:33:15 2
專利名稱：大功率光伏充電系統及其主電路及其控制方法
技術領域：
本發明涉及控制電路及控制方法，具體是一種光伏充電系統及其主電路及其充電控制方法。
背景技術：
獨立式光伏發電系統中通常需配備儲能裝置，以保證系統可不間斷的向負載提供所需電能。目前的光伏發電系統儲能元件多採用鉛酸蓄電池組，而蓄電池組充電管理性能的好壞將直接影響蓄電池使用壽命及整個發電系統的運行穩定性及可靠性。因此，良好的蓄電池組充電控制器，不僅有利於延長蓄電池自身使用壽命，也有利於提高發電系統的運行穩定性和可靠性。基於多路順序控制原理的大功率光伏充電控制器中，單元主電路一般由一個防反二極體D1、一個功率開關管S1及其吸收電路組成，其系統主電路結構如圖1所示。為保證對各充電單元的有效控制，功率開關管S1 —般選用全控型器件如IGBT或MOSFET等。由於此類器件內部含有反並續流二極體，為避免蓄電池反向對太陽能電池充電而損壞太陽電池，須在光伏陣列輸出端串聯一防反二極體，如圖1中的Dp此種充電控制器主要存在以下不足1.損耗大。由於功率開關器件採用全控器件，在高壓大功率系統中，功率開關導通損耗較大。此外，主電路中防反二極體的引入，在充電過程中增加了二極體導通損耗。2.體積大且成本高。由於功率開關的開關損耗及防反二極體的導通損耗較大，系統須相應配置較大的散熱器，使得整機體積龐大，而高電壓大功率全控器件價格昂貴，也增加了系統成本。3.可靠性差。系統工作過程中，是通過直接關閉主迴路功率開關的方式來將充電單元切出。然而，由於線路中寄生電感作用，在關閉的瞬間會在開關管兩端感生很高的電壓，易造成功率開關損毀，甚至損壞蓄電池。
發明內容
本發明要解決的技術問題之一是提供一種具有損耗小、體積小、重量輕，成本低且可靠性高的大功率光伏充電系統。本發明米用以下技術方案解決上述技術問題的一種大功率光伏充電系統，包括充電主電路、蓄電池組以及控制電路，所述充電主電路包括多個並聯的結構完全一致的充電單元，多個充電單元的輸出端均連接到蓄電池組，每個充電單元包括作為主功率開關的主功率晶閘管和輔助關斷電路，其中主功率晶閘管串聯在光伏陣列與蓄電池組的連接線路上，輔助關斷電路並聯在光伏陣列的兩端，控制電路通過實時檢測蓄電池組端電壓來確定系統運行模式，當端電壓低於過放電壓點時，通過控制工作充電單元個數，確保充電電流在限定值以內；當端電壓介於過放電壓和浮充電壓之間時，開啟所有單元電路，以大電流向蓄電池組充電；而當電壓達到浮充電壓時，關閉一定數量充電單元，以小電流對蓄電池組進行浮充。進一步的，所述光伏陣列的正極經過主功率晶閘管與蓄電池組的正極連接，負極與蓄電池組負極相連，構成共陰極光伏充電主電路。或者，所述光伏陣列的正極直接與蓄電池組正極相連，負極經過主功率晶閘管與蓄電池組的負極連接，構成共陽極光伏充電主電路。上述兩種結構中，所述每個充電單元的輔助關斷電路包括電容、電阻、功率開關，電容和電阻並聯後的第二端連接在功率開關的第一端，電容和電阻並聯後的第一端和功率開關的第二端分別連接在光伏陣列的正負極，功率開關的控制端連接到控制電路。進一步的，所述控制電路包括並聯安裝在蓄電池組兩端的電壓傳感器、並聯在每個光伏陣列兩端的電壓傳感器、串聯在蓄電池組與充電主電路線路之間的電流傳感器、串聯在每個充電單元線路上的電流傳感器、ADC採樣電路，DSP中央處理器，控制電路通過ADC採樣電路檢測蓄電池組端電壓，將模擬信號轉換為數位訊號送入DSP中央處理器，以判別蓄電池組當前狀態，當蓄電池組端電壓低於過放電壓時，判斷第一充電單元的光伏陣列電壓是否大於啟動電壓點，若是，則向第一充電單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，開通第一充電單元向蓄電池組充電，同時通過電流傳感器檢測蓄電池組充電電流,如果充電電流小於最小限定電流值，則再向第二單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，使第二單元和第一單元同時向蓄電池組充電，以此類推，逐路增加開通充電單元，直至充電電流上升至最小限定值，蓄電池組電壓逐步上升，當蓄電池組端電壓上升至過放電壓點時，再逐路開通所有剩餘充電單元，系統以光伏電池陣列所能提供的最大功率向蓄電池組充電，此後，當蓄電池組端電壓上升到所設定浮充電壓值時，DSP中央處理器依次向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出觸發導通信號，接收到觸發信號的輔助關斷電路被開通，則主功率晶閘管因受反壓而自然關斷，該充電單元停止向蓄電池組充電，蓄電池組充電電流逐漸減小，直至實際充電電流在設定範圍之內，向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出導通觸發信號後，通過串聯在每個充電單元線路上的電流傳感器監測該單元充電電流，若電流下降至零，則向該單元的輔助關斷電路的功率開關發出關斷觸發信號，相應輔助電路支路關閉，隨後該支路的電容所儲存能量通過洩放電阻耗盡，最後電容端電壓降為零，以此類推，最後僅剩某一或某些充電單元保持工作以維持蓄電池浮充狀態。上述所述每個充電單元中的功率開關採用以下的任一種功率IGBT全控功率器件、功率MOSFET全控功率器件、功率SCR。本發明還提供一種大功率光伏充電系統的主電路，包括多個充電單元，每個充電單元包括作為主功率開關的主功率晶閘管和輔助關斷電路，其中主功率晶閘管串聯在光伏陣列與蓄電池組的連接線路上，輔助關斷電路並聯在光伏陣列的兩端。更具體的，所述光伏陣列的正極經過主功率晶閘管與蓄電池組的正極連接，負極與蓄電池組負極相連，構成共陰極光伏充電主電路。或者，所述光伏陣列的正極直接與蓄電池組正極相連，負極經過主功率晶閘管與蓄電池組的負極連接，構成共陽極光伏充電主電路。本發明還提供一種了上述大功率光伏充電系統的主電路的控制方法，首先通過ADC採樣電路檢測蓄電池組端電壓，將模擬信號轉換為數位訊號送入一 DSP中央處理器，以判別蓄電池組當前狀態，當蓄電池組電壓低於過放電壓時，判斷第一充電單元的光伏陣列電壓是否大於啟動電壓點，若是，則向第一充電單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，開通第一充電單元向蓄電池組充電，同時檢測蓄電池組充電電流，如果充電電流小於最小限定電流值，則再向第二單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，使第二單元和第一單元同時向蓄電池組充電，以此類推，逐路增加開通充電單元，直至充電電流上升至最小限定值，蓄電池組電壓逐步上升，當蓄電池組端電壓上升至過放電壓點時，再逐路開通所有剩餘充電單元，系統以光伏電池陣列所能提供的最大功率向蓄電池組充電，此後，當蓄電池組端電壓上升到所設定浮充電壓值時，DSP中央處理器依次向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出觸發導通信號，接收到觸發信號的充電單元輔助關斷電路被開通，則主功率晶閘管因受反壓而自然關斷，該充電單元停止向蓄電池組充電，蓄電池組充電電流逐漸減小，直至實際充電電流在設定範圍之內，向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出導通觸發信號後，監測該單元充電電流，若電流下降至零，則向該單元的輔助關斷電路的功率開關發出關斷觸發信號，相應輔助關斷電路關閉，隨後該輔助關斷電路的電容所儲存能量通過洩放電阻耗盡，最後電容端電壓降為零，以此類推，最後僅剩某一或某些充電單元保持工作以維持蓄電池浮充狀態本發明的優點在於1、通過引入半控器件主功率晶閘管作為主功率開關管，而全控器件僅作為輔助關斷器件，並且捨棄了防反二極體，導通損耗大大降低，因此，所需散熱器小，使得系統成本降低及裝置體積減小。2、小功率IGBT、電容和電阻組成的輔助關斷支路，使得充電單元可自然接入和切出，使系統運行可靠性增強。3、本發明控制靈活，易於冗餘。通過簡單的增加並聯支路就可實現裝置容量擴充。
圖1為一般光伏充電主電路結構圖。圖2為本發明光伏充電系統結構框圖。圖3為本發明光伏充電主電路結構圖一。圖4為本發明光伏充電主電路結構圖二。
具體實施例方式在光伏充電系統中，為保障蓄電池運行安全且儘可能延長蓄電池使用壽命，須根據蓄電池特性來對充電控制器進行控制，在不同階段採用不同的充電方式。對於光伏發電儲能系統中大量使用的鉛酸蓄電池，主要須關注兩個電壓節點一個是過放電壓點，一個是浮充電壓點。過放電電壓點是由於蓄電池深度放電，造成蓄電池組端電壓過低。當蓄電池組端電壓低於過放點電壓時，若採用大電流對蓄電池組進行充電，則極易造成熱失控，不利於激活蓄電池內部活性物質，從而影響蓄電池自身使用壽命，因而在這一階段須採用涓流充電方式。而當電壓介於過放電壓和浮充電壓之間時，充電電流可在不超過蓄電池接受能力的電流條件下進行充電，即採用大電流充電。這一最大充電電流值與蓄電池容量相關，一般不大於O. 2C。當蓄電池組電壓達到浮充電壓時，又需採用涓流充電方式，以補償由於蓄電池由於自身放電所耗電量。本發明基於主功率晶閘管單元化控制的大功率光伏充電系統結構框圖見圖2，該大功率光伏充電系統包括充電主電路、控制電路以及蓄電池組。
所述充電主電路包括多個並聯的充電單元單元I至單元n，多個充電單元的輸出端均連接到蓄電池組。單元I的主電路包括光伏陣列1、電容C1，電阻R1，功率開關S1及主功率晶閘管TR1。各充電單元主電路結構與單元I完全一致，為適應不同蓄電池組功率等級，僅需通過增減並聯充電單元支路來實現。所述充電主電路可以有兩種選擇方式，分別是如圖3所示的共陰極光伏充電主電路以及如圖4所示的共陽極光伏充電主電路。請參閱圖3所示，以單元I為例，光伏陣列I的正極經過主功率晶閘管TR1與蓄電池組的正極連接，負極與蓄電池組負極相連，構成共陰極光伏充電主電路。同時在光伏陣列I的正負極兩端並接一輔助關斷電路。該輔助關斷電路包括電容C1、電阻R1、功率開關S1,電容C1和電阻R1並聯後的第二端連接在功率開關S1的第一端，電容C1和電阻R1並聯後的第一端和功率開關S1的第二端分別連接在光伏陣列I的正負極。請參閱圖4所示，以單元I為例，光伏陣列I的正極直接與蓄電池組正極相連，負極經過主功率晶閘管TR1與蓄電池組的負極連接，構成共陽極光伏充電主電路。同時在光伏陣列I的正負極兩端並接一輔助關斷電路。該輔助關斷電路包括電容C1、電阻R1、功率開關S1，電容C1和電阻R1並聯後的第二端連接在功率開關S1的第一端，電容C1和電阻R1並聯後的第一端和功率開關S1的第二端分別連接在光伏陣列I的正負極。上述兩種光伏充電主電路中，所述每個充電單元中的功率開關Sk S2........ Sn可以採
用功率IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)全控功率器件或功率 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半場效電晶體)全控功率器件或功率SCR (Silicon Controlled Rectifier，單向可控矽)主功率晶閘管。所述控制電路包括並聯安裝在蓄電池組兩端的電壓傳感器、串聯在蓄電池組與充電主電路線路之間的電流傳感器、串聯在每個充電單元線路上的電流傳感器、ADC採樣電路，DSP中央處理器。或者控制電路還可以包括一顯示屏。ADC採樣電路採樣各電流傳感器和電壓傳感器的數據，送到DSP中央處理器進行處理，DSP中央處理器的輸出端控制各個充電單元的輔助關斷電路。該大功率充電系統的基本工作原理是通過實時檢測蓄電池組端電壓來確定系統運行模式，當蓄電池組端電壓低於過放電壓點時，通過控制工作充電單元個數，確保充電電流在限定值以內；當端電壓介於過放電壓和浮充電壓之間時，開啟所有單元電路，以大電流向蓄電池組充電；而當電壓達到浮充電壓時，關閉一定數量充電單元，以小電流對蓄電池組進行浮充。具體工作過程為通過ADC採樣電路檢測蓄電池組端電壓，將模擬信號轉換為數位訊號送入DSP中央處理器，以判別蓄電池組當前狀態。若蓄電池組電壓低於過放電壓時，判斷第一充電單元的光伏陣列電壓是否大於啟動電壓點，若是，則向單元I的主功率晶閘管TR1發出觸發導通脈衝信號Tm，開通充電單元I向蓄電池組充電，否則，判斷第二充電單元的光伏陣列電壓值，依次類推。同時通過電流傳感器A檢測蓄電池組充電電流，如果充電電流小於最小限定電流值，則再向單元2的主功率晶閘管TR2發出觸發導通脈衝信號Ττκ2，使單元I和單元2同時向蓄電池組充電，以此類推，逐路增加開通充電單元，直至充電電流上升至最小限定值，蓄電池組電壓逐步上升。當蓄電池組端電壓上升至過放電壓點時，再逐路開通所有剩餘充電單元，系統以光伏電池陣列所能提供的最大功率向蓄電池組充電。此後，當蓄電池組端電壓上升到所設定浮充電壓值時，DSP中央處理器依次向充電單元的輔助關斷電路的功率開關Sk(k=n，n-1)發出觸發導通信號Tsk(k=n，n-1，···)，接收到觸發信號的充電單元輔助關斷電路被開通，其主功率晶閘管TRk (k=n, n-1,……)因受反壓而自然關斷，該充電單元停止向蓄電池組充電，蓄電池組充電電流逐漸減小，直至實際充電電流在設定範圍之內。向充電單元的輔助關斷電路的功率開關Sk(k=n，n-1，···)發出導通觸發信號後，檢測每個充電單元線路上的電流傳感器Ak，若電流下降至零，則向該單元的輔助關斷電路的功率開關Sk發出關斷觸發信號，相應輔助關斷電路關閉。隨後該支路的電容Ck所儲存能量通過洩放電阻Rk耗盡，最後電容Ck端電壓降為零。以此類推，最後僅剩某一或某些充電單元保持工作以維持蓄電池浮充狀態。系統除進行充電控制外，主控DSP中央處理器還會將蓄電池組所處的工作狀態，所開通充電單元個數以及各充電單元工作狀態送入顯示屏顯示，以便工作人員全面了解系統運行狀態。 以上所述僅為本發明創造的較佳實施例而已，並不用以限制本發明創造，凡在本發明創造的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明創造的保護範圍之內。
權利要求
1.一種大功率光伏充電系統，包括充電主電路、蓄電池組以及控制電路，所述充電主電路包括多個並聯的結構完全一致的充電單元，多個充電單元的輸出端均連接到蓄電池組，其特徵在於每個充電單元包括作為主功率開關的主功率晶閘管和輔助關斷電路，其中主功率晶閘管串聯在光伏陣列與蓄電池組的連接線路上，輔助關斷電路並聯在光伏陣列的兩端，控制電路通過實時檢測蓄電池組端電壓來確定系統運行模式，當蓄電池組端電壓低於過放電壓點時，通過控制工作充電單元個數，確保充電電流在限定值以內；當蓄電池組端電壓介於過放電壓和浮充電壓之間時，開啟所有單元電路，以大電流向蓄電池組充電；而當蓄電池組端電壓達到浮充電壓時，關閉一定數量充電單元，以小電流對蓄電池組進行浮充。
2.如權利要求1所述的大功率光伏充電系統，其特徵在於所述光伏陣列的正極經過主功率晶閘管與蓄電池組的正極連接，負極與蓄電池組負極相連，構成共陰極光伏充電主電路。
3.如權利要求1所述的大功率光伏充電系統，其特徵在於所述光伏陣列的正極直接與蓄電池組正極相連，負極經過主功率晶閘管與蓄電池組的負極連接，構成共陽極光伏充電主電路。
4.如權利要求2或3所述的大功率光伏充電系統，其特徵在於所述每個充電單元的輔助關斷電路包括電容、電阻、功率開關，電容和電阻並聯後的第二端連接在功率開關的第一端，電容和電阻並聯後的第一端和功率開關的第二端分別連接在光伏陣列的正負極，功率開關的控制端連接到控制電路。
5.如權利要求4所述的大功率光伏充電系統，其特徵在於所述控制電路包括並聯在蓄電池組兩端的電壓傳感器、並聯在每個光伏陣列兩端的電壓傳感器、串聯在蓄電池組與充電主電路線路之間的電流傳感器、串聯在每個充電單元線路上的電流傳感器、ADC採樣電路，DSP中央處理器，控制電路通過ADC採樣電路檢測蓄電池組端電壓，將模擬信號轉換為數位訊號送入DSP中央處理器，判別蓄電池組當前狀態，當蓄電池組端電壓低於過放電壓時，判斷第一充電單兀的光伏陣列電壓是否大於啟動電壓點，若是，則向第一充電單兀的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，開通第一充電單元向蓄電池組充電，否則，判斷第二充電單元的光伏陣列電壓值，依次類推，同時通過電流傳感器檢測蓄電池組充電電流，如果充電電流小於最小限定電流值，則再向第二單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，使第二單元和第一單元同時向蓄電池組充電，以此類推，逐路增加開通充電單元，直至充電電流上升至最小限定值，蓄電池組電壓逐步上升，當蓄電池組端電壓上升至過放電壓點時，再逐路開通所有剩餘充電單元，系統以光伏電池陣列所能提供的最大功率向蓄電池組充電，此後，當蓄電池組端電壓上升到所設定浮充電壓值時，DSP中央處理器依次向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出觸發導通信號，接收到觸發信號的充電單元輔助關斷電路被開通，則主功率晶閘管因受反壓而自然關斷，該充電單元停止向蓄電池組充電，蓄電池組充電電流逐漸減小，直至實際充電電流在設定範圍之內，向充電單元的輔助關斷電路發出導通觸發信號後，通過串聯在每個充電單元線路上的電流傳感器監測該單元充電電流，若電流下降至零，則向該單元的輔助關斷電路的功率開關發出關斷觸發信號，相應輔助關斷電路關閉，隨後該輔助關斷電路的電容所儲存能量通過洩放電阻耗盡，最後電容端電壓降為零，以此類推，最後僅剩某一或某些充電單元保持工作以維持蓄電池浮充狀態。
6.如權利要求4所述的大功率光伏充電系統，其特徵在於所述每個充電單元中的功率開關採用以下的任一種功率IGBT全控功率器件、功率MOSFET全控功率器件、功率SCR。
7.一種大功率光伏充電系統的主電路，其特徵在於包括多個充電單元，每個充電單元包括作為主功率開關的主功率晶閘管和輔助關斷電路，其中主功率晶閘管串連在光伏陣列與蓄電池組的連接線路上，輔助關斷電路並聯在光伏陣列的兩端。
8.如權利要求7所述的大功率光伏充電系統的主電路，其特徵在於所述光伏陣列的正極經過主功率晶閘管與蓄電池組的正極連接，負極與蓄電池組負極相連，構成共陰極光伏充電主電路。
9.如權利要求7所述的大功率光伏充電系統的主電路，其特徵在於所述光伏陣列的正極直接與蓄電池組正極相連，負極經過主功率晶閘管與蓄電池組的負極連接，構成共陽極光伏充電主電路。
10.一種如權利要求7至9任一項所述的大功率光伏充電系統的主電路的控制方法，其特徵在於首先通過ADC採樣電路檢測蓄電池組端電壓，將模擬信號轉換為數位訊號送入一 DSP中央處理器，以判別蓄電池組當前狀態，當蓄電池組端電壓低於過放電壓時，判斷第一充電單兀的光伏陣列電壓是否大於啟動電壓點，若是，則向第一充電單兀的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，開通第一充電單元向蓄電池組充電，否則，判斷第二充電單元的光伏陣列電壓值，依次類推，同時檢測蓄電池組充電電流，如果充電電流小於最小限定電流值，則再向第二單元的主功率晶閘管發出觸發導通脈衝信號，使第二單元和第一單元同時向蓄電池組充電，以此類推，逐路增加開通充電單元，直至充電電流上升至最小限定值，蓄電池組電壓逐步上升，當蓄電池組端電壓上升至過放電壓點時，再逐路開通所有剩餘充電單元，系統以光伏電池陣列所能提供的最大功率向蓄電池組充電，此後，當蓄電池組端電壓上升到所設定浮充電壓值時，DSP中央處理器依次向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出觸發導通信號，接收到觸發信號的輔助關斷電路被開通，則主功率晶閘管因受反壓而自然關斷，該充電單元停止向蓄電池組充電，蓄電池組充電電流逐漸減小，直至實際充電電流在設定範圍之內，向充電單元的輔助關斷電路的功率開關發出導通觸發信號後，監測該單元充電電流，若電流下降至零，則向該單元的輔助關斷電路的功率開關發出關斷觸發信號，相應輔助關斷電路關閉，隨後該輔助關斷電路的電容所儲存能量通過洩放電阻耗盡，最後電容端電壓降為零，以此類推，最後僅剩某一或某些充電單元保持工作以維持蓄電池浮充狀態。
全文摘要
本發明提供了一種大功率光伏充電系統，其充電主電路包括多個並聯的結構完全一致的充電單元，多個充電單元的輸出端均連接到蓄電池組，每個充電單元包括作為主功率開關的主功率晶閘管和輔助關斷電路，其中主功率晶閘管連接在光伏陣列與蓄電池組的連接線路上，輔助關斷電路並聯在光伏陣列的兩端，控制電路通過實時檢測蓄電池組端電壓來確定系統運行模式。本發明還提供了一種該系統中使用的主電路，以及該主電路的控制方法。本發明的優點在於導通損耗大大降低，使得系統成本降低及裝置體積減小；輔助關斷支路的使用使得充電單元可自然接入和切出，系統運行可靠性增強；通過簡單的增加並聯支路就可以實現容量擴充，系統控制靈活，冗餘性強。
文檔編號H02J7/00GK103036281SQ20121051374
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者汪海寧, 張健, 賴紀東, 蘇建徽, 張國榮, 茆美琴 申請人:合肥工業大學