一種智能混合儲能供電終端的製作方法
2023-05-23 18:57:27
本發明屬於電力設備領域，尤其是，其中涉及的一種既能進行電能儲能，又能將儲備電能輸出供電的電力終端裝置。
背景技術：
隨著社會的發展，人類對能源的需求越來越高。而由於化石能源的消耗會對環境產生致命的影響，因此，人類對清潔能源的渴求日益強烈。常見的清潔能源有風能、太陽能以及地熱能等等。
然而，對於清潔能源的實際採集，存在著或多或少的缺點。例如，風力發電不穩定，不能及時上網；亦或者某個區域的風能、太陽能過剩，無法輸出到用戶用電區域。
另外，對於地熱能、風能以及太陽能採集的選址，都是需要大規模的能源富集區域。並且，當前的建設方法依然按照區域採集，集中逆變上網的方法，這就造成了小區域能源無法收集，效率低下。而若是建設大量的廠房，則會佔用大量場地。
同時普通用戶家庭依然只是作為電能的消耗者，無法參與到電能生產環節。而且電能生產者與消耗者距離遙遠，多採用主電網----分支的結構，如此，造成主電網線路浪費，區域負荷居高不下。
對此，業界推出了儲能終端來嘗試解決這一問題。但目前的儲能終端，大多功能單一，如中國專利申請第201510661144.6號揭示的EPS、UPS、或者太陽能充電器，多為工業使用以確保供電，普通家庭用戶鮮有布置。即便是充放電一體機，如中國專利申請第201520838918號所揭示的，其內部也是由多個獨立的設備拼裝而成，其包括單獨的充電、放電系統，安裝複雜，價格高昂，儲能/放電損耗高，經濟價值低。
進一步的，從現有設備來看，可以進行電能儲能的設備，電能方向單一。如中國專利申請第200720148300號所揭示的，電能只能由太陽能電池板採集，通過單獨的充電器向電池充電，再通過逆變器送到電網上。當太陽能不能充滿電池時，不能將電網上富餘的電能反向存儲起來。
或者，是能聯網使用但不能進行電能儲能的設備，如中國專利申請第200910180542、201520838918號所揭示的，只能實現用電設備聯網，數據採集，簡單的通訊，但是不能儲能。對於這種設備，首先，其充放電電路效率低，降低了太陽能轉化效率；其次，其上網需要單獨的計算機，系統整體耗電高，結構冗餘，體積龐大，如果天氣不好，太陽能發的電可能都不能保證計算機的正常使用。
而且，以上提到的這些舉例性的系統，只能接駁太陽能，不支持其他可收集的清潔能源，供給能量選擇單一，而且為維持自身系統運轉所需的電能消耗大。
因此，確有必要開發一種新型的智能混合儲能供電終端，來克服現有技術中的缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種智能混合儲能供電終端，其能夠直接吸收由多種類型清潔能源採集設備輸出的直流電能並能將其儲存，同時又可離網、併網控制。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種智能混合儲能供電終端，其包括控制器、直流功率驅動板、第一採樣單元、第一輸入接口以及用電切換開關。其中所述第一輸入接口用於接入外部直流輸入，所述第一採樣單元對所述直流輸入進行採樣並將採樣信息傳給所述控制器，所述控制器根據所述採樣信息得知直流輸入類型，進而控制所述直流功率驅動板調整為相應功能以將所述直流輸入存儲到儲能單元內。所述控制器還控制所述用電切換開關，使得所述用電切換開關能根據需要有選擇的連通家庭用電側和交流電網側，從而使得所述儲能單元存儲的電能能夠向所述家庭用電側進行供電，或者所述交流電網側向所述儲能單元供電存儲。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述直流功率驅動板採用DC-DC的方式，所述控制器通過PWM信號控制所述直流功率驅動板。
進一步的，在不同實施方式中，其還包括功率變壓器、功率驅動板和第二採樣單元，其中所述第二採樣單元對通過所述用電切換開關進入所述功率變壓器的交流電進行採樣並將採樣信息傳給所述控制器，所述控制器根據所述採樣信息控制所述功率驅動板，使其對經由所述功率變壓器處理後的低壓交流信號進行整理，從而將其存儲到所述儲能單元中。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述控制器還連接有第三採樣單元，其能夠分別對所述直流功率驅動板和功率驅動板進行電壓電流採樣，並將採樣信息反饋給所述控制器。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述功率驅動板是通過BOOST原理將所述功率變壓器對所述交流電網側提供的交流電進行降壓變換處理後得到的低壓交流信號進行整流。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述功率驅動板為全橋結構，其能夠將所述控制器輸出的互補SPWM小信號轉換成用於驅動所述功率變壓器的帶有功率的低壓交流信號。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述控制器還連接有交流相位捕捉單元，其通過對所述交流電網側的市電信號的採集放大，輸出與市電同步的脈衝信號，供併網使用。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述控制器包括STM32或DSP高性能處理器，用於對各種信號進行採集、處理，實現整個所述終端的逆變、充電控制。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述終端還結合有ARM架構的嵌入式系統，其控制器通過USB與所述嵌入式系統進行數據交換。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述終端通過所述嵌入式系統，來實現聯網功能、數據存儲功能以及外部數據交互功能。
進一步的，在不同實施方式中，其中所述儲能單元可以是所述供電終端的一部分，但也可以是獨立設置，通過連線與所述終端連接。所述儲能單元具體可以是電池組，例如，由鉛蓄電池或是鋰電池構成的帶有保護功能的陣列電池組；但不限於。
相對於現有技術，本發明的有益效果是：本發明涉及的一種智能混合儲能供電終端，其能對多種不同類型清潔能源的直流輸入進行儲能，並能遠程控制；同時將交流逆變與直流充電作為一個控制整體，使得存儲的電能能夠輸出利用到家庭用電側，同時當交流電網側存在多餘電能時，還能將其存儲以備後用。且其高度集成，內部系統配合緊湊，從而使得系統內部組件之間的傳輸損耗減小，有效的提高了轉換效率，同時穩定可靠。
另外，所述終端結合ARM架構的嵌入式系統，由於其系統的聯網採集控制採用ARM架構，去除掉現有低速485、CAN鏈路層，去除掉額外的單獨數據採集器，減少其他設備投入成本，從而減少了控制監控系統的自身損耗。且，所述終端還能減少對設備安裝位置的限制，只要有電能產生的位置，有網絡信號，結合了嵌入式系統的所述終端即可上網，參與到分布式系統中。
同時所述終端結合嵌入式系統作為軟體載體，可以運行各種作業系統，軟體開發兼容性強，每個廠家或者搭建能源電力採集的個體均可開發自主軟體，免於開發新的硬體，減少社會整體資源重複消耗。
附圖說明
圖1是本發明的一個實施方式提供的一種智能混合儲能供電終端的邏輯結構圖。
具體實施方式
以下將結合附圖和實施例，對本發明涉及的一種智能混合儲能供電終端的技術方案作進一步的詳細描述。
請參閱圖1所示，本發明的一個實施方式提供了一種智能混合儲能供電終端，其包括第一輸入接口1、第一採樣單元3、控制器5、直流功率驅動板7、用電切換開關2、第二採樣單元4、功率變壓器6以功率驅動板8。
其中所述第一輸入接口1用於接入外部直流輸入，其具體可以是由採集到的清潔能源所轉化來的直流輸入，例如，風能、太陽能等等。所述第一採樣單元3對所述直流輸入進行採樣並將採樣信息傳給所述控制器5，所述控制器5根據所述採樣信息得知直流輸入類型進而控制所述直流功率驅動板7調整為相應功能以將所述直流輸入存儲到儲能單元9內。
其中所述直流功率驅動板7採用同步DC-DC方式，所述控制器5通過輸出的PWM信號控制所述直流功率驅動板7，進而將直流輸入側的電能存儲到所述儲能單元內9。
所述儲能單元9，其可以是所述供電終端的一部分，也可以獨立存在，通過接線連接所述終端。所述儲能單元，具體可以是電池組，例如，由鉛蓄電池或是鋰電池構成的帶有保護功能的陣列電池組，電壓可以是48V，但不限於。
進一步的，所述用電切換開關2用於切換所述終端與家庭用電側、交流電網側的連通情況。所述控制器5控制所述用電切換開關2，使得所述用電切換開關能根據需要有選擇的連通家庭用電側和交流電網側。
其中所述第二取樣單元4用於將進入所述功率變壓器6的交流電壓電流進行放大，處理。所述功率變壓器6可以將所述功率驅動板8輸出低壓交流功率信號變換成高壓功率信號，又可以將經過電壓電流取樣的交流市電變換成低壓交流功率信號。
所述功率驅動板8為全橋結構，既可以將高性能處理器輸出的互補SPWM小信號轉換成可以驅動功率變壓器的帶有功率的低壓交流信號；又可以通過BOOST 原理將所述功率變壓器6對交流電網輸入的交流電降壓變換後的低壓交流信號進行整流，從而對所述儲能單元9輸入電能。
所述控制器5還連接有交流相位捕捉單元10，其通過對市電信號的採集放大，輸出與市電同步的脈衝信號，供併網使用。所述控制器5還連接有第三採樣單元12，其可以分別對所述直流功率驅動板7和功率驅動板8進行電壓電流採樣，並將採樣信息反饋給所述控制器5。所述控制器5具體可以採用STM32或DSP等高性能處理器，用於對各種信號進行採集，實現逆變，充電控制。
以下將結合本發明涉及的所述終端的具體使用過程，對本發明做進一步的描述。
1、逆變工作方法：所述儲能單元的電池組9通過被所述控制器5以SPWM驅動所述功率驅動板8變換成±24V的交流信號，通過所述功率變壓器6低壓繞組—高壓繞組變換成220V市電標準，再經過所述第二採樣單元4變換到220V/50Hz。其中所述第二採樣單元4的信號會反饋給所述控制器5，使其能實時調節，保證輸出220V電壓，頻率穩定；且功率輸出電壓與電流的乘積峰值在設備設計範圍內。
1.1、併網同步逆變輸出：在所述終端斷開電網的情況下，開啟逆變輸出，電壓跟隨市電網電壓，此時所述終端輸出的正弦信號處在自由運行的狀態。所述控制器5通過所述交流相位捕捉單元10捕捉計算市電與所述終端輸出的正弦信號的相位差a，主動微調輸出頻率（例如49Hz），其中當a=0時，輸出與市電相同的頻率。此後的時間，所述控制器5輸出的SPWM信號被動跟蹤從所述交流相位捕捉單元10輸出的觸發，從而實現併網輸出。
2、通過市電充電的方式：所述用電切換開關2將所述終端併入所述交流電網，其市電信號經過所述第二採樣單元4進入所述功率變壓器6的高壓繞組，其低壓繞組輸出±24V的電壓信號，所述功率驅動板8的上橋臂關閉，下橋臂對24V進行boost升壓整流，所述控制器5通過對所述第二取樣單元4和第三採樣單元12獲得的電壓電流信息計算，實現所述交流電網側對所述儲能單元9電池組的充電流程。
3、直流充電方式：若所述終端用戶選擇第一輸入埠1接入的直流輸入為太陽能，則所述終端採用MPPT最大功率點跟蹤的方法，達到太陽能最大效率輸入；若第一輸入埠1的直流輸入類型為穩定直流輸入，則根據對所述儲能單元9電池組的設定，選擇標準充電曲線預充(可選)-恆壓-橫流-涓流 模式充電。通過對所述儲能單元電池的類型以及組合方式的選擇，所述控制器5對電壓、電流進行優化。其中所述控制器5根據所述第一採樣單元的反饋信息進行電壓電流控制。
4、混合充電方式：其為所述交流電網側和所述第一輸入埠1側同時對所述儲能單元9電池組充電；舉例來講，所述儲能單元9電池組的允許充電電流為10A，所述控制器5控制所述功率驅動板8根據系統設定進行最大5A的MPPT充電，按照所述第一採樣單元3的反饋信息進行電壓電流控制。並且允許所述交流電網側充電時，側按照上述方式2進行補充5A電流，通過第三採樣單元12進行交流側控制。
進一步的，所述終端可結合作業系統進行操作。例如，在一個實施方式中，所述終端結合有一ARM架構的嵌入式系統20，其控制器5通過USB與所述嵌入式系統20進行數據交換。其中所述嵌入式系統20包括ARM SOC和周邊器件內存、FLASH、USB-HUB、網絡接口、無線網絡接口、2G/3G/4G無線接口、USB DEVICE接口、喇叭、SATA硬碟和專有密鑰接口等等，具有可擴展性。
所述嵌入式系統20還可以連接有顯示器（未圖示），其可以接收來自所述嵌入式系統的顯示指令，顯示相應的內容。所述顯示器可具有觸摸操作功能，以便輸入外界指令。所述終端的用戶可以通過所述顯示器進行各種系統參數設定，例如，基本參數：市電頻率、電壓、是否允許逆變上網、電池類型；控制策略：MPPT、SVPWM、SPWM、允許從交流電網儲能、允許從直流輸入儲能、允許二者同時儲能等等，由於參數眾多，此處不在一一描述。
例如，在一個實施方式中，所述終端用戶通過所述顯示器可以選擇第一輸入埠1直流輸入的類型，所述控制器5通過讀取所述第一輸入埠1的類型的設定，來相應選擇驅動所述直流功率驅動板6的控制方法。當然，在其他實施方式中，所述顯示器的輸入功能可以由滑鼠、鍵盤所代替。
所述終端結合了所述嵌入式系統可進一步的實現以下功能：
1、用戶交互功能：所述終端用戶通過操作帶有觸摸功能的顯示器輸入指令，所述嵌入式系統通過圖形界面進行相應的反饋，從而實現所述終端與操作用戶之間的數據交互。
2、數據聯網功能：所述嵌入式系統可以通過內置的聯網功能：有線/無線網絡，或是2/3/4G網絡上網，接受來自伺服器的消息，或者策略。
3、數據記錄功能：所述嵌入式系統通過USB與所述控制器5進行數據交互，其中所述終端涉及的所有數據、狀態改變均會被記錄到所述嵌入式系統內部的硬碟中。
4、併網後孤島效應的消除功能：主供電系統通過網絡通知所述嵌入式系統斷開對交流電網側的輸出，所述嵌入式系統控制所述控制器5實現以下功能：
4.1、通過所述用電切換開關2斷開所述終端與市電網的連接；
4.2、按照所述終端用戶設定是否保持家庭用電側供電情況，並且所述嵌入式系統還可通過揚聲器發出相應的聲音，來提醒用戶。
本發明涉及的一種智能混合儲能供電終端，其能對多種不同類型清潔能源的直流輸入進行儲能，並能遠程控制；同時將交流逆變與直流充電作為一個控制整體，使得存儲的電能能夠輸出利用到家庭用電側，同時當交流電網側存在多餘電能時，還能將其存儲以備後用。且其高度集成，內部系統配合緊湊，從而使得系統內部組件之間的傳輸損耗減小，有效的提高了轉換效率，同時穩定可靠。
另外，所述終端結合ARM架構的嵌入式系統，由於其系統的聯網採集控制採用ARM架構，去除掉現有低速485、CAN鏈路層，去除掉額外的單獨數據採集器，減少其他設備投入成本，從而減少了控制監控系統的自身損耗。且，所述終端還能減少對設備安裝位置的限制，只要有電能產生的位置，有網絡信號，結合了嵌入式系統的所述終端即可上網，參與到分布式系統中。
同時所述終端結合嵌入式系統作為軟體載體，可以運行各種作業系統，軟體開發兼容性強，每個廠家或者搭建能源電力採集的個體均可開發自主軟體，免於開發新的硬體，減少社會整體資源重複消耗。
本發明的技術範圍不僅僅局限於上述說明中的內容，本領域技術人員可以在不脫離本發明技術思想的前提下，對上述實施例進行多種變形和修改，而這些變形和修改均應當屬於本發明的範圍內。