一种光储发电单元协调控制的方法

摘要

本发明公开了一种光储发电单元协调控制的方法，首先利用采样电路采集独立光伏发电系统中各点的电压电流值，并利用DSP芯片计算各点的实时功率及蓄电池的SOC状态；根据所得到的各点的实时功率及蓄电池的SOC状态，选择工作模式；根据所选择的工作模式以及各点的实时功率，得到DC/DC变换器的占空比信息；将所得到的占空比信息通过GPIO口传送给FPGA芯片；FPGA芯片根据接收到的占空比信息，解调出DC/DC变换器控制所需的高频PWM调制信号，实现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。该方法可在不同光照度情况下，实现蓄电池与光伏电池协同地为负荷提供持续可靠的电能供应。

权利要求

1.一种光储发电单元协调控制的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、首先利用采样电路采集独立光伏发电系统中各点的电压电流值，并利用数字信号处理器DSP芯片计算各点的实时功率及蓄电池的剩余电量SOC状态；

步骤2、根据所得到的光伏电池与负载的实时功率、蓄电池的SOC状态，选择独立光伏发电系统的工作模式，具体过程为：

设所得到的光伏电池的输出功率为Ppv，负载功率为Pload，蓄电池充放电功率为Pbatt，则独立光伏发电系统的工作模式包括：

(1)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率，且蓄电池未达到充电上限，则光伏电池运行最大功率追踪MPPT模式，而蓄电池首先进行恒流充电，待其电压到达指定值时切换为恒压充电，最后进行浮充充电，系统对应的功率平衡方程为：Ppv＝Pload+Pbatt；

(2)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率，且蓄电池达到充电上限，则光伏电池将由MPPT模式切换为恒压模式运行，以减少光伏电池发出的能量，整个系统的功率平衡方程为：Ppv＝Pload；

(3)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗的功率，且蓄电池达到了放电下限，则为了保证负载供电质量要求，光伏电池工作在恒压模式，并且为避免蓄电池过放，蓄电池将从系统中切除，整个系统的功率平衡方程为：Ppv＝Pload；

(4)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗功率，且蓄电池尚未达到放电下限，则光伏电池工作在最大功率追踪模式，蓄电池采用恒压放电控制，以维持母线电压稳定，此情况下蓄电池与光伏电池共同为负载供电，整个系统的功率平衡方程为：Ppv+Pbatt＝Pload；

(5)若光伏电池最大输出功率为零，且蓄电池达到了放电下限，则整个系统中光伏电池与蓄电池切除停机；

步骤3、根据所选择的工作模式以及相应模式下的控制逻辑，得到独立光伏发电系统中光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的占空比信息；

步骤4、将所得到的占空比信息通过DSP芯片的通用输入/输出端口GPIO传送给可编程逻辑门阵列FPGA芯片；

步骤5、所述FPGA芯片根据接收到的占空比信息，解调出DC/DC变换器控制所需的高频PWM调制信号，实现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。

2.根据权利要求1所述光储发电单元协调控制的方法，其特征在于，在步骤1中，具体利用高速ADC连接三组分压器及电流互感器采集独立光伏发电系统中光伏电池、蓄电池和负载的电压电流值，且采样频率为6.25MHz；

然后利用所述DSP芯片内存中储存的蓄电池电压值计算当前蓄电池的SOC状态，同时结合采集的光伏电池及负载的电压电流值计算当前光伏电池及负载的实时功率。

3.根据权利要求1所述光储发电单元协调控制的方法，其特征在于，在步骤5中，具体是以所述FPGA芯片作为信号处理单元，实现各DC/DC变换器的占空比信息与其地址信息的接收与解码，将占空比信息解调为DC/DC变换器控制所需的高频PWM调制信号；

再将高频PWM调制信号送至数字量输出端口，由数字量输出端口控制DC/DC变换器中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开断状态，以此使所述DC/DC变换器能够输出控制的期望值，实现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。

4.根据权利要求1所述光储发电单元协调控制的方法，其特征在于，在步骤4中，DSP芯片与FPGA芯片之间的通信具体为：利用外部扩展接口，采用两根地址线和四根数据线进行通信，FPGA芯片接收并处理DSP芯片发送的DC/DC变换器的占空比信息数据帧，向调制处理模块输出调制波；数据帧的接收信号由FPGA芯片产生，一旦检测到信号，将通过并行GPIO口接受数据，数据帧包含地址、数据两个信息。

5.根据权利要求1所述光储发电单元协调控制的方法，其特征在于，所采用DSP芯片的性能参数需满足主频100Mhz以上及四通道8位ADC以上的要求；

所采用FPGA芯片的性能参数需满足工作频率100Mhz以上及4000逻辑元件 数量以上的要求。

说明书

一种光储发电单元协调控制的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源电源与储能单元技术领域，尤其涉及一种光储发电单元协调控制的方法。

背景技术

[0002] 目前，随着我国生态文明建设的逐步落实，“智慧林业”等生态战略相继被提出，相应的新兴技术将在林区落地实现，势必会增加林区的用电负荷，同时也使林区负荷对供电
质量的要求更加严格。然而受林区地理位置偏远、负荷分布不集中等因素影响，传统大电网
通常难以到达，即使到达也存在电能质量无法满足负荷需求的现实问题。近年应用广泛的
独立式光伏发电系统为解决林区供电难的问题提供了一种有效思路，像林区生态观测站这
样的小型分散负荷，采用独立式光伏发电系统为其供电则更为经济，同时电能质量也能得
到有效保障。

[0003] 现有技术中生态观测站普遍采用独立式光伏发电系统为其供电，在多数独立式光伏发电系统中，首先利用光伏电池将太阳能转化为电能，之后将转化的电能经过DC/DC变换
器给蓄电池充电，最后由蓄电池为负载提供电能供应。上述方法并未对光伏电池与蓄电池
进行协调控制，仅由蓄电池为负荷供电，而光伏电池无法直接为负荷提供电能，导致电能不
能得到高效利用，系统工作效率低，同时蓄电池因频繁充放电而使其寿命缩短，无法满足林
区用电需求。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种光储发电单元协调控制的方法，该方法可在不同光照度情况下，实现蓄电池与光伏电池协同地为负荷提供持续可靠的电能供应，同时避免蓄电池
过充与过放，从而提高系统工作效率，延长蓄电池使用寿命。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种光储发电单元协调控制的方法，所述方法包括：

[0007] 步骤1、首先利用采样电路采集独立光伏发电系统中各点的电压电流值，并利用数字信号处理器DSP芯片计算各点的实时功率及蓄电池的剩余电量SOC状态；

[0008] 步骤2、根据所得到的光伏电池与负载的实时功率、蓄电池的SOC状态，选择独立光伏发电系统的工作模式；

[0009] 步骤3、根据所选择的工作模式以及相应模式下的控制逻辑，得到独立光伏发电系统中光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的占空比信息；

[0010] 步骤4、将所得到的占空比信息通过DSP芯片的通用输入/输出端口GPIO传送给可编程逻辑门阵列FPGA芯片；

[0011] 步骤5、所述FPGA芯片根据接收到的占空比信息，解调出DC/DC变换器控制所需的高频PWM调制信号，实现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。

[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可在不同光照度情况下，实现蓄电池与光伏电池协同地为负荷提供持续可靠的电能供应，同时避免蓄电池过充与过放，
从而提高系统工作效率，延长蓄电池使用寿命，从而为林区生态观测站提供更为可靠的电
能。

附图说明

[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
附图。

[0014] 图1为本发明实施例提供的光储发电单元协调控制的方法流程示意图；

[0015] 图2为本发明实施例所提供的独立光伏发电系统的拓扑结构示意图；

[0016] 图3本发明实施例所述方法控制下光照逐渐增加时的光伏电池、蓄电池和负载的变化功率情况示意图；

[0017] 图4为本发明实施例所述方法控制下光照逐渐增加时直流母线电压的变化情况示意图；

[0018] 图5为本发明实施例所述方法控制下光照逐渐增加时交流负载处的电压变化情况示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本
发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明的保护范围。

[0020] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的光储发电单元协调控制的方法流程示意图，所述方法包括：

[0021] 步骤1、首先利用采样电路采集独立光伏发电系统中各点的电压电流值，并利用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)芯片计算各点的实时功率及蓄电池的剩
余电量(State of Charge，SOC)状态；

[0022] 在该步骤中，具体可以利用高速模数转换器(Analog‑to‑Digital Converter，ADC)连接三组分压器及电流互感器采集独立光伏发电系统中光伏电池、蓄电池和负载的电
压、电流值，且采样频率为6.25MHz，如图2所示为本发明实施例所提供的独立光伏发电系统
拓扑结构示意图，具体包括光伏电池、蓄电池、负荷、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器和
DC/AC变换器；控制部分是由DSP芯片与可编程逻辑门阵列(Field‑Programmable Gate 
Array，FPGA)芯片构成的协调控制器，其控制对象为单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器和
DC/AC变换器。

[0023] 具体实现中，DSP芯片与外围电路的信息交换通过AD模块，AD的采样工作模式选择级联模式下的顺序采样，用定时器启动AD转换，采样频率在6.25Mhz以上即可，将每次采样
的数据先保存，采样10次之后取平均值为一次准确采样结果。

[0024] 然后利用所述DSP芯片内存中储存的蓄电池电压值计算当前蓄电池的SOC状态，同时结合采集的光伏电池及负载的电压、电流值，计算当前光伏电池及负载的实时功率。

[0025] 步骤2、根据所得到的光伏电池与负载的实时功率、蓄电池的SOC状态，选择独立光伏发电系统的工作模式；

[0026] 在该步骤中，设所得到的光伏电池输出功率为Ppv，负载功率为Pload，蓄电池充放电功率为Pbatt，则独立光伏发电系统的工作模式包括：

[0027] (1)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率，且蓄电池未达到充电上限，则光伏电池运行最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式，而蓄电池首先进
行恒流充电，待其电压到达指定值时切换为恒压充电，最后进行浮充充电，系统对应的功率
平衡方程为：Ppv＝Pload+Pbatt；

[0028] (2)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率，且蓄电池达到充电上限，则光伏电池将由MPPT模式切换为恒压模式运行，以减少光伏电池发出的能量，整个系统的功率平
衡方程为：Ppv＝Pload；

[0029] (3)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗的功率，且蓄电池达到了放电下限，则为了保证负载供电质量要求，光伏电池工作在恒压模式，并且为避免蓄电池过放，蓄电池将
从系统中切除，整个系统的功率平衡方程为：Ppv＝Pload；

[0030] (4)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗功率，且蓄电池尚未达到放电下限，则光伏电池工作在最大功率追踪模式，蓄电池采用恒压放电控制，以维持母线电压稳定，此情
况下蓄电池与光伏电池共同为负载供电，整个系统的功率平衡方程为：Ppv+Pbatt＝Pload；

[0031] (5)若光伏电池最大输出功率为零，且蓄电池达到了放电下限，则整个系统中光伏电池与蓄电池切除停机。

[0032] 步骤3、根据所选择的工作模式以及相应模式下的控制逻辑，得到独立光伏发电系统中光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的占空比信息；

[0033] 在该步骤中，在选择工作模式后，调用对应光伏电池与蓄电池的控制子程序，具体来说，光伏电池包括：MPPT工作模式子程序、恒压工作模式子程序、停机；蓄电池包括：三段
式充电子程序、放电子程序、停机，由各单元控制子程序得到低频调制波，其与高频三角载
波进行比较，采用脉冲宽度调制方式(Pulse Width Modulation，PWM)得到光伏电池与蓄电
池所接DC/DC变换器的占空比信息，从而实现对光伏电池与蓄电池进行控制。

[0034] 步骤4、将所得到的占空比信息通过DSP芯片的通用输入/输出端口(General‑purpose input/output，GPIO)传送给FPGA芯片；

[0035] 在该步骤中，DSP芯片与FPGA芯片之间的通信具体为：

[0036] 利用外部扩展接口，采用两根地址线和四根数据线进行通信，FPGA芯片接收并处理DSP芯片发送的DC/DC变换器的占空比信息数据帧，向调制处理模块输出调制波；数据帧
的接收信号由FPGA芯片产生，一旦检测到信号，将通过并行GPIO口接受数据，数据帧包含地
址、数据两个信息。

[0037] 具体实现中，DSP芯片与FPGA芯片之间通信采用10位高速并行通讯，DSP芯片将二进制占空比信息输出至第0‑6位管脚，将二进制地址信息输出至第7‑8位管脚，DSP芯片向第
9位管脚发送一个上升沿，FPGA芯片检测到第9位管脚上升沿，接受0‑8位信息为一个9位数
据帧。

[0038] 步骤5、所述FPGA芯片根据接收到的占空比信息，解调出DC/DC变换器控制所需的高频PWM调制信号，实现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。

[0039] 在该步骤中，具体是以所述FPGA芯片作为信号处理单元，实现各DC/DC变换器的占空比信息与其地址信息的接收与解码，将占空比信息解调为DC/DC变换器控制所需的高频
PWM调制信号；最终将高频PWM调制信号送至数字量输出端口，由数字量输出端口控制DC/DC
变换器中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的开断状态，
以此使DC/DC变换器能够输出控制的期望值(由上述控制生成的低频调制波决定)，从而实
现对光伏电池与蓄电池所接DC/DC变换器的控制。

[0040] 具体实现中，所采用DSP芯片的性能参数需满足主频100Mhz以上及四通道8位ADC要求；

[0041] 所采用FPGA芯片的性能参数需满足工作频率100Mhz以上及4000逻辑原件数量的要求。

[0042] 如图3所示本发明实施例所述方法控制下光照逐渐增加时的光伏电池、蓄电池和负载的变化功率情况示意图，当光照强度逐渐增加时，光伏输出功率在满足负载需求的同
时，蓄电池由放电状态转为充电状态。

[0043] 在整个过程中，发现尽管光伏电池和蓄电池输出功率不断变化(如图3所示)，但是在协调控制器作用下直流母线电压始终保持不变(如图4所示为本发明实施例所述方法控
制下光照逐渐增加时直流母线电压的变化情况示意图)，交流侧电压波形有些许畸变，但能
够满足交流负载的需要，如图5所示为本发明实施例所述方法控制下光照逐渐增加时交流
负载处的电压变化情况示意图。

[0044] 上述过程充分证明：与现有技术相比，本发明实施例所述方法能够实现不同光照度情况下蓄电池与光伏电池协同为负荷提供持续可靠的电能供应，及蓄电池可实现三段式
(恒流、恒压、浮充)充电功能，大大提高了光能利用率和系统工作效率，延长了蓄电池寿命，
使得林区生态观测站等小型独立式光伏发电系统的电能质量得到可靠保障。

[0045] 值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0046] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范
围为准。