一種供電接入裝置及其充放電控制方法
【專利摘要】本發明提供一種供電接入裝置，用于接入發電單元與儲能單元并向負載供電，供電接入裝置包括整流器、直流變換器、卸荷器、逆變器與控制器，整流器用于發電單元輸入的整流，直流變換器用于對儲能單元輸入、發電單元輸入或整流后的發電單元輸入升壓，卸荷器用于釋放多余能量，逆變器用于將直流轉換為交流，供電接入裝置還包括充放電控制裝置，用于控制儲能單元放電或者充電,控制器控制充放電控制裝置。本發明還提供一種供電接入裝置的充放電控制方法。本發明提供的供電接入裝置，通過改變儲能單元的連接方式，減少了儲能單元的充放電次數，從而延長儲能單元的使用時間，降低由供電接入裝置構成的微電網系統的運行成本，保證微電網系統穩定可靠地供電。
【專利說明】
一種供電接入裝置及其充放電控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電氣控制領域，具體涉及一種供電接入裝置及其充放電控制方法。
【背景技術】
[0002] 半導體功率器件的快速增容、現代控制理論的日趨成熟、電力系統的智能化發展 為微電網系統中的微電網裝置的發展帶來了契機。
[0003] 在典型的智能微電網系統，為了安全、高效地接入且充分利用分布式能源，包括整 流器、逆變器、直流變換器、卸荷器以及儲能單元，如圖1所示，風機和光伏組件產生的電能 向儲能單元充電，由儲能單元放電向直流或交流負載供電。
[0004] 采用這樣的結構，在微電網供電過程中，儲能單元在不停地充電、放電，而儲能單 元的充放電次數都是有限的，經過一段時間的使用，儲能單元就會報廢，必須更換，使得微 電網系統的運行成本較高。
【發明內容】
[0005] 鑒于現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種供電接入裝置，通過改變 儲能單元的連接方式，減少了儲能單元的充放電次數，從而延長儲能單元的使用時間，降低 由供電接入裝置構成的微電網系統的運行成本，保證微電網系統穩定可靠地供電。
[0006] 本發明提供一種供電接入裝置，用于接入發電單元與儲能單元并向負載供電，供 電接入裝置包括整流器、直流變換器、卸荷器、逆變器與控制器，整流器用于發電單元輸入 的整流，直流變換器用于對儲能單元輸入、發電單元輸入或整流后的發電單元輸入升壓，卸 荷器用于釋放多余能量，逆變器用于將直流轉換為交流，供電接入裝置還包括充放電控制 裝置，用于控制儲能單元放電或者充電，控制器控制充放電控制裝置。
[0007] 進一步地，充放電控制裝置設置于儲能單元與高壓母線之間。
[0008] 進一步地，直流變換器為BOOST升壓電路。
[0009]進一步地，儲能單元的正極通過BOOST升壓電路的電感與充放電控制裝置連接，再 通過充放電控制裝置連接到高壓母線上。
[0010] 進一步地，充放電控制裝置包括并聯的單向通道與可控通道，其中可控通道斷開 時，儲能單元通過單向通道放電，可控通道導通時，儲能單元通過可控通道充電。
[0011] 進一步地，可控通道設置有第一可控開關，單向通道設置有用于單向導通的二極 管。
[0012] 進一步地，供電接入裝置包括一組或多組儲能單元接入端。
[0013] 進一步地，供電接入裝置包括多組儲能單元接入端，用于接入充放電特性相同或 不同的儲能單元。
[0014] 進一步地，儲能單元接入端接入充放電特性不同的儲能單元，控制器以不同的優 先級或不同的頻率對儲能單元放電。
[0015] 進一步地，控制器具有電池管理功能。
[0016] 本發明還提供一種上述供電接入裝置的充放電控制方法，包括以下步驟：
[0017] (a)發電單元發出的電的功率大于負載功率與第一系數的乘積時，如果儲能單元 未充滿，控制向儲能單元充電；如果儲能單元已充滿，切出儲能單元，啟動卸荷器；
[0018] (b)發電單元發出的電的功率小于負載功率與第二系數的乘積時，控制儲能單元 放電，儲能單元與發電單元一起向負載供電；
[0019] (c)發電單元發出的電的功率大于或等于負載功率與第二系數的乘積且小于或等 于負載功率與第一系數的乘積時，切出儲能單元。
[0020] 進一步地，第一系數大于或等于所述第二系數。
[0021] 與現有技術相比，本發明提供的供電接入裝置及其充放電控制方法，具有以下有 益效果:通過改變儲能單元的連接方式，減少了儲能單元的充放電次數，從而延長儲能單元 的使用時間，降低由供電接入裝置構成的微電網系統的運行成本，保證微電網系統穩定可 靠地供電。
【附圖說明】
[0022] 圖1是現有技術中的供電接入裝置的結構示意圖；
[0023] 圖2是本發明的一個實施例的供電接入裝置的結構示意圖；
[0024] 圖3是雙向BUCK-BOOST電路與充放電控制裝置的電路圖；
[0025] 圖4是BOOST升壓電路與充放電控制裝置的一種電路圖；
[0026] 圖5是BOOST升壓電路與充放電控制裝置的另一種電路圖；
[0027] 圖6是本發明的又一個實施例的供電接入裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 如圖2所示，本發明的一個實施例的供電接入裝置，用于接入發電單元與儲能單元 并向負載供電，供電接入裝置包括整流器、直流變換器、卸荷器、逆變器與控制器，整流器用 于發電單元輸入的整流，直流變換器用于對儲能單元輸入、發電單元輸入或整流后的發電 單元輸入升壓，卸荷器用于釋放多余能量，逆變器用于將直流轉換為交流，供電接入裝置還 包括充放電控制裝置，用于控制儲能單元放電或者充電，控制器控制充放電控制裝置。
[0029] 發電單元可以為直流發電裝置和/或交流發電裝置。
[0030] 發電單元可以是一個，也可以是多個。
[0031]本實施例中發電單元兩個，發電單元包括直流發電裝置和交流發電裝置，其中直 流發電裝置為光伏組件，交流發電裝置為風機，當然交流發電裝置也可以為柴油發電機，當 然也可以只包括風機，或者只包括光伏，本發明對此不作限制。
[0032] 本實施例中，儲能單元為鉛酸電池。儲能單元也可以是鉛酸電池、鋰電池、液流電 池或鈉硫電池等電池，本發明對此不作限制。
[0033] 供電接入裝置還包括控制器，用于控制直流變換器、卸荷器、逆變器與充放電控制 裝置。
[0034]充放電控制裝置設置于儲能單元與高壓母線之間。
[0035] 本實施例中，一種電路如圖3所示，直流變換器為雙向BUCK-BOOST電路，儲能單元 的正極通過第二可控開關Q2與單向導通的二極管D2并聯電路，連接到雙向BUCK-BOOST電路 的電感L的第一端，電感L的另一端接地;包括第一可控開關Q1與單向導通的二極管D1的充 放電控制裝置，連接在電感L的第一端與高壓母線之間。
[0036] 充放電控制裝置包括并聯的單向通道與可控通道，其中可控通道斷開時，儲能單 元通過單向通道放電，即向負載輸出功率;可控通道導通時，儲能單元通過可控通道充電。
[0037] 具體地，可控通道設置有第一可控開關Q1，單向通道設置有用于單向導通的二極 管D1，控制器通過控制端A控制第一可控開關Q1的斷開與導通。
[0038] 本實施例中的供電接入裝置的充放電控制方法，包括以下步驟：
[0039] (a)發電單元發出的電的功率大于負載功率與第一系數的乘積時，如果儲能單元 未充滿，控制向儲能單元充電；如果儲能單元已充滿，切出儲能單元，啟動卸荷器；
[0040] (b)發電單元發出的電的功率小于負載功率與第二系數的乘積時，控制儲能單元 放電，儲能單元與發電單元一起向負載供電；
[0041] (c)發電單元發出的電的功率大于或等于負載功率與第二系數的乘積且小于或等 于負載功率與第一系數的乘積時，切出儲能單元。
[0042]第二可控開關Q2用于控制是否接入儲能單元，具體控制流程如下：
[0043] (1)Ρ/λ; > ΦιΡ〇?/7,時，如果儲能單元已充滿，切出儲能單元，并啟動卸荷器，釋放多 余的功率;如果儲能單元未充滿，對儲能單元充電；
[0044]具體地，如果儲能單元已充滿，控制器關閉第一可控開關Q1的控制端Α的PWM信號， 同時關閉第二可控開關Q2的控制端B的PWM，第一可控開關Q1與第二可控開關Q2均處于斷開 狀態，切出儲能單元，避免儲能單元過度充電，以延長儲能單元的使用壽命；
[0045] 如果儲能單元未充滿，控制器打開第一可控開關Q1的控制端A的PWM信號，同時關 閉第二可控開關Q2的控制端B的PWM，第一可控開關Q1處于接通狀態，而第二可控開關Q2處 于斷開狀態，發電單元發出的電輸入到高壓母線，由高壓母線向儲能單元充電；
[0046] ⑵φ_2Ρ〇υΤ $ P!.N S Φ?Ρ〇υΤ_時，將儲能單兀切出，僅發電單兀向負載供電，以達 到功率平衡，減少對儲能單元的充放電的次數，從而延長儲能單元的使用壽命；
[0047]具體地，控制器關閉第一可控開關Q1的控制端Α的PWM信號，同時關閉第二可控開 關Q2的控制端B的PWM，第一可控開關Q1與第二可控開關Q2均處于斷開狀態，切出儲能單元；
[0048] (3)Ριν< Φ2Ρουτ時，將儲能單元切入，儲能單元放電，與發電單元一起向負載供電， 以達到功率平衡；
[0049] 具體地，控制器關閉第一可控開關Q1的控制端Α的PWM信號，同時打開第二可控開 關Q2的控制端B的PWM，第一可控開關Q1處于斷開狀態，而第二可控開關Q2處于接通狀態，切 入儲能單元；
[0050]其中，Pin為發電單兀發電的功率總和，Pout為輸出功率。Φ 1為第一系數、Φ 2為第二 系數，可以相同，也可以不同。
[0051 ] Φ 1與Φ 2相同時，例如Φ 1 = 1，Φ 2 = 1，此時Pin小于Pout時，儲能單元放電，與發電單 元一起向負載供電；Pin等于Pout時，切出儲能單元;Pin大于Pout時，如果儲能單元已充滿，切 出儲能單元，避免儲能單元過度充電，延長儲能單元的使用壽命，如果儲能單元未充滿，使 用多余的功率向儲能單元充電。
[0052]為了避免PIN等于Pout附近頻繁切換，也就是稍小于Ρουτ，儲能單元放電，稍大于Pout 又切出儲能單元或向儲能單元充電，可以使用不同的Φ?與Φ 2, Φ?大于Φ 2例如Φ 1=1.05， Φ 2 = 1，此時Pin小于Pout時，儲能單元放電，與發電單元一起向負載供電;Pin大于Pout的1.05 倍時，根據儲能單元是否充滿，進行相應的操作;而Pin處于Pout與Ροιιτ的1.05倍之間，切出儲 能單元，也就是發電單元發出的電的功率與負載功率平衡。
[0053]在另一個實施例中，采用如圖4所示的電路，直流變換器為BOOST升壓電路，儲能單 元的正極通過BOOST升壓電路的電感L與充放電控制裝置連接，再通過充放電控制裝置連接 到高壓母線上。具體地，第一可控開關Q1與單向導通的二極管D1并聯后，連接在電感L與高 壓母線之間。
[0054] 第一可控開關Q1可以采用IGBT、M0S管，如果IGBT、M0S管本身自帶單向導通二極 管，此時無需單獨設置單向導通二極管;但如果電流較大時，也可單獨設置單向導通二極 管。
[0055] 在另一個實施例中，采用如圖5所示的電路，直流變換器為BOOST升壓電路，第一可 控開關Q1可以采用雙向晶閘管。
[0056] 本實施例中，供電接入裝置包括一組儲能單元接入端，在另一個實施例中，如圖6 所示，供電接入裝置包括兩組儲能單元接入端，能夠接入兩組儲能單元：電池1與電池2,電 池1與電池2分別通過充放電控制裝置控制充電與放電，當負載與發電單元發出的電的功率 相差較大時，可以同時使用兩組電池放電輸出功率，以保證供電系統穩定供電；或者一組電 池充電時，使用另一組電池放電輸出功率。
[0057] 當然供電接入裝置也可以包括一組儲能單元接入端，本發明對此不作限制。
[0058] 使用本實施例中的供電接入裝置，多組儲能單元接入端可以接入充放電特性相同 或不同的儲能單元，例如都接入鉛酸電池;也可以分別接入鉛酸電池和鋰電池，其中鋰電池 更適合于頻繁充放電，因此在供電過程中，優先使用鋰電池;或者以不同的頻率對鉛酸電池 與鋰電池放電。
[0059]電池管理系統(BMS)主要是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現過度充電 和過度放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。
[0060] 本實施例中，控制器實現以下BMS的功能：
[0061] (1)估測儲能單元的荷電狀態（State of Charge，即S0C)，即儲能單元的剩余電 量，保證S0C維持在合理的范圍內，從而防止由于過充電或過放電對儲能單元的造成損傷；
[0062] (2)在儲能單元充放電過程中，實時采集端電壓、充放電電流，防止電池發生過充 電或過放電現象。
[0063]控制器實現BMS功能，可有效的節約電池使用壽命3%，從而降低整體設備的成本。 [0064]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無 需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術 人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的 技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種供電接入裝置，用于接入發電單元與儲能單元并向負載供電，所述供電接入裝 置包括整流器、直流變換器、卸荷器、逆變器與控制器，所述整流器用于發電單元輸入的整 流，所述直流變換器用于對儲能單元輸入、發電單元輸入或整流后的發電單元輸入升壓，所 述卸荷器用于釋放多余能量，所述逆變器用于將直流轉換為交流，其特征在于，供電接入裝 置還包括充放電控制裝置，用于控制所述儲能單元放電或者充電，所述控制器控制所述充 放電控制裝置。2. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述充放電控制裝置設置于所述儲 能單元與高壓母線之間。3. 如權利要求2所述的供電接入裝置，其特征在于，所述直流變換器為BOOST升壓電路。4. 如權利要求3所述的供電接入裝置，其特征在于，所述儲能單元的正極通過BOOST升 壓電路的電感與充放電控制裝置連接，再通過充放電控制裝置連接到高壓母線上。5. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述充放電控制裝置包括并聯的單 向通道與可控通道，其中所述可控通道斷開時，儲能單元通過所述單向通道放電，所述可控 通道導通時，儲能單元通過可控通道充電。6. 如權利要求5所述的供電接入裝置，其特征在于，所述可控通道設置有第一可控開 關，所述單向通道設置有用于單向導通的二極管。7. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述供電接入裝置包括一組或多組 儲能單元接入端。8. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述供電接入裝置包括多組儲能單 元接入端，用于接入充放電特性相同或不同的儲能單元。9. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述儲能單元接入端接入充放電特 性不同的儲能單元，所述控制器以不同的優先級或不同的頻率對所述儲能單元放電。10. 如權利要求1所述的供電接入裝置，其特征在于，所述控制器具有電池管理功能。11. 一種如權利要求1-10任一項所述的供電接入裝置的充放電控制方法，其特征在于， 包括以下步驟： (a) 發電單元發出的電的功率大于負載功率與第一系數的乘積時，如果所述儲能單元 未充滿，控制向所述儲能單元充電；如果所述儲能單元已充滿，切出所述儲能單元，啟動卸 荷器； (b) 所述發電單元發出的電的功率小于所述負載功率與第二系數的乘積時，控制所述 儲能單元放電，所述儲能單元與所述發電單元一起向所述負載供電； (c) 所述發電單元發出的電的功率大于或等于所述負載功率與第二系數的乘積且小于 或等于負載功率與第一系數的乘積時，切出所述儲能單元。12. 如權利要求11所述的供電接入裝置的充放電控制方法，其特征在于，所述第一系數 大于或等于所述第二系數。
【文檔編號】H02J4/00GK106026202SQ201610343620
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】劉家樂, 徐俊, 朱長東, 何海斌
【申請人】上海電氣分布式能源科技有限公司