CN114678943A - 一种光伏发电储能电路、控制方法及控制*** - Google Patents

一种光伏发电储能电路、控制方法及控制*** Download PDF

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CN114678943A CN202210595997.4A CN202210595997A CN114678943A CN 114678943 A CN114678943 A CN 114678943A CN 202210595997 A CN202210595997 A CN 202210595997A CN 114678943 A CN114678943 A CN 114678943A
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Abstract

本发明公开了一种光伏发电储能电路、控制方法及控制***，储能电路包括光伏电池、BUCK模块、BOOST‑BUCK组合模块、数字控制器、蓄电池和电流采样模块，数字控制器用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和光伏电池输出电流信息，控制BUCK模块和BOOST‑BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出。本发明使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高。

Description

一种光伏发电储能电路、控制方法及控制***
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其公开了一种光伏发电储能电路、控制方法及控制***。
背景技术
BUCK电路和BOOST电路为典型的非隔离性电能变换电路，MPPT（Maximum PowerPoint Tracking，最大功率点跟踪）控制为光伏发电***中常用的控制技术。BUCK电路通过开关管的导通/截止控制将部分时段的输入电能经滤波电感输出到输出端，是降压性的，电路输出电压低于输入电压。BOOST电路通过开关管的导通/截止控制将输入电能经升压电感输出，是升压性的，当开关管导通时，电感电流大，当开关管截止时，电感电流不突变，导致电压可升高，输出电压可高于输入电压。MPPT控制通过电能变换电路工作状态的切换，使光伏电池等效负载与其等效内阻匹配，以使光伏电池工作在其最大功率输出状态。
现有光伏发电储能***在以下方面存在不足：
1、BUCK电路作为太阳能电收集储能电路时，输出电压低，储能能力弱，太阳能利用率不高，且单一BUCK电路不能保证光伏电池全程工作在其MPPT状态。
2、BOOST电路作为太阳能电收集储能电路时，若储能容器启动电压低，光伏电池输出电流失控，光伏电池输出功率小，内部损耗大，影响光伏电池发电能力，限制太阳能利用率，且单一BOOST电路同样不能保证光伏电池全程工作在其MPPT状态。
3、BOOST电路与BUCK电路简单组合作为光伏电池电收集电路时，由于某些工况下光伏电池输出电流的不连续性，亦不能保证光伏电池全程工作在其MPPT状态。
4、现有光伏电池最大功率输出MPPT控制算法多基于光伏电池内部等效状态，需估算光伏电池的发电状态和等效参数，计算普遍过于复杂，实际实现时实时性受限、实际效果低于理论效果，成本偏高，产品性价比不高。
因此，现有光伏发电储能***存在的上述缺陷，是一件亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种光伏发电储能电路、控制方法及控制***，旨在解决现有光伏发电储能***存在的上述缺陷。
本发明的一方面涉及一种光伏发电储能电路，包括光伏电池、BUCK模块、BOOST-BUCK组合模块、数字控制器、蓄电池和电流采样模块，其中，
光伏电池，用于将太阳能转换为电能；
电流采样模块，用于采集光伏电池的输出电流；
数字控制器分别与电流采样模块、BUCK模块、BOOST-BUCK组合模块和蓄电池相连接，用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和电流采样模块采集到的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制技术）脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
进一步地，BUCK模块包括第一开关MOS管、第一二极管、第二二极管和第一电感，第一开关MOS管的漏极与光伏电池相连接，第一开关MOS管的栅极通过第一驱动电路与数字控制器相连接，第一开关MOS管的源极分两路，一路通过串联的第一电感和第一二极管与蓄电池的正极相连接，另一路通过反接的第二二极管与蓄电池的负极相连接。
进一步地，BOOST-BUCK组合模块包括第二开关MOS管、第三开关MOS管、第三二极管、第四二极管和第二电感，第二开关MOS管的漏极与光伏电池相连接，第二开关MOS管的栅极通过第二驱动电路与数字控制器相连接，第二开关MOS管的源极分两路，一路通过串联的第二电感和第三二极管与蓄电池的正极相连接，另一路通过反接的第四二极管与蓄电池的负极相连接；第三开关MOS管的漏极与第三二极管的正极相连接，第三开关MOS管的栅极通过第三驱动电路与数字控制器相连接，第三开关MOS管的源极与蓄电池的负极相连接。
进一步地，电流采样模块采用电流霍尔，数字控制器为完成光伏发电储能功能的微控制器。
本发明的另一方面涉及一种光伏发电储能控制方法，应用于上述的光伏发电储能电路中，光伏发电储能控制方法包括以下步骤：
检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息；
根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
进一步地，根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出的步骤包括：
初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压；
将初次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态；
等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压；
如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若再次检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入BOOST工作状态；
若检测在BUCK工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BUCK工作状态不变；若检测在BOOST工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BOOST工作状态不变。
进一步地，若检测在BUCK工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BUCK工作状态不变；若检测在BOOST工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BOOST工作状态不变的步骤包括：
如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制第三开关MOS管截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管和第二开关MOS管的状态；若光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制第二开关MOS管截止状态和第一开关MOS管导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管的状态。
本发明的另一方面涉及一种光伏发电储能控制***，应用于上述的光伏发电储能电路中，数字控制器包括：
检测单元，用于检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息；
控制单元，用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
进一步地，控制单元包括：
第一检测子单元，用于初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压；
第一比较子单元，用于将初次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态；
第二检测子单元，用于等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压；
第二比较子单元，用于如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若再次检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入BOOST工作状态；
切换子单元，用于若检测在BUCK工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BUCK工作状态不变；若检测在BOOST工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BOOST工作状态不变。
进一步地，切换子单元具体用于如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制第三开关MOS管截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管和第二开关MOS管的状态；若光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制第二开关MOS管截止状态和第一开关MOS管导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管的状态。
本发明提供一种光伏发电储能电路、控制方法及控制***，光伏发电储能电路包括光伏电池、BUCK模块、BOOST-BUCK组合模块、数字控制器、蓄电池和电流采样模块，数字控制器分用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和电流采样模块采集到的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出。本发明提供的光伏发电储能电路、控制方法及控制***，所取得的有益效果为：
(1)相比单一BUCK电路或BOOST电路，光伏电池输出状态全程可控，即光伏电池输出电压、输出电流、输出功率均全程可控。
(2)利用BUCK电路限制光伏电池输出电流，避免光伏电池输出电流过大，优化光伏电池发电性能。
(3)利用BOOST电路提高储能电路的输出电压，使储能最大化。
(4)利用交错并联BUCK电路，保证光伏电池输出电流的连续性。
(5)通过MPPT控制算法，使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高。
(6)在MPPT控制算法中，直接根据光伏电池输出功率的变化趋势进行基本控制，避免复杂计算，提高控制的实时性，降低实现成本。
(7)储能电路中开关管的状态根据光伏电池输出功率的变化进行切换，各开关管工作在频率不固定的PWM控制方式下，开关管状态只在光伏电池输出功率变小时才切换，避免了不必要的开关状态切换，减少了开关状态切换次数，降低了开关损耗。
(8)在基于输出功率的MPPT控制算法的基础上，监测光伏电池的输出电压、输出电流以及储能电池的电压，据此辅助储能电路工作状态的切换，提高控制的鲁棒性和可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的光伏发电储能电路一实施例的功能框图；
图2为本发明提供的光伏发电储能电路一实施例的电路原理示意图；
图3为图2中所示的BUCK模块一实施例的电路示意图；
图4为图2中所示的BOOST-BUCK组合模块一实施例的电路示意图；
图5为本发明提供的光伏发电储能电路工作在交错并联BUCK工作状态时的等效电路图；
图6为本发明提供的光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时的等效电路图；
图7为本发明提供的光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时的等效电路图；
图8为本发明提供的光伏发电储能控制方法一实施例的流程示意图；
图9为本发明提供的MPPT控制算法一实施例的流程图；
图10为图8中所示的根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出的步骤一实施例的流程示意图；
图11为本发明提供的光伏发电储能控制***一实施例的功能框图；
图12为图11中所示的控制单元一实施例的流程示意图；
图13为本发明提供的光伏发电储能电路中在负载轻时BUCK电路的光伏电池输出状态图；
图14为本发明提供的光伏发电储能电路中在负载由轻到重时BUCK电路的光伏电池输出状态图；
图15为本发明提供的光伏发电储能电路中在BOOST电路时的光伏电池输出状态图；
图16为本发明提供的光伏发电储能电路的光伏电池输出状态图。
附图标号说明：
10、光伏电池；20、BUCK模块；30、BOOST-BUCK组合模块；40、数字控制器；50、蓄电池；60、电流采样模块；41、检测单元；42、控制单元；421、第一检测子单元；422、第一比较子单元；423、第二检测子单元；424、第二比较子单元；425、切换子单元。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如图1和图2所示，本发明第一实施例提出一种光伏发电储能电路，包括光伏电池10、BUCK模块20、BOOST-BUCK组合模块30、数字控制器40、蓄电池50和电流采样模块60，其中，光伏电池10，用于将太阳能转换为电能；电流采样模块60，用于采集光伏电池10的输出电流；数字控制器40分别与电流采样模块60、BUCK模块20、BOOST-BUCK组合模块30和蓄电池50相连接，用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和电流采样模块60采集到的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块20和BOOST-BUCK组合模块30，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于蓄电池50中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。在本实施例中，光伏发电储能电路由光伏电池10、BUCK模块20、BOOST-BUCK组合模块30、数字控制器40、蓄电池50以及电流采样模块60。光伏电池10用于将太阳能转换成电能，有2个电能输出端子；BUCK模块20完成光伏电池输出电能的降压输出，将收集的电能储存于蓄电池50中，有2个电能输入端子和2个电能输出端子；BOOST-BUCK组合模块30用于完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于蓄电池50中，有2个电能输入端子、2个电能输出端子；蓄电池50用于完成电能储存功能；数字控制器40根据检测信号完成光伏电池10最大功率输出MPPT控制，通过输出PWM脉冲控制相应的BUCK模块20和BOOST-BUCK组合模块30，实现光伏电池最大功率输出的MPPT控制，有3个信号检测输入端子，分别检测光伏电池10的输出电压、输出电流和蓄电池的电压，有3个PWM控制脉冲输出端子，分别控制电路模块中的3个MOS开关管；电流采样模块60采用电流霍尔H，电流霍尔H用于完成光伏电池输出电流采样功能。数字控制器40采用微控制器。在图1中，P1是给第一开关MOS管Q1的控制信号，P2是给第二开关MOS管Q2的控制信号，P3是给第三开关MOS管Q3的控制信号；高电平时控制对应MOS开关管导通，低电平时控制对应MOS开关管关断，由控制器根据光伏电池输出功率的变化情况确定相应的控制信号是高电平还是低电平。
在上述结构中，请见图1至图7，本实施例提出的光伏发电储能电路，BUCK模块20包括第一开关MOS管Q1、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电感L1，第一开关MOS管Q1的漏极与光伏电池10相连接，第一开关MOS管Q1的栅极通过第一驱动电路Driver1与数字控制器40相连接，第一开关MOS管的源极分两路，一路通过串联的第一电感L1和第一二极管D1与蓄电池50的正极相连接，另一路通过反接的第二二极管D2与蓄电池50的负极相连接。BOOST-BUCK组合模块30包括第二开关MOS管Q2、第三开关MOS管Q3、第三二极管D3、第四二极管D4和第二电感L2，第二开关MOS管Q2的漏极与光伏电池10相连接，第二开关MOS管Q2的栅极通过第二驱动电路Driver2与数字控制器40相连接，第二开关MOS管Q2的源极分两路，一路通过串联的第二电感L2和第三二极管D3与蓄电池50的正极相连接，另一路通过反接的第四二极管D4与蓄电池50的负极相连接；第三开关MOS管Q3的漏极与第三二极管D3的正极相连接，第三开关MOS管Q3的栅极通过第三驱动电路Driver3与数字控制器40相连接，第三开关MOS管Q3的源极与蓄电池50的负极相连接。如图1至图7所示，PV为光伏电池10，L2为BOOST-BUCK组合模块30的升压电感或滤波电感，L1为BUCK模块20的滤波电感，D1~D2为保证电能定向输出的单向隔离二极管，D3~D4为BUCK工作电路的续流二极管，Q1~Q3为MOS开关管，H为电流采样霍尔，A/D为模数转换器，“Driver1~Driver3”分别为MOS管Q1~Q3的驱动电路，“数字控制器”为完成光伏发电储能功能的微控制器；upv(t)为光伏电池输出电压，ipv(t)为光伏电池输出电流，uc(t)为光伏发电储能电路输出的储能电压，iL1(t)为升压或滤波电感L1中的电流，iL2(t)为滤波电感L2中的电流；upv(k)为光伏电池的输出电压采样模数转换值，ipv(k)为光伏电池输出电流采样模数转换值，uc(k)为光伏发电储能电路的输出电压采样模数转换值。
光伏发电储能电路的主电路等效电路如图3所示。Ui为光伏电池等效电动势，Ri为光伏电池等效内阻，当光照强度等参数不同时，光伏电池发电状态不同，表现为其Ui和Ri的值不同。
当光伏电池发电状态为（Ui，Ri）时，其工作在最大功率输出状态时的输出电压、输出电流、输出功率分别为式（1）~（3）所示的值，MPPT控制时，可通过切换储能电路的工作状态，使光伏电池的输出电压、输出电流或输出功率维持在公式（1）~（3）所示的值附近。
Figure 227780DEST_PATH_IMAGE001
当根据光伏电池MPPT电压、MPPT电流或MPPT功率对光伏电池进行光伏电池输出功率MPPT控制时，需实时估算光伏电池发电状态（Ui，Ri），计算量大且精准性难保证，故本实施例未予采用，而是通过分析光伏电池输出行为特征，根据光伏电池实际输出电压、输出电流和输出功率的变化趋势直接进行MPPT控制，无需估算光伏电池内部等效状态。
本发明提供的光伏发电储能电路及储能控制电路，相比单一BUCK电路或BOOST电路，光伏电池输出状态全程可控，即光伏电池输出电压、输出电流、输出功率均全程可控；利用BUCK电路限制光伏电池输出电流，避免光伏电池输出电流过大，优化光伏电池发电性能；利用BOOST电路提高储能电路的输出电压，使储能最大化；利用交错并联BUCK电路，保证光伏电池输出电流的连续性；通过MPPT控制算法，使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高；在MPPT控制算法中，直接根据光伏电池输出功率的变化趋势进行基本控制，避免复杂计算，提高控制的实时性，降低实现成本；储能电路中开关管的状态根据光伏电池输出功率的变化进行切换，各开关管工作在频率不固定的PWM控制方式下，开关管状态只在光伏电池输出功率变小时才切换，避免了不必要的开关状态切换，减少了开关状态切换次数，降低了开关损耗；在基于输出功率的MPPT控制算法的基础上，监测光伏电池的输出电压、输出电流以及储能电池的电压，据此辅助储能电路工作状态的切换，提高控制的鲁棒性和可靠性。
本发明的另一方面涉及一种光伏发电储能控制方法，应用于上述的光伏发电储能电路中，光伏发电储能控制方法包括以下步骤：
步骤S100、检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息。
步骤S200、根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
请见图10，图10为图8中所示的步骤S200一实施例的流程示意图，在本实施例中，步骤S200包括：
步骤S210、初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压。
步骤S220、将初次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态。
步骤S230、等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压。
步骤S240、如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若再次检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入BOOST工作状态。
步骤S250、若检测在BUCK工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BUCK工作状态不变；若检测在BOOST工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BOOST工作状态不变。
如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制第三开关MOS管Q3截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管Q1和第二开关MOS管Q2的状态；若光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制第二开关MOS管Q2截止状态和第一开关MOS管Q1导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管Q3的状态。
本发明提供的光伏发电储能电路及储能控制方法，相比单一BUCK电路或BOOST电路控制方法，光伏电池输出状态全程可控，即光伏电池输出电压、输出电流、输出功率均全程可控；利用BUCK电路限制光伏电池输出电流，避免光伏电池输出电流过大，优化光伏电池发电性能；利用BOOST电路提高储能电路的输出电压，使储能最大化；利用交错并联BUCK电路，保证光伏电池输出电流的连续性；通过MPPT控制算法，使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高；在MPPT控制算法中，直接根据光伏电池输出功率的变化趋势进行基本控制，避免复杂计算，提高控制的实时性，降低实现成本；储能电路中开关管的状态根据光伏电池输出功率的变化进行切换，各开关管工作在频率不固定的PWM控制方式下，开关管状态只在光伏电池输出功率变小时才切换，避免了不必要的开关状态切换，减少了开关状态切换次数，降低了开关损耗；在基于输出功率的MPPT控制算法的基础上，监测光伏电池的输出电压、输出电流以及储能电池的电压，据此辅助储能电路工作状态的切换，提高控制的鲁棒性和可靠性。
如图11和图12所示，本发明还提供一种光伏发电储能控制***，应用于上述的光伏发电储能电路中，数字控制器40包括检测单元41和控制单元42，其中，检测单元41，用于检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息；控制单元42，用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制BUCK模块和BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
进一步地，请见图12，本实施例提供的光伏发电储能控制***，控制单元42包括第一检测子单元421、第一比较子单元422、第二检测子单元423、第二比较子单元424和切换子单元425，其中，第一检测子单元421，用于初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压；第一比较子单元422，用于将初次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态；第二检测子单元423，用于等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压；第二比较子单元424，用于如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的光伏电池输出电压与蓄电池电压进行比较，若再次检测到的光伏电池输出电压大于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的光伏电池输出电压小于或等于蓄电池电压时，则控制光伏发电储能电路进入BOOST工作状态；切换子单元425，用于若检测在BUCK工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BUCK工作状态不变；若检测在BOOST工作状态下光伏电池输出功率有增加时，则维持BOOST工作状态不变。切换子单元425具体用于如果识别到光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制第三开关MOS管Q3截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管Q1和第二开关MOS管Q3的状态；若光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制第二开关MOS管Q2截止状态和第一开关MOS管Q1导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管Q3的状态。
本发明提供的光伏发电储能电路、控制方法及控制***，相比单一BUCK电路或BOOST电路，光伏电池输出状态全程可控，即光伏电池输出电压、输出电流、输出功率均全程可控；利用BUCK电路限制光伏电池输出电流，避免光伏电池输出电流过大，优化光伏电池发电性能；利用BOOST电路提高储能电路的输出电压，使储能最大化；利用交错并联BUCK电路，保证光伏电池输出电流的连续性；通过MPPT控制算法，使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高；在MPPT控制算法中，直接根据光伏电池输出功率的变化趋势进行基本控制，避免复杂计算，提高控制的实时性，降低实现成本；储能电路中开关管的状态根据光伏电池输出功率的变化进行切换，各开关管工作在频率不固定的PWM控制方式下，开关管状态只在光伏电池输出功率变小时才切换，避免了不必要的开关状态切换，减少了开关状态切换次数，降低了开关损耗；在基于输出功率的MPPT控制算法的基础上，监测光伏电池的输出电压、输出电流以及储能电池的电压，据此辅助储能电路工作状态的切换，提高控制的鲁棒性和可靠性。
请见图1至图16，本实施例提供的光伏发电储能电路、控制方法及控制***，其工作原理如下所示：
光伏发电储能电路的主电路由BOOST-BUCK组合模块30和BUCK模块20并联构成。其中，BOOST-BUCK组合模块30原理图如图4所示，BUCK模块20的原理图如图3所示。
对于图4所示的BOOST-BUCK组合模块电路，当储能蓄电池电压uc(t)较低时，为限制电感电流iL1(t)过大，第三开关MOS管Q3截止，工作电路为典型的BUCK电路，通过第二开关MOS管Q2的高频PWM控制，调节电感电流iL2(t)的大小，以较低电压给储能蓄电池50充电储能；当储能蓄电池电压uc(t)较高时，为避免电感电流iL2(t)过小，第二开关MOS管Q2导通，工作电路为典型的BOOST电路，通过第三开关MOS管Q3的高频PWM控制，调节电感电流iL2(t)的大小，以较高电压给储能蓄电池充电储能，使蓄电池储能尽可能多。
图5所示的BUCK模块电路为典型的BUCK电路，当储能蓄电池电压uc(t)较低时，为限制电感电流iL2(t)过大，通过第一开关MOS管Q1的高频PWM控制，调节电感电流iL2(t)的大小，以较低电压给储能蓄电池充电储能；当储能蓄电池电压uc(t)较高时，第二开关MOS管Q2截止，BUCK模块电路不工作。
为使光伏电池的输出电流连续，BOOST-BUCK组合模块30的BUCK电路与BUCK模块20的BUCK电路交替工作。当储能电压uc(t)低于一定值时，第三开关MOS管Q3截止，BOOST-BUCK组合模块30工作在BUCK电路状态，同时BUCK模块20的BUCK电路工作，形成BUCK状态工作电路，两个模块中的BUCK电路交替工作；当储能电压uc(t)高于一定值时，第二开关MOS管Q2导通，BOOST-BUCK组合模块30工作在BOOST电路状态，同时BUCK模块20不工作（第一开关MOS管Q1截止），形成BOOST状态工作电路。即：当储能电压uc(t)低于一定值时，光伏发电储能电路工作在两个BUCK电路交错并联的降压输出储能的状态，即BUCK工作状态；当储能电压uc(t)高于一定值时，光伏发电储能电路工作在BOOST电路的升压输出储能的状态，即BOOST工作状态。
（三）BUCK状态工作电路工作原理
当储能电压uc(t)低于一定值时，储能电路工作在BUCK工作状态，BUCK状态工作电路工作原理图如图6所示，为2个BUCK电路的并联，Q1、L1、D1、D2构成1个BUCK电路，Q2、L2、D3、D4构成另1个BUCK电路；2个BUCK电路交替工作，Q1和Q2交替导通或截止，保证光伏电池输出电流连续。
储能电路工作在BUCK状态工作电路时，光伏电池输出电流轮流等于电感电流iL1(t)或电感电流iL2(t)，如公式（4）。
Figure 676078DEST_PATH_IMAGE002
(4)
（四）BOOST状态工作电路工作原理
当储能电压uc(t)高于一定值时，储能电路工作在BOOST工作状态，BOOST状态工作电路工作原理图如图7所示，由第二电感L2、第三二极管D3、第三开关极管Q3构成。在高频PWM脉冲的控制下，第三开关MOS管Q3导通时，电感电流iL2(t)增大，第三开关MOS管Q3截止时，第二电感L2电感电流减iL2(t)小，能保证光伏电池输出电流连续。此时，光伏电池输出电流等于电感电流，即：
Figure 986974DEST_PATH_IMAGE003
(5)
（五）MPPT控制算法
针对图2所示的光伏发电储能电路，为最大化太阳能利用率，通过切换光伏发电储能电路的工作状态，对光伏电池输出功率ppv(k)实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在其MPPT状态附近，该MPPT控制算法流程图如图9所示。
控制依据：
光伏电池的输出功率与输出电流具有类似抛物线状的曲线关系，存在极大值点，输出功率最大时的电流值为MPPT输出电流值，当光伏电池输出电流在MPPT电流值左侧由小增大时，光伏电池输出功率也由小增大，当光伏电池输出电流在MPPT电流值右侧继续由小增大时，光伏电池输出功率却由大变小。所以，只要能控制光伏电池的输出电流维持在其MPPT电流值附近，便可使光伏电池输出功率趋于最大。该MPPT控制算法的实现主要体现在2个方面：一是光伏电池输出电流在其MPPT电流值附近全程可控，二是根据光伏电池实时输出功率及变化趋势实时调节光伏电池输出电流以确保光伏电池输出功率最大化。
控制过程：
①设置开关管初始状态：第三开关MOS管Q3截止时，Q1与Q2的状态置为相反；第三开关MOS管Q3导通时，第二开关MOS管Q2截止，第一开关MOS管Q1导通。
②检测光伏电池的输出电压upv(k)、输出电流ipv(k)和输出功率ppv(k)。
③根据光伏电池输出电压upv(k)和蓄电池电压uc(k)确定光伏发电储能电路是工作在BUCK工作状态，还是工作在BOOST工作状态。
④光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，第三开关MOS管Q3截止，根据输出功率ppv(k)变化趋势交替切换第二开关MOS管Q2和第一开关MOS管Q1的状态。
⑤光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，第二开关MOS管Q2，第一开关MOS管Q1截止，根据输出功率ppv(k)变化趋势切换第三开关MOS管Q3的状态。
⑥返回光伏电池输出状态检测处，循环进行下一周期的光伏电池输出MPPT控制。
（六）储能效果比较
（1）BUCK结构储能电路
图13和图14所示为某场景下BUCK结构储能电路对应的光伏电池输出状态（输出电压、输出电流、输出功率）。由图可见，光伏电池的输出电压、输出电流、输出功率除在某个时间点为MPPT状态外，在其他较长时段输出功率低，并不能使光伏电池工作在其MPPT状态，光伏电池的输出功率很低，太阳能利用率不高。尤其是当储能电路所带负载偏重时，光伏电池输出电流呈现出不连续的状态，如图13所示。其中，upv(t)为光伏电池的输出电压；ppv(t)为光伏电池的输出功率；ipv(t)为光伏电池的输出电流；SQ(t)为开关管的导通/关断状态。
（2）BOOST结构储能电路
为最大化太阳能利用率，传统光伏发电储能电路多由BOOST电路承担。相同场景下，BOOST结构储能电路的光伏电池输出状态（输出电压、输出电流、输出功率）图如图15所示。由图可见，在储能起始阶段（此时储能蓄电池电压较低），光伏电池的输出电流存在一段时间的超调，在该段时间内，光伏电池的输出功率较低，远低于光伏电池应有的最大输出功率，不具备全程MPPT输出能力。
（3）储能电路
图16所示为相同场景下，本实施例所用光伏发电储能电路对应的光伏电池输出状态（输出电压、输出电流、输出功率）。由图可见，光伏电池的输出电压、输出电流、输出功率全程围绕其最大功率输出状态波动，光伏电池输出功率围绕其应有的最大输出功率小幅波动，近似最大化，无疑使得太阳能利用率最高，储能电路储能最大化，具备全程MPPT输出能力。
与传统光伏储能及MPPT控制相比，该光伏发电储能电路及MPPT控制算法具有以下有益之处：
(1)相比单一BUCK电路或BOOST电路，光伏电池输出状态全程可控，即光伏电池输出电压、输出电流、输出功率均全程可控。
(2)利用BUCK电路限制光伏电池输出电流，避免光伏电池输出电流过大，优化光伏电池发电性能。
(3)利用BOOST电路提高储能电路的输出电压，使储能最大化。
(4)利用交错并联BUCK电路，保证光伏电池输出电流的连续性。
(5)通过MPPT控制算法，使光伏电池全程工作在其MPPT状态，光伏电池输出功率最大，太阳能利用率最高。
(6)在MPPT控制算法中，直接根据光伏电池输出功率的变化趋势进行基本控制，避免复杂计算，提高控制的实时性，降低实现成本。
(7)储能电路中开关管的状态根据光伏电池输出功率的变化进行切换，各开关管工作在频率不固定的PWM控制方式下，开关管状态只在光伏电池输出功率变小时才切换，避免了不必要的开关状态切换，减少了开关状态切换次数，降低了开关损耗。
(8)在基于输出功率的MPPT控制算法的基础上，监测光伏电池的输出电压、输出电流以及储能电池的电压，据此辅助储能电路工作状态的切换，提高控制的鲁棒性和可靠性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光伏发电储能电路，其特征在于，包括光伏电池（10）、BUCK模块（20）、BOOST-BUCK组合模块（30）、数字控制器（40）、蓄电池（50）和电流采样模块（60），其中，
所述光伏电池（10），用于将太阳能转换为电能；
所述电流采样模块（60），用于采集所述光伏电池（10）的输出电流；
所述数字控制器（40）分别与所述电流采样模块（60）、所述BUCK模块（20）、所述BOOST-BUCK组合模块（30）和所述蓄电池（50）相连接，用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和所述电流采样模块（60）采集到的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制所述BUCK模块（20）和所述BOOST-BUCK组合模块（30），促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，完成光伏发电储能电路的升压或降压输出，将收集的电能储存于所述蓄电池（50）中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，所述工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
2.如权利要求1所述的光伏发电储能电路，其特征在于，所述BUCK模块（20）包括第一开关MOS管、第一二极管、第二二极管和第一电感，所述第一开关MOS管的漏极与所述光伏电池（10）相连接，所述第一开关MOS管的栅极通过第一驱动电路与所述数字控制器（40）相连接，所述第一开关MOS管的源极分两路，一路通过串联的第一电感和第一二极管与所述蓄电池（50）的正极相连接，另一路通过反接的所述第二二极管与所述蓄电池（50）的负极相连接。
3.如权利要求2所述的光伏发电储能电路，其特征在于，所述BOOST-BUCK组合模块（30）包括第二开关MOS管、第三开关MOS管、第三二极管、第四二极管和第二电感，所述第二开关MOS管的漏极与所述光伏电池（10）相连接，所述第二开关MOS管的栅极通过第二驱动电路与所述数字控制器（40）相连接，所述第二开关MOS管的源极分两路，一路通过串联的第二电感和第三二极管与所述蓄电池（50）的正极相连接，另一路通过反接的所述第四二极管与所述蓄电池（50）的负极相连接；所述第三开关MOS管的漏极与所述第三二极管的正极相连接，所述第三开关MOS管的栅极通过第三驱动电路与所述数字控制器（40）相连接，所述第三开关MOS管的源极与所述蓄电池（50）的负极相连接。
4.如权利要求1所述的光伏发电储能电路，其特征在于，所述电流采样模块（60）采用电流霍尔，所述数字控制器（40）为完成光伏发电储能功能的微控制器。
5.一种光伏发电储能控制方法，应用于如权利要求1至4任意一项所述的光伏发电储能电路中，其特征在于，所述光伏发电储能控制方法包括以下步骤：
检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集所述电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息；
根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的所述电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制所述BUCK模块和所述BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于所述蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，所述工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
6.如权利要求5所述的光伏发电储能控制方法，其特征在于，所述根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的所述电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制所述BUCK模块和所述BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于所述蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出的步骤包括：
初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压；
将初次检测到的所述光伏电池输出电压与所述蓄电池电压进行比较，若检测到的所述光伏电池输出电压大于所述蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的所述光伏电池输出电压小于或等于所述蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态；
等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压；
如果识别到所述光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的所述光伏电池输出电压与所述蓄电池电压进行比较，若再次检测到的所述光伏电池输出电压大于所述蓄电池电压时，则控制所述光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的所述光伏电池输出电压小于或等于所述蓄电池电压时，则控制所述光伏发电储能电路进入BOOST工作状态；
若检测在所述BUCK工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BUCK工作状态不变；若检测在所述BOOST工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BOOST工作状态不变。
7.如权利要求6所述的光伏发电储能控制方法，其特征在于，所述若检测在所述BUCK工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BUCK工作状态不变；若检测在所述BOOST工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BOOST工作状态不变的步骤包括：
如果识别到所述光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制所述第三开关MOS管截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管和第二开关MOS管的状态；若所述光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制所述第二开关MOS管截止状态和第一开关MOS管导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管的状态。
8.一种光伏发电储能控制***，应用于如权利要求1至4任意一项所述的光伏发电储能电路中，其特征在于，所述数字控制器（40）包括：
检测单元（41），用于检测光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集所述电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息；
控制单元（42），用于根据检测到的光伏电池输出电压、光伏电池输出功率、蓄电池电压和收集到的所述电流采样模块采集的光伏电池输出电流信息，通过输出PWM脉冲来控制所述BUCK模块和所述BOOST-BUCK组合模块，促使光伏发电储能电路切换至相应的工作状态，对光伏电池输出功率实施MPPT控制，迫使光伏电池全程工作在MPPT状态，将收集的电能储存于所述蓄电池中，实现光伏电池的最大功率输出；其中，所述工作状态包括BUCK工作状态和BOOST工作状态。
9.如权利要求8所述的光伏发电储能控制***，其特征在于，所述控制单元（42）包括：
第一检测子单元（421），用于初次检测光伏电池输出电压和蓄电池电压；
第一比较子单元（422），用于将初次检测到的所述光伏电池输出电压与所述蓄电池电压进行比较，若检测到的所述光伏电池输出电压大于所述蓄电池电压时，则进入BUCK工作状态；若检测到的所述光伏电池输出电压小于或等于所述蓄电池电压时，则进入BOOST工作状态；
第二检测子单元（423），用于等待下一周期到来，再次检测光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、光伏电池输出功率和蓄电池电压；
第二比较子单元（424），用于如果识别到所述光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则将再次检测到的所述光伏电池输出电压与所述蓄电池电压进行比较，若再次检测到的所述光伏电池输出电压大于所述蓄电池电压时，则控制所述光伏发电储能电路进入交错并联BUCK工作状态；若再次检测到的所述光伏电池输出电压小于或等于所述蓄电池电压时，则控制所述光伏发电储能电路进入BOOST工作状态；
切换子单元（425），用于若检测在所述BUCK工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BUCK工作状态不变；若检测在所述BOOST工作状态下所述光伏电池输出功率有增加时，则维持所述BOOST工作状态不变。
10.如权利要求9所述的光伏发电储能控制***，其特征在于，所述切换子单元（425）具体用于如果识别到所述光伏发电储能电路工作在BUCK工作状态时，则控制所述第三开关MOS管截止状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第一开关MOS管和第二开关MOS管的状态；若所述光伏发电储能电路工作在BOOST工作状态时，则控制所述第二开关MOS管截止状态和第一开关MOS管导通状态不变，根据输出功率变化趋势交替切换第三开关MOS管的状态。
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