CN107645199A

CN107645199A - 从电站恢复过量能量的方法

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Publication number: CN107645199A
Application number: CN201710597910.6A
Authority: CN
Inventors: K·布哈里; R·塔迪-马克安东尼
Original assignee: Sagemcom Energy and Telecom SAS
Current assignee: Sagemcom Energy and Telecom SAS
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: FR3054384A1; FR3054384B1; CN107645199B; EP3273565A1; EP3273565B1

Abstract

一种恢复电站中的过量能量以供为电气装置供电的方法，所述方法包括以下步骤：‑将包括功率转换器的恢复设备连接到所述电站；‑对所述功率转换器进行电流控制；‑在时间Tn处定义剩余电流设定点(Is_n)；在时间Tn+1＝Tn+ΔT0处，将所述剩余电流设定点(Is_n)递增第一预定值；‑测量存储装置的电池电流(Ibatt_n+1)；‑如果所述剩余电流设定点的递增引起所述电池电流的减小大于第二预定值(k.ΔIs0)，则将所述剩余电流设定点递减所述第一预定值(ΔIs0)；‑否则，将所述剩余电流设定点再次递增所述预定值。一种恢复设备,该恢复设备适于连接到所述电站。

Description

从电站恢复过量能量的方法

本发明涉及用于从可再生能量产生电力的电站的领域，并涉及恢复此类电站中可用的过量能量。

发明背景

在某些国家，在光照量相当大的情况下，电话运营商利用包括太阳能电池板的电站，并且每个太阳能电池板用于为具有电气电信装备(例如，中继天线)的电信站点供电。除了太阳能电池板之外，这种电站还包括电池以用于存储电力并且在光照水平不足时为电信站点供电。

这种电信站点通常用48伏(VDC)的直流电来供电。电池给予电信站点相当长的电池寿命(通常至少五天的电池寿命)。

在马达加斯加，存在两百个以上由此类电站供电的电信站点。

当然最有利的是尝试恢复在这种电站中可用的过量能量以用于为位于电站附近的装备(例如，农村照明装备或抽水装备)供电。该过量能量可以是相当大的。通常，利用可从位于马达加斯加的电信站点的电站获得的过量能量，可以为有能力存储20立方米(m³)至30m³的水(其对应于具有1000居民的村庄的用水需求)的水塔供电，或者可以为二至四个标准灯柱供电。

图1的功率曲线来自对位于马达加斯加的用于为电信站点供电的光伏电站进行的测量。

可以看到，可用的过量功率P1在对电池充电时非常低，并且随后在电池被充满电之前不久的时刻t0开始显著地增加。过量功率P1大致对应于由太阳能电池板提供的功率P2减去为电信站点供电所需要的功率P3并减去用于对电池再充电的功率P4。在图1的功率曲线所示出的示例中，过量功率的峰值对应于4.5千瓦(kW)的功率，并且可用的过量能量是17.7千瓦时(kWh)。

当然，确保恢复过量能量不会使提供给电信站点的功率降级是适当的。

发明目的

本发明的一个目的是从用于为电气装置供电的电站恢复过量能量，由此不会使电站的操作以及电气装置的供电降级。

发明概述

为了实现该目的，提供了一种恢复电站中的过量能量的方法，所述电站用于为电气装置供电并且包括用于将可再生能量转换成电能的转换器设备以及用于存储电能的主存储装置，所述方法包括以下步骤：

-将恢复设备连接到所述电站以用于汲取来自所述电站的剩余电流，所述恢复设备包括功率转换器；

-在执行调节环路时对所述功率转换器进行电流控制；

-为所述调节环路定义剩余电流设定点；

-将所述剩余电流设定点递增第一预定值；

-测量所述主存储装置的电池电流；

-如果所述剩余电流设定点的递增引起所述电池电流的减小大于第二预定值(k.ΔIs0)，则将所述剩余电流设定点递减所述第一预定值(ΔIs0)；

-否则，将所述剩余电流设定点再次递增所述第一预定值。

本发明的方法使得有可能最大化恢复出的剩余电流，同时确保恢复剩余电流不会过多地减小主存储装置的电池电流，并且由此确保恢复出的剩余电流确实对应于可从电站获得的过量能量。

本发明还提供了一种恢复设备，所述恢复设备适合于连接到电站以便通过执行上述方法汲取来自所述电站的剩余电流。

本发明还提供了一种包括指令的计算机程序，所述指令使得适合于连接到电站的恢复设备的微控制器能够执行上述方法。

本发明还提供了存储装置，其特征在于，所述存储装置存储包括指令的计算机程序，所述指令使得适于连接到电站的恢复设备的微控制器能够执行上述方法。

在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。

附图简述

对各附图作出引用，在附图中：

-图1是标绘了从对光伏电站执行的测量获得的功率曲线的图形；

-图2示出了本发明的第一实施例中的光伏电站、电信站点、以及恢复设备，并且同时在电站中没有过量能量可用；

-图3是类似于图2的图，但是同时在电站中过量能量可用；

-图4是本发明的第一实施例中的恢复设备的电路图；

-图5示出了本发明的一种方法的步骤；以及

-图6示出了本发明的第二实施例中的光伏电站、电信站点、以及恢复设备。

本发明的详细描述

参照图2至图4，本发明用于恢复电站(特别是光伏电站1)中可用的过量能量。光伏电站1用于为电气装置(特别是具有电气电信装备的电信站点2)供电。

电站1具有用于将可再生能量转换成电能的设备，具体地包括多个光伏太阳能电池板3、DC/DC转换器4、以及主电池5。

太阳能电池板3将它们捕获的太阳能变换成电能。太阳能电池板3生成在本文中被称为光伏电流Ipv的、处于光伏电压的电流。DC/DC转换器4将该光伏电压转换成DC电源电压，该DC电源电压在该示例中等于48VDC，这适合对主电池5充电并适合对电信站点2供电。

当电能未被直接用于为电信站点2供电时，主电池5存储该电能。取决于其是充电电流还是放电电流，流向主电池5或从主电池5流出的电流在本文中被称为“电池”电流Ibatt。本文中假设，当主电池5正在充电时，电池电流Ibatt是正的，并且当主电池5正在放电时，电池电流Ibatt是负的。

电信站点2由此因变于一天的时间以及一天的光照主要由太阳能电池板3或者主要由主电池5来供电。电信站点2消耗电信电流Itel。电信站点2所消耗的电功率和电信电流Itel实际上随时间的流逝是恒定的。

恢复过量能量初始地包括将恢复设备6连接到电站1以便汲取来自电站1的剩余电流Is。

当然，仅当电站1确实具有过量能量时恢复设备6才汲取剩余电流Is。

由此，当光照不足并且光伏电流Ipv不能够同时为电信站点2供电并对主电池5充电时，主电池5向电信站点2提供缺失的能量。主电池5放电，电池电流Ibatt是用于为电信站点2供电的放电电流(负)，并且剩余电流Is是零。图2中示出了该情形。

相比之下，当光照充足并且光伏电流Ipv能够同时为电信站点2供电并对主电池5充电时，电池电流Ibatt是充电电流并且恢复设备6能够汲取非零剩余电流Is以便恢复该非零剩余电流Is。图3中示出了该情形。

在电站1中，电流传感器8测量光伏电流Ipv、电池电流Ibatt、以及电信电流Itel，并且电压传感器9测量电站1的输出处的输出电压Vs。

恢复设备6被布置在具有屏幕12的外壳11中并且包括：控制模块、在该示例中由降压切换模式功率电路或“斩波器”13构成的功率转换器、测量斩波器13的输出处的电压Vh的电压传感器16、次级电池17、反相器18、以及连接装置19。

控制模块包括微控制器20。微控制器20适于执行具有用于执行本发明的方法的程序的指令。

参照图4，微控制器20执行控制软件，该控制软件实现监管器块21、第一比较器22、电流-电压调节器块23、第二比较器24、以及电压调节器块25。

监管器块21包含一算法，该算法在时间T＝Tn处产生剩余电流设定点Is_n。监管器块21具有其中监管器块21接收到包括时间步进值ΔT0的时间信号的输入，以及其中监管器块21接收到对电池电流Ibatt的测量的输入。以时间步进ΔT0来时钟控制由监管器块21执行的操作。

第一比较器22将剩余电流设定点Is_n与由恢复设备6实际汲取的剩余电流Is进行比较，并计算电流误差εi。电流-电压调节器块23执行比例积分微分(PID)类型调节以最小化电流误差εi，并且电流-电压调节器块23生成电压设定点Vc。

第二比较器24将电压设定点Vc与斩波器13的输出处的电压Vh进行比较并计算电压误差εv。

电压调节器块25具有其中电压调节器块25接收到时间信号的输入，这些时间信号包括是斩波器13的斩波频率F的倒数的值。电压调节器块25对由第二比较器24计算的电压误差εv执行PID类型调节。电压调节器块25产生构成脉宽调制(PWM)控制信号的控制占空比。PWM控制信号被传送给斩波器13。由此以使得最小化电压误差εv的方式，并且由此以使得斩波器13汲取尽可能接近剩余电流设定点Is_n的剩余电流Is的方式来控制斩波器13。

应当观察到，电压-电流调节器块23和电压调节器块25的响应时间需要远远短于ΔT0。同样地，斩波器13的斩波频率F需要使得ΔT0>>1/F。

微控制器20的控制软件由此执行交织的第一和第二调节环路27和28以用于控制斩波器13并汲取剩余电流Is。第一调节环路27包括监管器块21、第一比较器22、以及电流-电压调节块23。第二调节环路28包括第二比较器24和电压调节块25。

最后，由斩波器13输出的电压Vh被施加于次级电池17和反相器18的端子，反相器18的端子进而连接到恢复设备6的连接装置19。次级外部装备30被连接到连接装置19。

微控制器20管理反相器18和连接装置19，以便以选择性的方式对次级外部装备30供电。

由恢复设备6恢复出的来自电站1的过量能量由此使得在该示例中有可能对次级外部装备30供电。

以下更详细地描述了用于恢复来自电站1的过量能量的本发明的恢复方法。

该方法的原理依赖于以下方程。

在时间T＝T0处，当恢复设备6未连接到电站时：

Ipv＝Ibatt+Itel

其中，Ipv是光伏电流，Ibatt是电池电流，并且Itel是电信电流。

在时间T＝T0+ΔT0处：

Ipv+ΔInat＝Ibatt+ΔInat+Itel

其中，ΔInat是电流变化，该电流变化等于光伏电流Ipv在时间ΔT0期间的自然变化加上电池电流Ibatt在时间ΔT0期间取决于主电池5的充电阶段的变化的总和。

这给出了：

ΔInat＝ΔIpv_nat+ΔIbatt_nat

其中，ΔIpv_nat是光伏电流Ipv由于光照变化引起的自然变化，并且其中，ΔIbatt_nat是电池电流Ibatt由于主电池5的充电状态引起的变化。

这给出了：

ΔInat/ΔT＝ΔIpv_nat/ΔT+ΔIbatt_nat＝ΔInat

在时间T＝T0处，当恢复设备6连接到电站1时：

Ipv＝Ibatt+Itel+Is

其中，Is是剩余电流。

在时间T＝T0+ΔT0处，当ΔIs0的增量施加于剩余电流时：

Ipv+ΔInat+(1-k).ΔIs0＝Ibatt+ΔInat-k.ΔIs0+Itel+Is+ΔIs0

由此：

ΔIbatt/ΔT0＝ΔIpv/ΔT0-ΔIs/ΔT0＝ΔInat/ΔT0-k.ΔIs0/ΔT0

常数k(0<k<1)表示主电池5对施加于剩余电流Is的变化ΔIs0的贡献：如果剩余电流Is增加了ΔIs0，则主电池5对提供剩余电流的该变化贡献了k.ΔIs0。

当ΔIs0、ΔT0和k以如下方式来选择时，主电池5的该贡献是可检测的：

k.ΔIs0/ΔT>>ΔInat/ΔT

在该示例中，常数k被选择成等于1/2。

同样地，ΔT0与时间常数相比需要足够小，以使得光伏电流Ipv和电池电流Ibatt的“自然”变化是可检测的。

本发明的恢复方法由此包括：将恢复设备6连接到电站1；在时间Tn+1＝Tn＝ΔT0处，将剩余电流设定点Is_n递增等于ΔIs0的第一预定值；以及测量电池电流Ibatt_n。如果剩余电流设定点Is_n的增加引起电池电流Ibatt_n的减小大于与k.ΔIs0＝ΔIs0/2相等的第二预定值，则这意味着主电池5的电荷电势由于恢复设备6的存在而减小。恢复出的剩余电流不对应于过量能量，但对应于对主电池5充电、以及由此当光照弱时对电信站点2供电有用的能量。在此类情况下，电流设定点被减小。否则，可以再次增加剩余电流设定点Is_n。

应当观察到，仅当主电池5在充电时，即，仅当电池电流恢复Ibatt为正时，恢复设备6才汲取剩余电流Is。

还应当观察到，剩余电流设定点Is_n必须不超过最大电流设定点值I0。最大电流设定点值I0等于对恢复设备6和次级外部装备30的电流的需求、以及取决于恢复设备6的电流恢复容量的最大电流值之中的最大值。

参照图5，以下更详细地描述了本发明的恢复方法的各个步骤。

在时间T＝Tn处，电池电流Ibatt_n等于光伏电流Ipv_n减去剩余电流设定点Is_n并减去电信电流Itel_n或者仅Itel，因为电信电流Itel几乎是恒定的(步骤E1)。

测量电池电流Ibatt_n(步骤E2)并与0进行比较(步骤E3)。

如果电池电流Ibatt_n小于或等于0，则这意味着主电池5正在放电以便为电信站点2供电。电站1由此不具有任何过量能量。在时间Tn+1＝Tn+ΔT0处，剩余电流设定点Is_n+1被设定为0(步骤E4)。

如果电池电流Ibatt_n大于0，则在时间Tn+1＝Tn+ΔT处，将剩余电流设定点Is_n递增第一预定值(即，ΔIs0)，否则将剩余电流设定点Is_n递减第一预定值(即，ΔIs0)(因变于由于前一递增或前一递减引起的电池电流Ibatt的变化)。

测量电池电流Ibatt_n+1，并且计算差值(步骤E5)：

ΔIbatt_n＝Ibatt_n+1-Ibatt_n

将电池电流Ibatt_n+1再次与0进行比较(步骤E6)。

再次，如果电池电流Ibatt_n+1小于或等于0，则这意味着主电池5正在放电。电站1因此不具有任何过量能量。在时间Tn+2＝Tn+1+ΔT处，剩余电流设定点Is_n+2被设定为0(步骤E7)。

如果电池电流Ibatt_n+1大于0，则确定剩余电流设定点Is_n是否刚刚已被递增(递增了ΔIs0)或者已被递减(递减了ΔIs0)：步骤E8。

如果剩余电流设定点Is_n刚刚已被递增，则验证该递增是否引起电池电流的减小大于第二预定值(即，ΔIs0/2)(步骤E9)。

如果剩余电流设定点的递增引起电池电流的减小小于或等于第二预定值(即，ΔIs0/2)，则验证剩余电流设定点Is_n是否确实小于最大电流设定点值I0(步骤E10)。如果为是，则将剩余电流设定点Is_n+1递增ΔIs0(步骤E11)，并且恢复方法返回到步骤E5。如果为否，则由于剩余电流设定点已达到最大电流设定点值I0，因此将剩余电流设定点递减ΔIs0(步骤E12)，并且恢复方法返回到步骤E5。

在返回到步骤E9时，如果剩余电流设定点的递增引起电池电流的减小大于第二预定值，则将剩余电流设定点递减ΔIs0。在时间Tn+2处的剩余电流设定点由此等于在时间Tn+1处的剩余电流设定点减去ΔIs0与零值之间的较大值(步骤E13)。恢复方法随后返回到步骤E5。

在返回到步骤E8时，如果剩余电流设定点Is_n刚刚已被递减，则验证该递减是否引起电池电流的增加大于第二预定值(步骤E14)。

如果为是，则下一步骤是步骤E10(之后是E11或E12)：如果剩余电流设定点小于最大电流设定点值I0，则递增剩余电流设定点，否则递减剩余电流设定点。

如果为否，则下一步骤是步骤E13(之后是E5)：递减剩余电流设定点。

以下是一些数值以便解说上面的描述。

在该示例中，电站1具有串联连接的七个光伏太阳能电池板的六个并联组，从而递送300Wc，以及串联连接的十二个主电池的两个并联组，以提供3700安培小时(Ah)。

ΔIbatt/ΔT0<2安培每分钟(A/min)，如在主电池的吸收阶段开始时获得的。

ΔIpv_nat/ΔT0<20安培每秒(A/s)，其是针对光照的最大变化等于1000瓦每平方米每秒(W/m²/s)来计算的(标准NF EN50530-附件B)。

这给出了ΔInat/ΔT0≤20A/s。

k.ΔIs0/ΔT0>ΔIna/ΔT0也是必需的，其中ΔT0>>1/F，其中F是斩波器的斩波频率。

在该示例中选择以下值：k＝0.5，F＝10千赫兹(kHz)，ΔIs0＝2安培(A)，并且ΔT0位于50微秒(μs)至50毫秒(ms)的范围中(50μs<ΔT0<50ms)，并且选择以下值ΔT0＝50ms。

参照图6，本发明的第二实施例中的恢复设备6'包括斩波器13'，该斩波器13'不同于本发明的第一实施例中的恢复设备6的斩波器13。

在该示例中，斩波器13'是可逆电流降压/升压斩波器。这种斩波器13'的使用使得有可能在主电池5故障的情况下使用存储在次级电池17中的剩余电流Is的一部分来为电信站点2供电。主电池5的故障在图6中由开路来表示。当然，在除了电池故障之外的情况下，以及当由太阳能电池板和主电池提供的电能不足以为电信站点2供电时，存储在次级电池17中的剩余电流Is也能够用于为电信站点2供电。

本发明的第二实施例中的恢复设备6'还使得有可能优化主电池5和次级电池17的成本和使用。由此，举例而言，使主电池5利用适于通过电信站点2的低深度日常放电的锂离子技术、并且针对适于存储剩余电流的次级电池17利用铅酸技术以便在缺乏光照的较长时段期间支援主电池是有利的。

当恢复方法利用本发明的第二实施例中的恢复设备6'时，该恢复方法包括附加步骤，该附加步骤包括：将剩余电流存储在次级电池17中，并且如果由能量转换器设备和主电池提供的电能不足，则使用剩余电流为电信站点2供电。

当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是覆盖由权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。

尽管说明电站是光伏电站，但是本发明适用于从任何类型的可再生能量产生电力的任何类型的电站。

同样地，由电站供电的电气装置不一定需要是电信站点。

应当要观察到，用于测量光伏电流、电池电流、电信电流、以及剩余电流的电流传感器可以位于电站中或者位于恢复设备中。

尽管说明电站具有主电池并且恢复设备具有次级电池，但电站和恢复设备可以极好地具有不同的相应主电力存储装置和次级电力存储装置，例如，包括超级电容器。

Claims

1.一种恢复电站(1)中的过量能量的方法，所述电站用于为电气装置(2)供电并且包括用于将可再生能量转换成电能的转换器设备(3)以及用于存储电能的主存储装置(5)，所述方法包括以下步骤：

-将恢复设备(6)连接到所述电站以用于汲取来自所述电站的剩余电流(Is)，所述恢复设备包括功率转换器；

-在执行调节环路(27，28)时对所述功率转换器(13)进行电流控制；

-在时间Tn处，为所述调节环路定义剩余电流设定点(Is_n)；

在时间Tn+1＝Tn+ΔT0处，将所述剩余电流设定点(Is_n)递增第一预定值(ΔIs0)；

-测量所述主存储装置(5)的电池电流(Ibatt_n+1)；

-否则，将所述剩余电流设定点(Is_n+1)再次递增所述第一预定值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述电流设定点刚刚已被递减，则进一步包括以下步骤：

-测量所述主存储装置(5)的电池电流；

-如果所述剩余电流设定点的递减引起所述电池电流的增加大于所述第二预定值，则将所述剩余电流设定点递增所述第一预定值；

-否则，将所述剩余电流设定点再次递减所述第一预定值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：使用所述主存储装置(5)的电池电流(Ibatt_n)来检测所述主存储装置(5)正在充电还是放电，并且如果所述主存储装置(5)正在放电，则将所述剩余电流设定点设定为0。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定值等于k.ΔIs0，ΔIs0是第一预定值，并且k位于0至1的范围中。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：将所述剩余电流存储在所述恢复设备(6)的次级存储装置(17)中，并且如果由所述转换器设备(3)和所述主存储装置提供的电力不足，则使用所述剩余电流为所述电气装置(2)供电。

6.一种恢复设备，所述恢复设备适于连接到电站以用于汲取来自所述电站的剩余电流并执行如权利要求1至5中任一项所述的方法，所述恢复设备包括功率转换器以及用于所述功率转换器的执行调节环路的电流控制模块。

7.如权利要求6所述的恢复设备，其特征在于，所述功率转换器包括斩波器。

8.如权利要求7所述的恢复设备，其特征在于，所述斩波器是电流可逆的。

9.如权利要求6所述的恢复设备，其特征在于，所述控制模块实现用于生成剩余电流设定点的监管器块(21)、电流-电压调节块(23)、以及电压调节块(25)。

10.如权利要求6所述的恢复设备，其特征在于，包括用于存储所述剩余电流中的至少一些剩余电流的次级存储装置(17)。

11.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于使得适于连接到电站的恢复设备的微控制器能够执行如权利要求1至5中任一项所述的方法的指令。

12.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储计算机程序，所述计算机程序包括用于使得适合连接到电站的恢复设备的微控制器能够执行如权利要求1至5中任一项所述的方法的指令。