[發明專利]一種共用鋁電極的太陽能電池-超級電容器件的充放電電路及其控制方法

有效

• 申請號: 201710317068.6
• 申請日: 2017-05-08
• 公開（公告）號: CN107069924B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 楊洪明;常鞏;張寧;楊迪;鄧友均;張詩鳴
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02J3/38;H02J3/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種共用鋁電極的太陽能電池-超級電容器件的充放電電路，其特征在于：包括太陽能電池-超級電容器件、充電回路、放電回路和控制電路；太陽能-超級電容器件將太陽能電池的鋁電極同時作為超級電容的陽極襯底，把太陽能電池和超級電容融合為一個三端口器件，從共用鋁電極處引出端口1，太陽能電池正極引出端口2，超級電容的負極引出端口3；充電回路包括二極管、關系運算模塊1和理想開關1，放電回路包括Boost變換器、關系運算模塊2和理想開關2；控制電路包括檢測單元、反饋電路、比較器、第一PI調節器、第二PI調節器、限幅器、PWM調制器和太陽能電池輸出功率預測單元；

所述充電回路通過太陽能電池-超級電容器件的端口3依次連接關系運算模塊1、理想開關1、二極管和端口2構成；

所述放電回路通過太陽能電池-超級電容器件的端口1和端口3連接Boost變換器，經過控制電路輸出的開關信號，控制Boost變換器的通斷，實現對超級電容的放電；

所述控制電路由兩部分構成，第一部分通過檢測單元獲得直流母線電壓值和電流值，將直流母線電壓值與電壓參考值進行比較，所得偏差經第一PI調節器獲得電流參考值，再將檢測單元獲得的電流值與電流參考值進行比較，依次經過第二PI調節器、限幅器和PWM調制器獲得開關信號，對Boost變換器進行控制，從而實現超級電容的放電，另一部分通過將天氣數據輸入到太陽能電池輸出功率預測單元，所得太陽能電池輸出功率P_PV，以及預計光伏輸出功率P_L，同時輸入到關系運算模塊1和關系運算模塊2，控制充電啟動開關和放電啟動開關；充電啟動開關包括理想開關1和關系運算模塊1；放電啟動開關包括理想開關2和關系運算模塊2。

2.如權利要求1所述的一種共用鋁電極的太陽能電池-超級電容器件的充放電電路，其特征在于：理想開關1和理想開關2的功能是輸入高電平時導通，輸入低電平時關斷；關系運算模塊1和關系運算模塊2的邏輯判斷條件分為兩種，一種是充電啟動開關中的關系運算模塊1，輸入值大于設定值1時輸出高電平，理想開關1導通，充電回路開始工作，輸入值小于或等于設定值2時，輸出低電平，理想開關1關斷，充電電路停止工作；另一種是放電啟動開關中的關系運算模塊2，輸入值小于設定值2時輸出高電平，理想開關2導通，放電電路開始工作，輸入值大于或等于設定值1時輸出低電平，理想開關2關斷，放電回路停止工作。

3.一種用于上述權利要求1或2中共用鋁電極的太陽能電池-超級電容器件的充放電電路的控制方法，其特征在于：

(1)首先將預計光伏輸出功率P_L作為關系運算模塊1和關系運算模塊2的設定值，關系運算模塊1和關系運算模型2的設定值1是1.05P_L，關系運算模塊1和關系運算模塊2的設定值2是0.95P_L，設定直流母線電壓參考值U_dcref，再根據氣象局天氣數據，通過太陽能電池輸出功率預測單元預測出太陽能電池輸出功率P_PV；

(2)將P_PV分別輸入到關系運算模塊1和關系運算模塊2，再分別與關系運算模塊1和關系運算模塊2的兩個設定值進行比較；對于關系運算模塊1，若P_PV1.05P_L，關系運算模塊1輸出高電平至理想開關1，理想開關1導通，充電回路開始工作；若P_PV≤0.95P_L，關系運算模塊1輸出低電平至理想開關1，理想開關1關斷，充電回路停止工作；對于關系運算模塊2，若P_PV0.95P_L，關系運算模塊2輸出高電平至理想開關2，理想開關2導通，放電回路開始工作；若P_PV≥1.05P_L，關系運算模塊2輸出低電平至理想開關2，理想開關2關斷，放電回路停止工作；

(3)當充電回路開始工作時，太陽能電池經充電二極管直接向超級電容充電，直到P_PV≤0.95P_L，充電啟動開關關斷，停止充電；當放電回路開始工作時，通過檢測單元獲得直流母線電壓值U_dc和電流值I_sc，將此時的U_dc與直流母線電壓參考值U_dcref比較求差，所得偏差信號ΔU經第一PI調節器后產生電流參考值I_scref，再與檢測的電流值I_sc比較求差，偏差信號經第二PI調節器和限幅器后進入PWM調制器，產生開關信號，用于控制Boost變換器開關管的通斷，從而控制超級電容放電；通過對太陽能電池和超級電容間充電和放電兩種工作狀態的轉換，可以在太陽能電池輸出功率因外界環境突變的影響而發生驟升或驟降時，將多余的能量儲存在超級電容或由超級電容回饋能量，恒定直流母線電壓，以穩定、平滑太陽能電池輸出功率的波動。