基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组制造技术

本发明专利技术公开了一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，包括光伏电池单元接口；光伏电池电压均衡单元；SEPIC馈电升降压变换单元，其与光伏电池电压均衡单元串联连接；锂离子电池单元接口；投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连；主控单元，其与投切单元和2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元分别相连，2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元，包括对光伏电池电压均衡单元进行极值搜索的前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，及对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索的后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索。

【技术实现步骤摘要】
基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组
本专利技术属于光伏锂电领域，尤其涉及一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组。
技术介绍
太阳能作为一种新型能源已经引起人们的日益重视，作为其主要应用之一的光伏发电有着广阔的市场前景。然而，太阳能的主要缺点是能量不稳定，其白天有晚上无，晴天强阴天弱，通常需要配备储能电池来平抑太阳能不稳定性的影响。因此，光伏储能发电系统应运而生，其包括用于将太阳能转换成电能的光伏电池及用于存储光伏电池产生电能的储能电池。现有的储能电池主要包括铅酸电池和锂离子电池等。由于铅酸蓄电池具有性能稳定、安全可靠、价格便宜等优势，目前占据了光伏系统储能95％以上的市场份额。但是，铅酸电池有其固有的缺点，其一是能量密度很低(30～50Wh/kg)，使得系统非常庞大、笨重，其二是循环寿命很短(300～500次循环)，导致使用年限短(一般2～3年)。而锂电池具有非常高的能量密度，是铅酸电池的3～4倍，循环寿命长，可以达到3000次以上，在光伏储能发电领域中具有非常大的应用潜力。目前制约其发展和推广的一个因素是价格高，以12V/100Ah电池组为例，免维护阀控铅酸电池的市场售价为1000～1500元，而磷酸铁锂电池组市场价格为3000～4000元，是铅酸电池价格的3～4倍。但考虑磷酸铁锂电池循环寿命是铅酸电池的4～5倍，太阳能储能系统中采用锂电池反而会比铅酸电池更为经济。目前市场上已经有太阳能系统专用锂离子电池组出售，国内的电信运行商也在积极调研锂电池在通信领域中的应用前景。锂电池在储能电源、电动车辆等多方面的应用研究也在如火如荼的开展之中。可以预见，随着锂电池技术的逐步成熟，锂电池将会逐步替代铅酸电池而成为光伏发电系统储能的主力军。现有的锂离子电池储能方式主要为：首先将多个锂离子电池串联成组，再与光伏电池电连接。然而，由于很难保证该多个锂离子电池在充放电过程中的性能均一，因此在进行充放电时容易出现锂离子电池间充放不均衡或单个锂离子电池过充、过放，使整个锂离子电池组的循环使用寿命大大降低。此外，当其中一个锂离子电池过充时，该锂离子电池内部会因不可逆的化学反应而释放热量，进而使该锂离子电池内部温度升高而引发起火、爆炸；而当其中一个锂离子电池过放时，该锂离子电池会发生短路，进而使与其串联的其他锂离子电池的电压过高，并引发起火、爆炸。因此，当其中一个锂离子电池过充或过放时，不仅会使整个锂离子电池组的循环使用寿命降低，也会存在诸多安全隐患。为了提高锂离子电池组使用寿命和光伏锂电储能发电系统的安全性，目前已提出基于锂离子电池无均衡管理的光伏锂电储能系统，其结构和功能为，其包括多个相互串联的光伏蓄电模块，该每个光伏蓄电模块包括一锂离子电池单元及一用于向所述锂离子电池单元充电的光伏电池单元，并且进一步包括一用于控制所述锂离子电池单元进行充电和放电、并分别与所述光伏电池单元和所述锂离子电池单元电连接的电池管理单元。电池管理单元通过简单的电压比较和切换控制实现所述光伏电池单元对所述锂离子电池单元的充电、所述锂离子电池单元的放电及模块的对外供电，通过模块的独立控制，降低了锂离子电池单体容量差异对于系统影响，实现了串联锂离子电池组的无均衡管理，提高了系统的循环使用寿命和安全性。但现有光伏锂电储能系统中所涉及的光伏电池单元能量利用率，光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率等方面均有较大的改进空间。由于现有光伏锂电储能系统的光伏电池单元串接有防反接保护的二极管，以二极管直连的方式实现光伏电池单元对锂离子电池单元的充电，其正向压降的存在导致光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率偏低，降低了所述光伏电池单元的能量利用率，无法充分的利用所述光伏电池单元的供电潜力。同时，虽然有无均衡管理光伏锂电储能系统，但是未能有效改善光伏电池阴影效应的影响，从而降低了光伏电池单元的能量利用率。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术提供一种基于李雅普诺夫(Lyapunov)开关极值搜索的光伏储能发电模组，以提高所述光伏电池单元的能量利用率和光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率，更加合理的在模组对外供电中实现光伏电池单元和锂离子电池单元的能量管理，以延长模组的循环使用寿命。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，包括：一光伏电池单元接口，所述光伏电池单元接口用于连接至少包括一光伏电池的光伏电池单元；一光伏电池电压均衡单元，所述光伏电池电压均衡单元控制光伏电池单元的电压均衡；一SEPIC馈电升降压变换单元，所述SEPIC馈电升降压变换单元与光伏电池电压均衡单元串联连接；一锂离子电池单元接口，所述锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；一投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连，用于控制所述光伏储能发电模组的向外输出和输出切断；一主控单元，其与投切单元和2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元分别相连，所述2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元，包括前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索；所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对光伏电池电压均衡单元进行极值搜索，所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索。所述光伏电池单元包括至少一光伏电池，当光伏电池单元包括多个光伏电池时，多个光伏电池相互并联或串联。考虑工作温度的影响，当所述锂离子电池单元充电时，所述锂离子电池单元有一浮充充电荷电状态，对应不同温度下的相应浮充充电电压；当所述锂离子电池单元放电时，所述锂离子电池单元有一放电截止荷电状态，对应不同温度下的相应放电截止电压。所述光伏电池电压均衡单元由两级或多级斩波电路串联构成。所述光伏电池电压均衡单元的两级或多级斩波电路的稳态控制占空比关系为：其中，V1,V2,…,Vn分别为所述光伏电池的输出电压；分别为所述光伏电池电压均衡单元的开关管Q1,Q1,…,Qn的稳态关断占空因数，并且有所述SEPIC馈电升降压变换单元由一SEPIC馈电升降压变换器构成，其通过后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元实现所述光伏储能发电模组中光伏电池单元在不同辐照度条件下与锂离子电池单元之间的电压匹配。所述SEPIC馈电升降压变换单元的稳态控制占空比D1的表达式为：其中，Vin表示SEPIC馈电升降压变换单元的输入电压值；Vout表示SEPIC馈电升降压变换单元的输出电压值。所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元的Lyapunov候选函数V(xa)为其中，xa表示矩阵；表示矩阵xa的转置矩阵；P表示构造的Lyapunov矩阵。所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元均包括阻尼衰减控制单元及与其串联连接的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，包括：一光伏电池单元接口，所述光伏电池单元接口用于连接至少包括一光伏电池的光伏电池单元；一光伏电池电压均衡单元，所述光伏电池电压均衡单元控制光伏电池单元的电压均衡；一SEPIC馈电升降压变换单元，所述SEPIC馈电升降压变换单元与光伏电池电压均衡单元串联连接；一锂离子电池单元接口，所述锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；一投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连，用于控制所述光伏储能发电模组的向外输出和输出切断；一主控单元，其与投切单元和2‑Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元分别相连，所述2‑Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元，包括前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索；所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对光伏电池电压均衡单元进行极值搜索，所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索。...

【技术特征摘要】
1.一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，包括：一光伏电池单元接口，所述光伏电池单元接口用于连接至少包括一光伏电池的光伏电池单元；一光伏电池电压均衡单元，所述光伏电池电压均衡单元控制多个相互串联的光伏电池的电压均衡；一SEPIC馈电升降压变换单元，所述SEPIC馈电升降压变换单元与光伏电池电压均衡单元串联连接；一锂离子电池单元接口，所述锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；一投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连，用于控制所述光伏储能发电模组的向外输出和输出切断；一主控单元以及一MPPT控制器单元；所述MPPT控制器单元，包括一前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和一后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索；所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对光伏电池面板电压均衡单元进行极值搜索；所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索；所述光伏电池单元包括至少一光伏电池，当光伏电池单元包括多个光伏电池时，多个光伏电池相互并联或串联；考虑工作温度的影响，当所述锂离子电池单元充电时，所述锂离子电池单元有一浮充充电荷电状态，对应不同温度下的相应浮充充电电压；当所述锂离子电池单元放电时，所述锂离子电池单元有一放电截止荷电状态，对应不同温度下的相应放电截止电压。2.如权利要求1所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述光伏电压均衡单元由多级斩波电路构成，其前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元实现所述由相互串联的光伏电池面板构成的光伏电池单元中各个相互串联的光伏电池面板之间输出电压的均衡。3.如权利要求1或2所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述光伏电压均衡单元的多级斩波电路的稳态控制占空比关系为：其中，V1,V2,…...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭飞，陈玉峰，辜超，朱文兵，任敬国，周加斌，朱孟兆，杜修明，李杰，王建，朱庆东，白德盟，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网山东省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11