CN101697421A - 微电网光伏微电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网光伏微电源控制系统，包括通过固态开关STS分别接入微电网和负荷的光伏微电源主电路及通过驱动板与光伏微电源主电路连接的光伏微电源控制器，所述光伏微电源控制器包括：最大功率点跟踪控制模块、有功和无功功率计算模块、蓄电池充放电控制模块、功率角控制模块、无功功率-电压控制模块和PWM生成器。本发明所述微电网光伏微电源控制系统专门针对光伏微电源并网微电网进行控制，保证其稳定性，从而有效实现高效、环保和优质供电的微电网，对大电网起到有益补充。

Description

微电网光伏微电源控制系统

技术领域

本发明涉及分布式电源和微电网，特别涉及一种微电网光伏微电源控制系统。

背景技术

分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置(一般50MW以下)分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。

分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸多问题，如单机分布式电源接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。IEEEP1547对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念。

微电网从系统观点看问题，将微电源(小于10kw的分布式电源)、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的整体，同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电源，亦即含有电力电子界面的小型机组(小于10kw)，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。

目前，只有少数国家展开了微电网研究。从各国对未来电网的发展战略和对微电网技术的研究与应用中可清楚看出，微电网的形成与发展绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战，而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是对大电网的有益补充。

然而，国内外对微电网中微电源的研究多集中在笼统的微电源并网逆变系统控制和微电网的稳定性，还没有专门针对光伏微电源并网(微电网)的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种光伏微电源并网微电网控制系统，专门针对光伏微电源并网微电网进行控制，保证其稳定性，从而有效实现高效、环保和优质供电的微电网，对大电网起到有益补充。

本发明所采用的技术方案是：一种微电网光伏微电源控制系统，包括通过固态开关STS分别接入微电网和负荷的光伏微电源主电路及通过驱动板与光伏微电源主电路连接的光伏微电源控制器，所述光伏微电源控制器包括如下六个模块：

最大功率点跟踪控制模块：光伏电池阵列PV的输出电流I_PV和直流侧电容器C_dc两端的电压V_PV分别作为其输入量，处理步骤如下：

(1)根据光伏电池阵列特性，预设V_PV ^*，并使V_PV(k)＝V_PV ^*；

(2)通过检测得到当前的光伏电池阵列输出电压V_PV′(k)和电流I_PV′(k)计算当前时刻的输出功率P_PV′(k)＝V_PV′(k)·I_PV′(k)；

(3)用光伏电池阵列输出电压V_PV对光伏电池阵列输出功率P_PV进行求导，即

如果

则保持搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)+ΔV_PV；否则改变搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)-ΔV_PV；其中，ΔV_PV为光伏电池阵列输出电压V_PV的变化量，dP_PV＝P_PV(k)-P_PV′(k)，dV_PV＝V_PV(k)-V_PV′(k)；

(4)使下一时刻的输出功率等于当前时刻的输出功率，即P_PV(k+1)＝P_PV′(k)；

(5)重复步骤(2)；

有功和无功功率计算模块：将检测得到的光伏微电源与负载的连接点电压

和流过电抗器X的电流

计算得出有功功率P和无功功率Q；

蓄电池充放电控制模块：有功和无功功率计算模块输出的有功功率P和最大功率点跟踪控制模块输出的光伏电池阵列输出功率P_PV的差值作为其输入量，进行判断后将判断结果作为输出量U_BC接入蓄电池组；判断过程为：当光伏电池阵列输出功率P_PV大于等于有功功率P时，蓄电池进入充电子程序；当P_PV＜P时，蓄电池进入放电子程序，快速反应负荷的功率需求；

功率角控制模块：有功功率P与有功功率参考值P_ref的差值作为输入量接入功率角控制模块的输入端，功率角控制模块的输出量δ_V，即Δδ_V＝K_δ·ΔP，其中K_δ是比例系数，由系统参数确定；

无功功率-电压控制模块：有功和无功功率计算模块输出的无功功率Q和电压参考V_ref作为输入量，无功功率-电压控制模块的输出量V_QV，即ΔV_QV＝K_V·ΔQ，其中K_V是比例系数，由系统参数确定；

PWM生成器：无功功率-电压控制模块的输出量V_QV和功率角控制模块的输出量δ_V共同作为输入量，处理方法为：假设连接电抗器X和耦合变压器T的等效电感为L，那么P和Q与光伏微电源的输出电压幅值V和功率角δ之间的关系为：

$P=\frac{3\mathrm{VE}}{2\mathrm{\ωL}}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

$Q=\frac{3V}{2\mathrm{\ωL}}(V-E\cos \mathrm{\δ})---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，E是公共连接点的电压幅值，等效电感L的大小使功率角δ不大于10°，有功功率P和功率角δ成正比例，而无功功率Q与光伏微电源的输出电压幅值V成正比例。

所述光伏微电源主电路包括光伏电池阵列PV、二极管D、蓄电池组、直流侧电容器C_dc、逆变器、电抗器X和耦合变压器T，其中光伏电池阵列PV经二极管D接入蓄电池组，同时该蓄电池组并联直流侧电容器C_dc后，接入逆变器，所述逆变器依次串接电抗器X和耦合变压器T。

本发明所述微电网光伏微电源控制系统的设计原理是，该微电网光伏微电源控制系统包括通过固态开关STS分别接入微电网和负荷的光伏微电源主电路及通过驱动板与光伏微电源主电路连接的光伏微电源控制器，所述光伏微电源控制器由有功和无功功率计算模块、最大功率点跟踪控制模块、蓄电池充放电控制模块、功率角控制模块、无功功率-电压控制模块和PWM生成器六个部分组成，有功和无功功率计算模块分别输出有功功率P和无功功率Q，其中有功功率P与最大功率点跟踪控制模块的输出功率P_PV的差值作为蓄电池充放电控制模块的输入量，蓄电池充放电控制模块的输出量U_BC接入蓄电池组；同时，有功功率P与有功功率参考值P_ref的差值作为输入量接入功率角控制模块的输入端；有功和无功功率计算模块输出的无功功率Q和电压参考V_ref作为输入量接入无功功率-电压控制模块的输入端，无功功率-电压控制模块的输出量V和功率角控制模块的输出量δ_V共同作为输入量接入PWM生成器，PWM生成器的输出端接入驱动板。所述光伏微电源主电路包括光伏电池阵列、二极管、蓄电池组、直流侧电容器、逆变器、电抗器和耦合变压器，其中光伏电池阵列经二极管D接入蓄电池组，同时该蓄电池组并联直流侧电容器C_dc后，接入逆变器，所述逆变器依次串接电抗器X和耦合变压器T。

本发明的有益效果：微电网光伏微电源控制系统能在一定的太阳光照强度下采用最大功率点跟踪控制能够最大提高太阳能转换成电能的效率；在功率匹配前提下，光伏微电源的输出功率能够动态跟踪负荷功率的变化；能够自动调整光伏微电源连接点的电压，使得微电源之间的逆变器不会产生很大的环流；能够满足光伏微电源孤岛与并网两种模式下的安全可靠运行，不仅有不间断电源(UPS)的作用，而且能够实现“即插即用”的功能。本发明所述微电网光伏微电源控制系统专门针对光伏微电源并网微电网进行控制，保证其稳定性，从而有效实现高效、环保和优质供电的微电网，对大电网起到有益补充。

附图说明

图1是本发明所述微电网光伏微电源控制系统的结构示意图；

图2是本发明中最大功率点跟踪控制模块的控制流程示意图；

图3是本发明中无功功率-电压控制模块的无功功率-电压控制曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明；

如图1是微电网光伏微电源控制系统。主要包括光伏微电源主电路和光伏微电源控制器。光伏微电源控制器通过驱动板与主电路相连。光伏微电源主电路由光伏电池阵列PV、二极管D、蓄电池组、直流侧电容器C_dc、逆变器、电抗器X和耦合变压器T组成，光伏微电源主电路通过固态开关STS与微电网和负载相连。光伏微电源主电路中光伏电池阵列PV实现能源转换，将太阳能转换为电能；设置的二极管D是为了防止电流反注入到光伏电池阵列而损坏光伏电池阵列；蓄电池组的使用能够快速动态响应负荷功率的变化需求；直流侧电容器C_dc主要为了减少逆变器直流侧电压的波动；逆变器把直流电变换成交流电；电抗器X起滤波作用和减少逆变器之间的环流；耦合变压器T隔离光伏微电源与微电网的电气连接和起到升压变压器的作用。

光伏微电源控制器由有功和无功功率计算模块、最大功率点跟踪控制模块、蓄电池充放电控制模块、功率角控制模块、无功功率-电压控制模块和PWM生成器六个模块组成。

检测得到光伏微电源与负载的连接点电压

和流过电抗器X的电流，有功和无功功率计算模块分别输出有功功率P和无功功率Q，其中有功功率P减最大功率点跟踪控制模块输出功率P_PV的差为蓄电池充放电控制模块的输入量，蓄电池充放电控制模块的输出量U_BC连接蓄电池组；同时，有功功率P减有功功率参考值P_ref的差为功率角控制模块的输入量；而无功功率Q和电压参考V_ref作为无功功率-电压控制模块的输入量，其输出量V_QV和功率角控制模块的输出量δ_V共同作为PWM生成器的输入量。PWM生成器的输出量连接驱动板。

最大功率点跟踪控制模块的输入量分别是光伏电池阵列PV输出电流I_PV和直流侧电容器C_dc两端的电压V_PV。最大功率点跟踪控制模块运行的算法流程如图2所示，实现步骤如下：

(1)程序开始；

(2)根据光伏电池阵列特性，预设V_PV ^*，并使V_PV(k)＝V_PV ^*；

(3)通过检测得到当前的光伏电池阵列输出电压V_PV′(k)和电流I_PV′(k)计算功率P_PV′(k)＝V_PV′(k)·I_PV′(k)；

(4)用光伏电池阵列输出电压V_PV对光伏电池阵列输出功率P_PV进行求导，即如果

则保持搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)+δV_PV；否则改变搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)-δV_PV；其中，dP_PV＝P_PV(k)-P_PV′(k)，dV_PV＝V_PV(k)-V_PV′(k)；

(5)使下一时刻的输出功率等于当前时刻的输出功率，即P_PV(k+1)＝P_PV′(k)；

(6)重复步骤(3)；

蓄电池充放电控制模块的控制方法包括：当光伏电池阵列的输出功率P_PV大于等于有功功率P时，蓄电池进入充电子程序；当P_PV＜P时，蓄电池进入放电子程序，快速反应负荷的功率需求。

光伏微电源并入微电网的输出有功和无功率分别为P和Q。假设连接电抗器X和耦合变压器T的等效电感为L，那么P和Q与光伏微电源的输出电压幅值V和功率角δ之间的关系为：

$P=\frac{3\mathrm{VE}}{2\mathrm{\ωL}}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

$Q=\frac{3V}{2\mathrm{\ωL}}(V-E\cos \mathrm{\δ})---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，ω是工频角频率，E是公共连接点的电压幅值。如果确定等效电感值L的大小使得功率角δ不大于10°，那么有功功率P和功率角δ成正比例，而无功功率Q与光伏微电源的输出电压幅值V成正比例。无功功率-电压控制模块的曲线如图3所示。

Claims (2)

1.一种微电网光伏微电源控制系统，包括通过固态开关STS分别接入微电网和负荷的光伏微电源主电路及通过驱动板与光伏微电源主电路连接的光伏微电源控制器，所述光伏微电源控制器包括：

最大功率点跟踪控制模块：光伏电池阵列PV的输出电流I_PV和直流侧电容器C_dc两端的电压V_PV分别作为输入量，进行下述处理步骤：

(1)根据光伏电池阵列特性，预设电压V_PV ^*，并使V_PV(k)＝V_PV ^*，k为采样时刻；

(2)通过检测得到当前的光伏电池阵列输出电压V_PV′(k)和电流I_PV′(k)计算当前时刻的输出功率P_PV′(k)＝V_PV′(k)·I_PV′(k)；

(3)用光伏电池阵列输出电压V_PV对光伏电池阵列输出功率P_PV进行求导，即如果则保持搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)+ΔV_PV；否则改变搜索方向，即V_PV(k+1)＝V_PV(k)-ΔV_PV；其中，ΔV_PV为光伏电池阵列输出电压V_PV的变化量，dP_PV＝P_PV(k)-P_PV′(k)，dV_PV＝V_PV(k)-V_PV′(k)；

(4)使下一时刻的输出功率等于当前时刻的输出功率，即P_PV(k+1)＝P_PV′(k)；

(5)重复步骤(2)；

有功和无功功率计算模块：光伏微电源与负载的连接点电压

和流过电抗器X的电流

作为输入量，通过有功和无功功率计算得出有功功率P和无功功率Q作为输出量；

蓄电池充放电控制模块：有功和无功功率计算模块输出的有功功率P和最大功率点跟踪控制模块输出的光伏电池阵列输出功率P_PV的差值作为输入量，进行判断后，将判断结果作为输出量U_BC接入蓄电池组；判断过程为：当光伏电池阵列输出功率P_PV大于等于有功功率P时，蓄电池进入充电子程序；当P_PV＜P时，蓄电池进入放电子程序，快速反应负荷的功率需求；

功率角控制模块：有功功率P与有功功率参考值P_ref的差值作为输入量接入功率角控制模块的输入端，功率角控制模块的输出量δ_V；

无功功率-电压控制模块：有功和无功功率计算模块输出的无功功率Q和电压参考V_ref作为输入量，无功功率-电压控制模块的输出量V_QV；

PWM生成器：无功功率-电压控制模块的输出量V_QV和功率角控制模块的输出量δ_V共同作为输入量，处理方法为：假设连接电抗器X和耦合变压器T的等效电感为L，那么有功功率P和无功功率Q与光伏微电源的输出电压幅值V和功率角δ之间的关系为：

$P=\frac{3\mathrm{VE}}{2\mathrm{\ωL}}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

$Q=\frac{3V}{2\mathrm{\ωL}}(V-E\cos \mathrm{\δ})---\left(2\right)$

式(1)、(2)中，ω是工频角频率，E是公共连接点的电压幅值，等效电感L的大小使功率角δ不大于10°，那么有功功率P和功率角δ成正比例，而无功功率Q与光伏微电源的输出电压幅值V成正比例。

2.根据权利要求1所述微电网光伏微电源控制系统，其特征在于：所述光伏微电源主电路包括光伏电池阵列PV、二极管D、蓄电池组、直流侧电容器C_dc、逆变器、电抗器X和耦合变压器T，其中光伏电池阵列PV经二极管D接入蓄电池组，同时该蓄电池组并联直流侧电容器C_dc后，接入逆变器，所述逆变器依次串接电抗器X和耦合变压器T。

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