CN102185533A - 储能型准-z源光伏发电控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能型准-Z源光伏发电控制系统和控制方法。其中，控制系统包括控制器和储能型准-Z源逆变器；控制器包括电容电压外环和储能电池电流内环，调节逆变器的直通占空比，该控制使得直流母线电压一直保持恒定，即使光伏电池电压宽范围变化；逆变器输出功率由功率环控制，通过控制光伏电池和逆变器输出功率，对储能电池进行充放电管理，可实现最大功率跟踪。本发明通过单级功率变换完成升/降压、逆变和储能，以较简的结构实现最小逆变器容量，确保直流母线电压恒定、电网得到平稳功率，可最大限度地收集太阳能，改善发电效率。

Description

储能型准-Z源光伏发电控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种储能型准-Z源光伏发电控制系统和控制方法。

背景技术

光伏发电是颇具前景的新能源发电之一，主要包括独立发电系统和并网发电系统两类，并网型光伏发电是当今发展的主流趋势。功率变换器在光伏发电中担负着重要角色，是连接光伏电池与电网(或用户)、有效传递能量的桥梁，其可靠性、效率与费用对整个光伏发电系统至关重要。

应用于光伏发电系统中的功率变换器拓扑结构，具有两级或单级、有变压器或无变压器的特点。单级式结构具有紧凑、低费用、高效率和高可靠性特点。但是，这种单级功率变换器只具有降压功能，而且一块光伏电池板输出电压较低(典型值为12V，24V，或48V)，受光线辐射、尤其是温度变化的影响，输出电压宽范围变化。为此，传统单级式的逆变器容量偏大，以适应光伏电池电压的宽范围变化；为了满足并网电压要求，在逆变器输出与电网间连接一个低频升压变压器，导致系统体积庞大、效率降低、高噪声和高费用。不采用变压器时，则将若干光伏电池板串联，以得到一个较高的直流电压(比电网电压略高)，串联的光伏电池在局部阴影时存在较大功率损失和热斑问题。两级式结构采用DC/DC变换器，将宽范围变化的光伏电池输出电压升到一个恒定的期望值，逆变器的KVA定额最小，也无需变压器。但是，DC/DC变换器将使系统费用增加，效率降低。

光伏电池产生的功率受辐射和温度影响，所以光伏发电系统输出的功率与天气、季节相关，具有不确定性。随机波动的功率对电网有负面影响，尽管目前尚无导致严重电网失败的案例，但是随着太阳能电站数量、容量的扩大，这个问题将日益突出，寻求解决方案刻不容缓。比较理想的是，在并网型光伏发电系统中结合储能电池，将多余电能存入储能系统，以避免电网电压上升；也不必关掉一部分光伏发电系统，而浪费能量。根据电网的需求，储能系统可以吸收光伏发电系统多余的能量，或弥补其不足，即削峰填谷，类似于一个能量缓存，也称可调度型光伏并网发电系统[王长贵，并网光伏发电系统综述(上)，《太阳能》，2008年第2期，页码14-17]。这样，在任何情况下，都可以最大限度地收集太阳能功率，实现高效率，同时确保电网得到平稳的功率，从而最小化或消除光伏发电系统对电网的负面影响。另外，储能型光伏并网发电系统还能实现一些重要的辅助功能，诸如无功补偿、电力调峰控制等，使电网更可靠。但是，现有的方案基于传统单级或两级功率变换器，体现有各自的不足；为了有效管理储能电池的充放电，还额外引入双向DC/DC变换器，增加了硬件费用和控制的复杂度，效率将降低。

发明内容

本发明提供了一种储能型准-Z源光伏发电控制系统和控制方法，基于本发明，可以很好地克服光伏电池电压变化对直流母线电压带来的影响，确保直流母线电压恒定，并且，不增加硬件费用和控制的复杂度，以单级变换实现升/降压、逆变与储能，最大限度地收集光伏电池功率，提高光伏发电的效率。

一方面，本发明公开了一种储能型准-Z源光伏发电控制系统，包括控制器和作为被控对象的储能型准-Z源逆变器；其中：

所述储能型准-Z源逆变器包括：储能电池、三相逆变器、二极管D、电解电容C1、电解电容C2、电感L1、电感L2、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf；并且，所述电容C2的负极与所述电感L1相连，所述电容C2的正极和所述三相逆变器的正极连；所述二极管D的阴极同时与所述电容C1正极和所述电感L2相连；所述电感L2的另一端连接于所述三相逆变器正极；所述电容C1的负极与所述三相逆变器的负极相连；所述电感L1的一端与所述光伏电池的正极相连；所述电感L1的另一端与所述电容C2的负极相连；所述三相逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；所述储能电池跨接于所述电容C1两端，且所述储能电池的正极连接于电容C1的正极。

所述控制器包括：第一电压电流传感器单元、第二电压电流传感器单元、电压检测单元、SPWM调制单元、比例积分调节器PI、比例调节器P、前馈控制调节器、加法器、功率控制调节器、输出功率计算单元和最大功率跟踪单元；其连接方式为：所述第一电压电流传感器单元从所述LC滤波器的输出测量到电压和电流，输入给所述输出功率计算单元，用于计算三相逆变器的输出功率；所述输出功率计算单元将求得的功率输入给所述功率控制调节器，作为功率控制的反馈量；所述第一电压电流传感器单元从所述LC滤波器的输出测量到电压和电流，输入给所述功率控制调节器，用于对三相逆变器实现功率控制；所述第二电压电流传感器单元测量所述储能电池的电压和电流，计算出储能电池的功率，将所述储能电池的功率与所述三相逆变器的输出功率通过加法器运算，计算出光伏电池的输出功率，输入给所述最大功率跟踪单元，根据最大功率跟踪算法，确定所述三相逆变器的期望输出功率；在功率闭环作用下，所述功率控制调节器输出三相期望电压信号，作为所述SPWM调制单元的调制信号；所述电压检测单元测量所述电容C2电压，作为电压外环控制的反馈量，所述电容C2电压的期望值为预先设定值，将所述电压外环控制的反馈量与所述预先设定值比较后，经过比例调节器P，输出储能电池的期望电流，确保直流母线电压恒定；来自所述第二电压电流传感器单元的储能电池实际电流与期望电流值比较，经过所述比例积分调节器PI后，作为所述三相逆变器直通占空比的微调量；所述前馈控制调节器利用所述电容C2电压的期望值，计算出逆变器直通占空比的预设值，将其与占空比的微调量相加，得到逆变器直通占空比；该占空比与三相期望电压信号共同作用于SPWM调制器，产生驱动信号，控制三相逆变器工作。

上述系统中，电容C₂的期望电压V^* _C2和储能电池的设计电压按照如下方式确定：

根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为V_PN时，电容C₂期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2。

上述系统中，最大功率跟踪算法具体为：

确定三相逆变器的初始期望输出功率；

将所述初始期望输出功率作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此所产生的实际响应，计算储能电池和光伏电池的初始功率响应；

逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，并将其重新作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此产生的实际响应，计算调整后的储能电池和光伏电池的新功率响应；

判定光伏电池的新功率响应较上次功率响应是增加还是减小；若增加，则继续沿此方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；若减小，则沿相反方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；依据所述最大功率点，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

另一方面，本发明还公开了一种储能型准-Z源光伏发电控制方法，所述方法用于控制储能型准-Z源逆变器，所述储能型准-Z源逆变器包括储能电池、三相逆变器、二极管D、电解电容C₁、电解电容C₂、电感L₁、电感L₂、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f组成；并且，所述电容C₂的负极与所述电感L₁相连，所述电容C₂的正极和所述三相逆变器的正极连；所述二极管D的阴极同时与所述电容C₁正极和所述电感L₂相连；所述电感L₂的另一端连接于所述三相逆变器正极；所述电容C₁的负极与所述三相逆变器的负极相连；所述电感L₁的一端与所述光伏电池的正极相连；所述电感L₁的另一端与所述电容C₂的负极相连；所述三相逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；所述储能电池跨接于所述电容C₁两端，且所述储能电池的正极连接于电容C₁的正极。所述控制方法包括如下步骤：

步骤1，根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为V_PN时，电容C₂期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2。

步骤2：测量所述LC滤波器的输出电压和电流，并依据所述电压和电流计算所述三相逆变器的输出功率；将所述三相逆变器的输出功率作为功率控制调节的反馈量。

步骤3：测量储能电池的电压和电流，计算所述储能电池的功率。

步骤4：将所述储能电池的功率与所述三相逆变器的输出功率通过加法器运算，计算光伏电池的输出功率。

步骤5：基于所述光伏电池的输出功率，进行最大功率跟踪，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

步骤6：依据所述三相逆变器的期望输出功率和步骤2中获取的所述功率控制调节器的反馈量，并利用所述LC滤波器的输出电压和电流，计算三相期望电压信号。

步骤7：测量所述电容C₂的实际电压，将步骤1中电容C₂的期望电压V^* _C2减去所述电容C₂的实际电压，其差经过比例调节，输出储能电池的期望电流，确保直流母线电压恒定；所述比例调节参数为储能电池内阻的倒数，且为负值。

步骤8：将步骤7中获取的所述储能电池的期望电流值减去步骤3中测得的所述储能电池的电流，其差经过比例积分调节后，输出所述三相逆变器的直通占空比微调量；比例积分调节需确保实现储能电池电流的无静差跟踪。

步骤9：利用步骤1中所述电容C₂的期望电压V^* _C2，通过前馈控制，计算所述三相逆变器直通占空比的预设值，并与步骤8中获取的所述直通占空比微调量相加，得到逆变器的直通占空比。

步骤10，将步骤9中该逆变器的直通占空比与步骤6中所述三相期望电压信号进行SPWM调制，产生门驱动信号，控制所述三相逆变器工作。

步骤11，当光伏电池实际电压大于其标称电压V_in，N时，储能电池充电，吸收光伏电池产生的多余能量；当光伏电池实际电压小于其标称电压V_in，N时，储能电池放电。

进一步地，在上述步骤5中，所述三相逆变器的期望输出功率通过步骤51-步骤55确定：

步骤51，确定三相逆变器的初始期望输出功率。

步骤52，将所述初始期望输出功率作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此所产生的实际响应，计算储能电池和光伏电池的初始功率响应。

步骤53，逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，并将其重新作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此产生的实际响应，计算调整后的储能电池和光伏电池的新功率响应。

步骤54，判定步骤53中获得的光伏电池的新功率响应较上次功率响应是增加还是减小；若增加，则继续沿此方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；若减小，则沿相反方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点。

步骤55，依据所述最大功率点，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

相对于现有技术而言，本发明通过单级功率变换完成升/降压、逆变和储能，以较简的结构实现最小逆变器容量，确保直流母线电压恒定、电网得到平稳功率，可最大限度地收集太阳能，改善发电效率。

附图说明

图1为本发明储能型准-Z源光伏发电控制系统的结构示意图；

图2a为本发明控制系统在光伏电池功率变化、逆变器输出有功功率恒定时的光伏电池电压、两电容电压、两电感电流、储能电池电流的仿真结果示意图；

图2b为本发明控制系统在光伏电池功率变化、逆变器输出有功功率恒定时的光伏电池功率、储能电池功率、逆变器输出功率、直流母线电压、逆变器直通占空比、逆变器输出电压和电流的仿真结果示意图；

图3a为本发明控制系统在逆变器输出有功功率变化时的光伏电池电压、两电容电压、两电感电流、储能电池电流的仿真结果示意图；

图3b为本发明控制系统在逆变器输出有功功率变化时的光伏电池功率、储能电池功率、逆变器输出功率、直流母线电压、逆变器直通占空比、逆变器输出电压和电流的仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

储能型准-Z源光伏发电控制系统实施例

如图1所示本发明储能型准-Z源光伏发电控制系统。其中，储能型准-Z源逆变器包括：储能电池，3相逆变器，二极管D，电解电容C₁、C₂，电感L₁和L₂，输出滤波电感L_f和电容C_f，光伏电池、电网和局部负载；其连接方式为：电容C₂负极与电感L₁相连，其正极和3相逆变器正极连；二极管D的阴极与电容C₁正极、电感L₂相连；电感L₂的另一端连接于3相逆变器正极；电容C₁的负极与3相逆变器负极相连；电感L₁的一端与光伏电池的正极相连，另一端与电容C₂的负极相连；3相逆变器输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；储能电池跨接于电容C₁两端，且其正极连接于电容C₁的正极。

对于该储能型功率变换主电路，逆变器各桥臂可以直通，使其具有升压功能，通过控制其直通占空比，控制从输入电压V_in到直流母线峰值电压V_PN的泵升电压比，它们具有关系式

$V_{\mathrm{PN}}=\frac{1}{1-2D_V}{V}_{\mathrm{in}}$

式中，D_V为直通占空比。改变D_V可以改变电容C₁两端的电压，对储能电池进行充电和放电。可见，该功率电路以单级功率变换的形式，同时实现升/降压、逆变和储能，适应于光伏电池电压宽范围变化，避免了以往单级逆变器设计容量过大的弊端，也无需两级式系统中额外的DC/DC变换器，同时也避免了现有储能系统中额外的功率电路。逆变器允许电路直通，不会由此导致电路损坏，增强了系统可靠性，无需死区则改善了输出电流波形。

但是，直流母线电压为V_PN＝V_C1+V_C2＝2V_C1-V_in，而电容C₁与电池并联，所以其电压V_C1被钳制为与电池电压相等。储能电池电压与荷电状态有关，一般相对稳定，这样光伏电池电压的变化将直接体现到直流母线电压。由于光照辐射和温度变化会影响到光伏电池电压，尤其是温度的变化对光伏电池电压影响较大。如果不采取控制措施，则无法实现直流母线电压恒定的目的，将对逆变器及其控制带来不利影响：1)对开关器件的选择有影响，需要选择较大的耐压，以满足宽范围电压变化的要求；2)为了控制恒定的输出电压，必须根据直流母线电压的变化，实时调整调制指数，不仅使算法复杂，而且调制指数变化会影响到直通占空比的取值范围。

为了克服这个问题，本发明的控制系统通过双闭环控制，即使光伏电池输出电压宽范围变化，但系统的直流母线电压始终恒定；而且，该系统可以实现：1)太阳能最大功率跟踪；2)能量缓冲或削峰填谷的作用，即：当光伏电池提供的功率不足以电网(或用户)需求时，储能电池将提供能量，补充功率差；当光伏电池产生的功率大于电网(或用户)需求时，多余的功率将输入储能电池，进行能量存储；3)逆变并网或供电给局部负载。

如图1所示，控制器包括：第一电压电流传感器单元1，第二电压电流传感器单元7，电压检测单元8，SPWM(正弦脉宽调制)调制单元5，比例积分调节器PI，比例调节器P，前馈控制调节器6，加法器9，功率控制调节器2，输出功率计算单元3，最大功率跟踪单元4；其连接方式为：第一电压电流传感器单元1从逆变器的LC滤波器输出测量到电压和电流，输入给输出功率计算单元3，用于计算实际输出功率；输出功率计算单元3将求得的功率输入给功率控制调节器2，作为功率控制的反馈量；第一电压电流传感器单元1从LC滤波器的输出测量到电压和电流，输入给功率控制调节器2，用于对三相逆变器实现功率控制；第二电压电流传感器单元7测量储能电池的电压和电流，计算出储能电池的功率，将其与逆变器输出功率通过加法器9运算，计算出光伏电池的输出功率，输入给最大功率跟踪单元4，用于实现光伏电池最大功率的跟踪，也就是，通过小步调整三相逆变器的期望输出功率P^× _out，作为功率控制调节器2的输入，然后在下一步检测其实际响应P_out，计算储能电池和光伏电池的功率响应P_B与P_in，判定光伏电池功率P_in较前一步是增加还是减小：若属于增加，则继续沿此方向调整三相逆变器的期望输出功率P^× _out，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率P_in开始减小时，则获得最大功率点；若属于减小，则沿相反方向调整三相逆变器的期望输出功率P^× _out，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率P_in开始减小时，则获得最大功率点；在功率闭环作用下，功率控制调节器2输出三相期望电压信号(

和

)，作为SPWM调制单元5的调制信号；电压检测单元8测量电容C₂电压，作为电压外环控制的反馈量，电容C₂电压的期望值为预先设定值，二者比较后，经过比例调节器P，输出储能电池的期望电流

来自第二电压电流传感器单元的储能电池实际电流与期望电流值

比较，经过比例积分调节器PI后，作为逆变器直通占空比的微调量d；前馈控制调节器6则利用电容C₂电压的期望值V^* _C2，计算出逆变器直通占空比的预设值d₀，将其与占空比的微调量d相加，得到逆变器直通占空比D_V；该占空比D_V与三相期望电压信号(

和

)共同作用于SPWM调制器5，产生驱动信号，控制三相逆变器工作。

储能电池功率为光伏电池功率与逆变器输出功率的差，实现能量缓冲或削峰填谷的作用。根据光伏电池产生功率和注入电网功率的情况，储能电池将进行充电或放电，即：1)当光伏电池产生功率大于注入电网功率时，储能电池充电，充电功率为二者的差功率；2)当光伏电池产生功率小于注入电网功率时，储能电池放电，放电功率为二者的差功率；3)当光伏电池产生功率等于注入电网功率时，储能电池不充电也不放电。

如图1所示，比例积分调节器PI的参数要满足储能电池电流的无静差跟踪控制；比例调节器P的控制参数要等于储能电池内阻的倒数，且为负值，以确保直流母线电压一直恒定，具体为：

在电压外环作用下，储能电池期望电流为

i^* _B＝k(V^* _C2-V_C2)

式中，k为比例参数，V_C2为电容C₂电压，V^* _C2为电容C₂期望电压；

在电流内环作用下，有i^* _B＝i_B，即储能电池的实际电流i_B等于期望电流i^* _B。储能电池的实际电流为

i_B＝(V_B-V_C1)/r

式中，V_B为储能电池电压，V_C1为电容C₁电压，r为储能电池内阻；

如果要求k·r＝-1，那么直流母线电压为

V_PN＝V_C2+V_C1＝V^* _C2+V_B

因为储能电池电压与荷电状态有关，一般相对稳定，所以在电容C₂期望电压恒定的情况下，直流母线电压为恒定；

电容C₂期望电压V^* _C2和储能电池的设计电压如下：

因为直流母线电压为V_PN＝2V^* _C2+V_in，式中V_in为光伏电池端电压，所以储能电池的期望电流为

i^* _B＝0.5k(2V^* _C2-V_PN+V_in)

根据当地气候特点，比如辐射和温度等，和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压；由于V_PN＝2V^* _C2+V_in，N，那么储能电池电流的期望值为i^* _B＝0.5k(V_in-V_in，N)；可见，当光伏电池实际电压V_in大于其标称电压V_in，N时，i^* _B＜0，储能电池充电，吸收光伏电池产生的多余能量；当光伏电池实际电压V_in小于其标称电压V_in，N时，i^* _B＞0，储能电池放电，供电给负载；当期望的直流母线电压为V_PN时，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2，电容C₂的期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2；

应用上述实施例进行仿真建模，图2a、图2b、图3a和图3b给出了仿真结果，图中的符号分别为：Time表示时间，单位为秒(s)；V_c1表示电容C₁的端电压，V_c2表示电容C₂的端电压，单位均为伏特(V)；V_in表示光伏电池端电压，单位为伏特(V)；i_L1和i_L2分别为电感L₁和L₂的电流，单位为安培(A)；V_a表示逆变器输出经滤波器后的a相电压，单位为伏特(V)；i_abc表示逆变器输出的3相电流，单位为安培(A)；V_pn表示直流母线电压，单位为伏特(V)；D_V表示直通占空比；i_B表示储能电池电流，单位为安培(A)；P_in、P_out、P_B分别表示光伏电池功率、逆变器输出功率和储能电池功率，单位为瓦(W)。

图2a和图2b对应的运行条件为：光伏电池输出功率变化，逆变器输出有功功率恒定、无功功率为零。参数为：V_in在0.5-0.6s期间光伏电池电压从70V逐渐增加到120V，V_in，N＝85V。在本发明控制系统作用下，直流母线电压为恒定值，逆变器输出电压、电流和功率都为恒定。一开始时，P_in＜P_out，光伏电池和储能电池共同提供功率给负载；光伏电池电压从70V经过85V到120V的过程中，储能电池的状态从放电转变为充电，光伏电池功率和逆变器输出功率的差被储能电池所平衡；当光伏电池电压增加时，光伏电池电流和功率增加，由于V_in＞V_in，N，储能电池充电；i_L2＞i_L1时储能电池放电；i_L2＜i_L1时储能电池充电，这与没有储能电池的情形截然不同。图2中，正的i_B(或P_B)表示放电，负的i_B(或P_B)代表充电；D_V的改变体现了控制系统的调节作用。

光伏电池负载的变化将导致光伏电池电流、电压和功率的变化，进而使得储能电池运行状态变化，例如，在同样光照和温度条件下，一个大的光伏电池电流将导致一个低的光伏电池电压，一个低的电流将导致高的光伏电池电压；而光伏电池电压将确定本发明系统储能电池的充电或放电，如图3a和图3b所示。仿真中，光伏电池的开路电压为120V，逆变器负载电阻在0.5秒从4Ω变为16Ω，这使得负载减小。从图3a和图3b看，逆变器输出功率P_out和三相电流i_abc从0.5秒开始减小，光伏电池电流也相应减小，光伏电池电压增加，光伏电池功率P_in减小，但是直流母线电压V_PN和逆变器输出相电压v_a保持恒定不变。因为0.5秒后，负载功率小于光伏电池功率，多余的功率被充入储能电池，即P_B＜0(或i_B＜0)；而0.5秒前，负载功率大于光伏电池功率，缺少的功率部分由储能电池补充，即P_B＞0(或i_B＞0)；而且储能电池充电时，i_L2＜i_L1；储能电池放电时，i_L2＞i_L1；D_V的改变体现了控制系统的调节作用。

从上述实施例中可以看出，本发明具有如下优势：

1)如果没有该发明的双闭环控制，则直流母线电压将随光伏电池电压变化而变化，将直接影响逆变输出电压，而且给器件安全带来威胁。因为直流母线电压为V_PN＝2V_C1-V_in，电容C₁与电池并联，所以电容C₁电压被钳制为与电池电压相等，相对恒定，这样光伏电池电压的变化将直接体现到直流母线电压。通过该发明的双闭环控制，直流母线电压为V_PN＝2V^* _C2+V_in，N，即使光伏电池输出电压宽范围变化，但系统的直流母线电压始终恒定，这是一般系统所期望的。

2)该系统以单级功率变换的形式同时实现了升/降压、逆变与能量存储，可并网或独立运行，适应于光伏电池电压宽范围变化。避免了以往单级逆变器设计容量过大的弊端，无需两级式系统中额外的DC/DC变换器。而且，无需额外的功率电路即可有效地管理储能电池的充放电，简化了系统硬件。该系统中逆变器允许电路直通，不会由此导致电路损坏，增强了系统可靠性，无需死区则改善了输出电流波形。

3)该系统中，储能电池实现能量缓冲或削峰填谷的作用，即：当光伏电池提供的功率不足以电网(或用户)需求时，储能电池将提供能量，补充功率差；当光伏电池产生的功率大于电网(或用户)需求时，多余的功率将输入储能电池，进行能量存储。储能电池的充放电管理，通过控制光伏电池和逆变器的输出功率实现，既能最大限度地利用光伏输出功率，又能合理地实现电池的最小损耗和最长寿命。

储能型准-Z源光伏发电控制方法实施例

另一方面，本发明还公开了一种储能型准-Z源光伏发电控制方法。

该方法用于控制储能型准-Z源逆变器，储能型准-Z源逆变器的结构参照图1，包括储能电池、三相逆变器、二极管D、电解电容C₁、电解电容C₂、电感L₁、电感L₂、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；LC滤波器由输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f组成；并且，电容C₂的负极与电感L₁相连，电容C₂的正极和三相逆变器的正极连；二极管D的阴极同时与电容C₁正极和电感L₂相连；电感L₂的另一端连接于三相逆变器正极；电容C₁的负极与三相逆变器的负极相连；电感L₁的一端与光伏电池的正极相连；电感L₁的另一端与电容C₂的负极相连；三相逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；储能电池跨接于电容C₁两端，且储能电池的正极连接于电容C₁的正极。

控制方法基于的硬件为图1的控制器部分，具体包括如下步骤：

步骤1，根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压，当期望的直流母线电压为V_PN时，电容C₂期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2。

步骤2：测量LC滤波器的输出电压和电流，并依据电压和电流计算三相逆变器的输出功率；将三相逆变器的输出功率作为功率控制调节的反馈量。

步骤3：测量储能电池的电压和电流，计算储能电池的功率。

步骤4：将储能电池的功率与三相逆变器的输出功率通过加法器运算，计算光伏电池的输出功率。

步骤5：基于光伏电池的输出功率，进行最大功率跟踪确定三相逆变器的期望输出功率。

步骤6：依据三相逆变器的期望输出功率和步骤2中获取的功率控制调节器的反馈量，并利用LC滤波器的输出电压和电流，计算三相期望电压信号。

步骤7：测量电容C₂的实际电压，将步骤1中电容C₂的期望电压V^* _C2减去所述电容C₂的实际电压，其差经过比例调节，输出储能电池的期望电流，确保直流母线电压恒定；比例调节的参数为储能电池内阻的倒数，且为负值。

步骤8：将步骤7中获取的所述储能电池的期望电流值减去步骤3中测得的所述储能电池的电流，其差经过比例积分调节后，输出所述三相逆变器的直通占空比微调量；比例积分调节的参数要确保实现储能电池电流的无静差跟踪。

步骤9：利用步骤1中所述电容C₂的期望电压V^* _C2，通过前馈控制，计算三相逆变器直通占空比的预设值，并与步骤8中获取的直通占空比微调量相加，得到逆变器的直通占空比。

步骤10，将步骤9中该逆变器的直通占空比与步骤6中三相期望电压信号共同作用于SPWM调制器，产生门驱动信号，控制三相逆变器工作。

步骤11，当光伏电池实际电压大于其标称电压V_in，N时，储能电池充电，吸收光伏电池产生的多余能量；当光伏电池实际电压小于其标称电压V_in，N时，储能电池放电。

进一步地，在上述步骤5中，所述三相逆变器的期望输出功率通过步骤51-步骤55确定：

步骤51，确定三相逆变器的初始期望输出功率。

步骤52，将所述初始期望输出功率作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此所产生的实际响应，计算储能电池和光伏电池的初始功率响应。

步骤53，逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，并将其重新作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此产生的实际响应，计算调整后的储能电池和光伏电池的新功率响应。

步骤54，判定步骤53中获得的光伏电池的新功率响应较上次功率响应是增加还是减小；若增加，则继续沿此方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；若减小，则沿相反方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，将其与前一次结果比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点。

步骤55，依据所述最大功率点，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

上述实施例中，储能电池功率为光伏电池功率与逆变器输出功率的差，实现能量缓冲或削峰填谷的作用。根据光伏电池产生功率和注入电网功率的情况，储能电池将进行充电或放电，即：1)当光伏电池产生功率大于注入电网功率时，储能电池充电，充电功率为二者的差功率；2)当光伏电池产生功率小于注入电网功率时，储能电池放电，放电功率为二者的差功率；3)当光伏电池产生功率等于注入电网功率时，储能电池不充电也不放电。

上述各个步骤的实现可以通过图1中的控制系统来实现。

如图1所示，比例积分调节器PI的参数要满足储能电池电流的无静差跟踪控制；比例调节器P的控制参数要等于储能电池内阻的倒数，且为负值，以确保直流母线电压一直恒定，具体为：

在电压外环作用下，储能电池期望电流为

i^* _B＝k(V^* _C2-V_C2)

式中，k为比例参数，V_C2为电容C₂电压，V^* _C2为电容C₂期望电压；

在电流内环作用下，有i^* _B＝i_B，即储能电池的实际电流i_B等于期望电流i^* _B。储能电池的实际电流为

i_B＝(V_B-V_C1)/r

式中，V_B为储能电池电压，V_C1为电容C₁电压，r为储能电池内阻；

如果要求k·r＝-1，那么直流母线电压为

V_PN＝V_C2+V_C1＝V^* _C2+V_B

因为储能电池电压与荷电状态有关，一般相对稳定，所以在电容C₂期望电压恒定的情况下，直流母线电压为恒定；

电容C₂的期望电压V^* _C2和储能电池的设计电压如下：

因为直流母线电压为V_PN＝2V^* _C2+V_in，式中V_in为光伏电池端电压，所以储能电池的期望电流为

i^* _B＝0.5k(2V^* _C2-V_PN+V_in)

根据当地气候特点，比如辐射和温度等，和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压；由于V_PN＝2V^* _C2+V_in，N，那么储能电池电流的期望值为i^* _B＝0.5k(V_in-V_in，N)；可见，当光伏电池实际电压V_in大于其标称电压V_in，N时，i^* _B＜0，储能电池充电，吸收光伏电池产生的多余能量；当光伏电池实际电压V_in小于其标称电压V_in，N时，i^* _B＞0，储能电池放电，供电给负载；当期望的直流母线电压为V_PN时，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2，电容C₂的期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2。

需要说明的是，储能型准-Z源光伏发电控制方法与控制系统原理相似，都是通过电容电压外环和储能电池电流内环，调节逆变器的直通占空比，该控制使得直流母线电压一直保持恒定，即使光伏电池电压宽范围变化；逆变器输出功率由功率环控制，通过控制光伏电池和逆变器输出功率，对储能电池进行充放电管理，可实现最大功率跟踪。相同之处不再赘述，相互之间互相参照即可。

以上对本发明所提供的一种储能型准-Z源光伏发电控制系统和控制方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种储能型准-Z源光伏发电控制系统，其特征在于，包括控制器和作为被控对象的储能型准-Z源逆变器；其中，

所述储能型准-Z源逆变器包括：储能电池、三相逆变器、二极管D、电解电容C₁、电解电容C₂、电感L₁、电感L₂、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f；并且，所述电容C₂的负极与所述电感L₁相连，所述电容C₂的正极和所述三相逆变器的正极连；所述二极管D的阴极同时与所述电容C₁正极和所述电感L₂相连；所述电感L₂的另一端连接于所述三相逆变器正极；所述电容C₁的负极与所述三相逆变器的负极相连；所述电感L₁的一端与所述光伏电池的正极相连；所述电感L₁的另一端与所述电容C₂的负极相连；所述三相逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；所述储能电池跨接于所述电容C₁两端，且所述储能电池的正极连接于电容C₁的正极；以及

所述控制器包括：第一电压电流传感器单元、第二电压电流传感器单元、电压检测单元、SPWM调制单元、比例积分调节器PI、比例调节器P、前馈控制调节器、加法器、功率控制调节器、输出功率计算单元和最大功率跟踪单元；其连接方式为：所述第一电压电流传感器单元从所述LC滤波器的输出测量到电压和电流，输入给所述输出功率计算单元，用于计算三相逆变器的输出功率；所述输出功率计算单元将求得的功率输入给所述功率控制调节器，作为功率控制的反馈量；所述第一电压电流传感器单元从所述LC滤波器的输出测量到电压和电流，输入给所述功率控制调节器，用于对三相逆变器实现功率控制；所述第二电压电流传感器单元测量所述储能电池的电压和电流，计算出储能电池的功率，将所述储能电池的功率与所述三相逆变器的输出功率通过加法器运算，计算出光伏电池的输出功率，输入给所述最大功率跟踪单元，根据最大功率跟踪算法，确定所述三相逆变器的期望输出功率；在功率闭环作用下，所述功率控制调节器输出三相期望电压信号，作为所述SPWM调制单元的调制信号；所述电压检测单元测量所述电容C₂电压，作为电压外环控制的反馈量，所述电容C₂电压的期望值为预先设定值，将所述电压外环控制的反馈量与所述预先设定值比较后，经过比例调节器P，输出储能电池的期望电流，确保直流母线电压恒定；来自所述第二电压电流传感器单元的储能电池实际电流与期望电流值比较，经过所述比例积分调节器PI后，作为所述三相逆变器直通占空比的微调量；所述前馈控制调节器利用所述电容C₂电压的期望值，计算出逆变器直通占空比的预设值，将其与占空比的微调量相加，得到逆变器直通占空比；该占空比与三相期望电压信号共同作用于SPWM调制器，产生驱动信号，控制三相逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述最大功率跟踪算法具体为：

确定三相逆变器的初始期望输出功率；

将所述初始期望输出功率作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此所产生的实际响应，计算储能电池和光伏电池的初始功率响应；

逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，并将其重新作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此产生的实际响应，计算调整后的储能电池和光伏电池的新功率响应；

判定光伏电池的新功率响应较上次功率响应是增加还是减小；若增加，则继续沿此方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；若减小，则沿相反方向调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；

依据所述最大功率点，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

3.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述电容C₂的期望电压V^* _C2和储能电池的设计电压按照如下方式确定：

根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为V_PN时，电容C₂期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2。

4.一种储能型准-Z源光伏发电控制方法，其特征在于，

所述方法用于控制储能型准-Z源逆变器，所述储能型准-Z源逆变器包括储能电池、三相逆变器、二极管D、电解电容C₁、电解电容C₂、电感L₁、电感L₂、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f组成；并且，所述电容C₂的负极与所述电感L₁相连，所述电容C₂的正极和所述三相逆变器的正极连；所述二极管D的阴极同时与所述电容C₁正极和所述电感L₂相连；所述电感L₂的另一端连接于所述三相逆变器正极；所述电容C₁的负极与所述三相逆变器的负极相连；所述电感L₁的一端与所述光伏电池的正极相连；所述电感L₁的另一端与所述电容C₂的负极相连；所述三相逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，并供电当地负载；所述储能电池跨接于所述电容C₁两端，且所述储能电池的正极连接于电容C₁的正极；

所述控制方法包括如下步骤：

步骤1，根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压V_in，N，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为V_PN时，电容C₂期望电压为V^* _C2＝(V_PN-V_in，N)/2，储能电池的设计电压为(V_PN+V_in，N)/2；

步骤2：测量所述LC滤波器的输出电压和电流，并依据所述电压和电流计算所述三相逆变器的输出功率；将所述三相逆变器的输出功率作为功率控制调节的反馈量；

步骤3：测量储能电池的电压和电流，计算所述储能电池的功率；

步骤4：将所述储能电池的功率与所述三相逆变器的输出功率通过加法器运算，计算光伏电池的输出功率；

步骤5：基于所述光伏电池的输出功率，进行最大功率跟踪，确定所述三相逆变器的期望输出功率；

步骤6：依据所述三相逆变器的期望输出功率和步骤2中获取的所述功率控制调节器的反馈量，并利用所述LC滤波器的输出电压和电流，计算三相期望电压信号；

步骤7：测量所述电容C₂的实际电压，将步骤1中电容C₂的期望电压V^* _C2减去所述电容C₂的实际电压，其差经过比例调节，输出储能电池的期望电流，确保直流母线电压恒定；所述比例调节参数为储能电池内阻的倒数，且为负值；

步骤8：将步骤7中获取的所述储能电池的期望电流值减去步骤3中测得的所述储能电池的电流，其差经过比例积分调节后，输出所述三相逆变器的直通占空比微调量；比例积分调节需确保实现储能电池电流的无静差跟踪；

步骤9：利用步骤1中所述电容C₂的期望电压V^* _C2，通过前馈控制，计算所述三相逆变器直通占空比的预设值，并与步骤8中获取的所述直通占空比微调量相加，得到逆变器的直通占空比；

步骤10，将步骤9中该逆变器的直通占空比与步骤6中所述三相期望电压信号进行SPWM调制，产生门驱动信号，控制所述三相逆变器工作；

步骤11，当光伏电池实际电压大于其标称电压V_in，N时，储能电池充电，吸收光伏电池产生的多余能量；当光伏电池实际电压小于其标称电压V_in，N时，储能电池放电。

5.根据权利要求4所述的光伏发电控制方法，其特征在于，所述步骤5中，所述三相逆变器的期望输出功率通过如下步骤确定：

步骤51，确定三相逆变器的初始期望输出功率；

步骤52，将所述初始期望输出功率作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此所产生的实际响应，计算储能电池和光伏电池的初始功率响应；

步骤53，调整所述三相逆变器的期望输出功率，并将其重新作为所述功率控制调节器的输入，检测系统由此产生的实际响应，计算调整后的储能电池和光伏电池的新功率响应；

步骤54，判定步骤53中获取的光伏电池的所述新功率响应较所述初始功率响应是增加还是减小；

若增加，则继续沿此方向，逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；

若减小，则沿相反方向逐步调整所述三相逆变器的期望输出功率，计算光伏电池的实际功率响应，与其上次功率响应比较，直到发现光伏电池功率开始减小时，则获得最大功率点；

步骤55，依据所述最大功率点，确定所述三相逆变器的期望输出功率。

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