CN102780221B - 无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统及方法，包括：光伏组件、功率控制器、并网逆变系统、电流检测装置、逆功率保护器。光伏组件通过功率控制器与并网逆变系统连接，并网逆变系统输出与电网电流并网同时向负载供电；功率控制器使光伏发电系统处于变功率输出状态，根据负载的变化动态调整光伏发电系统的输出功率；电流检测装置检测电网电流大小及相位，作为并网逆变系统的电流反馈控制信号；逆功率保护器位于微电网与外电网之间，阻止微电网向外电网输送电流。本发明无蓄电池储能系统，外电网只起微电网供电不足时的补充，并可有效避免向外电网送电，因此使用时无需输、配电网的升级换代，便可起到节电的效果，利于推广。

Description

无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统及方法

技术领域

本发明涉及光伏分布式发电技术和微电网，特别涉及一种无储能装置（如蓄电池、各种电容等）的在线式光伏发电微电网控制系统及方法。

背景技术

随着常规能源的逐步消耗，可再生能源日益引起人们的关注。太阳能以其安全、清洁、便于安装而受到亲睐，为改善我国能源结构，节能环保，缓减对传统能源的依赖发挥越来越大的作用。

随着科技的进步，光伏组件的造价大幅降低，为分布式发电的推广创造了良好的条件。所谓分布式发电，通常是指布置在用户附近的一种模块化、小功率、分散式发电形式。

分布式发电相对外电网来说是一个不可控电源，因此外电网往往对分布式发电采取限制、隔离的方式来处置，以期减小其对外电网的冲击。为了保证电网的稳定可靠，国家对分布式能源的入网标准有专门规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。当然这也从另一个侧面限制了分布式能源效能的发挥。为了协调外电网与分布式电源间的矛盾，人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，并与外电网一起向用户提供电能。

经过对现有技术的公开文献检索发现，中国专利公开号：CN101697421A，（公开日2010.04.21，）该技术公开了一种微电网光伏微电源控制系统，以及查阅目前国内外对微电网的研究情况，所有的设计均离不开储能装置，（一般为蓄电池），考虑到蓄电池寿命有限、能量密度低（笨重）、成本高、有污染，对新能源及微电网的应用均有掣肘，所以若能在一般小型化的实际应用中去掉蓄电池等储能装置，无疑会提高新能源及微电网应用的可靠性，降低成本，促进新能源的推广使用。

为了解决目前电力供应不足的紧张状况，很多用户在谋求采用分布式发电来作为补充。另一方面鉴于分布式电源入网标准的严格限定，力求两网（用户设计的微电网与外电网）隔离，既起到省电效果而又不希望向电网反馈电能，以免影响外电网的稳定可靠。

发明内容

本发明旨在针对实际应用的需求及现有技术的的上述不足，提供一种无储能装置（如蓄电池、各种电容等）的在线式光伏发电微电网控制系统及方法。

本发明在设计上将外电网看成为一个容量为无穷大的储能装置，可实时提供所需电能；在结构上将微电网设计成外电网的负载模式（只从外电网单向取电），杜绝分布式发电因并网而可能对外电网造成的干扰；在控制上通过实时监测负载变化和功率跟踪及逆变技术，从外电网获取必需的最少电能。正常工作时，微电网和外电网同时向负载供电，当负载变化或微电网供电不足时，外电网自动切入补充电能不足部分。本发明技术是专门针对无储能装置光伏发电微电网进行的一种控制策略。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，该系统包括：光伏组件、功率控制器、并网逆变系统、电流检测装置以及逆功率保护器，光伏组件通过功率控制器与并网逆变系统连接，并网逆变系统输出与电网电流并网同时向负载供电；功率控制器使光伏发电系统处于一种变功率输出状态，根据负载的变化动态调整光伏发电系统的输出功率；电流检测装置检测电网电流大小及相位，作为并网逆变系统的电流反馈控制信号；逆功率保护器位于微电网与外电网之间，阻止微电网向外电网输送电流。

所述并网逆变系统由DC/DC变换器、DC/AC变换器、微处理器共同构成，其中：

功率控制器输出接到并网逆变系统输入端，先经过DC/DC变换器将光伏电池发出的直流电转换为并网逆变系统所需的直流电压，采用的实现方法是全桥式升压电路；

DC/AC变换器利用前级DC/DC变换器提供的直流高压作为输入，采用全桥逆变电路，通过四个主功率MOSFET管组成的全桥逆变电路，再经过输出滤波电路产生所需的正弦220V/50Hz交流电，始终工作在并网模式；

DC/AC变换器采用电流PWM反馈控制技术，将采样得到的输出电流转换成电压，与DA转换电路产生的参考正弦波电压做PI调节，PI调节后得到的正弦波电压经过死区电路后与参考三角波作比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度；

微处理器负责电压、电流信号采集，过零检测，逆变时钟、逆变输出控制及通讯功能；微处理器实时检测电流检测装置送来的电流反馈信号，确保逆变电流与外电网电流同频同相，一起向负载供电，同时判断电网向负载供电电流的大小，并以此来确定该微电网控制系统工作的模式。

本发明还提供一种上述系统的控制方法，为保证逆变系统始终工作在单向并网模式，该系统采集电网电流作为逆变系统的反馈信号。从电网送入负载的最小电流设置门限值为0.1A。设流经负载的电流为I_L，负载消耗的功率为P_L；微电网提供给负载的电流为I_N，提供给负载的功率为P_N、；外电网提供给负载的电流为I_W，提供给负载的功率为P_W。本微电网控制系统共三种工作模式：

模式一：当“P_N≤P_L”时，微电网与外电网同时向负载供电；此时功率控制器对光伏发电系统采用MPPT控制技术，保证微电网系统向负载提供输出的最大功率，不足部分由外电网补充。达到既能保证负载的供电的需求，又能实现节能的目的（减小外电网供电量，尽可能地节省电能）。

模式二：当“P_N≥P_L”时，说明微电网输出功率除满足负载消耗后还有多余，此时系统一方面通过逆功率保护器隔离微电网与内电网的联系，阻止微电网向外电网输送电流，同时并网逆变系统根据电流检测装置的电流反馈信号，自动调整（减小）光伏发电系统的功率输出，使微电网只输出满足负载消耗所需的功率。

模式三：当P_L很小时，为了防止功率的逆向传输（I_N流向外电网），本系统在实际程序处理过程中，若发现外电网向负载提供的电流I_W≤0.1A时，即外电网维持最低电流的输出功率P_W已经足够向负载供电时，微处理器发出指令微电网停止功率输出，由外电网直接向负载供电。

本发明的有益效果：该无储能装置的在线式微电网控制系统可变功率输出，在一定的光照强度下采用最大功率点跟踪控制，提高太阳能的转换效率；同时，在要求与负载功率匹配的情况下，控制器调节光伏输出功率，动态跟踪负载功率的变化。由DC/DC变换器、DC/AC变换器、微处理器等构成的逆变系统始终工作在电流反馈控制并网逆变的模式下；电网电流检测装置实时检测电网送入负载的电流，作为并网逆变的反馈信号，根据光伏系统输出功率、负载功率、电网功率判断该微电网控制系统工作的模式。

本发明上述方法在线型微电网控制技术针对光伏系统并网微电网进行控制，具有如下特点：（1）无蓄电池储能系统，寿命长，无污染，便于管理，成本大幅降低，利于广泛推广；（2）无需输、配电网的升级换代，现在的电路无需较大改动。对于家庭用户，只需在电表后将该系统引入，就可利用该分布式发电系统为家庭提供电能，起到省电的效果；（3）市电的负载结构模式，安全可靠、方便简单，成本降低，对外电网只起到补充作用，避免了向外电网送电；（4）一般小型化的光伏系统输出功率有限，负载功率较大，光伏系统采用功率跟踪控制，保证了发电效率的最大化。

附图说明

图1是本发明所述小型化在线型微电网的结构示意图。

图2是本发明所述功率控制器电路图。

图3是本发明所述最大功率跟踪算法流程图。

图4是本发明所述逆变系统整体框图。

图5是本发明所述DC/DC全桥电路结构框图。

图6是本发明所述DC/AC全桥逆变电路结构框图。

图7是本发明所述电流PWM反馈控制技术结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。

如图1所示在线型微电网控制系统。主要包括1、太阳能光伏电池板，2、功率控制器，3、DC/DC变换器，4、DC/AC变换器，5、微处理器，6、电流传感器，7、逆功率保护器。以下对各部分的结构和连接功能作进一步说明。

太阳能光伏发电板1通过功率控制器2与并网逆变系统（3DC/DC变换器4DC/AC变换器5微处理器组合）连接，逆变系统输出与电网电流并网同时向负载供电；电流传感器6检测电网电流大小及相位，作为逆变系统的电流反馈控制信号；逆功率保护器7安装在电表后面，位于微电网与外电网之间，阻止微电网向外电网输送电流。

当市电存在时，始终处于并网运行状态。负载功率较大时，光伏微电源系统处于最大功率输出，与电网合流同时向负载供电；光伏微电源系统输出功率大于负载功率时，由功率控制器调节输出功率保证微电源系统向负载供电，但同时电网维持最低电流作为微电源系统的电流反馈；负载功率较小时，即电网维持最低电流的输出功率已经足够向负载供电时，微电源控制系统停止工作。

在整个过程中，微电源系统不向电网送电，保证对外电网没有冲击；同时省去了储能装置，虽然电能可能有浪费，但是降低了系统成本，安全可靠，达到了省电经济性的目的，利于推广。

如图2是功率控制器2。功率控制器硬件采用升降压组合电路，如图2所示。软件实现采用变步长爬山法，使光伏板变功率输出，即输出最大功率或者与负载相匹配的功率。

功率控制器2由升降压组合电路实现，既可升压也可降压。通常所用的Cuk或Buck-Boost电路虽能解决升降压问题，但是它们的输出反压，Cuk电路更是需要用无极性电容传输能量，这会增加电路设计的不可靠性和成本。本系统中所采用的升降压组合电路简单可靠，通过单片机自由切换，同一时刻升压和降压电路只有一个在工作。如图2所示，当Q1开通，Q2作为开关管受控时，升压；当Q2截止，Q1作为开关管受控时，降压。改变单片机输出给开关元件的PWM波占空比，使等效负载阻抗在的范围内随意变化。无论等效电源内阻是多少，都可以实现阻抗匹配。PWM控制信号经过IR2011s驱动芯片对MOSFET进行控制。

功率控制器2可实现变功率输出，其输入量分别是光伏电池的输出电压V和输出电流I，最大功率跟踪控制算法流程如图3所示。

如图4是逆变系统整体框图，图5是DC/DC变换器3全桥电路结构框图，反馈回路为在直流高压输出端通过直流电压传感器采集直流高压信号反馈给UC3875芯片，与UC3875芯片内部标准信号比较调节四路PWM输出脉冲的相位差，然后再经过IR2110s驱动芯片对四个MOSFET进行控制，以此来调节全桥电路的输出电压，使它稳定在某一个值，设定值为380V，以达到闭环控制和反馈的目的。保护回路为通过直流电流传感器采集输入直流电流，再经过信号处理电路后与UC3875芯片内部的过流保护信号阀值做比较，一旦过流，比较器输出高电平，UC3875锁定跳停，DC/DC停止工作，完成输入过流保护。主控芯片ATmega64为UC3875提供128KHz同步信号，以及DC/DC软件保护信号。

在实施功率跟踪控制算法及并网控制时，要同时检测电网电压电流和逆变系统输出电流，以实施逆变系统的并网控制，同时检测直流母线电压，执行直流母线定电压控制算法调节逆变系统的并网输出电流的大小，以达到控制直流母线电压为事先指定的电压值的目的。整个系统是一个协调一致的动态过程。

如图6是DC/AC变换器4全桥逆变电路结构框图，并网逆变采用电流控制，补偿网络是PI调节，电流环采用电流滞环瞬时控制技术，即以电感电流为反馈量，有较强的抗负载短路能力，带线性负载时输出电压波形质量较高。

如图7是电流PWM反馈控制技术结构框图，逆变变换器的输出电流i_L被检测后，得到转换的电压信号u_IO与给定的（基准）参考正弦波电压u_Ir相比较，电压误差信号经过PI电压调节器放大后，生成控制信号u_k，作用于单极性倍频SPWM脉宽调制电路PWM，将模拟电压信号转化为开关脉冲信号，然后经过驱动电路去驱动功率开关管，由于脉冲信号的宽度随着u_k而变，而u_k随输出电流i_L而变，从而改变了输出电流，构成单闭环电流反馈控制系统。

整个逆变系统始终为并网逆变，为保证并网逆变的可靠安全，采用逆变系统内部的有源检测法来避免可能引起的危险。通过并网时人为地加入一些电压、频率的扰动或偏移，从而增加孤岛效应检测的可靠性。

具体做法是，每25个周期对并网电流波形主动移相，然后在紧接下来的一个周期检测是否存在。如果电网正常，在下一个周期仍能检测到微小的移相；如果电网故障，则检测到的电网电压就是逆变系统的输出电压，相位偏置小时，说明有孤岛效应发生，立刻停止并网运行。每25个周期检测一次能够减少相位偏置对并网波形的影响。

电网电流传感器6确保逆变电流与电网电流同频同相，一起向负载供电，同时判断电网向负载供电电流的大小，确定该微电网控制系统工作的模式。

本发明设置外电网提供给负载的最小电流门限值为0.1A，设微电网提供给负载的功率为P_N，外电网提供给负载的功率为P_W，负载消耗的功率为P_L。该在线式微电网控制系统共三种工作模式：

模式一：当“P_N≤P_L”时，微电网与外电网同时向负载供电；此时功率控制器对光伏发电系统采用MPPT控制技术，保证微电网系统向负载提供输出的最大功率，不足部分由外电网补充。达到既能保证负载的供电的需求，又能实现节能的目的（减小外电网供电量，尽可能地节省电能），即P_Nmax+P_W=P_L。

模式二：当“P_N≥P_L”时，说明微电网输出功率除满足负载消耗后还有多余，此时系统一方面通过逆功率保护器隔离微电网与内电网的联系，阻止微电网向外电网输送电流，同时并网逆变系统根据电流传感器的电流反馈信号，自动调整（减小）光伏发电系统的功率输出，使微电网只输出满足负载消耗所需的功率，即P_N+P_Wmin=P_L。

模式三：当P_L很小时，为了防止功率的逆向传输（I_N流向外电网），本系统在实际程序处理过程中，若发现外电网向负载提供的电流I_W≤0.1A时，即外电网维持最低电流的输出功率P_W已经足够向负载供电时，微处理器发出指令微电网停止功率输出，由外电网直接向负载供电。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于将外电网看成是一个容量为无穷大的储能装置，负载供电以光伏发电为主，不足部分从外电网取电补充为辅，外电网和微电网之间通过控制系统实现无缝连接；

所述控制系统包括：光伏组件、功率控制器、并网逆变系统、电流检测装置以及逆功率保护器；光伏组件通过功率控制器与并网逆变系统连接，并网逆变系统输出与电网电流并网同时向负载供电；功率控制器使光伏发电系统处于一种变功率输出状态，根据负载的变化动态调整光伏发电系统的输出功率；电流检测装置检测电网电流大小及相位，作为并网逆变系统的电流反馈控制信号；逆功率保护器位于微电网与外电网之间，阻止微电网向外电网输送电流；

所述并网逆变系统由DC/DC变换器、DC/AC变换器、微处理器共同构成，其中：

功率控制器输出接到并网逆变系统输入端，先经过DC/DC变换器将光伏电池发出的直流电转换为并网逆变系统所需的直流电压，采用的实现方法是全桥式升压电路；

DC/AC变换器利用前级DC/DC变换器提供的直流高压作为输入，采用全桥逆变电路，通过四个主功率MOSFET管组成的全桥逆变电路，再经过输出滤波电路产生所需的正弦220V/50Hz交流电，始终工作在并网模式；

DC/AC变换器采用电流PWM反馈控制技术，将采样得到的输出电流转换成电压，与DA转换电路产生的参考正弦波电压做PI调节，PI调节后得到的正弦波电压经过死区电路后与参考三角波作比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度；

微处理器负责电压、电流信号采集，过零检测，逆变时钟、逆变输出控制及通讯功能；微处理器实时检测电流检测装置送来的电流反馈信号，确保逆变电流与外电网电流同频同相，一起向负载供电，同时判断电网向负载供电电流的大小，并以此来确定该微电网控制系统工作的模式。

2.根据权利要求1所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述的功率控制器采用升降压组合电路，通过单片机自由切换，同一时刻只能升压工作和降压工作；所述升降压组合电路设有两个开关管，当第一个开关管导通，第二个开关管截止时，系统处于升压工作状态；当第二个开关管截止，第一个开关管导通时，系统处于降压工作状态；改变单片机输出给开关元件的PWM波占空比，使等效负载阻抗在的范围内随意变化，无论等效电源内阻是多少，都可以实现阻抗匹配，PWM控制信号经过IR2011s驱动芯片对MOSFET进行控制。

3.根据权利要求1所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述的DC/DC变换器采用全桥电路，在直流高压输出端通过直流电压传感器采集直流高压信号反馈给UC3875芯片，与UC3875芯片内部标准信号比较调节四路PWM输出脉冲的相位差，然后再经过IR2110s驱动芯片对四个MOSFET开关管进行控制，以此来调节全桥电路的输出电压，经滤波使它输出稳定在直流380V。

4.根据权利要求3所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述系统通过直流电流传感器采集输入直流电流信号与UC3875芯片内部的过流保护信号阀值做比较，一旦过流，比较器输出高电平，UC3875立即发出指令，DC/DC变换器停止工作，完成输入过流保护。

5.根据权利要求1所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述的DC/AC变换器采用全桥逆变电路，并网逆变采用电流反馈控制，补偿网络是PI调节，电流环采用电流滞环瞬时控制技术，即以电感电流为反馈量，有较强的抗负载短路能力，带线性负载时输出电压波形好。

6.根据权利要求5所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述的DC/AC变换器采用电流PWM反馈控制技术，将采样得到的输出电流转换成电压，与DA转换电路产生的参考正弦波电压做比较，再经PI调节处理后得到的偏差电压与参考三角波作比较，通过脉冲宽度调制原理，得到SPWM波。

7.根据权利要求1所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述的并网逆变系统中微处理器对逆变系统进行孤岛检测。

8.根据权利要求7所述的无储能装置的在线式光伏发电微电网控制系统，其特征在于：所述微处理器对逆变系统进行孤岛检测，具体是：每25个周期对并网电流波形主动移相，然后在紧接下来的一个周期检测是否存在，如果电网正常，在下一个周期仍能检测到微小的移相；如果电网故障，则检测到的电网电压就是逆变系统的输出电压，相位偏差小时，说明有孤岛效应发生，立刻停止并网运行；每25个周期检测一次能够减少相位偏差对并网波形的影响。

9.一种权利要求1-8任一项所述系统的控制方法，其特征在于：设流经负载的电流为I_L，负载消耗的功率为P_L；微电网提供给负载的电流为I_N，提供给负载的功率为P_N、；外电网提供给负载的电流为I_W，提供给负载的功率为P_W；微电网控制系统共三种控制模式：

模式一：当“P_N≤P_L”时，微电网与外电网同时向负载供电；此时功率控制器对光伏发电系统采用MPPT控制技术，保证微电网系统向负载提供输出的最大功率，不足部分由外电网补充，达到既能保证负载的供电的需求，又能实现节能的目的；

模式二：当“P_N≥P_L”时，说明微电网输出功率除满足负载消耗后还有多余，此时系统一方面通过逆功率保护器隔离微电网与外电网的联系，阻止微电网向外电网输送电流，同时并网逆变系统根据电流检测装置的电流反馈信号，自动调整光伏发电系统的功率输出，使微电网只输出满足负载消耗所需的功率；

模式三：当P_L很小时，若发现外电网向负载提供的电流I_W≤0.1A时，即外电网维持最低电流的输出功率P_W已经足够向负载供电时，微处理器发出指令微电网停止功率输出，由外电网直接向负载供电。