CN103545905B - 一种光伏直流微电网能量协调控制方法 - Google Patents

一种光伏直流微电网能量协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏直流微电网能量协调控制方法,该方法采用主从并联法与直流母线电压下垂法相结合的控制方法,在并网模式下采用主从并联法,由大电网接口电路维持微电网中的能量平衡,并稳定微电网中直流母线电压;在孤岛模式下,采用直流母线电压下垂法控制,针对直流母线电压不同的状态由接口电路进行实时调节光伏阵列和蓄电池组的运行模式。由此实现输出电流的有效控制,维持微电网的能量平衡,从而保证直流母线电压稳定在恒压状态,实现系统的均流输出,使直流微电网与大电网有机地结合,不仅使供能系统与负载很好的匹配,保证系统的可靠运行,而且能有效地减少能量损失,节约能耗。

Description

一种光伏直流微电网能量协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏电力技术领域,尤其涉及一种光伏直流微电网能量协调控制方 法。
背景技术
[0002] 在环境污染和能源危机的双重压力下,太阳能发电技术已经成为电力电子行业的 研究热点。在电力电子技术和储能技术的推动下,直流微电网将得到快速发展。直流微电 网以其便于控制、可靠性高、损耗小等优点将成为偏远山村和未来家庭的主要供电结构。 [0003] 直流微电网的特点是分布式电源、储能装置和负载之间的协调控制。而现有的协 调控制技术多采用主从并联法或母线电压下垂法。主从并联法须包含主单元和从单元,主 单元负责稳定直流母线电压,采用恒压控制,从单元采用恒流控制,但各单元之间需要实现 快速通信。母线电压下垂法利用各单元的输出电流,改变各单元的等效输出电阻,实现均流 控制。迄今为止,对光伏直流微电网尚无较为理想的控制方法,既能保证直流母线电压稳定 在恒压状态,又能实现系统的均流输出,使供能系统与负载很好的匹配,节约能耗,且运行 可靠。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷,提供一种光伏直流微电网能量协调 控制方法,该方法既能保证直流母线电压稳定在恒压状态,又能实现系统的均流输出,使直 流微电网与大电网有机地结合,不仅使供能系统与负载很好的匹配,运行可靠,而且能有效 地节约能耗。
[0005] 实现上述目的采取的技术方案是:一种光伏直流微电网能量协调控制方法,包括 并网模式的控制和直流微电网孤岛模式的控制:
[0006] A.并网模式的控制:
[0007] 当大电网正常运行时,直流微电网工作在并网模式下,采用主从并联法,大
[0008] 电网接口电路作为主单元,蓄电池单元等效为负载的一部分,并与直流负载和光 伏阵列作为从单元,光伏阵列接口电路工作在MPPT模式;当光伏阵列产生的能量大于直流 负载所需能量时,大电网接口电路工作在逆变模式,把微电网内剩余能量以单位功率因数 输送到大电网;当光伏阵列产生的能量不足时,大电网接口电路工作在整流模式,并以单位 功率因数从大电网内获取电能;由大电网接口电路维持微电网中的能量平衡,并稳定微电 网中直流母线电压;
[0009] B.孤岛模式的控制:
[0010] 当大电网发生故障时,直流微电网工作在孤岛模式下,采用直流母线电压
[0011] 下垂控制方法:当直流母线电压在设定的稳定控制值以上时,光伏阵列接口电路 运行在电压下垂模式,根据直流母线电压调节输出电流;当直流母线电压在设定的稳定控 制值以下时,光伏阵列接口电路运行在MPPT模式,实现光伏阵列电能的最大输出;当直流 母线电压低于设定的直流母线电压控制下限值时,光伏阵列输出电流达到限制电流,光伏 阵列接口电路控制恒流输出,如果直流母线电压继续跌落时,光伏阵列接口电路停止工作; 蓄电池组中各蓄电池单元分别在蓄电池接口电路的控制下实现充放电,其充放电的门槛电 压设置为所述稳定控制值,直流微电网的功率缺额由蓄电池组提供,当直流母线电压在较 佳控制范围内时,蓄电池接口电路运行在电压下垂控制模式,基于直流母线电压和蓄电池 的SOC,选择相应的充放电电流;当直流母线电压在较佳控制范围以外时,蓄电池组以极限 电流进行充放电,以协调直流微电网的能量平衡;直流负载通过负载接口电路控制,负载接 口电路采用电压电流双闭环控制结构,通过改变负载电压的大小,调节负载功率。
[0012] 所述大电网接口电路设置三相全桥逆变器,所述光伏阵列接口电路设置
[0013] Boost变换器,所述蓄电池接口电路设置双向Boost/Buck变换器,所述负载接口 电路设置Buck变换器。
[0014] 所述三相全桥逆变器对直流母线电压采用PI控制器控制,对并网电流采用比
[0015]例谐振控制器控制,并网时控制直流母线电压恒为稳定控制值。
[0016] 所述Boost变换器有MPPT控制和电压下垂控制两种模式,并网模式时,
[0017] Boost变换器工作在MPPT模式,采用的MPPT算法为基于PI控制器的变步长扰动 观察法;孤岛模式时,直流母线电压高于稳定控制值时,采用下垂控制模式,当直流母线电 压低于稳定控制值时,采用MPPT控制模式,输出最大功率,稳定母线电压。
[0018] 所述双向Boost/Buck变换器,并网模式时作为负载,只有充电和不工作两种
[0019] 模式,S0C算法根据蓄电池组输出电压得到合适的充电电流,充电方法采用三阶 段充电法,电流控制环节采用PI控制器;孤岛模式时,所述双向Boost/Buck变换器运行在 电压下垂控制模式,直流母线电压在较佳控制范围以内时,采用下垂控制模式。
[0020] 所述直流母线电压稳定控制值设定为350V ;所述直流母线电压较佳控制范围设 定为340V <直流母线电压多360V ;所述直流母线电压控制下限值设定为330V。
[0021] 本发明的光伏直流微电网能量协调控制方法,采用主从并联法和母线电压下垂法 相结合的控制方法,在并网模式下,采用主从并联法,以大电网接口电路为主单元,控制直 流母线电压恒定;在孤岛模式下,采用母线电压下垂法,各单元根据下垂特性,控制输出电 流,维持微电网的能量平衡。从而既能保证直流母线电压稳定在恒压状态,又能实现系统的 均流输出,使直流微电网与大电网有机地结合,不仅使供能系统与负载很好的匹配,保证系 统运行可靠,而且能有效地减少能量损失,节约能耗。
附图说明
[0022] 图1是本发明中光伏直流微电网系统的结构示意图。
具体实施方式
[0023] 如图1所示,本发明所使用的光伏直流微电网系统,由光伏阵列1、蓄电池
[0024] 组2、直流负载3、直流母线5和并网接口系统组成,所述直流母线5通过大电网接 口电路与大电网4连接。所述并网接口系统包括所述大电网接口电路、光伏阵列接口电路、 蓄电池接口电路和负载接口电路。光伏阵列1通过光伏阵列接口电路向直流母线5输入电 能,所述光伏阵列接口电路设置Boost变换器6,所述Boost变换器6有MPPT控制和电压下 垂控制两种模式,当大电网4运行正常,光伏直流微电网处于并网模式运行时,Boost变换 器6工作在MPPT模式,采用的MPPT算法为基于PI控制器的变步长扰动观察法。当大电网 4发生故障,光伏直流微电网处于孤岛模式运行,此时若直流母线电压高于稳定控制值时, 采用下垂控制模式;当直流母线电压低于稳定控制值时,采用MPPT控制模式,输出最大功 率,稳定母线电压,其中,所述稳定控制值一般设定为350V。蓄电池组2中各蓄电池分别蓄 电池接口电路与直流母线5相连,所述蓄电池接口电路设置双向Boost/Buck变换器7、8实 现充放电的功能,所述双向Boost/Buck变换器7、8,并网模式时作为负载,只有充电和不工 作两种模式,S0C算法根据蓄电池组2输出电压得到合适的充电电流,充电方法采用三阶 段充电法,电流控制环节采用PI控制器;孤岛模式时,所述双向Boost/Buck变换器7、8运 行在电压下垂控制模式,直流母线电压在较佳控制范围以内时,采用下垂控制模式。所述大 电网接口电路设置三相全桥逆变器10,为光伏直流微电网能量协调控制的关键模块。所述 三相全桥逆变器10对直流母线电压采用PI控制器,对并网电流采用比例谐振控制器,并网 时控制直流母线电压恒为稳定控制值。所述直流负载3通过直流负载接口电路与所述直流 母线5连接,所述直流负载接口电路设置Buck变换器9,所述直流负载3通过Buck变换器 9从直流母线吸收电能。所述Buck变换器9采用电压电流双闭环控制结构,通过改变负载 电压G的大小,调节负载功率,电压和电流环均采用PI控制器。
[0025]本发明的光伏直流微电网能量协调控制方法,包括并网模式的控制和直流微电网 孤岛模式的控制两种模式:当大电网正常运行时,直流微电网工作在并网模式下,采用主从 并联法,大电网接口电路作为主单元,蓄电池单元等效为负载的一部分,并与直流负载3和 光伏阵列1作为从单元,光伏阵列接口电路工作在MPPT模式;当光伏阵列1产生的能量大 于直流负载3所需能量时(不接大电网时,直流母线电压为350V-370V),大电网接口电路中 的三相全桥逆变器10工作在逆变模式,把微电网内剩余能量以单位功率因数输送到大电 网4 ;当光伏阵列1产生的能量不足时(不接大电网4时,直流母线电压为330V-350V),大 电网接口电路中的三相全桥逆变器10工作在整流模式,并以单位功率因数从大电网4内获 取电能;大电网接口电路中的三相全桥逆变器10不但要维持微电网中的能量平衡,而且还 必须稳定微电网中直流母线电压&=350V。
[0026]当大电网发生故障时,光伏直流微电网工作在孤岛模式下,采用直流母线电
[0027]压下垂控制方法:当直流母线电压在设定的稳定控制值以上(350V〈^〈370V)时, 光伏阵列接口电路中的Boost变换器6运行在电压下垂模式,根据直流母线电压调节输出 电流;当直流母线电压在设定的稳定控制值以下(330V〈仏e〈350V)时,光伏阵列接口电路 中的Boost变换器6运行在MPPT模式,实现最大太阳能的输出。当直流母线电压低于设定 的直流母线电压控制下限值(仏^〈33(^)时,光伏阵列1输出电流达到限制电流,光伏阵列 接口电路恒流输出,如果母线电压继续跌落时,光伏阵列接口电路则停止工作。蓄电池组2 中各蓄电池单元分别在蓄电池接口电路的控制下实现充放电,其充放电的门槛电压设置为 所述稳定控制值(350V),光伏直流微电网的功率缺额由蓄电池组2提供;当直流母线电压 (^)在较佳控制范围内(340V〈^〈360V)时,蓄电池接口电路中的双向Boost/Buck变换 器7、8运行在电压下垂控制模式,否则,充放电电流为0. 2A。基于直流母线电压(^)和蓄 电池的S0C,选择相应的充放电电流;当直流母线电压在较佳控制范围以外(仏e〈340V或者 360V〈^)时,蓄电池组2以极限电流进行充放电,以协调直流微电网的能量平衡。直流 负载3通过负载接口电路中的Buck变换器9控制,负载接口电路中的Buck变换器9采用 电压电流双闭环控制结构,通过改变负载电压的大小,调节负载功率。在上述光伏直流微电 网能量协调控制方法中,一般将所述直流母线电压稳定控制值设定为350V ;所述直流母线 电压较佳控制范围设定为340V <直流母线电压多360V ;所述直流母线电压控制下限值设 定为30V。
[0028] 直流微电网根据大电网是否正常运行和直流母线电压值,系统中各单元的6种可 能工作模式如表1所示。其中,模式一、模式二和模式三为并网运行时的三种可能工作模 式;模式四、模式五和模式六为孤岛运行时的三种可能工作模式。
[0029] 表1直流微电网控制系统可能的工作状态。
[0030]
Figure CN103545905BD00071
[0031] 实验例:
[0032] 基于本发明的光伏直流微电网能量协调控制方法,发明人搭建了系统实验平台, 其实验情况如下:
[0033] 1)并网模式实验
[0034] 系统启动时,光伏阵列1不工作,所述双向Boost/Buck变换器7、8工作在整流模 式,稳定母线电压,并向直流负载3供能,所述三相全桥逆变器10工作在整流模式,直流电 压仏 e的稳定值为350V,负载电压0的稳态值为150V,变压器二次侧A相电流/35峰值约为 3. 9A,且大电网侧功率因数接近单位功率因数,符合预想效果;
[0035] 2)孤岛模式实验
[0036] 断开三相全桥逆变器10,光伏直流微电网运行在孤岛模式。此时,光伏阵列1工作 在母线电压下垂控制模式下,负载电压0为100V,负载功率约为400W。直流母线电压被控 制在360V,Boost变换器6输出电流约为1. 2A,双向Boost/Buck变换器7、8不工作,蓄 电池组2输出电流/A=0,波形参数值与以上分析基本一致,验证了孤岛模式启动阶段的稳态 性能;
[0037] 随着直流负载3消耗功率的增加,光伏阵列1在电压下垂控制方式下不能提供足 够的能量,转为MPPT控制模式,此时,直流负载电压仏为200V,负载功率增加到1600W,此 时母线电压约为348V,Boost变换器输出电流约为3. 5A,蓄电池输出电流/A约为3. 3A。

Claims (6)

1. 一种光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:它包括并网模式的控制和直 流 微电网孤岛模式的控制: A. 并网模式的控制: 当大电网正常运行时,直流微电网工作在并网模式下,采用主从并联法,大电网接口电 路作为主单元,蓄电池单元等效为负载的一部分,并与直流负载和光伏阵列作为从单 元,光伏阵列接口电路工作在MPPT模式;当光伏阵列产生的能量大于直流负载所需能量 时,大电网接口电路工作在逆变模式,把微电网内剩余能量以单位功率因数输送到大电网; 当光伏阵列产生的能量不足时,大电网接口电路工作在整流模式,并以单位功率因数从大 电网内获取电能;由大电网接口电路维持微电网中的能量平衡,并稳定微电网中直流母线 电压; B. 孤岛模式的控制: 当大电网发生故障时,直流微电网工作在孤岛模式下,采用直流母线电压下垂控制方 法: 当直流母线电压在设定的稳定控制值以上时,光伏阵列接口电路运行在电压下垂模 式,根据直流母线电压调节输出电流;当直流母线电压在设定的稳定控制值以下时,光伏阵 列接口电路运行在MPPT模式,实现光伏阵列电能的最大输出;当直流母线电压低于设定的 直流母线电压控制下限值时,光伏阵列输出电流达到限制电流,光伏阵列接口电路控制恒 流输出,如果直流母线电压继续跌落时,光伏阵列接口电路停止工作;蓄电池组中各蓄电池 单元分别在蓄电池接口电路的控制下实现充放电,其充放电的门槛电压设置为所述稳定控 制值,直流微电网的功率缺额由蓄电池组提供,当直流母线电压在较佳控制范围内时,蓄电 池接口电路运行在电压下垂控制模式,基于直流母线电压和蓄电池的SOC,选择相应的充放 电电流;当直流母线电压在较佳控制范围以外时,蓄电池组以极限电流进行充放电,以协调 直流微电网的能量平衡;直流负载通过负载接口电路控制,负载接口电路采用电压电流双 闭环控制结构,通过改变负载电压的大小,调节负载功率。
2. 如权利要求1所述的光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:所述大电网 接 口电路设置三相全桥逆变器,所述光伏阵列接口电路设置Boost变换器,所述蓄电池 接口电路设置双向Boost/Buck变换器,所述负载接口电路设置Buck变换器。
3. 如权利要求2所述的光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:所述三相 全桥逆变器对直流母线电压采用PI控制器控制,对并网电流采用比例谐振控制器控 制,并网时控制直流母线电压恒为稳定控制值。
4. 如权利要求2所述的光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:所述Boost 变换器有MPPT控制和电压下垂控制两种模式,并网模式时,Boost变换器工作在MPPT 模式,采用的MPPT算法为基于PI控制器的变步长扰动观察法;孤岛模式时,直流母线电压 高于稳定控制值时,采用下垂控制模式,当直流母线电压低于稳定控制值时,采用MPPT控 制模式,输出最大功率,稳定母线电压。
5. 如权利要求2所述的光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:所述双向 Boost/Buck变换器,并网模式时作为负载,只有充电和不工作两种模式,SOC算法根 据蓄电池组输出电压得到充电电流,充电方法采用三阶段充电法,电流控制环节采用PI 控制器;孤岛模式时,直流母线电压在较佳控制范围以内时,采用下垂控制模式,所述双向 Boost/Buck变换器运行在电压下垂控制模式。
6.如权利要求1所述的光伏直流微电网能量协调控制方法,其特征在于:所述直流 母线电压稳定控制值设定为350V ;所述直流母线电压较佳控制范围设定为直流母线电压 多340V ;所述直流母线电压控制下限值设定为330V。
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