CN104467017A - 一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、功率变换单元和控制单元；所述光伏发电单元和蓄电池储能单元分别与功率变换单元并联，控制单元完成所述系统的能量调度管理。本发明采用多个光伏阵列串联结构，后级接有Boost升压电路，输入可扩展性强，直流母线电压等级较高；通过高频变压器进行电气隔离，相较于工频变压器体积大、笨重、造价高，采用高频变压器可使系统小巧、紧凑，同时降低成本；可输出高压直流电和三相工频交流电，可用于电动汽车充电站或配有直流充电桩的居民区等需要多种电源的场合。

Description

一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统
技术领域
本发明属于分布式新能源发电领域，具体涉及一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统。
背景技术
随着能源危机和环境问题日益突出，分布式新能源发电技术得到快速发展。分布式发电通常处于用户附近，即发即用，减少用户对电网供电的依赖，提高用户供电可靠性，同时也可降低输电线路损耗。
但是相比于传统发电技术，分布式新能源发电可控性差，具有随机性、间歇性和波动性等特点，并网运行会带来严重的电能质量问题，孤岛运行又降低用户供电可靠性。为了解决这些问题，分布式发电中普遍采用加入储能装置来抑制这种波动性和不确定性。以光伏发电为例，光伏发电具有清洁无噪声、安全可靠、无枯竭危险等优点，是目前最具发展前景的新能源发电技术之一。然而光伏出力受光照、温度、气候条件等影响，出力波动大，直接并网会恶化电能质量，需要加入蓄电池等储能装置来平滑这种随机出力波动，稳定输出功率。现有的光伏发电产品一般都为光伏/储能混合发电系统。
现有的光伏阵列和蓄电池输出电压一般都较低，需要经过升压单元才能实现并网或者供给本地负载使用。升压并网单元通常包括直流/直流变换器和直流/交流逆变器。直流/直流变换器主要实现升压功能，分为隔离型和非隔离型。非隔离型变换器所需器件较少，拓扑结构简单但升压范围有限，且不能实现电气隔离。隔离型变换器升压范围宽，可灵活匹配多个不同电压等级的输入和输出，且具备电气隔离功能。一般采用高频变压器进行隔离，可使变换器体积减小，结构紧凑。逆变器一般采用全桥电路，这种结构开关器件少，控制技术成熟，应用广泛。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，要克服现有并网光伏发电系统可控性差、出力不稳定的特点，整合光伏发电和储能单元，实现稳定并网和匹配直流负载。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，所述系统包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、功率变换单元和控制单元；所述光伏发电单元和蓄电池储能单元分别与功率变换单元并联，控制单元完成所述系统的能量调度管理。
所述光伏发电单元与蓄电池储能单元的能量在高压直流母线上耦合后通过功率变换单元输出给直流负载和电网。
所述光伏发电单元包括发电子模块、Boost升压电路和直流母线电容C1；多个发电子模块依次串联后，接入Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端接至直流母线电容C1。
所述发电子模块包括光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp；
所述Boost升压电路包括滤波电感L1、全控器件S1和二极管D1；
所述光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp串联，形成PV-Sp-Dp支路，多个PV-Sp-Dp支路依次串联后，一端连接滤波电感L1，另一端连接全控器件S1的发射极，所述滤波电感L1的另一端连接全控器件S1的集电极，并同时连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接直流母线电容C1的正极，全控器件S1的发射极和连接直流母线电容C1的负极。
所述蓄电池储能单元包括蓄电池组和双向DC/DC变换器；能量从蓄电池组输出时，双向DC/DC变换器工作在Boost状态；能量向蓄电池输入时，双向DC/DC变换器工作在Buck状态。
所述蓄电池组包括多个蓄电池，所述双向DC/DC变换器包括滤波电感L2、全控器件S2和全控器件S3；
多个蓄电池串联后，一端连接滤波电感L2，另一端连接全控器件S3的发射极，所述接滤波电感L2的另一端连接全控器件S2的发射极，并同时连接全控器件S3的集电极，所述全控器件S2的集电极连接直流母线电容C1的正极，所述全控器件S3的发射极连接直流母线电容C1的负极。
所述蓄电池为铅酸电池或锂离子电池。
所述功率变换单元包括第一全桥变换器、三绕组变压器、第二全桥变换器、直流滤波电容C2、第三全桥变换器、直流滤波电容C3和三相全桥变换器；所述三绕组变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组；所述第一全桥变换器、第二全桥变换器和第三全桥变换器均为H桥变换器。
直流母线电容C1经第一全桥变换器与三绕组变压器的原边绕组相连，三绕组变压器的一个副边绕组连接第二全桥变换器，第二全桥变换器经直流滤波电容C2连接至三相全桥变换器，所述三相全桥变换器输出三相工频交流电，通过LC滤波器与电网相连；三绕组变压器的另一个副边绕组连接第三全桥变换器，所述第三全桥变换器经直流滤波电容C3输出高压直流电，供给直流负载。
所述控制单元包括信号采集单元、数字信号微处理器和控制信号驱动单元；
所述信号采集单元用于采集模拟信息，并将采集的模拟信息转化为数字信息发送给数字信号微处理器；所述模拟信息包括各个电容两端电压、光伏阵列总的输出电压和电流、蓄电池组充放电电流、电网电压以及第三全桥变换器输出电流；
所述数字信号微处理器接收信号采集单元发送的数字信息，输出各全控器件的脉宽调制信号和辅助控制信号给所述控制信号驱动单元；
所述控制信号驱动单元接收数字信号微处理器输出的脉宽调制信号和辅助控制信号，输出相应脉冲电压，以驱动各个全控器件导通或者关断，维持各个直流滤波电容电压平衡，并维持电网侧输入功率因数为1。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用多个光伏阵列串联结构，后级接有Boost升压电路，输入可扩展性强，直流母线电压等级较高；
2.通过高频变压器进行电气隔离，相较于工频变压器体积大、笨重、造价高，采用高频变压器可使系统小巧、紧凑，同时降低成本；
3.系统可输出高压直流电和三相工频交流电，可用于电动汽车充电站或配有直流充电桩的居民区等需要多种电源的场合。
附图说明
图1是本发明实施例中基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统结构图；
图2是本发明实施例中蓄电池储能单元控制策略示意图；
图3是本发明实施例中三相全桥逆变器控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，所述系统包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、功率变换单元和控制单元；所述光伏发电单元和蓄电池储能单元分别与功率变换单元并联，控制单元完成所述系统的能量调度管理。
所述光伏发电单元与蓄电池储能单元的能量在高压直流母线上耦合后通过功率变换单元输出给直流负载和电网。
所述光伏发电单元包括发电子模块、Boost升压电路和直流母线电容C1；多个发电子模块依次串联后，接入Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端接至直流母线电容C1。
所述发电子模块包括光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp；
所述Boost升压电路包括滤波电感L1、全控器件S1和二极管D1；
所述光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp串联，形成PV-Sp-Dp支路，多个PV-Sp-Dp支路依次串联后，一端连接滤波电感L1，另一端连接全控器件S1的发射极，所述滤波电感L1的另一端连接全控器件S1的集电极，并同时连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接直流母线电容C1的正极，全控器件S1的发射极和连接直流母线电容C1的负极。
通过控制全控器件控制每个光伏阵列的切入和切出，单个光伏阵列退出工作并不影响其他发电子模块。多个发电子模块串联既实现升压，又一定程度上克服单个光伏阵列输出波动性强的缺点。多个发电子模块串联后通过Boost升压电路接至直流母线电容C1，Boost升压电路通过控制全控器件S1的导通占空比D实现最大功率点跟踪。
所述蓄电池储能单元包括蓄电池组和双向DC/DC变换器；能量从蓄电池组输出时，双向DC/DC变换器工作在Boost状态；能量向蓄电池输入时，双向DC/DC变换器工作在Buck状态。
所述蓄电池组包括多个蓄电池，所述双向DC/DC变换器包括滤波电感L2、全控器件S2和全控器件S3；
多个蓄电池串联后，一端连接滤波电感L2，另一端连接全控器件S3的发射极，所述接滤波电感L2的另一端连接全控器件S2的发射极，并同时连接全控器件S3的集电极，所述全控器件S2的集电极连接直流母线电容C1的正极，所述全控器件S3的发射极连接直流母线电容C1的负极。
所述蓄电池为铅酸电池或锂离子电池。
蓄电池储能单元控制策略如图2所示，蓄电池储能单元主要完成直流母线电容C1电压控制，为防止蓄电池频繁在充放电状态间切换，电压调节器中加入滞环控制。考虑到蓄电池使用寿命和充放电特性，电流内环调节器采用输出限幅，限制最大充放电电流。
控制过程：外环输入Udc1_ref为直流母线电容C1电压给定值，Udc1为母线电压实际值，做差后得到偏差，将这个偏差送至AVR，AVR是一个带有滞环功能的PI调节器，输出蓄电池充放电电流给定值Ibat_ref。首先判断给定值极性，确定蓄电池为充电状态还是放电状态：充电状态下，全控器件S3始终关断，全控器件S2为受控状态；放电状态下，全控器件S2始终关断，S3为受控状态。判断状态后电流给定值和实际充放电电流Ibat做差后送入ACR，ACR是一个带输出限幅功能的PI调节器，ACR输出送入比较器，和三角载波比较产生脉宽调制信号控制受控状态的全控器件导通占空比。
所述功率变换单元包括第一全桥变换器、三绕组变压器、第二全桥变换器、直流滤波电容C2、第三全桥变换器、直流滤波电容C3和三相全桥变换器；所述三绕组变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组；所述第一全桥变换器、第二全桥变换器和第三全桥变换器均为H桥变换器。
直流母线电容C1经第一全桥变换器与三绕组变压器的原边绕组相连，三绕组变压器的一个副边绕组连接第二全桥变换器，第二全桥变换器经直流滤波电容C2连接至三相全桥变换器，所述三相全桥变换器输出三相工频交流电，通过LC滤波器与电网相连；三绕组变压器的另一个副边绕组连接第三全桥变换器，所述第三全桥变换器经直流滤波电容C3输出高压直流电，供给直流负载。
所述控制单元包括信号采集单元、数字信号微处理器和控制信号驱动单元；
所述信号采集单元用于采集模拟信息，并将采集的模拟信息转化为数字信息发送给数字信号微处理器；所述模拟信息包括各个电容两端电压、光伏阵列总的输出电压和电流、蓄电池组充放电电流、电网电压以及第三全桥变换器输出电流；
所述数字信号微处理器接收信号采集单元发送的数字信息，输出各全控器件的脉宽调制信号和辅助控制信号给所述控制信号驱动单元；
所述控制信号驱动单元接收数字信号微处理器输出的脉宽调制信号和辅助控制信号，输出相应脉冲电压，以驱动各个全控器件导通或者关断，维持各个直流滤波电容电压平衡，并维持电网侧输入功率因数为1。
三相全桥逆变器控制策略如图3所示，并网功率恒定，采用功率外环和电流内环双环控制Pset和Qset为并网功率设定值，本发明采用Qset＝0即单位功率因数控制。
控制过程：并网侧有功设定值Pset和无功设定值Qset分别和并网侧输出有功值Pgrid和无功值Qgrid做差，经PI调节器得到有功电流给定值id_ref和无功电流给定值iq_ref，三相全桥逆变器输出三相电流iabc经过坐标变换得到有功分量id和无功分量iq，分别和给定值比较做差后，经过PI调节和前馈解耦环节得到对应电压参考值ud_ref和uq_ref，经过坐标反变换后得到abc三相电压参考波形，通过SPWM算法即可得到控制并网侧三相全桥变换器的开关信号。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述系统包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、功率变换单元和控制单元；所述光伏发电单元和蓄电池储能单元分别与功率变换单元并联，控制单元完成所述系统的能量调度管理。
2.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述光伏发电单元与蓄电池储能单元的能量在高压直流母线上耦合后通过功率变换单元输出给直流负载和电网。
3.根据权利要求1或2所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述光伏发电单元包括发电子模块、Boost升压电路和直流母线电容C1；多个发电子模块依次串联后，接入Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端接至直流母线电容C1。
4.根据权利要求3所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述发电子模块包括光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp；
所述Boost升压电路包括滤波电感L1、全控器件S1和二极管D1；
所述光伏阵列PV、全控器件Sp和二极管Dp串联，形成PV-Sp-Dp支路，多个PV-Sp-Dp支路依次串联后，一端连接滤波电感L1，另一端连接全控器件S1的发射极，所述滤波电感L1的另一端连接全控器件S1的集电极，并同时连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接直流母线电容C1的正极，全控器件S1的发射极和连接直流母线电容C1的负极。
5.根据权利要求1或2所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述蓄电池储能单元包括蓄电池组和双向DC/DC变换器；能量从蓄电池组输出时，双向DC/DC变换器工作在Boost状态；能量向蓄电池输入时，双向DC/DC变换器工作在Buck状态。
6.根据权利要求5所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述蓄电池组包括多个蓄电池，所述双向DC/DC变换器包括滤波电感L2、全控器件S2和全控器件S3；
多个蓄电池串联后，一端连接滤波电感L2，另一端连接全控器件S3的发射极，所述接滤波电感L2的另一端连接全控器件S2的发射极，并同时连接全控器件S3的集电极，所述全控器件S2的集电极连接直流母线电容C1的正极，所述全控器件S3的发射极连接直流母线电容C1的负极。
7.根据权利要求6所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述蓄电池为铅酸电池或锂离子电池。
8.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述功率变换单元包括第一全桥变换器、三绕组变压器、第二全桥变换器、直流滤波电容C2、第三全桥变换器、直流滤波电容C3和三相全桥变换器；所述三绕组变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组；所述第一全桥变换器、第二全桥变换器和第三全桥变换器均为H桥变换器。
9.根据权利要求8所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：直流母线电容C1经第一全桥变换器与三绕组变压器的原边绕组相连，三绕组变压器的一个副边绕组连接第二全桥变换器，第二全桥变换器经直流滤波电容C2连接至三相全桥变换器，所述三相全桥变换器输出三相工频交流电，通过LC滤波器与电网相连；三绕组变压器的另一个副边绕组连接第三全桥变换器，所述第三全桥变换器经直流滤波电容C3输出高压直流电，供给直流负载。
10.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统，其特征在于：所述控制单元包括信号采集单元、数字信号微处理器和控制信号驱动单元；
所述信号采集单元用于采集模拟信息，并将采集的模拟信息转化为数字信息发送给数字信号微处理器；所述模拟信息包括各个电容两端电压、光伏阵列总的输出电压和电流、蓄电池组充放电电流、电网电压以及第三全桥变换器输出电流；
所述数字信号微处理器接收信号采集单元发送的数字信息，输出各全控器件的脉宽调制信号和辅助控制信号给所述控制信号驱动单元；
所述控制信号驱动单元接收数字信号微处理器输出的脉宽调制信号和辅助控制信号，输出相应脉冲电压，以驱动各个全控器件导通或者关断，维持各个直流滤波电容电压平衡，并维持电网侧输入功率因数为1。
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