CN104882909A - 光伏微电网直流母线电压调节与mppt的统一控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法，实现对光伏并网逆变器的MPPT控制与直流母线电压调节的统一控制，提高光伏并网效率，降低光伏微电网系统的运行成本。可实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

Description

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法。

背景技术

光伏微电网因其能源的可再生性、清洁性及能量可调度性等优点，受到世界各国越来越广泛的重视。在目前多数采用直流母线拓扑结构的光伏微电网中，为了实现直流母线电压调节与MPPT(MaximumPower Point Tracking，最大功率点跟踪)控制的解耦，通常会在光伏组件与直流母线之间串入DC/DC变换器，通过DC/DC环节实现对光伏组件的MPPT控制，再通过DC/AC环节实现对直流母线电压的调节与控制，但这将使得光伏并网效率降低，由于光伏微电网的单位投资成本较高(与无储能环节的光伏电站相比)，就会进一步导致光伏微电网系统的运行经济性欠佳。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法，实现对光伏并网逆变器的MPPT控制与直流母线电压调节的统一控制，提高光伏并网效率，降低光伏微电网系统的运行成本。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，其特征在于，包括分别与直流母线相连的光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块通过第一开关向直流母线传输电能，所述光伏组件与DC/AC模块之间顺次连接有MPPT控制器和交流电流环，所述交流电流环的输入端还连接有无功电流的参考信号所述双向DC/DC模块分别与第一储能电池和直流电流环相连，所述DC/AC模块通过第二开关向交流母线馈送电能，所述交流母线通过双向储能变流器与第二储能电池相连，所述交流母线还用于为本地负荷提供电能，所述光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块、直流电流环和本地负荷分别与能量管理系统相连。

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：MPPT控制器采集光伏组件的输出直流电压U_pv和直流电流I_pv，计算得到有功电流参考信号

S02：交流电流环根据有功电流参考信号无功电流参考信号(单位功率因数运行时)和DC/AC模块输出的有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}计算得到调制信号d₂；

S03：DC/AC模块根据调制信号d₂，通过控制功率器件的通断，向交流母线馈送电能；

S04：能量管理系统根据DC/AC模块的输出功率与本地负荷的功率之间的大小关系，调整双向DC/DC模块对第一储能电池充电/放电电流的参考信号

S05：直流电流环根据参考信号和双向DC/DC模块的电流反馈值计算得到调制信号d₁；

S06：双向DC/DC模块根据调制信号d₁，通过控制功率器件的通断，与直流母线进行电能的双向传输。

本发明的有益效果是：通过MPPT控制器计算得到有功参考电流信号结合无功电流参考信号有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}，对DC/AC模块的输出电流进行闭环控制，从而控制直流母线电压工作于U_mpp附近，能量管理系统通过对DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load大小的判断，更新双向DC/DC模块的电流参考信号并通过对双向DC/DC环节采用含直流电压前馈的电流环闭环控制，实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

附图说明

图1是本发明光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统的结构示意图；

图2是本发明直流电流环的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，如图1所示，包括分别与直流母线相连的光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块通过第一开关向直流母线传输电能，所述光伏组件与DC/AC模块之间顺次连接有MPPT控制器和交流电流环，所述交流电流环的输入端还连接有无功电流参考信号(单位功率因数运行时)，所述双向DC/DC模块分别与第一储能电池和直流电流环相连，所述DC/AC模块通过第二开关向交流母线馈送电能，所述交流母线通过双向储能变流器(即PCS)与第二储能电池相连，所述交流母线还用于为本地负荷提供电能，所述光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块、直流电流环和本地负荷分别与能量管理系统相连。

其中，所述第一开关和第二开关可以是功率器件。

下面详细介绍一下光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法：

S01：MPPT控制器采集光伏组件的输出直流电压U_pv和直流电流I_pv，计算得到有功电流参考信号

S02：交流电流环根据有功电流参考信号无功电流参考信号(单位功率因数运行时)和DC/AC模块输出的有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}计算得到调制信号d₂；

S03：DC/AC模块采集调制信号d₂，通过控制功率器件的通断，向交流母线馈送电能；

S04：能量管理系统根据DC/AC模块的输出功率与本地负荷的功率之间的大小关系，调整双向DC/DC模块对第一储能电池充电/放电电流的参考信号

具体为：

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与本地负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＝P_pv+P_dc/dc＝P_load  (1)

即直流母线电压|U_dc-U_mpp|＜ε，其中，ε为设定的波动范围，即U_dc≈U_mpp，U_mpp为光伏组件最大功率点对应的电压值，P_pv是光伏组件的输出功率，P_dc/dc是双向DC/DC模块的功率；

则能量管理系统无需对双向DC/DC模块的充电/放电电流的参考信号的大小进行调整。

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＞P_load  (2)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的放电电流，若放电电流降至0时，仍满足式(2)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为充电，直至满足式(1)，以控制直流母线电压U_dc工作于U_mpp点附近；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参考信号

$I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}\left(n\right)=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}(n-1)+\frac{P_{\mathrm{load}}\left(n\right)-P_{\mathrm{inv}}\left(n\right)}{U_{\mathrm{dc}}\left(n\right)}---\left(3\right)$

式中，n＝1,2…表示时刻，U_dc表示直流母线电压。

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＜P_load  (4)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的充电电流，若充电电流降至0时，仍满足式(4)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为放电，直至满足式(1)；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参考信号以使得U_dc工作于U_mpp点附近。

S05：直流电流环根据参考信号和双向DC/DC模块的电流反馈值计算得到调制信号d₁；

S06：双向DC/DC模块根据调制信号d₁，通过控制功率器件的通断，与直流母线进行电能的双向传输。

进一步地，为了将双向DC/DC模块的输出对直流母线电压的影响尽可能地降低，将双向DC/DC模块视为并入直流母线的电流源，并引入直流母线电压前馈信号以消除直流母线电压对直流电流环的影响，双向DC/DC模块的控制框图如图2所示。

直流电流参考信号与经过反馈环节5得到的直流电流反馈信号I_{dc/dc_FB}进行比较后得到误差信号Δe，该误差信号Δe经PI调节器1校正后，与直流母线电压信号U_dc经过前馈环节4校正后的输出信号叠加，输送至双向DC/DC等效环节2，经过滤波处理3后得到输出电流I_dc/dc，其中，直流电流反馈信号I_{dc/dc_FB}由信号I_dc/dc经反馈环节5得到，直流电压前馈环节4的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{1}{K_{\mathrm{pwm}}}---\left(5\right)$

直流电流环的开环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{s}s+1)(T_{f}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(6\right)$

式中，K_pwm为双向DC/DC环节PWM变换的等效增益，T_s为双向DC/DC模块的开关周期，T_f为反馈和滤波延时，K_p为PI调节器的比例系数，K_i为PI调节器的积分系数，L为双向DC/DC变换器输出滤波电抗器的电感值，R为双向DC/DC变换器的输出线路等效电阻，由于T_s和T_f都很小，因此将两个小惯性环节合并，令T_c＝T_s+T_f，则式(6)可化简为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{c}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(7\right).$

可见，该系统包含一个位于原点的极点，为一型系统，可按一型系统的设计方法对K_p和K_i的参数进行设计。

本发明的有益效果是：通过MPPT控制器计算得到有功参考电流信号结合无功电流参考信号有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}，对DC/AC模块的输出电流进行闭环控制，从而控制直流母线电压工作于U_mpp附近，能量管理系统通过对DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load大小的判断，更新双向DC/DC模块的电流参考信号并通过对双向DC/DC环节采用含直流电压前馈的电流环闭环控制，实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，其特征在于，包括分别与直流母线相连的光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块通过第一开关向直流母线传输电能，所述光伏组件与DC/AC模块之间顺次连接有MPPT控制器和交流电流环，所述交流电流环的输入端还连接有无功电流的参考信号所述双向DC/DC模块分别与第一储能电池和直流电流环相连，所述DC/AC模块通过第二开关向交流母线馈送电能，所述交流母线通过双向储能变流器与第二储能电池相连，所述交流母线还用于为本地负荷提供电能，所述光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块、直流电流环和本地负荷分别与能量管理系统相连。

2.根据权利要求1所述的光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，其特征在于，所述第一开关和第二开关是功率器件。

3.光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：MPPT控制器采集光伏组件的输出直流电压U_pv和直流电流I_pv，计算得到有功电流参考信号

S02：交流电流环根据有功电流参考信号无功电流参考信号和DC/AC模块输出的有功电流和无功电流的反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}计算得到调制信号d₂；

S03：DC/AC模块根据调制信号d₂，通过控制功率器件的通断，向交流母线馈送电能；

S04：能量管理系统根据DC/AC模块的输出功率与本地负荷的功率之间的大小关系，调整双向DC/DC模块对第一储能电池充电/放电电流的参考信号

S05：直流电流环根据参考信号和双向DC/DC模块的电流反馈值计算得到调制信号d₁；

S06：双向DC/DC模块根据调制信号d₁，通过控制功率器件的通断，与直流母线进行电能的双向传输。

4.根据权利要求3所述的光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，在步骤S04中，当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与本地负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＝P_pv+P_dc/dc＝P_load  (1)

即直流母线电压|U_dc-U_mpp|＜ε，其中，ε为设定的波动范围，U_mpp为光伏组件最大功率点对应的电压值，P_pv是光伏组件的输出功率，P_dc/dc是双向DC/DC模块的功率；

则能量管理系统无需对双向DC/DC模块的充电/放电电流的参考信号的大小进行调整。

5.根据权利要求3所述的光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，在步骤S04中，当DC/AC模块的当前

输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＞P_load  (2)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的放电电流，若放电电流降至0时，仍满足式(2)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为充电，直至满足式(1)；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参考信号

$I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}\left(n\right)=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}(n-1)+\frac{P_{\mathrm{load}}\left(n\right)-P_{\mathrm{inv}}\left(n\right)}{U_{\mathrm{dc}}\left(n\right)}---\left(3\right)$

式中，n＝1,2…表示时刻，U_dc表示直流母线电压。

6.根据权利要求3所述的光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，在步骤S04中，当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足以下关系时：

P_inv＜P_load  (4)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的充电电流，若充电电流降至0时，仍满足式(4)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为放电，直至满足式(1)；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参考信号

7.根据权利要求3所述的光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征在于，所述直流电流参考信号与经过反馈环节5得到的直流电流反馈信号I_{dc/dc_FB}进行比较后得到误差信号Δe，该误差信号Δe经PI调节器1校正后，与直流母线电压信号U_dc经过前馈环节4校正后的输出信号叠加，输送至双向DC/DC等效环节2，经过滤波处理3后得到输出电流I_dc/dc，其中，直流电流反馈信号I_{dc/dc_FB}由信号I_dc/dc经反馈环节5得到，直流电压前馈环节4的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{1}{K_{\mathrm{pwm}}}---\left(5\right)$

直流电流环的开环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{s}s+1)(T_{f}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(6\right)$

式中，K_pwm为双向DC/DC环节PWM变换的等效增益，T_s为双向DC/DC模块的开关周期，T_f为反馈和滤波延时，K_p为PI调节器的比例系数，K_i为PI调节器的积分系数，L为双向DC/DC变换器输出滤波电抗器的电感值，R为双向DC/DC变换器的输出线路等效电阻，由于T_s和T_f都很小，因此将两个小惯性环节合并，令T_c＝T_s+T_f，则式(6)可化简为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{c}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(7\right).$