CN105186566A - 一种即插即用的风光储一体化控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即插即用的风光储一体化控制系统，其包括：逆变单元，储能单元，整流单元，并网开关，直流电压检测装置，交流电流检测装置，交流电压检测装置；还包括控制单元，其通过所述各检测装置测量逆变单元输出的交流电压u_s、交流电流i_s；计算得到逆变单元PWM信号，该信号控制逆变单元的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；在并网运行模式下，低电价时对储能单元进行充电控制，高电价时对储能单元进行放电控制，在独立运行模式下，光电和风电大于本地负荷时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷时对储能单元进行放电控制。相应地，本发明还公开了一种即插即用的风光储一体化控制方法。

Description

一种即插即用的风光储一体化控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风光发电控制系统及方法，尤其涉及一种即插即用的风光发电控制系统及方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是影响国家安全的重要因素。传统的石化能源属于不可再生能源，面临着枯竭的危险，同时，由于燃烧石化燃料，给大气造成了重度污染。

为了解决能源供应这一重大问题，全世界的各个国家都加快了对新能源的开发。太阳能作为一种清洁能源，具有以下几个特点：第一，取之不尽；第二，易于获取，普遍存在；第三，清洁，无污染。

风电、太阳能等新能源的开发利用是解决传统石化能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类发展的理想替代能源。在国家一系列优惠政策的刺激下，我国光伏产业发展迅速，2012年年底我国光伏发电装机容量累计达到700万千瓦，2013年年底达到1716万千瓦，2014年达到了2805万千瓦。风电装机容量已达超过10000万千瓦。

其中，分布式发电由于直接在用户端安装，易于就地消纳，越来越受到市场的关注，截止2014年底分布式太阳能光伏发电装机容量已到500万千瓦，分布式风电也有一定的发展，达到几百万千瓦。但是，用户端安装过程带来的停电干扰给用户带来了不便；用电负荷峰谷差大，对电网的经济运行造成影响。有些用户没有电网，需要独立运行，单独配置储能所带来的成本问题，给分布式光伏发电、风电控制器的推广造成障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种即插即用的风光储一体化控制系统，该系统可对分布式光电和风电进行转化供电网和本地负载使用，并且既可以并网运行，又可以独立运行，做到即插即用；并网运行时，可在夜晚低电价时进行充电，在白天高电价时进行放电，利用电网电价的峰谷差提高经济性。

本发明的另一目的在于提供一种即插即用的风光储一体化控制方法，该方法可基于上述系统达到上述效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种即插即用的风光储一体化控制系统，用于与太阳能光伏电池板和风电机组连接，以对光电和风电进行转化供电网和本地负载使用；其中，所述控制系统包括控制单元，逆变单元，储能单元，整流单元，并网开关，直流电压检测装置，交流电流检测装置和交流电压检测装置，其中：

所述逆变单元的直流输入端用于与所述太阳能光伏电池板的输出端连接，所述逆变单元的交流输出端与所述并网开关的一端连接，该并网开关的一端还用于连接本地负载，所述并网开关的另一端具有与电源插座适配的插头，以用于与所述电网连接，所述逆变单元的控制端与所述控制单元的逆变单元PWM信号输出端连接；

所述储能单元的直流端与所述逆变单元的直流输入端连接，所述储能单元的控制端与所述控制单元的储能单元控制信号输出端连接；

所述整流单元的直流输出端与所述逆变单元的直流输入端连接，所述整流单元的交流输入端用于与所述风电机组的交流输出端连接；

所述直流电压检测装置，其与逆变单元的直流母线连接，以检测逆变单元的直流电压U_DC，所述直流电压检测装置还与控制单元的直流信号输入端连接；

所述交流电流检测装置串接于所述逆变单元和并网开关之间，以检测逆变单元输出的交流电流i_s，所述交流电流检测装置还与控制单元的交流电流信号输入端连接；

所述交流电压检测装置与逆变单元的交流输出端连接，以检测逆变单元输出的交流电压u_s，所述交流电压检测装置还与控制单元的交流电压信号输入端连接；

所述控制单元包括第一比例积分控制器和第二比例积分控制器；所述控制单元根据下述模型获得逆变单元无功功率控制量u_q和逆变单元有功功率控制量u_d：

u_q＝k_p1*(Q_ref-Q_S)+k_i1*∫(Q_ref-Q_S)dt

u_d＝k_p2*(P_ref-P_S)+k_i2*∫(P_ref-P_S)dt

式中，k_p1为第一比例积分控制器的比例系数；k_i1为第一比例积分控制器的积分系数；Q_ref为通过第一下垂控制Q_ref＝k_q*(U_N-U_S)得到的无功功率给定值，其中k_q为第一下垂控制系数，U_N为设定的交流电压额定值，U_s是由接收自交流电压检测装置的交流电压u_s得到的交流电压幅值；Q_S表示所述控制系统输出的无功功率，其中I_s是由接收自交流电流检测装置的交流电流i_s得到的交流电流幅值，表示交流电压与交流电流的夹角；k_p2为第二比例积分控制器的比例系数，k_i2为第二比例积分控制器的积分系数；P_ref为通过第二下垂控制P_ref＝k_f*(f_N-f_S)得到的有功功率给定值，其中k_f为第二下垂控制系数，f_N为设定的频率额定值，f_S为由交流电压u_s得到的频率；P_S表示所述控制系统输出的有功功率，

所述控制单元通过下述模型合成与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c：

$PWM\mathrm{\α}=\frac{U_{out}}{U_{DC}}*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{f_{out}}t\right)$

其中

U_out为交流电压幅值控制量，U_out＝U_N-u_q

f_out为频率控制量，f_out＝f_N-u_d

控制单元通过其逆变单元PWM信号输出端将与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c传输给逆变单元的控制端，以控制逆变单元的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；

所述控制单元的并网开关控制输出端还与所述并网开关的控制端连接，所述控制单元还通过其电网电压信号输入端获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制所述并网开关的通断，当电网电压正常时，并网开关导通，控制系统处于并网运行模式，当电网电压故障时，并网开关关断，控制系统处于独立运行模式；所述控制单元通过其储能单元控制信号输出端将储能单元控制信号传输给储能单元的控制端，以对储能单元进行充电或放电控制；在并网运行模式下，低电价时(例如夜晚时段)对储能单元进行充电控制，高电价时(例如白天时段)对储能单元进行放电控制；在独立运行模式下，光电和风电大于本地负荷(即多余)时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷(即不足)时对储能单元进行放电控制。

本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统，通过对电网电压信号是否正常的判断自动切换并网运行模式和独立运行模式，同时，自动量测输出的电压与频率，根据电网电压与频率的反馈，通过下垂控制，主动调节有功功率不平衡引起的频率偏差，主动调节无功功率不平衡引起的电压偏差，因此控制系统可通过并网开关的与电源插座适配的插头直接插入电源插座，具有即插即用的功能；在并网运行模式下，光电、风电、储能以及电网均可为本地负载提供电能，还可通过夜晚低电价时对储能单元进行充电控制，将储能充满电，白天高电价时对储能单元进行放电控制，储能售电给电网，利用电网电价的峰谷差提高经济性，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_S-P_PV-P_W，其中，P_ESS为储能单元输出功率，P_PV为太阳能光伏电池板的输出功率，P_W为风电机组的输出功率，P_ESS为负值时，储能单元吸收功率，其状态为充电，反之为放电，所述夜晚低电价和白天高电价时间段可由控制系统通过获取外部时钟实现自动判断；在独立运行模式下，光电、风电以及储能均可为本地负载提供电能，还可通过光电和风电大于本地负荷(即多余)时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷(即不足)时对储能单元进行放电控制，为本地负载提供稳定电能，当储能单元输出功率满足P_ESS＝P_l-P_PV-P_W时，其中，P_l为本地负载功率，其状态为放电；反之为充电，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_PV+P_W-P_l；所述光电和风电大于本地负荷(即多余)是指太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W之和大于本地负载功率P_l，所述光电和风电小于本地负荷(即不足)是指太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W之和小于本地负载功率P_l；所述太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W可由控制系统从太阳能光伏电池板和风电机组的功率数据端口获得，本地负载功率P_l可由控制系统根据逆变单元输出的交流电流i_s交流电压u_s计算得到。本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统将光电、风电与储能进行一体化设计，优化了整个系统、大大降低了成本。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述第一下垂控制系数k_q的范围取1<k_q<10，所述第二下垂控制系数k_f的范围取1<k_f<10。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述第一下垂控制系数满足下式

其中k_q0为第一下垂控制系数预设初值，1<k_q0<10。

上述方案中，为了控制效果最佳，所述第一下垂控制采取自适应控制，第一下垂控制系数k_q随交流电压幅值U_s的变化而变化。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述第二下垂控制系数满足下式

其中k_f0为第二下垂控制系数预设初值，1<k_f0<10。

上述方案中，为了控制效果最佳，所述第二下垂控制采取自适应控制，第二下垂控制系数k_f随频率f_S的变化而变化。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述控制单元为数字信号处理器。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述交流电压检测装置包括交流电压互感器。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述交流电流检测装置包括交流电流传感器。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述第一比例积分控制器的比例系数k_p1的范围取0＜k_p1＜100，第一比例积分控制的积分系数k_i1的范围取0＜k_i1＜10。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述第二比例积分控制器的比例系数k_p2的范围取0＜k_p2＜100，第二比例积分控制的积分系数k_i2的范围取0＜k_i2＜10。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统中，所述逆变单元包括与交流三相连接的三相逆变结构与公共直流母线电容，其中每相逆变结构均包括：第一IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、第二IGBT，其中所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极，所述第一IGBT的集电极通过所述公共直流母线电容与所述第二IGBT的发射极连接，作为逆变单元的控制端的所述第一IGBT和第二IGBT的控制端，其与对应相逆变单元PWM信号对应的控制单元的逆变单元PWM信号输出端相连，其中所述第一IGBT和第二IGBT的控制端的信号相反，第二IGBT的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线电容两端为逆变单元的直流输入端，其电压为逆变单元的直流电压U_DC。

上述方案中，由于第一IGBT的控制端和第二IGBT的控制端信号相反，控制单元的逆变单元PWM信号输出端输出的逆变单元PWM信号可经外部反相器或者由控制单元内部生成相反的逆变单元PWM信号，然后将逆变单元PWM信号和相反的逆变单元PWM信号对应输入第一IGBT的控制端和第二IGBT的控制端。

相应地，本发明还提供了一种即插即用的风光储一体化控制方法，其包括步骤：

将太阳能光伏电池板的输出端和连接有风电机组的整流单元的直流输出端连接到逆变单元的直流输入端，逆变单元的交流输出端连接到本地负载，同时通过并网开关连接到电网；将储能单元的直流端连接到逆变单元的直流输入端；

测量逆变单元输出的交流电压u_s、交流电流i_s，并由此得到交流电压幅值U_s、交流电流幅值I_s、交流电压与交流电流的夹角频率f_S，并进一步得到控制系统输出的无功功率Q_S，其中以及控制系统输出的有功功率P_S，其中

通过第一下垂控制Q_ref＝k_q*(U_N-U_S)得到无功功率给定值Q_ref，其中k_q为第一下垂控制系数，U_N为设定的交流电压额定值，将无功功率给定值Q_ref和控制系统输出的无功功率Q_S之差进行第一比例积分控制得到逆变单元无功功率控制量u_q，其计算公式为：

u_q＝k_p1*(Q_ref-Q_S)+k_i1*∫(Q_ref-Q_S)dt，其中k_p1为第一比例积分控制的比例系数，k_i1为第一比例积分控制的积分系数；

通过第二下垂控制P_ref＝k_f*(f_N-f_S)得到有功功率给定值P_ref，其中k_f为第二下垂控制系数，f_N为设定的频率额定值，将有功功率给定值P_ref和控制系统输出的有功功率P_S之差进行第二比例积分控制得到逆变单元有功功率控制量u_d，其计算公式为

u_d＝k_p2*(P_ref-P_S)+k_i2*∫(P_ref-P_S)dt，其中k_p2为第二比例积分控制的比例系数，k_i2为第二比例积分控制的积分系数；

测量逆变单元的直流电压U_DC，将逆变单元无功功率控制量u_q和逆变单元有功功率控制量u_d通过下式计算得到与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c：

$PWM\mathrm{\&alpha;}=\frac{U_{out}}{U_{DC}}*\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{f_{out}}t\right)$

其中

U_out为交流电压幅值控制量，U_out＝U_N-u_q

f_out为频率控制量，f_out＝f_N-u_d，

并将其传输给所述逆变单元的控制端，以控制逆变单元的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；

获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制所述并网开关的通断，当电网电压正常时，导通并网开关，进入并网运行模式，当电网电压故障时，关断并网开关，进入独立运行模式；在并网运行模式下，夜晚低电价时对储能单元进行充电控制，白天高电价时对储能单元进行放电控制；在独立运行模式下，光电和风电大于本地负荷(即多余)时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷(即不足)时对储能单元进行放电控制。

本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法，通过对电网电压信号是否正常的判断自动切换并网运行模式和独立运行模式，同时，自动量测输出的电压与频率，根据电网电压与频率的反馈，通过下垂控制，主动调节有功功率不平衡引起的频率偏差，主动调节无功功率不平衡引起的电压偏差，实现即插即用；在并网运行模式下，光电、风电、储能以及电网均可为本地负载提供电能，还可通过夜晚低电价时对储能单元进行充电控制，将储能充满电，白天高电价时对储能单元进行放电控制，储能售电给电网，利用电网电价的峰谷差提高经济性，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_S-P_PV-P_W，其中，P_ESS为储能单元输出功率，P_PV为太阳能光伏电池板的输出功率，P_W为风电机组的输出功率，P_ESS为负值时，储能单元吸收功率，其状态为充电，反之为放电，所述夜晚低电价和白天高电价时间段可通过获取外部时钟实现自动判断；在独立运行模式下，光电、风电以及储能均可为本地负载提供电能，还可通过光电和风电大于本地负荷(即多余)时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷(即不足)时对储能单元进行放电控制，为本地负载提供稳定电能，当储能单元输出功率满足P_ESS＝P_l-P_PV-P_W时，其中，P_l为本地负载功率，其状态为放电；反之为充电，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_PV+P_W-P_l；所述光电和风电大于本地负荷(即多余)是指太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W之和大于本地负载功率P_l，所述光电和风电小于本地负荷(即不足)是指太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W之和小于本地负载功率P_l；所述太阳能光伏电池板的输出功率P_PV和风电机组的输出功率P_W可从太阳能光伏电池板和风电机组的功率数据端口获得，本地负载功率P_l可由逆变单元输出的交流电流i_s交流电压u_s计算得到。本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法将光电、风电与储能进行一体化设计，可以大大降低成本。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述第一下垂控制系数k_q的范围取1<k_q<10，所述第二下垂控制系数k_f的范围取1<k_f<10。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述第一下垂控制系数满足下式

其中k_q0为第一下垂控制系数预设初值，1<k_q0<10。

上述方案中，为了控制效果最佳，所述第一下垂控制采取自适应控制，第一下垂控制系数k_q随交流电压幅值U_s的变化而变化。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述第二下垂控制系数满足下式

其中k_f0为第二下垂控制系数预设初值，1<k_f0<10。

上述方案中，为了控制效果最佳，所述第二下垂控制采取自适应控制，第二下垂控制系数k_f随频率f_S的变化而变化。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述第一比例积分控制的比例系数k_p1的范围取0＜k_p1＜100，第一比例积分控制的积分系数k_i1的范围取0＜k_i1＜10。

优选地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述第二比例积分控制的比例系数k_p2的范围取0＜k_p2＜100，第二比例积分控制的积分系数k_i2的范围取0＜k_i2＜10。

进一步地，本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法中，所述逆变单元包括与交流三相连接的三相逆变结构与公共直流母线电容，其中每相逆变结构均包括：第一IGBT、第二IGBT以及公共直流母线直流电容，其中所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极，所述第一IGBT的集电极通过所述直流电容与所述第二IGBT的发射极连接，作为逆变单元的控制端的所述第一IGBT和第二IGBT的控制端，其与对应相逆变单元PWM信号对应的控制单元的逆变单元PWM信号输出端相连，其中所述第一IGBT和第二IGBT的控制端的信号相反，第二IGBT的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线两端为逆变单元的直流输入端，其电压为逆变单元的直流电压U_DC。

本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)自动切换并网运行模式和独立运行模式，主动调节频率偏差和电压偏差，实现即插即用；

2)利用电网电价的峰谷差提高经济性；

3)光电、风电与储能进行一体化设计，大大降低成本；

本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法同样具有上述效果。

附图说明

图1为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的结构示意图。

图2为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的逆变单元的拓扑图。

图3为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法在一种实施方式下的控制原理图。

图4为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的第一下垂控制特性图。

图5为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的第二下垂控制特性图。

图6为本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的储能单元控制流程图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统及方法做进一步的解释和说明。

图1示意了本发明所述的即插即用的风光储一体化控制系统在一种实施方式下的结构。如图1所示，本实施例中，太阳能光伏电池板PV将太阳能转化为电能并经本实施例的即插即用的风光储一体化控制系统1转化供电网和本地负载使用；风电机组10将风能转化为电能并经本实施例的即插即用的风光储一体化控制系统1转化供电网和本地负载使用；本实施例的即插即用的风光储一体化控制系统1包括：逆变单元2，其交流输出端与并网开关7的一端相连，该并网开关7的一端还连接本地负载，逆变单元2的直流输入端与太阳能光伏电池板PV的输出端相连，逆变单元2的控制端与控制单元6的逆变单元PWM信号输出端连接；储能单元8，其直流端与逆变单元2的直流输入端连接，储能单元8的控制端与控制单元6的储能单元控制信号输出端连接；整流单元9，其直流输出端与逆变单元2的直流输入端连接，整流单元9的交流输入端与风电机组10的交流输出端连接；并网开关7其另一端设有插头，该插头可以插入标准家庭电源插座中，从而实现并网开关7与电网的连接；直流电压传感器5，其与逆变单元2的直流电容连接，以检测逆变单元2的直流电容两端的直流电压U_DC；交流电流传感器4，其串接于逆变单元2和并网开关7之间，以检测逆变单元2输出的交流电流i_s；交流电压互感器3，其与逆变单元2的交流输出端连接，以检测逆变单元2输出的交流电压u_s；控制单元6为数字信号处理器，其包括第一比例积分控制器PI1和第二比例积分控制器PI2，控制单元6分别与直流电压传感器5、交流电流传感器4和交流电压互感器3连接，接收其检测得到的直流电压U_DC、交流电压u_s以及交流电流i_s；控制单元6的逆变单元PWM信号输出端还与逆变单元2相应的控制端连接，对逆变单元2进行控制；控制单元6的储能单元控制信号输出端还与储能单元8的控制端连接，对储能单元8进行充电和放电控制；控制单元6还与并网开关7的控制端连接以控制其通断；控制单元6还通过其电网电压信号输入端获取电网电压信号；控制方法见下述方法实施例，该方法实施例是基于本系统实施例实现的。

图2显示了本实施例的逆变单元2的三相逆变结构与公共直流母线电容C。其中每相逆变结构均包括：第一IGBTT1、第二IGBTT2，其中第一IGBTT1的发射极连接第二IGBTT2的集电极，第一IGBTT1的集电极通过公共直流母线电容C与第二IGBTT2的发射极连接，作为逆变单元的控制端的第一IGBTT1和第二IGBTT2的控制端，其分别与逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c和由控制单元内部生成的相反的逆变单元PWM信号 中对应相的信号所对应的控制单元的逆变单元PWM信号输出端相连，第二IGBT的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线电容C两端为逆变单元的直流输入端，其电压为逆变单元的直流电压U_DC。

图3给出了本发明所述的即插即用的风光储一体化控制方法在一种实施方式下的控制原理，本方法实施例基于上述系统实施例实现；图4为本实施例的第一下垂控制特性图；图5为本实施例的第二下垂控制特性图；图6为本实施例的储能单元控制流程图。

结合参考图1-6，本实施例工作时：

首先，控制单元6进行初始化，包括设定交流电压额定值U_N、频率额定值f_N、第一下垂控制系数预设初值k_q0(0～10)、第二下垂控制系数预设初值k_f0(0～10)、第一比例积分控制器PI1的比例系数k_p1(1～100)、第一比例积分控制器PI1的积分系数k_i1(0～10)、第二比例积分控制器PI2的比例系数k_p2(1～100)以及第二比例积分控制器PI2的积分系数k_i2(0～10)。

之后，控制单元6通过交流电压互感器3、交流电流传感器4以及直流电压传感器5测量获得交流电压u_s、交流电流i_s和直流电压U_DC；从交流电压u_s和交流电流i_s得到交流电压的幅值U_s、交流电流幅值I_s、交流电压与交流电流的夹角以及频率f_S，并进一步得到控制系统输出的无功功率Q_S，其计算公式为以及控制系统输出的有功功率P_S，其计算公式为

控制单元6通过符合图4的第一下垂控制特性的第一下垂控制Q_ref＝k_q*(U_N-U_S)得到无功功率给定值Q_ref，其中k_q为第一下垂控制系数，通过第一比例积分控制器PI1将无功功率给定值Q_ref和控制系统输出的无功功率Q_S之差进行第一比例积分控制得到逆变单元无功功率控制量u_q，其计算公式为

u_q＝k_p1*(Q_ref-Q_S)+k_i1*∫(Q_ref-Q_S)dt；

控制单元6通过符合图5的第二下垂控制特性的第二下垂控制P_ref＝k_f*(f_N-f_S)得到有功功率给定值P_ref，其中k_f为第二下垂控制系数，通过第二比例积分控制器PI2将有功功率给定值P_ref和控制系统输出的有功功率P_S之差进行第二比例积分控制得到逆变单元有功功率控制量u_d，其计算公式为

u_d＝k_p2*(P_ref-P_S)+k_i2*∫(P_ref-P_S)dt；

控制单元6将逆变单元无功功率控制量u_q和逆变单元有功功率控制量u_d通过下式计算得到与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c：

$PWM\mathrm{\&alpha;}=\frac{U_{out}}{U_{DC}}*\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{f_{out}}t\right)$

其中

U_out为交流电压幅值控制量，U_out＝U_N-u_q

f_out为频率控制量，f_out＝f_N-u_d，

同时对其进行取反得到相反的逆变单元PWM信号该信号通过逆变单元2相应的控制端控制逆变单元2的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；

控制单元6获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制并网开关7的通断，当电网电压正常时，导通并网开关7，进入并网运行模式，当电网电压故障时，关断并网开关7，进入独立运行模式；本实施例的控制单元6采用如图6的储能单元控制流程，在并网运行模式下，夜晚低电价时对储能单元8进行充电控制，白天高电价时对储能单元8进行放电控制，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_S-P_PV-P_W，其中，P_ESS为储能单元输出功率，P_PV为太阳能光伏电池板的输出功率，P_W为风电机组的输出功率，P_ESS为负值时，储能单元吸收功率，其状态为充电，反之为放电；在独立运行模式下，对储能单元8进行放电控制，为本地负载提供稳定功率输出，此时储能单元输出功率满足P_ESS＝P_l-P_PV-P_W，其中，P_l为本地负载功率，P_ESS为正值。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种即插即用的风光储一体化控制系统，其用于与太阳能光伏电池板和风电机组连接，以对光电和风电进行转化供电网和本地负载使用；其特征在于，所述控制系统包括控制单元，逆变单元，储能单元，整流单元，并网开关，直流电压检测装置，交流电流检测装置和交流电压检测装置，其中：

所述逆变单元的直流输入端用于与所述太阳能光伏电池板的输出端连接，所述逆变单元的交流输出端与所述并网开关的一端连接，该并网开关的一端还用于连接本地负载，所述并网开关的另一端具有与电源插座适配的插头，以用于与所述电网连接，所述逆变单元的控制端与所述控制单元的逆变单元PWM信号输出端连接；

所述储能单元的直流端与所述逆变单元的直流输入端连接，所述储能单元的控制端与所述控制单元的储能单元控制信号输出端连接；

所述整流单元的直流输出端与所述逆变单元的直流输入端连接，所述整流单元的交流输入端用于与所述风电机组的交流输出端连接；

所述直流电压检测装置，其与逆变单元的直流母线连接，以检测逆变单元的直流电压U_DC，所述直流电压检测装置还与控制单元的直流信号输入端连接；

所述交流电流检测装置串接于所述逆变单元和并网开关之间，以检测逆变单元输出的交流电流i_s，所述交流电流检测装置还与控制单元的交流电流信号输入端连接；

所述交流电压检测装置与逆变单元的交流输出端连接，以检测逆变单元输出的交流电压u_s，所述交流电压检测装置还与控制单元的交流电压信号输入端连接；

所述控制单元包括第一比例积分控制器和第二比例积分控制器；所述控制单元根据下述模型获得逆变单元无功功率控制量u_q和逆变单元有功功率控制量u_d：

u_q＝k_p1*(Q_ref-Q_S)+k_i1*∫(Q_ref-Q_S)dt

u_d＝k_p2*(P_ref-P_S)+k_i2*∫(P_ref-P_S)dt

式中，k_p1为第一比例积分控制器的比例系数；k_i1为第一比例积分控制器的积分系数；Q_ref为通过第一下垂控制Q_ref＝K_q*(U_N-U_S)得到的无功功率给定值，其中k_q为第一下垂控制系数，U_N为设定的交流电压额定值，U_s是由接收自交流电压检测装置的交流电压u_s得到的交流电压幅值；Q_S表示所述控制系统输出的无功功率，其中I_s是由接收自交流电流检测装置的交流电流i_s得到的交流电流幅值，表示交流电压与交流电流的夹角；k_p2为第二比例积分控制器的比例系数，k_i2为第二比例积分控制器的积分系数；P_ref为通过第二下垂控制P_ref＝k_f*(f_N-f_S)得到的有功功率给定值，其中k_f为第二下垂控制系数，f_N为设定的频率额定值，f_S为由交流电压u_s得到的频率；P_S表示所述控制系统输出的有功功率，

所述控制单元通过下述模型合成与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c：

$PWMa=\frac{U_{out}}{U_{DC}}*\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{f_{out}}t\right)$

其中

U_out为交流电压幅值控制量，U_out＝U_N-u_q

f_out为频率控制量，f_out＝f_N-u_d

控制单元通过其逆变单元PWM信号输出端将与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c传输给逆变单元的控制端，以控制逆变单元的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；

所述控制单元的并网开关控制输出端还与所述并网开关的控制端连接，所述控制单元还通过其电网电压信号输入端获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制所述并网开关的通断，当电网电压正常时，并网开关导通，控制系统处于并网运行模式，当电网电压故障时，并网开关关断，控制系统处于独立运行模式；所述控制单元通过其储能单元控制信号输出端将储能单元控制信号传输给储能单元的控制端，以对储能单元进行充电或放电控制；在并网运行模式下，低电价时对储能单元进行充电控制，高电价时对储能单元进行放电控制；在独立运行模式下，光电和风电大于本地负荷时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷时对储能单元进行放电控制。

2.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述第一下垂控制系数k_q的范围取1<k_q<10，所述第二下垂控制系数k_f的范围取1<k_f<10。

3.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述第一下垂控制系数满足下式

其中k_q0为第一下垂控制系数预设初值，1<k_q0<10。

4.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述第二下垂控制系数满足下式

其中k_f0为第二下垂控制系数预设初值，1<k_f0<10。

5.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述控制单元为数字信号处理器。

6.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。

7.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述交流电压检测装置包括交流电压互感器。

8.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述交流电流检测装置包括交流电流传感器。

9.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述第一比例积分控制器的比例系数k_p1的范围取0＜k_p1＜100，第一比例积分控制器的积分系数k_i1的范围取0＜k_i1＜10。

10.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述第二比例积分控制器的比例系数k_p2的范围取0＜k_p2＜100，第二比例积分控制器的积分系数k_i2的范围取0＜k_i2＜10。

11.如权利要求1所述的即插即用的风光储一体化控制系统，其特征在于，所述逆变单元包括与交流三相相连的三相逆变结构与公共直流母线电容，其中每相逆变结构均包括：第一IGBT、第二IGBT，其中所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极，所述第一IGBT的集电极通过所述公共直流母线电容与所述第二IGBT的发射极连接，作为逆变单元的控制端的所述第一IGBT和第二IGBT的控制端，其与对应相逆变单元PWM信号对应的控制单元的逆变单元PWM信号输出端相连，其中所述第一IGBT和第二IGBT的控制端的信号相反，第二IGBT的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线电容两端为逆变单元的直流输入端，其电压为逆变单元的直流电压U_DC。

12.一种即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，包括步骤：

将太阳能光伏电池板的输出端和连接有风电机组的整流单元的直流输出端连接到逆变单元的直流输入端，逆变单元的交流输出端连接到本地负载，同时通过并网开关连接到电网；将储能单元的直流端连接到逆变单元的直流输入端；

测量逆变单元输出的交流电压u_s、交流电流i_s，并由此得到交流电压幅值U_s、交流电流幅值I_s、交流电压与交流电流的夹角频率f_S，并进一步得到控制系统输出的无功功率Q_S，其中以及控制系统输出的有功功率P_S，其中

通过第一下垂控制Q_ref＝k_q*(U_N-U_S)得到无功功率给定值Q_ref，其中k_q为第一下垂控制系数，U_N为设定的交流电压额定值，将无功功率给定值Q_ref和控制系统输出的无功功率Q_S之差进行第一比例积分控制得到逆变单元无功功率控制量u_q，其计算公式为：

u_q＝k_p1*(Q_ref-Q_S)+k_i1*∫(Q_ref-Q_S)dt，其中k_p1为第一比例积分控制的比例系数，k_i1为第一比例积分控制的积分系数；

通过第二下垂控制P_ref＝k_f*(f_N-f_S)得到有功功率给定值P_ref，其中k_f为第二下垂控制系数，f_N为设定的频率额定值，将有功功率给定值P_ref和控制系统输出的有功功率P_S之差进行第二比例积分控制得到逆变单元有功功率控制量u_d，其计算公式为

u_d＝k_p2*(P_ref-P_S)+k_i2*∫(P_ref-P_S)dt，其中k_p2为第二比例积分控制的比例系数，k_i2为第二比例积分控制的积分系数；

测量逆变单元的直流电压U_DC，将逆变单元无功功率控制量u_q和逆变单元有功功率控制量u_d通过下式计算得到与交流三相分别对应的逆变单元PWM信号PWM_a、PWM_b、PWM_c：

$PWMa=\frac{U_{out}}{U_{DC}}*\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{f_{out}}t\right)$

其中

U_out为交流电压幅值控制量，U_out＝U_N-u_q

f_out为频率控制量，f_out＝f_N-u_d，

并将其传输给所述逆变单元的控制端，以控制逆变单元的输出电压和频率，消除无功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；

获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制所述并网开关的通断，当电网电压正常时，导通并网开关，进入并网运行模式，当电网电压故障时，关断并网开关，进入独立运行模式；在并网运行模式下，低电价时对储能单元进行充电控制，高电价时对储能单元进行放电控制；在独立运行模式下，光电和风电大于本地负荷时对储能单元进行充电控制，光电和风电小于本地负荷时对储能单元进行放电控制。

13.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述第一下垂控制系数k_q的范围取1<k_q<10，所述第二下垂控制系数k_f的范围取1<k_f<10。

14.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述第一下垂控制系数满足下式

其中k_q0为第一下垂控制系数预设初值，1<k_q0<10。

15.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述第二下垂控制系数满足下式

其中k_f0为第二下垂控制系数预设初值，1<k_f0<10。

16.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述第一比例积分控制的比例系数k_p1的范围取0＜k_p1＜100，第一比例积分控制的积分系数k_i1的范围取0＜k_i1＜10。

17.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述第二比例积分控制的比例系数k_p2的范围取0＜k_p2＜100，第二比例积分控制的积分系数k_i2的范围取0＜k_i2＜10。

18.如权利要求12所述的即插即用的风光储一体化控制方法，其特征在于，所述逆变单元包括与交流三相相连的三相逆变结构与公共直流母线电容，其中每相逆变结构均包括：第一IGBT、第二IGBT，其中所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极，所述第一IGBT的集电极通过所述公共直流母线电容与所述第二IGBT的发射极连接，作为逆变单元的控制端的所述第一IGBT和第二IGBT的控制端，其与对应相逆变单元PWM信号对应的控制单元的逆变单元PWM信号输出端相连，其中所述第一IGBT和第二IGBT的控制端的信号相反，第二IGBT的集电极为逆变单元的交流输出端，所述公共直流母线电容两端为逆变单元的直流输入端，其电压为逆变单元的直流电压U_DC。