CN105356576A - 一种并网型光伏直流微电网系统及其运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并网型光伏直流微电网系统及其运行控制方法，微电网系统包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、市电电网侧、能量管理单元和负载，光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线、储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，市电电网侧通过双向AC/DC变换器连接于直流母线，负载连接于直流母线；该运行控制方法充分协调市电电网侧、光伏发电单元、储能单元与电容器四个电源的供电顺序与逻辑，保证供电的可靠性与较高的经济效益。

Description

一种并网型光伏直流微电网系统及其运行控制方法
技术领域
本发明涉及电力电网领域，尤其涉及一种并网型光伏直流微电网系统及其运行控制方法。
背景技术
随着国民经济的快速增长，电力需求飞快增长，很长一段时间以来电力生产部门都主要以建设大型的发电厂、超高压远距离输电线路作为解决方案，但是其投资大、建设周期长、环境污染等弊端也日益凸显。另一方面近年来国内外几次大规模停电的事故也让人们意识到集中式供电系统的脆弱性。分布式发电技术(distributedgeneration,DG)正是在这种情况下应运而生。
分布式发电技术(DG)具有灵活、小型、分散、靠近用户侧等特点，可以有效地提高用户用电可靠性和减少输电线路损耗。但是分布式发电技术有电压不稳、功率波动大等弊端，会对居民用电、上级电网的安全和调峰产生严重的影响。微电网技术很好地解决了分布式发电技术弊端。微电网是指将微型电源、负荷和储能装置结合在一起的电网形式，它作为一个独立灵活的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行。
目前，微电网可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网本质上仍属于交流微电网。交流微电网是微电网的主要形式，但是交流微电网具有电能转换环节多、网损大、电网运行控制复杂的不足之处。直流微电网采用直流配电形式，通过直流母线将各种分布式电源加以协调控制，相比交流微电网而言，直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可靠性和可控性大大提高，适合分布式电压和负载接入。另一方面，家用电器中出现了越来越多的直流负荷，如直流照明、直流空调、直流冰箱、直流电动汽车等等，这也为直流微电网推广提供了基础。
直流微电网运行方式主要有并网运行和孤岛运行。而孤岛运行方式是指微电网依靠内部的微电源和储能系统独立给内部负荷供电，与上级电网没有公共连接点，这种运行方式对于供电可靠性很高，所以需要大规模储能系统，而且其长期充放电会减少储能系统寿命，在储能系统经济性的情况下，孤岛运行的直流微电网还得不到广泛应用。并网运行又分为并网上网与并网不上网两种类型，并网不上网是指微网通过市电整流从大电网吸收功率，但是没有逆变环节向大电网输送功率，这种方式可以很好地保证微网中负载的用电可靠性以及微电网电能质量，但是由于不存在逆变器，光伏直流微电网多余的电能将会浪费，由于其经济性上的缺陷将极大地阻碍这种形式的直流微电网推广。并网上网型的直流微电网既可以将市电整流至直流微电网中，又可以将直流微电网中多余的电能逆变至市电中，这种双向供电的方式既保证了供电可靠性又具有较好的经济性。
对于直流微电网的储能单元，以往的方案往往使用蓄电池。蓄电池和超级电容器的混合储能的供电方式在直流微电网中的应用目前还较少，且在现有的混合储能方案存在种种问题，诸如蓄电池充放电次数多，易影响寿命，超级电容器配置大成本高等等，有必要提出一种新式的混合储能方案，且目前，尚无完整的基于混合储能的家用式的并网型直流微电网系统的方案。
因此，有必要提出一种并网型直流微电网系统的方案，这将极大推动分布式光伏发电技术及其直流微电网技术的推广应用。
发明内容
本发明提供了一种并网型光伏直流微电网系统及其运行控制方法，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种并网型光伏直流微电网系统，它包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、市电电网侧、能量管理单元和负载，所述光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线、所述储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，所述市电电网侧通过双向AC/DC变换器连接于直流母线，所述负载连接于直流母线，所述能量管理单元包括主控模块和设于该微电网系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，所述运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元、储能单元、电容器和市电电网侧按照设定的供电逻辑运行并保持母线电压的稳定。
一实施例之中：所述负载包括直流负载，所述直流负载可直接连接于直流母线或通过第二单向DC/DC变换器间接连接于直流母线。
一实施例之中：所述负载包括交流负载，所述交流负载通过单向DC/AC变换器连接于直流母线。
一实施例之中：所述储能单元包括蓄电池。
一实施例之中：所述第一单向DC/DC变换器具有MPPT控制器。
一实施例之中：所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器采用AC/DC+DC/DC双级式拓扑结构，前级AC/DC采用三相半桥式结构，后级DC/DC采用双全桥结构。
一实施例之中：所述双向DC/DC变换器采用双向Buck-Boost半桥结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种并网型光伏直流微电网的运行控制方法，基于技术方案之一所述的一种并网型光伏直流微电网系统，首先设定直流母线对应的五个电压阈值Uhigh2、Uhigh1、Udcn、Ulow1、Ulow2，其中Uhigh2＞Uhigh1＞Udcn＞Ulow1＞Ulow2；该控制方法包括三种模式：
模式一，当光伏发电单元的输出功率等于负载功率，此时系统功率平衡，直流母线电压为Udcn，若光伏发电单元的输出功率出现波动或者负载功率变动以至于系统出现功率失衡，首先启动电容器放电以实现直流母线电压的稳定；
模式二：当光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率失衡时，此时光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率出现功率差额，直流母线电压升至Uhigh1或降至Ulow1，启动市电电网侧的双向AC/DC变换器，将直流母线上多余的电能回馈给市电电网侧或者由市电电网侧向直流母线补充负载的功率缺额；
模式三，当市电电网侧出现断电或者双向AC/DC变换器出现故障情况下，且光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率不匹配，此时直流母线电压会升至Uhigh2或降至Ulow2，此时启动第一双向DC/DC变换器，通过储能单元的输出功率平衡负载功率，稳定直流母线电压。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、所述并网型光伏直流微电网系统采用双向AC/DC变换器与市电电网侧连接，该双向AC/DC变换器不仅具有整流功能，还能将多余电回馈给市电电网。整个系统中，市电既是能量的“输送者”，又是能量的“接收者”。保证了微电网内部能量供应的稳定性和较高的电能质量，又能将微电网与市电电网互联，可以将多余的电能回馈给市电电网，增强了光伏直流微电网系统的经济性与绿色环保特性，而且可以作为智能电网中大规模应用的一种分布式能源组网的形式。
2、所述并网型光伏直流微电网系统内部采用直流母线供电形式，不同于传统微电网内部采用交流母线连接，需要逆变环节给直流负载供电，本发明电能变换环节少，整体转换效率高。同时在一定程度上促进直流家电行业、电动汽车、储能行业的发展与推广。
3、所述并网型光伏直流微电网系统中的储能单元、电容器与市电电网侧采用一种新式的供电逻辑与光伏发电单元配合，充分协调市电电网侧、光伏发电单元、储能单元与电容器四个电源的供电顺序与逻辑，保证供电的可靠性与较高的经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了本发明所述的一种并网型光伏直流微电网系统的系统示意图。
图2绘示了第一单向DC/DC变换器与光伏发电单元的电路连接图。
图3绘示了MPPT控制器的控制原理框图。
图4绘示了储能单元与第一双向DC/DC变换器的电路连接图。
图5绘示了市电电网侧与双向AC/DC变换器的电路连接图。
图6绘示了本发明所述的一种并网型光伏直流微电网的运行控制方法的控制模式示意图。
具体实施方式
请查阅图1至图5，一种并网型光伏直流微电网系统，它包括一直流母线10、光伏发电单元20、储能单元30、电容器40、市电电网侧50、能量管理单元和负载。
光伏发电单元20通过第一单向DC/DC变换器1连接于直流母线10、储能单元30和电容器40分别通过第一双向DC/DC变换器2和第二双向DC/DC变换器3连接于直流母线10，市电电网侧50通过双向AC/DC变换器4连接于直流母线10，负载连接于直流母线10。能量管理单元包括主控模块和设于该微电网系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元20、储能单元30、电容器40和市电电网侧50按照设定的供电逻辑运行并保持直流母线电压的稳定。本实施例中，各运行监控模块与主控模块之间通过RS485总线通信连接。
该负载包括直流负载61，与直流母线额定电压相适应的直流负载可直接连接于直流母线10，低压直流负载可通过第二单向DC/DC变换器5降压间接连接于直流母线10。本实施例中，该直流母线的额定电压为380V，与直流母线额定电压相适应的直流负载包括直流空调、直流充电桩。该低压直流负载包括直流冰箱、直流LED照明灯等等，根据需要可以供室内众多电子设备供电。
该负载还包括交流负载62，交流负载62通过单向DC/AC变换器6连接于直流母线10。交流负载62可以是市面上常规的220V家用设备。
本实施例中，该储能单元30包括蓄电池。
该第一单向DC/DC变换器1具有MPPT控制器，带有MPPT输出模式和恒压输出模式，MPPT即最大功率点跟踪，在某一温度和辐照度下，光伏发电单元20存在一个最大功率点，时时跟踪这一最大功率点，可以获得最大的发电效率。本发明所用的MPPT算法是变步长电导增量法。输出恒压模式，使在市电电网侧50双向AC/DC变换器4处于故障情况下，而直流微电网系统中光伏发电单元20发出功率远大于负载，同时电容器40也已充满，直流母线电压上升到临界值时，为了保证直流微电网系统的稳定性，此时，不需要光伏发电单元工作在MPPT输出模式下，而是输出恒定电压以保证母线电压稳定。
该双向AC/DC变换器4采用AC/DC+DC/DC双级式拓扑结构，前级AC/DC采用三相半桥式结构，后级DC/DC采用双全桥结构。市电电网侧50采用LCL滤波加无源阻尼滤波结构，后级采用的双全桥结构可以实现功率的双向流动，同时加入软开关设计，用高频变压器使得市电电网侧50与直流微电网系统隔离，双向AC/DC变换器4具有基本的整流逆变功能，且在市电电网侧50断电的情况下，双向AC/DC变换器4还具有独立逆变功能，给直流微电网以外的重要负荷供电。
该第一双向DC/DC变换器2和第二双向DC/DC变换器3采用双向Buck-Boost半桥结构。
请查阅图6，一种并网型光伏直流微电网的运行控制方法，基于上述的一种并网型光伏直流微电网系统，首先设定直流母线对应的五个电压阈值Uhigh2、Uhigh1、Udcn、Ulow1、Ulow2，其中Uhigh2＞Uhigh1＞Udcn＞Ulow1＞Ulow2；该控制方法包括三种模式：
模式一，当光伏发电单元20的输出功率等于负载功率，此时系统功率平衡，直流母线电压为Udcn，若光伏发电单元20的输出功率出现波动或者负载功率变动以至于系统出现功率失衡，首先启动电容器40放电以实现直流母线电压的稳定；
模式二：当光伏发电单元20和电容器40的输出功率与负载功率失衡时，此时光伏发电单元20和电容器40的输出功率与负载功率出现功率差额，直流母线电压升至Uhigh1或降至Ulow1，启动市电电网侧50的双向AC/DC变换器4，将直流母线10上多余的电能回馈给市电电网侧50或者由市电电网侧50向直流母线10补充负载的功率缺额；
模式三，当市电电网侧50出现断电或者双向AC/DC变换器4出现故障情况下，且光伏发电单元20和电容器40的输出功率与负载功率不匹配，此时直流母线电压会升至Uhigh2或降至Ulow2，此时启动第一双向DC/DC变换器2，通过储能单元30的输出功率平衡负载功率，稳定直流母线电压。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、市电电网侧、能量管理单元和负载，所述光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线、所述储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，所述市电电网侧通过双向AC/DC变换器连接于直流母线，所述负载连接于直流母线，所述能量管理单元包括主控模块和设于该微电网系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，所述运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元、储能单元、电容器和市电电网侧按照设定的供电逻辑运行并保持母线电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述负载包括直流负载，所述直流负载可直接连接于直流母线或通过第二单向DC/DC变换器间接连接于直流母线。
3.根据权利要求2所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述负载包括交流负载，所述交流负载通过单向DC/AC变换器连接于直流母线。
4.根据权利要求1所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述储能单元包括蓄电池。
5.根据权利要求1所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述第一单向DC/DC变换器具有MPPT控制器。
6.根据权利要求1所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述双向AC/DC变换器采用AC/DC+DC/DC双级式拓扑结构，前级AC/DC采用三相半桥式结构，后级DC/DC采用双全桥结构。
7.根据权利要求1所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器采用双向Buck-Boost半桥结构。
8.一种并网型光伏直流微电网的运行控制方法，基于权利要求1至7中任一项所述的一种并网型光伏直流微电网系统，其特征在于：设定直流母线对应的五个电压阈值Uhigh2、Uhigh1、Udcn、Ulow1、Ulow2，其中Uhigh2＞Uhigh1＞Udcn＞Ulow1＞Ulow2；该控制方法包括三种模式：
模式一，当光伏发电单元的输出功率等于负载功率，此时系统功率平衡，直流母线电压为Udcn，若光伏发电单元的输出功率出现波动或者负载功率变动以至于系统出现功率失衡，首先启动电容器放电以实现直流母线电压的稳定；
模式二：当光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率失衡时，此时光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率出现功率差额，直流母线电压升至Uhigh1或降至Ulow1，启动市电电网侧的双向AC/DC变换器，将直流母线上多余的电能回馈给市电电网侧或者由市电电网侧向直流母线补充负载的功率缺额；
模式三，当市电电网侧出现断电或者双向AC/DC变换器出现故障情况下，且光伏发电单元和电容器的输出功率与负载功率不匹配，此时直流母线电压会升至Uhigh2或降至Ulow2，此时启动第一双向DC/DC变换器，通过储能单元的输出功率平衡负载功率，稳定直流母线电压。
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