CN105429177A - 一种模块化光伏储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化光伏储能系统，其中：储能电池单元的输出端与半桥模块的直流母线输入端相连，构成储能单元；多个储能单元交流输出侧串联后与连接电抗串联构成一相的半桥臂，两个半桥臂串联构成一相的整个桥臂，如此三个桥臂构成三相；三个桥臂的上端相连接，构成光伏储能系统的直流母线正端，三个桥臂的下端相连接，构成光伏储能系统的直流母线负端，三相上下两个桥臂的连接点即三个桥臂的三个中点引出构成光伏储能系统的交流端口；光伏组串的输出正负端分别与光伏储能系统的直流母线正负端相连以传递电压。本发明基于模块化多电平结构，具有交流、直流和电池三个端口，可同时连接光伏组件、储能电池和交流电网。

Description

一种模块化光伏储能系统

技术领域

本发明涉及一种新能源发电领域的光伏和储能一体化系统，具体地，涉及一种模块化光伏储能系统。

背景技术

作为一种清洁而又来源广泛的可再生能源，光伏发电技术正受到世界各国的普遍关注和青睐。同时，光伏发电本身波动性的特点，大规模接入电网给电网的稳定运行带来了一定的影响。将储能与光伏发电结合是平抑光伏波动性，解决其并网问题的有效手段。

目前光伏发电与储能结合有两种主要形式：

第一种是储能系统和光伏发电系统在交流侧连接。光伏发电系统中，光伏组件通过DC/DC变流器进行最大功率跟踪后，通过隔离DC/AC逆变器在交流侧并网，电池储能系统通过隔离双向DC/AC变流器在交流侧并网。光伏发电控制和储能功率控制在底层的功率转换控制上完全解耦。

第二种是储能系统接于光伏发电系统直流侧母线。光伏组件通过DC/DC变流器进行最大功率跟踪后接于直流母线，电池储能系统通过非隔离双向DC/DC变流器并联在光伏发电系统的直流母线上，直流母线再经隔离DC/AC双向变流器在交流侧并网。储能和光伏在底层的功率转换控制上需要协调。

新能源发电的效率直接关系到投资回报和辅助设备维护，受到广泛关注。而目前上述两种方式在效率和成本上均存在一定的不足。

在这两种方式中，光伏组件产生的电能经DC/DC变流器最大功率跟踪后，再经DC/AC变流器并网，电能经过两级变换后并网，每一级能量变换均不可避免存在效率损失。

在第一种方式中，储能系统的目前已经很少采用两级变换，多直接通过一级隔离DC/AC变流器并网，效率有一级变换的损失。从能量流来看，光伏发电电能经过两级变换后并网，储能能量经过一级变换后并网。效率较第二种方式优，但此方式中三相隔离储能变流器成本远高于第二种方式的非隔离DC/DC变流器。

第二种方式中，储能系统的电能无论是输出到电网还是从电网输入，需要经过两级变换才能实现，效率通常低于第一种方式。从能量流来看，光伏发电和储能系统均需经过两级变换后并网。

每一级能量变换在带来效率损失的同时还意味着硬件成本的增加。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种模块化光伏储能系统，该系统基于模块化多电平结构，具有交流、直流和电池三个端口，可以同时连接光伏组件、储能电池和交流电网。本发明利用模块化多电平变流器实现光伏的直流和交流的并网，利用其每个模块直流端进行储能，通过模块化多电平变流器的变电压运行实现对光伏的最大功率控制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化光伏储能系统，包括光伏组串、储能电池单元、半桥模块、连接电抗器；其中，储能电池单元的输出端与半桥模块的直流母线输入端相连以传递电压，如此构成储能单元；多个储能单元交流输出侧串联，串联后的输出端与连接电抗串联构成一相的半桥臂，两个半桥臂串联构成一相的整个桥臂，如此三个桥臂构成三相；三个桥臂的上端相连接，构成模块化光伏储能系统的直流母线正端，三个桥臂的下端相连接，构成光伏储能系统的直流母线负端，三相上下两个桥臂的连接点即三个桥臂的三个中点引出构成模块化光伏储能系统的交流端口；光伏组串的输出正负端分别与光伏储能系统的直流母线正负端相连以传递电压。

所述的光伏组串成由光伏组件串联和并联组合而成；所述串联和并联组合，可以是单纯的串联，也可以是先串联后并联，或者先并联后串联。

所述的储能电池单元是由可充电电池的串联和并联组合而成；所述串联和并联组合，可以是单纯的串联，也可以是先串联后并联，或者先并联后串联。

所述的半桥模块包括2个电力电子开关器件、1个直流电容、1个电阻和2个接触器。2个开关器件连接为典型的半桥结构，直流电容并联在半桥直流侧。电阻与第1个接触器串联构成支路后再与第2个接触器并联。并联后一端连接于半桥直流侧正端，另一端引出为半桥模块变流器的直流输入正端。半桥直流侧的负端引出为半桥模块变流器的直流输入负端。

所述的连接电抗器是能够同时通过直流成分也能通过交流成分的电感。

本发明可以通过增减半桥模块来实现对直流侧电压即光伏阵列两端电压的调节，使其接近最大功率点电压，实现最大功率点跟踪，提高光伏阵列的效率。同时对于接入半桥模块直流侧的储能电池的使用情况实现均衡，即根据每个半桥模块对应储能电池单元的SOC情况，调度未来一段时间内其接入时间。

本发明中可以利用控制系统直流母线电压来实现对光伏发电的最大功率跟踪。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明能量无论是从光伏组件到电网、光伏组件到储能电池还是储能电池与电网之间，均只需一次变换即可完成，提高了能量转换和新能源发电的效率。控制直流侧处于变电压运行状态，还可以同时实现光伏发电的最大功率跟踪；模块化设计便于维护和更换，结构的冗余功能提高了系统的可靠性；利用一个变流器实现了多重功能，节省了系统成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的模块化光伏储能系统的整体的结构图；

图2为本发明一实施例的半桥模块原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所提供的模块化光伏储能系统包括：光伏组串、6N个储能电池单元、6N个半桥模块、6个连接电抗器。图中半桥模块采用字母SM表示，下标第一个字母表示其所在相，字母后数字表示该半桥模块在该相中从上到下的位置。其中：

N个半桥模块(SM_a1-SM_aN)交流侧串联后下端与连接电抗器L_aup串联构成A相上桥臂，N个半桥模块(SM_aN+1-SM_a2N)交流侧串联后上端与连接电抗器L_adn串联构成A相下桥臂，A相上下桥臂通过连接电抗器L_aup和L_adn的另一端相连，连接点引出连接于电网A相。

同理，另外4N个半桥模块和4个连接电抗器L_bup、L_bdn、L_cup、L_cdn采用上述相同的方式相连，B相引出点连接于电网B相，C相引出点连接于电网C相。

A相上桥臂的上端、B相上桥臂的上端和C相上桥臂的上端三端相连接并引出为光伏储能系统的直流正端，A相下桥臂的下端、B相下桥臂的下端和C相下桥臂的下端三端相连接并引出为光伏储能系统的直流负端。

光伏组串的正负端分别与光伏储能系统的直流正负端相连。

如图2所示，半桥模块由电力电子开关S1、S2，直流电容C、电阻R和接触器K1、K2组成。开关S1的漏极和开关S2的源极相连形成一个串联支路，串联支路再与直流电容C并联。开关S1、S2的连接点和开关S2的漏极引出为半桥模块的交流输出端T1和T2。接触器K1与电阻R串联构成一个支路，该支路再与接触器K2并联。接触器K2的一端与开关S1的源极相连，接触器K2的另一端为半桥模块的直流侧正端T3，开关S2的漏极再引出一端为直流侧负端。

实施例

本实施例为交流380V并网光伏储能系统，光伏峰值功率10kW，储能电池单元额定电压48V，额定容量100AH。

如图1所示，本实施例的光伏储能系统包括一个光伏组串、192个储能电池单元、192个半桥模块(SMa1-SMa32，)和6个连接电抗器。

本实施例中，每32个半桥模块交流侧串联后再与一个连接电抗器串联构成一个半桥臂，构成附图1中的A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂共六个半桥臂。A相上桥臂和A相下桥臂的连接点引出连接电网A相，B相上桥臂和B相下桥臂的连接点引出连接电网B相，C相上桥臂和C相下桥臂的连接点引出连接电网C相。

本实施例中，A相上桥臂的上端、B相上桥臂的上端和C相上桥臂的上端三端相连接并引出为光伏储能系统的直流正端，A相下桥臂的下端、B相下桥臂的下端和C相下桥臂的下端三端相连接并引出为光伏储能系统的直流负端。

本实施例中，光伏组串峰值电压780VDC，由20个500W光伏组件串联而成。光伏组串正端与光伏储能系统的直流正端相连，光伏组串负端与光伏储能系统的直流负端相连。

本实施例中，储能电池单元额定电压48V，由15只容量100Ah的磷酸铁锂储能电池串联构成，192个储能电池单元正负端分别与192个半桥模块直流输入正负端相连。

本实施例中，半桥模块的2个电力电子开关S1、S2采用MOSFETIRF1312，其漏源电压80VDC，漏源电阻最大值10mΩ，最大持续电流95A；接触器K1和K2额定电压110VDC，容量100A；电阻R阻值10Ω，功率20W。开关S1的漏极和S2的源极相连形成一个串联支路，再与直流电容C并联。开关S1、S2的连接点和S2的漏极引出为半桥模块的交流输出端T1和T2。接触器K1与电阻R串联构成一个支路，再与接触器K2并联。接触器K2的一端与开关S1的源极相连，接触器K2的另一端为半桥模块的直流侧正端T3，S2的漏极再引出一端为直流侧负端。

本实施例中，六个连接电抗器L_aup、L_adn、L_bup、L_bdn、L_cup和L_cdn的电感量为4mH，额定电流100A。

光伏组串输出特性随温度与光照强度变化，因此需要直流侧电压不断变化以接近最大功率点电压。

工作过程如下：

1、在某一光照强度和温度状态下，通过控制每个半桥模块中两个开关S1，S2的开合，达到使得该半桥模块被旁路或使得该半桥模块串联接入直流母线的效果。其中，开关S1闭合，开关S2断开，该半桥模块串联接入；开关S1断开，开关S2闭合，该半桥模块旁路。通过控制上、下桥臂接入半桥模块的个数，满足并网条件的同时实现最大功率点跟踪。设上、下桥臂的半桥模块电压之和分别为u_Px、u_Nx，系统输出电压、电流为u_x、i_x，连接电抗器和交流电网共同的等效电阻和电感为Rs、Ls，交流电网电压为u_sx，直流侧电压、电流为U_dc、I_dc,有：

$u_{sx}=u_x+i_x{R}_s+L_s\frac{d\left(i_x\right)}{dt}$

$u_{sx}=\frac{1}{2}(u_{Nx}-u_{Px})-\frac{1}{2}{L}_x\·\frac{d\left(i_x\right)}{dt}$

由上式可知可通过控制交流接口处电压控制电网电流，即控制u_Nx-u_Px。

2、为了实现最大功率点跟踪控制，需要实时通过控制直流接口电压U_dc，使其近似于最大功率点电压，即控制u_Nx+u_Px。

3、利用u_Nx-u_Px和u_Nx+u_Px的约束条件，得到u_Px、u_Nx的具体数值，通过控制在每个开关周期内被强制旁路的半桥模块的导通时间，就可以对上、下桥臂的半桥模块电压之和u_Px、u_Nx进行调节。

4、通过最大功率跟踪算法确定光伏组串的最大功率点后，通过调节半桥模块接入直流电压侧的情况，控制直流侧电压值，进而使直流侧电压接近最大功率点电压。具体如下：将最大功率点电压除以储能电池单元电压，进行向下取整运算，得到的整数值即为直接接入每相桥臂的半桥模块数量，不足电压量通过PWM调制方式控制其余半桥模块得到。

在一定的光照强度下，若光伏组串的最大功率点电压为520VDC，由于每相64个半桥模块，一个工频周波内10个半桥模块接入直流侧，可得480VDC电压，与520VDC的差值40VDC电压通过对其余54个半桥模块中的一个或多个进行PWM调制控制得到，以使得直流侧电压达到520V。

5、为了均衡各个电池储能单元的电量，保持各个电池储能单元的SOC相等，采用如下控制方案，以A相为例说明如下：

第一个工频周波，半桥模块SM_a1到SM_a10直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a11的PWM调制控制得到；

第二个工频周波，半桥模块SM_a2到SM_a11直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a12的PWM调制控制得到；

第三个工频周波，半桥模块SM_a3到SM_a12直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a13的PWM调制控制得到；

……

第x个工频周波，半桥模块SM_ax到SM_ax+9直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_ax+10的PWM调制控制得到；

……

第54个工频周波，半桥模块SM_a54到SM_a63直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM₆₄的PWM调制控制得到；

第55个工频周波，半桥模块SM_a55到SM_a64直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a1的PWM调制控制得到；

第56个工频周波，半桥模块SM_a56到SM_a64和SM_a1直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a2的PWM调制控制得到；

……

第64个工频周波，半桥模块SM_a64和SM_a1到SM_a9直接接入得到直流电压480VDC，与最大功率点电压差值40VDC通过对半桥模块SM_a10的PWM调制控制得到；

如此循环反复。

B、C相控制与此相同。

由此可见，对于冗余的半桥模块，通过循环接入的方法实现对各个电池储能单元的均衡利用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种模块化光伏储能系统，其特征在于包括光伏组串、储能电池单元、半桥模块、连接电抗器；其中，储能电池单元的输出端与半桥模块的直流母线输入端相连以传递电压，如此构成储能单元；多个储能单元交流输出侧串联，串联后的输出端与连接电抗串联构成一相的半桥臂，两个半桥臂串联构成一相的整个桥臂，如此三个桥臂构成三相；三个桥臂的上端相连接，构成模块化光伏储能系统的直流母线正端，三个桥臂的下端相连接，构成光伏储能系统的直流母线负端，三相上下两个桥臂的连接点即三个桥臂的三个中点引出构成模块化光伏储能系统的交流端口；光伏组串的输出正负端分别与光伏储能系统的直流母线正负端相连以传递电压。

2.根据权利要求1所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：半桥模块由电力电子开关S1、S2，直流电容C、电阻R和接触器K1、K2组成，开关S1的漏极和开关S2的源极相连形成一个串联支路，串联支路再与直流电容C并联；开关S1、S2的连接点和开关S2的漏极引出为半桥模块的交流输出端T1和T2；接触器K1与电阻R串联构成一个支路，该支路再与接触器K2并联；接触器K2的一端与开关S1的源极相连，接触器K2的另一端为半桥模块的直流侧正端T3，开关S2的漏极再引出一端为直流侧负端。

3.根据权利要求2所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：该系统控制通过每个半桥模块，使相应半桥模块被旁路或者串联接入，达到控制上、下桥臂总电压，实现光伏最大功率点跟踪控制。

4.根据权利要求3所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：通过控制每个半桥模块中两个开关S1，S2的开合，使得该半桥模块被旁路或使得该半桥模块串联接入直流母线：其中，开关S1闭合，开关S2断开，该半桥模块串联接入；开关S1断开，开关S2闭合，该半桥模块旁路；通过控制上、下桥臂接入半桥模块的个数，满足并网条件的同时实现最大功率点跟踪。

5.根据权利要求1-4任一项所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：控制半桥模块接入直流侧的数量和PWM占空比，来控制直流侧电压值，实现最大功率点跟踪。

6.根据权利要求5所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：通过最大功率跟踪算法确定光伏组串的最大功率点后，通过调节半桥模块接入直流电压侧的情况，控制直流侧电压值，进而使直流侧电压接近最大功率点电压，具体为：将最大功率点电压除以储能电池单元电压，进行向下取整运算，得到的整数值即为直接接入每相桥臂的半桥模块数量，不足电压量通过PWM调制方式控制其余半桥模块得到。

7.根据权利要求1-4任一项所述的模块化光伏储能系统，其特征在于：对于冗余的半桥模块，通过循环接入的方法实现对各个电池储能单元的均衡利用。