CN105490306B - 一种光伏储能并网供电系统 - Google Patents

一种光伏储能并网供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光伏储能并网供电系统，其包括光伏组件、Boost升压电路、Buck‑Boost变换电路、蓄电池组、全桥逆变器电路、市电，所述光伏组件通过所述Boost升压电路提供稳定的直流母线；所述蓄电池组经Buck‑Boost变换电路挂接到直流母线上，完成蓄电池组的充放电控制；所述市电和负载经全桥逆变电路挂接在直流母线上，完成负载的供电控制。本发明可以工作在光伏供电、蓄电池充电运行；光伏供电、蓄电池充放电输出并网带载运行；以及蓄电池放电，并网带载运行；三种工况模式，采用适当的能量管理策略依据光伏组件输出功率、蓄电池SOC、负载情况合理切换系统工况，保证系统平稳运行。

Description

一种光伏储能并网供电系统
技术领域
本发明属于户用储能系统，具体涉及利用光伏阵列实现不向电网供电的供电控制系统。
背景技术
目前应用比较普遍的家庭式绿色能源系统一般是光伏发电系统，主要包括太阳能光伏板、控制器、蓄电池、并网逆变器。系统结构一般采用光伏阵列通过充电控接蓄电池，蓄电池接到逆变器，逆变器输出端并网。
此种结构所用机器过多，能量利用率偏低，工况简单，缺乏必要的有效的调度控制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏储能并网供电系统，其包括光伏组件1、Boost升压电路2、Buck-Boost变换电路3、蓄电池组4、全桥逆变器电路5、市电6，所述光伏组件1通过所述Boost升压电路2提供稳定的直流母线；所述蓄电池组4经Buck-Boost变换电路3挂接到直流母线上，完成蓄电池组4的充放电控制；所述市电6和负载7经全桥逆变电路5挂接在直流母线上，完成负载的供电控制；
其还包括
—Boost输出电压采样单元，用于采样所述Boost升压电路的输出母线的电压信号UBoost；
—充放电电压采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充放电电压信号UBuck；
—充电放电电流采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充电电流信号IBuck；
—逆变电流采样单元，用于采样全桥逆变电路的输出电流信号IINV；
—第一电压控制器，将母线电压指令值U*Boost1与所述Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第一PI控制器PI_1控制调节输出Iref1；
—第二电压控制器，将充放电电压指令值U*Buck与充放电电压采样电路的输出值UBuck取差值，经第二PI控制器PI_2控制调节输出Iref2；
—限幅控制单元，根据第一电压控制器输出值Iref1与第二电压控制器输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元的输出值I*Buck；
—充放电电流控制器，将限幅控制单元的输出值I*Buck与所述充电放电电流采样单元输出值IBuck取差值，经第三PI控制器PI_3控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动Buck-Boost变换电路；
—第四电压控制器，将母线电压指令值U*Boost2与Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第四PI控制器PI_4控制调节输出I*boost1；
—并网不送电控制器，将所述逆变电流采样单元输出值IINV与并网电路电流采样值电路输出值Igrid取差值，得到逆变电流限幅值I*boost2；
—电流限幅单元，限定第四电压控制器输出值I*boost1不超过并网不送电控制器输出值I*boost2，设置所述电流限幅单元的输出值I*boost；
—逆变电流控制器，将所述电流限幅单元的输出值I*boost与锁相环得到的正弦值相乘得到逆变电流指令值I*INV与所述逆变电流采样单元输出值IINV取差值，经第五PI控制器PI_5控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动全桥逆变器电路；
所述蓄电池组4通过双向Buck-Boost变换电路工作在Buck模式或者Boost模式，完成蓄电池组4的充电或放电控制；
当光伏能量高于负载功率时，蓄电池组4充电电压VBoost电压升高，超过蓄电池组4充电指令电压V*Boost1，此时所述全桥逆变电路5启动蓄电池组4充电功能；当光伏能量低于负载功率时，蓄电池组4充电指令电压VBoost电压下降，低于蓄电池组4的放电电压V*Boost2，此时所述全桥逆变电路5启动蓄电池组4的放电功能，保持直流母线电压不下降；当负载功率超过光伏能量与蓄电池组4的输出功率和时，全桥逆变电路5以最大功率输出，其余能量由电网输出。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的光伏储能并网供电系统具有以下效果：
可以使系统工作在：1)光伏供电、蓄电池充电运行；2)光伏供电、输出并网接负载运行；3)光伏供电、蓄电池充放电输出并网带载运行；4)蓄电池放电，并网带载运行。四种工况模式，采用适当的能量管理策略依据光伏组件输出功率、蓄电池组SOC、负载情况合理切换系统工况，保证系统平稳运行。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光伏储能并网供电系统电路示意图；
图2为本发明实施例提供的Boost升压电路拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的Buck-Boost变换电路等效电路图；
图4为本发明实施例提供的全桥逆变电路拓扑结构图；
图5图为本发明实施例提供的光伏储能并网供电系统电路控制逻辑框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种光伏储能并网供电系统，如图1所示，其包括光伏组件1、Boost升压电路2、Buck-Boost变换电路3、蓄电池组4、全桥逆变器电路5、市电6，所述光伏组件1通过所述Boost升压电路2提供稳定的直流母线；所述蓄电池组4经Buck-Boost变换电路3挂接到直流母线上，完成蓄电池组4的充放电控制；所述市电6和负载7经全桥逆变电路5挂接在直流母线上，完成负载的供电控制；
其还包括
—Boost输出电压采样单元，用于采样所述Boost升压电路的输出母线的电压信号UBoost；
—充放电电压采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充放电电压信号UBuck；
—充电放电电流采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充电电流信号IBuck；
—逆变电流采样单元，用于采样全桥逆变电路的输出电流信号IINV；
—第一电压控制器，将母线电压指令值U*Boost1与所述Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第一PI控制器PI_1控制调节输出Iref1；
—第二电压控制器，将充放电电压指令值U*Buck与充放电电压采样电路的输出值UBuck取差值，经第二PI控制器PI_2控制调节输出Iref2；
—限幅控制单元，根据第一电压控制器输出值Iref1与第二电压控制器输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元的输出值I*Buck；
—充放电电流控制器，将限幅控制单元的输出值I*Buck与所述充电放电电流采样单元输出值IBuck取差值，经第三PI控制器PI_3控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动Buck-Boost变换电路；
—第四电压控制器，将母线电压指令值U*Boost2与Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第四PI控制器PI_4控制调节输出I*boost1；
—并网不送电控制器，将所述逆变电流采样单元输出值IINV与并网电路电流采样值电路输出值Igrid取差值，得到逆变电流限幅值I*boost2；
—电流限幅单元，限定第四电压控制器输出值I*boost1不超过并网不送电控制器输出值I*boost2，设置所述电流限幅单元的输出值I*boost；
—逆变电流控制器，将所述电流限幅单元的输出值I*boost与锁相环得到的正弦值相乘得到逆变电流指令值I*INV与所述逆变电流采样单元输出值IINV取差值，经第五PI控制器PI_5控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动全桥逆变器电路；
所述蓄电池组4通过双向Buck-Boost变换电路工作在Buck模式或者Boost模式，完成蓄电池组4的充电或放电控制；
当光伏能量高于负载功率时，蓄电池组4充电电压VBoost电压升高，超过蓄电池组4充电指令电压V*Boost1，此时所述全桥逆变电路5启动蓄电池组4充电功能；当光伏能量低于负载功率时，蓄电池组4充电指令电压VBoost电压下降，低于蓄电池组4的放电电压V*Boost2，此时所述全桥逆变电路5启动蓄电池组4的放电功能，保持直流母线电压不下降；当负载功率超过光伏能量与蓄电池组4的输出功率和时，全桥逆变电路5以最大功率输出，其余能量由电网输出。
本实施例提供的Boost升压电路2主要包括：一个电感L2、开关管S3和二极管D1，电感L2和二极管串联后接在直流母线上。Boost升压电路2工作原理为：光伏组件3相当于电压源Upv，直流母线后面的部分电路等效为电阻负载R，因此光伏侧Boost升压电路2等效电路图如图2所示。该部分电路主要完成MPPT功能，实现对光伏能量最大程度的利用。
Buck-Boost变换电路3包括两个开关管S1、S2和一个电感L1和电容C3，电感L1和电容形成LC滤波电路，实现蓄电池组4的恒压恒流充电，蓄电池组4并联在电容C3上。Buck-Boost电路参照图3所示；Buck-Boost变换电路3工作原理为：Buck-Boost变换电路3可在Buck模式和Boost模式之间自由切换。其工作在Buck模式，实现蓄电池组4的恒压恒流充电；其工作在Boost模式，实现限流放电，稳定母线电压。Buck-Boost变换电路3在控制方式上可以分为独立PWM发波方式与上下桥臂互补PWM发波。
独立PWM控制时，上下桥臂开关管不同时工作，即一个开关管工作，另外一个开关管封锁，利用其反并联体二极管续流。从图3中的电路分析可以知道：工作在Boost模式，S2封锁；工作在Buck模式，S1封锁。其优点在于控制上比较简单，只需要控制一个开关管。但是因为体二极管续流，会有较大的功率损耗，同时在需要频繁切换工作模式的场合，可能在切换瞬间产生较大尖峰脉冲。
采用互补PWM发波控制，上下桥臂两个开关管互补工作。互补PWM控制方式其实仍然可以细分为两种类型。采用互补PWM发波控制，Buck-Boost变换电路3的工作模式由功率流向决定，通过电流电压环三环控制充放电过程。功放电时，高压侧电压作为被控对象，稳定母线电压；充电时，被控对象就变成低压侧电压，实现限压限流充电。这种控制方式在电感电流连续时同独立PWM控制方式无本质上的区别，但是在电感电流断续模式(Discontinuous Current Mode，DCM)下可获得软开关条件，降低开关损耗。
本发明中，Buck-Boost变换电路3工作在充电或放电状态时，需要设置充放电限制阀值，防止Buck-Boost变换电路3频繁地在充放电状态之间切换，引起不必要的能量损耗和波形畸变。综上所述，本文中的Buck-Boost双向DC-DC变换器在控制方式上选择互补PWM控制方式。
全桥逆变工作原理：全桥逆变电路5等效电路图如图4所示。直流母线挂接到一个由4个开关管组成的全桥逆变电路5上，逆变产生的脉冲电压经过LC滤波器接入负载7。
单相逆变系统中，因正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)方式控制算法简单且易于实现、输出谐波低等特点获得广泛应用。SPWM调制方式包括单极性调制和双极性调制，其中单极性倍频技术由于其全桥逆变频率是开关频率2倍，减小了开关管损耗和减小了电感感量因此更适合单相逆变控制。
通过逆变电路实现并网不送电方法，控制方法见图5。为实现并网不送电目的，本发明采取以下设计方案：
采用高性能的DSP芯片，完成蓄电池充放电控制和并网不向电网送电控制功能；
采用电能表监控电网，时时监控并网功率；保证工作的可靠性和经济性。
实现并网不送电功能采取的思路：实现光伏能量优先供给负载，其次是蓄电池充放电控制。
具体实施方法：电能的流动是沿着电势下降的方向，因此蓄电池的电压环指令值V*Boost1要高于逆变电压环的指令值V*Boost2，这样实现了负载优先供电。
当光伏能量充足时，光伏能量一部分流向负载，剩余能量用于蓄电池充电；当光伏能量不足时，光伏能量流向负载并且蓄电池向负载放电提供能量；当负载功率超过逆变功率时，逆变电路最大功率输出，其余能量由电网提供。
为实现并网不向电网送电功能，采用电能表监控电网状态，采用逆变电流＝负载电流的控制方法，实现能量只流向负载；采用节点电流法得出逆变电流指令值I*Boost＝IINV-Igrid，实现逆变功率时时跟踪负载功率，这样就满足了不向电网送电的功能同时满足负载电能需求。
逆变功率同充放电功能的平衡是通过控制蓄电池充放电实现的，当光伏能量充足或负载轻时，蓄电池组充电指令电压VBoost电压会升高，超过蓄电池充电指令电压V*Boost1，此时会自动启动蓄电池充电功能；当光伏能量不足或负载过重时，蓄电池组充电指令电压VBoost电压会下降，低于蓄电池的放电电压V*Boost2，此时会自动启动放电功能，保持直流母线电压不下降。
本发明提供的光伏储能并网供电系统可以使系统工作在：1)光伏供电、蓄电池充电运行；2)光伏供电、输出并网接负载运行；3)光伏供电、蓄电池充放电输出并网带载运行；4)蓄电池放电，并网带载运行。四种工况模式，采用适当的能量管理策略依据光伏组件输出功率、蓄电池组SOC、负载情况合理切换系统工况，保证系统平稳运行。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种光伏储能并网供电系统，其特征在于，包括光伏组件(1)、Boost升压电路(2)、Buck-Boost变换电路(3)、蓄电池组(4)、全桥逆变器电路(5)、市电(6)，所述光伏组件(1)通过所述Boost升压电路(2)提供稳定的直流母线；所述蓄电池组(4)经Buck-Boost变换电路(3)挂接到直流母线上，完成蓄电池组(4)的充放电控制；所述市电(6)和负载(7)经全桥逆变电路(5)挂接在直流母线上，完成负载的供电控制；
其还包括
—Boost输出电压采样单元，用于采样所述Boost升压电路的直流母线的电压信号UBoost；
—充放电电压采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充放电电压信号UBuck；
—充电放电电流采样单元，用于采样Buck-Boost变换电路的输出充电电流信号IBuck；
—逆变电流采样单元，用于采样全桥逆变电路的输出电流信号IINV；
—第一电压控制器，将母线电压指令值U*Boost1与所述Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第一PI控制器(PI_1)控制调节输出Iref1；
—第二电压控制器，将充放电电压指令值U*Buck与充放电电压采样单元的输出值UBuck取差值，经第二PI控制器(PI_2)控制调节输出Iref2；
—限幅控制单元，根据第一电压控制器输出值Iref1与第二电压控制器输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元的输出值I*Buck；
—充放电电流控制器，将限幅控制单元的输出值I*Buck与所述充电放电电流采样单元输出值IBuck取差值，经第三PI控制器(PI_3)控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动Buck-Boost变换电路；
—第四电压控制器，将母线电压指令值U*Boost2与Boost输出电压采样单元的输出值UBoost取差值，经第四PI控制器(PI_4)控制调节输出I*boost1；
—并网不送电控制器，将所述逆变电流采样单元输出值IINV与并网电路电流采样值电路输出值Igrid取差值，得到逆变电流限幅值I*boost2；
—电流限幅单元，限定第四电压控制器输出值I*boost1不超过并网不送电控制器输出值I*boost2，设置所述电流限幅单元的输出值I*boost；
—逆变电流控制器，将所述电流限幅单元的输出值I*boost与锁相环得到的正弦值相乘得到逆变电流指令值I*INV与所述逆变电流采样单元输出值IINV取差值，经第五PI控制器(PI_5)控制调节输出驱动占空比给PWM发生器，驱动全桥逆变器电路；
所述蓄电池组(4)通过双向Buck-Boost变换电路工作在Buck模式或者Boost模式，完成蓄电池组(4)的充电或放电控制；
当光伏能量高于负载功率时，蓄电池组(4)充电电压VBoost电压升高，超过蓄电池组(4)充电指令电压V*Boost1，此时所述全桥逆变电路(5)启动蓄电池组(4)充电功能；当光伏能量低于负载功率时，蓄电池组(4)充电电压VBoost电压下降，低于蓄电池组(4)的放电电压V*Boost2，此时所述全桥逆变电路(5)启动蓄电池组(4)的放电功能，保持直流母线电压不下降；当负载功率超过光伏能量与蓄电池组(4)的输出功率和时，全桥逆变电路(5)以最大功率输出，其余能量由电网输出。
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