CN105743127B - 一种户用新能源发电智能控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种户用新能源发电智能控制系统，包括光伏逆变模块和储能充放电模块；光伏逆变模块包括：交错并联升降压模块、双高频电气隔离直流变换器和并网逆变模块；交错并联升降压模块与双高频电气隔离直流变换器串联连接，双高频电气隔离直流变换器通过直流母线与并网逆变模块串联连接；储能充放电模块还通过直流母线与并网逆变模块的输入端电连接，所述并网逆变模块的输出端连接二次侧负载；本发明还公开了一种户用新能源发电智能控制系统的控制方法，包括：标准馈电模式、强制馈电模式和离网模式。本发明不仅可以将光伏电能并入大电网，又可将多余电能储存至储能电池作为备用，提高可再生能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种户用新能源发电智能控制系统，还涉及一种户用新能源发电智能控制系统的控制方法，属于新能源技术领域。
背景技术
能源是人类经济及文化活动的动力来源。随着人类对能源需求日益增加,化石能源的储量正日趋枯竭。此外,大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾,它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。因此,人类要解决上述能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源。
在国务院新闻办公室于2012年10月24日发布的《中国的能源政策（2012）》白皮书中，明确提出要促进清洁能源分布式利用。中国坚持“自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进”的原则，积极发展分布式能源。以城市、工业园区等能源消费中心为重点，大力推进分布式可再生能源技术应用。因地制宜在农村、林区、海岛推进分布式可再生能源建设。制定分布式能源标准，完善分布式能源上网电价形成机制和政策，努力实现分布式发电直供及无歧视、无障碍接入电网。
目前国内很多风机和光伏组件生产厂家有生产户用发电系统逆变器，如广州红鹰风机、北京首善信达、上海致远、合肥阳光等。他们设计研发逆变器大都分为离网逆变器和并网逆变器两种，以离网为主。目前国内户用发电系统逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO 等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。并且，国外的逆变控制一体机价格较高，为国内的5倍左右。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种户用新能源发电智能控制系统，不仅可以将光伏电能并入大电网，又可将多余电能储存至储能电池作为备用，提高可再生能源的利用率。
为达到上述目的，本发明提供的户用新能源发电智能控制系统所采用的技术方案是：一种户用新能源发电智能控制系统，包括：光伏组件、储能电池、与光伏组件的电能输出端连接的光伏逆变模块、对储能电池进行充放电控制的储能充放电模块；
所述光伏逆变模块包括：用于完成直流母线的预充电和太阳能充放电控制的交错并联升降压模块、用于实现电气隔离和电能双向流动的双高频电气隔离直流变换器和用于实现电能DC/AC转换和电能质量调控的并网逆变模块；
所述交错并联升降压模块与双高频电气隔离直流变换器串联连接，双高频电气隔离直流变换器通过直流母线与并网逆变模块串联连接；
所述储能充放电模块串联在双高频电气隔离直流变换器和储能电池之间，同时储能充放电模块还通过直流母线与所述并网逆变模块的输入端电连接，所述并网逆变模块的输出端连接二次侧负载；
标准模式馈电时，光伏组件通过交错并联升降压模块、双高频电气隔离直流变换器、储能充放电模块对储能电池进行充电，并将多余的电能通过并网逆变模块全馈到二次侧负载的交流供电电网中；强制馈电时，储能电池通过储能充放电模块、并网逆变模块按照设定电流将直流侧储能馈向二次侧负载的交流供电电网中，储能电池下降到设定优先电压后，馈电结束，系统自动转为市电供电。
所述交错并联升降压模块由两个并联的单向Buck/Boost电路组成。
所述双高频电气隔离直流变换器由两个并联连接的高频电气隔离直流变换电路组成；
所述高频电气隔离直流变换电路包括：输入端与交错并联升降压模块的输出端连接的高频逆变器，和输出端与并网逆变模块的输入端连接的高频整流器；
所述高频逆变器的输出端与高频整流器的输入端通过高频变压器耦合。
所述储能充放电模块采用DAB双向DC/DC变换模块。
所述光伏组件还配备有MPPT充电控制器。
本发明还提供了一种户用新能源发电智能控制系统的控制方法，包括：标准馈电模式、强制馈电模式和离网模式；
对于标准馈电模式：光伏组件对储能电池进行充电，并将多余的电能通过并网逆变模块全馈到二次侧负载的交流供电电网中；
对于强制馈电模式：在设定的强制馈电时间段内，储能电池按照设定电流将直流侧储能馈向二次侧负载的交流供电电网中，储能电池下降到设定优先电压后，馈电结束，系统自动转为市电供电；
对于离网模式：当市电故障时，储能电池立即将电能提供给二次侧负载。
控制系统启动时，当直流母线电压到达设定值时，采用定电压跟踪法和变步长扰动观察法相结合的控制策略对光伏组件的进行发电控制。
所述并网逆变模块采用电压电流双闭环控制模式：
电压外环维持直流母线电压稳定，将给定直流电压值与实际直流电压值之间的误差通过PI调节，输出量作为交流电流的幅值给定，并将其与电网电压经过锁相环得到的单位正弦信号相乘作为交流电流给定值；
电流内环实现对交流电流的控制，将给定值与实际值之间的误差经过PI调节后与三角波比较产生PWM信号，控制并网逆变模块的开关管，最终得到正弦交流输出电流，且与电网频率、相位一致，输出功率因数为1。
储能电池放电时，采用电压电流双闭环控制策略进行放电控制，在控制放电电流的同时维持直流母线电压稳定，并检测储能电池的电压，当电压达到过放电压时，储能电池停止放电；
储能电池充电时，采用采用恒压限流的充电方法，电压外环的输出经过一个限幅环节作为电流内环的给定，随着充电过程不断继续，储能电池电压逐渐升高，电压外环的输出将减小至限幅值以下，因而从恒流充电退出，自动转入恒压充电。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：充分利用分布式可再生能源，在保证供电可靠性的前提下，提高了可再生能源的利用率，优化了电网电能质量；既可并网运行，也可离网运行，保证重要负荷不断电，使用灵活多变。
附图说明
图1是本发明提供的户用新能源发电智能控制系统的电路原理框图。
图2是图1中光伏逆变模块的电路图。
图3是图1中储能充放电模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，户用新能源发电智能控制系统，包括：光伏组件、储能电池、光伏逆变模块和储能充放电模块。
光伏逆变模块的输入端与光伏组件的电能输出端连接，输出端连接二次侧交流用电负载。光伏逆变模块包括：交错并联升降压模块、双高频电气隔离直流变换器和并网逆变模块，交错并联升降压模块与双高频电气隔离直流变换器串联连接，双高频电气隔离直流变换器通过直流母线与并网逆变模块串联连接。光伏逆变模块的详细电路如图2所示。
交流并联升降压模块用于完成直流母线的预充电和太阳能充放电控制，由两个并联的单向Buck/Boost电路组成。
双高频电气隔离直流变换器用于实现电气隔离和电能双向流动，由两个并联连接的高频电气隔离直流变换电路组成。高频电气隔离直流变换电路包括：输入端与交错并联升降压模块的输出端连接的高频逆变器，和输出端与并网逆变模块的输入端连接的高频整流器；高频逆变器的输出端与高频整流器的输入端通过高频变压器耦合。双高频电气隔离直流变换器把高频变压器的工作频率由工频变成100kHz的高频，所以可以使高频变压器的体积、重量大大减小，同时也消除了高频变压器的可闻噪声。它将光伏组件输出的直流电逆变为高频100kHz交流电，再经过高频变压器1：1变换，最后采用不可控二极管整流电路整流输出平稳直流电压。对于高频逆变器的控制采用交错方波PWM控制方式，两组高频逆变器的三角载波相位互差180°。
并网逆变模块用于实现电能DC/AC转换和电能质量调控，保证并网电流为标准正弦波且与电网电压同相位，并网逆变模块采用全桥逆变电路。
储能充放电模块用于完成储能电池的充放电控制，采用DAB双向DC/DC变换模块。DAB双向DC/DC变换模块串联在双高频电气隔离直流变换器和储能电池之间，同时还通过直流母线与并网逆变模块的输入端电连接。
光伏组件还配备有MPPT充电控制器（图中未示出）。
本发明还提供了一种户用新能源发电智能控制系统的控制方法，包括：标准馈电模式、强制馈电模式和离网模式；
对于标准馈电模式（白天功能）：控制系统按照自身充电设置，维持储能电池标准充电循环。如果直流母线上有多余的能量（来自光伏组件），就将其全馈到电网上去，以避免储能电池过充。因采用了DC-DC充电方式，充电效率高。通常，为了避免太阳能发电浪费，控制系统的充电循环设定值，低于MPPT充电控制器充电设定值时，MPPT充电控制器不会限制光伏组件的发电。所有来自直流侧的多余能量逆变后，统统推向交流母线（AC IN和AC OUT组成）。首先供给负载，多余的能量馈到公共电网里。
对于强制馈电模式（晚上功能）：在设定时间段内（例如：晚上17：00到第二天9：30），按照设定电流将直流侧储能，馈向交流母线。储能电池能量下降到设定储能电池优先电压后，馈电会结束，系统会自动转为电网供电，市电不会给储能电池充电。
对于离网模式：当市电故障时，储能电池立即将电能提供给二次侧负载。
控制系统系统刚启动时，直流母线电压较低，软充电方式可以保证Buck-Boost电路在母线电压比较低的时候快速充电，而在快要接近母线电压的时候，放慢充电速度，减小母线电压过冲；当直流母线电压达到设定值时，对其进行MPPT控制，并采用定电压跟踪法和变步长扰动观察法相结合的控制策略，既保证了控制精度又提高了太阳能的利用率。
并网逆变模块采用电压电流双闭环控制模式：电压外环维持直流母线电压稳定，将给定直流电压值与实际直流电压值之间的误差通过PI调节，输出量作为交流电流的幅值给定，并将其与电网电压经过锁相环得到的单位正弦信号相乘作为交流电流给定值。电流内环实现对交流电流的控制，将给定值与实际值之间的误差经过PI调节后与三角波比较产生PWM信号，控制并网逆变模块的开关管，最终得到正弦交流输出电流，且与电网频率、相位一致，输出功率因数为1。
储能电池放电时，储能充放电模块可看成是隔离型Boost变换电路，其高压侧四个开关管全部断开，相当于不控整流电路，低压侧则采用电压电流双闭环控制策略对储能电池进行放电控制，在控制放电电流的同时维持直流母线电压稳定，并检测储能电池的电压，当电压达到过放电压时，储能电池停止放电。储能电池充电时，低压侧四个开关管全部断开，高压侧则采用采用恒压限流的充电方法，电压外环的输出经过一个限幅环节作为电流内环的给定。随着充电过程不断继续，储能电池电压逐渐升高，电压外环的输出将减小至限幅值以下，因而从恒流充电退出，自动转入恒压充电。储能电池电压不断升高，充电电流也就不断减小，直至储能电池充满为止，采用这种充电方法可以实现由恒流充电到恒压充电的平滑过渡。
对于二次侧负载供电电网，通常包括：信号采集模块、电能质量检测模块、保护模块、家庭能量管理模块、信息交互模块等。信号采集模块主要采集电压、电流等变量信息，经过一定的处理后输入DSP芯片；保护模块分为过压保护、欠压保护、过流保护等，当装置发生以上故障时，系统自动发出停机信号；家庭能量管理主要根据用电峰谷期，通过合理调配发电、负荷设备，优化家庭整体的用能效率；信息交互模块主要负责系统通信，能够支持网口、RS485、GPRS等通信接口，既能读取系统信息，又能向系统发出相应指令。
整个电网（含二次侧负载）运行时，首先保证通信接口、监测接口、各元器件连接正常，进行信号采集与调理并送入DSP的AD接口，然后进行直流母线预充电控制，直流母线电压达到设定值时，依次进行MPPT充电控制、并网逆变控制、储能电池充/放电控制，同时可通过液晶显示屏进行控制画面显示，保护电路实施保护策略。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种户用新能源发电智能控制系统，其特征在于，包括：光伏组件、储能电池、与光伏组件的电能输出端连接的光伏逆变模块、对储能电池进行充放电控制的储能充放电模块；
所述光伏逆变模块包括：用于完成直流母线的预充电和太阳能充放电控制的交错并联升降压模块、用于实现电气隔离和电能双向流动的双高频电气隔离直流变换器和用于实现电能DC/AC转换和电能质量调控的并网逆变模块；
所述交错并联升降压模块与双高频电气隔离直流变换器串联连接，双高频电气隔离直流变换器通过直流母线与并网逆变模块串联连接；
所述储能充放电模块串联在双高频电气隔离直流变换器和储能电池之间，同时储能充放电模块还通过直流母线与所述并网逆变模块的输入端电连接，所述并网逆变模块的输出端连接二次侧负载；
标准模式馈电时，光伏组件通过交错并联升降压模块、双高频电气隔离直流变换器、储能充放电模块对储能电池进行充电，并将多余的电能通过并网逆变模块全馈到二次侧负载的交流供电电网中；强制馈电时，储能电池通过储能充放电模块、并网逆变模块按照设定电流将直流侧储能馈向二次侧负载的交流供电电网中，储能电池下降到设定优先电压后，馈电结束，系统自动转为市电供电；
所述双高频电气隔离直流变换器由两个并联连接的高频电气隔离直流变换电路组成；
所述高频电气隔离直流变换电路包括：输入端与交错并联升降压模块的输出端连接的高频逆变器，和输出端与并网逆变模块的输入端连接的高频整流器；
所述高频逆变器的输出端与高频整流器的输入端通过高频变压器耦合。
2.根据权利要求1所述的户用新能源发电智能控制系统，其特征在于，所述交错并联升降压模块由两个并联的单向Buck/Boost电路组成。
3.根据权利要求1所述的户用新能源发电智能控制系统，其特征在于，所述储能充放电模块采用DAB双向DC/DC变换模块。
4.根据权利要求1所述的户用新能源发电智能控制系统，其特征在于，所述光伏组件还配备有MPPT充电控制器。
5.采用权利要求1至4中任一项所述的户用新能源发电智能控制系统的控制方法，其特征在于，包括：标准馈电模式、强制馈电模式和离网模式；
对于标准馈电模式：光伏组件对储能电池进行充电，并将多余的电能通过并网逆变模块全馈到二次侧负载的交流供电电网中；
对于强制馈电模式：在设定的强制馈电时间段内，储能电池按照设定电流将直流侧储能馈向二次侧负载的交流供电电网中，储能电池下降到设定优先电压后，馈电结束，系统自动转为市电供电；
对于离网模式：当市电故障时，储能电池立即将电能提供给二次侧负载。
6.根据权利要求5所述的户用新能源发电智能控制系统的控制方法，其特征在于，控制系统启动时，当直流母线电压到达设定值时，采用定电压跟踪法和变步长扰动观察法相结合的控制策略对光伏组件的进行发电控制。
7.根据权利要求5所述的户用新能源发电智能控制系统的控制方法，其特征在于，所述并网逆变模块采用电压电流双闭环控制模式：
电压外环维持直流母线电压稳定，将给定直流电压值与实际直流电压值之间的误差通过PI调节，输出量作为交流电流的幅值给定，并将其与电网电压经过锁相环得到的单位正弦信号相乘作为交流电流给定值；
电流内环实现对交流电流的控制，将给定值与实际值之间的误差经过PI调节后与三角波比较产生PWM信号，控制并网逆变模块的开关管，最终得到正弦交流输出电流，且与电网频率、相位一致，输出功率因数为1。
8.根据权利要求5所述的户用新能源发电智能控制系统的控制方法，其特征在于，储能电池放电时，采用电压电流双闭环控制策略进行放电控制，在控制放电电流的同时维持直流母线电压稳定，并检测储能电池的电压，当电压达到过放电压时，储能电池停止放电；
储能电池充电时，采用采用恒压限流的充电方法，电压外环的输出经过一个限幅环节作为电流内环的给定，随着充电过程不断继续，储能电池电压逐渐升高，电压外环的输出将减小至限幅值以下，因而从恒流充电退出，自动转入恒压充电。
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