CN105977957B - 一种家用直流微电网稳压电路及控制方法 - Google Patents

一种家用直流微电网稳压电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种家用直流微电网稳压电路及控制方法，单相交流电网单元连接第一不可控整流器，风力发电单元连接第二不可控整流器。第一不可控整流器的正极与第一开关的一端连接，第一开关的另一端接直流母线的正极，第一不可控整流器的负极与直流母线的负极相连；第二不可控整流器的正极、负极分别与直流母线的正极、负极相连。光伏发电单元的正极与二极管D0的阳极相连，二极管D0的阴极连接直流母线的正极，光伏发电单元的负极连接直流母线的负极；电池储能单元连接直流母线；直流负载连接直流母线。第一电抗器L1、第二电抗器L2的连接点与稳压控制电路的a端相连，稳压控制电路的b端连接直流母线的负极。本发明不仅有利于减少设备成本，还有利于降低设备损耗和噪声。

Description

一种家用直流微电网稳压电路及控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网领域，具体是一种家用直流微电网稳压电路及控制方法。
背景技术
开发利用可再生资源，如风能、太阳能等，对缓解能源短缺和保护地球环境具有重要的作用。家用微电网是根据房屋的地理位置和气候特点，因地制宜搭建的，可包含风力发电、太阳发电等分布式电源，同时配备储能电池。它作为配电网供电的重要辅助方式，对提高家庭用电的稳定性和可靠性效果显著。目前，国内外学者对微电网的研究颇为广泛，主要包含交流微电网和直流微电网，相比而言，后者具有结构简单、控制方便且成本低等优点，特别适用于低负荷容量的家用场合。
直流微电网建设一般涉及分布式发电、电力变换、母线电压控制及并网技术等问题，而对于家用场合，其关键在于直流母线电压的控制。一方面，风/光发电单元的输出功率具有不稳定和不确定性，且昼夜负荷的差异较大，这是导致母线电压不稳定的主要原因之一；另一方面，控制器的能量管理能力滞后于供电单元出力的不确定性改变，导致电压不稳定。为了实现稳压，一般需要并联大电容或提高开关的控制频率，前者增大了投资成本，后者增大了开关损耗并产生高频噪声，缺点均比较明显。
发明内容
针对当前技术方法的不足，本发明提出了一种家用直流微电网稳压电路及控制方法，不仅有利于减少设备成本，还有利于降低设备损耗和噪声。
本发明所采用的技术方案是：
一种家用直流微电网稳压电路，包括单相交流电网单元、风力发电单元、光伏发电单元、电池储能单元、稳压控制电路、直流负载。
所述单相交流电网单元连接第一不可控整流器，所述风力发电单元连接第二不可控整流器。
第一不可控整流器的正极与第一开关1#的一端连接，第一开关1#的另一端接直流母线L0的正极，第一不可控整流器的负极与直流母线L0的负极相连；
第二不可控整流器的正极、负极分别与直流母线L0的正极、负极相连；
光伏发电单元的正极与二极管D0的阳极相连，二极管D0的阴极连接直流母线L0的正极，光伏发电单元的负极连接直流母线L0的负极；
电池储能单元的正极与第二开关2#的一端连接，第二开关2#的另一端连接直流母线L0正极，电池储能单元的负极连接直流母线L0的负极；
直流负载的正极与第三开关3#的一端连接，第三开关3#的另一端连接直流母线L0的正极，直流负载的负极连接直流母线L0的负极；
直流母线L0上的阳极共节点A与第一电抗器L1一端相连，第一电抗器L1另一端连接第二电抗器L2一端，第二电抗器L2另一端与共阳极节点B相连；
第一电抗器L1、第二电抗器L2的连接点与稳压控制电路的a端相连，稳压控制电路的b端连接直流母线L0的负极。
所述单相交流电网单元、风力发电单元、光伏发电单元的正极和负极分别共节点，且阳极的共节点为A；电池储能单元、直流负载的正极和负极分别共节点，且阳极的共节点为B，共节点电极的电势相同。
所述稳压控制电路包括碳化硅材料的第一绝缘栅双极晶体管T1、第二绝缘栅双极晶体管T2；
二极管D1的阳极接第二绝缘栅双极晶体管T2的集电极，节点为稳压控制电路的a端点；
二极管D3的阴极接第一绝缘栅双极晶体管T1的发射极，节点为稳压控制电路的b端点；
二极管D1的阴极连接第一绝缘栅双极晶体管T1的集电极，且与直流电容C的正极相连；
二极管D3的阳极连接第二绝缘栅双极晶体管T2的发射极，且与直流电容C的负极相连。
一种家用直流微电网稳压控制方法，分别工作在：高功率因数稳压供电模式M1、风/光发电稳压供电或电池充电模式M2、电池供电模式M3三种模式下，U1和U2表示直流母线端电压，电路的工作模式由负载大小决定，假设负载功率为Pload、风电功率为Pwind、光伏发电功率为PPV、电池供电功率为具体工作过程如下：
(1)、当时，负载由配电网、风电单元和光伏发电单元同时供电，此时S1～S3均闭合，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现输出电压U2的稳定调节和配电网的单位功率因数运行，为高功率因数稳压供电模式；
(2)当Pload<Pwind+PPV时，风电单元和光伏发电单元同时为负载供电，并给电池单元充电，此时S1断开，S2和S3均闭合，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现负载稳压供电和电池单元的充电运行，为稳压供电或电池充电模式；
(3)、当时，风电单元、光伏发电单元和电池单元同时为负载供电，此时S1断开，S2和S3均闭合，稳压电路主要调节风电单元和光伏单元的输出电压，以提供少部分的负载功率，大部分的负载功率由电池单元供给，为电池供电模式。
一种家用直流微电网稳压控制方法，当系统工作模式为M1时，稳压控制电路实现配电网单位功率因数运行的控制方法应受到重点保护，具体为：首先采样交流电网电压ugrid，通过相位检测单元锁定电网相位θ；采样端电压U2并设置其参考值U2REF，将θ、U2和U2REF输入占空比计算单元，并输出占空比D；根据D值产生门极控制信号，以驱动IGBT导通。
一种家用直流微电网稳压控制方法，稳压控制电路分别包括：电容充电、电容放电、电容旁路和电路直通四种工作模式；
电流流经L1-D1-C-D3，到达直流母线负极，构成电容充电回路；
电流流经L1-T2-C-T1，到达直流母线负极，构成电容放电回路；
电流分别流经L1-D1-T1或L1-T2-D3，到达直流母线负极，构成电容旁路回路；
电流流经L1和L2，到达负载端，稳压电路被旁路。
一种家用直流微电网稳压控制方法，当时，负载由配电网、风电单元和光伏发电单元同时供电，此时S1～S3均闭合，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现输出电压U2的稳定调节和配电网的单位功率因数运行；当Pload<Pwind+PPV时，风电单元和光伏发电单元同时为负载供电，并给电池单元充电，此时S1断开，S2和S3均闭合，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现负载稳压供电和电池单元的充电运行；当 时，风电单元、光伏发电单元和电池单元同时为负载供电，此时S1断开，S2和S3均闭合，稳压电路主要调节风电单元和光伏单元的输出电压，以提供少部分的负载功率，大部分的负载功率由电池单元供给。
本发明一种家用直流微电网稳压电路及控制方法，优点在于：
(1)、稳压电路由较小的直流电容、两只IGBT开关和两只二极管组成，限流电抗器也比较小，其结构简单，投资成本低，特别适用于低功率容量的家用场合；
(2)、该稳压电路具有可变电容特性，通过控制电容器的充放电过程，可将其等效电容量放大，因此具有良好的直流端电压稳定控制效果；开关控制灵活，可调节配电网的功率因数；
(3)、稳压电路系统中带限流电抗器和电容，有利于避免电压和电流冲击，且开关过程具有软开关效果，其开关损耗较低。
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为本发明家用直流微电网稳压电路系统的结构框图。
图2(a)为本发明高功率因数稳压供电模式-M1图。
图2(b)为本发明稳压供电或电池充电模式-M2图。
图2(c)为本发明电池供电模式-M3图。
图3为本发明稳压电路工作原理与电流路径图；
其中图3(a)为电容充电电流路径图；
其中图3(b)为电容放电电流路径图；
其中图3(c)为电容旁路电流路径图；
其中图3(d)为电路直通电流路径图。
图4(a)为本发明直流微电网稳压电路模式M1控制框图。
图4(b)为本发明直流微电网稳压电路模式M2和M3控制框图。
图5为本发明控制程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种家用直流微电网稳压电路，包括单相交流电网单元1、风力发电单元2、光伏发电单元3、电池储能单元4、稳压控制电路5、直流负载6。
所述单相交流电网单元1连接第一不可控整流器①，风力发电单元2包括风力发电机，风力发电机连接第二不可控整流器②。
光伏发电单元3包括光伏电池板。
电池储能单元4采用电池组。
第一不可控整流器①的正极与第一开关1#的一端连接，第一开关1#的另一端接直流母线L0的正极，第一不可控整流器①的负极与直流母线L0的负极相连；
第二不可控整流器②的正极、负极分别与直流母线L0的正极、负极相连；
光伏发电单元3的正极与二极管D0的阳极相连，二极管D0的阴极连接直流母线L0的正极，光伏发电单元3的负极连接直流母线L0的负极；
电池储能单元4的正极与第二开关2#的一端连接，第二开关2#的另一端连接直流母线L0正极，电池储能单元4的负极连接直流母线L0的负极；
直流负载6的正极与第三开关3#的一端连接，第三开关3#的另一端连接直流母线L0的正极，直流负载6的负极连接直流母线L0的负极；
直流母线L0上的阳极共节点A与第一电抗器L1一端相连，第一电抗器L1另一端连接第二电抗器L2一端，第二电抗器L2另一端与共阳极节点B相连；
第一电抗器L1、第二电抗器L2的连接点与稳压控制电路5的a端相连，稳压控制电路5的b端连接直流母线L0的负极。
所述单相交流电网单元1、风力发电单元2、光伏发电单元3的正极和负极分别共节点，且阳极的共节点为A；电池储能单元4、直流负载6的正极和负极分别共节点，且阳极的共节点为B，共节点电极的电势相同。
所述稳压控制电路5包括碳化硅材料的第一绝缘栅双极晶体管T1、第二绝缘栅双极晶体管T2；
二极管D1的阳极接第二绝缘栅双极晶体管T2的集电极(或反并联二极管D1的阴极)，节点为稳压控制电路5的a端点；
二极管D3的阴极接第一绝缘栅双极晶体管T1的发射极(或反并联二极管D2的阳极)，节点为稳压控制电路5的b端点；
二极管D1的阴极连接第一绝缘栅双极晶体管T1的集电极(或反并联二极管D2的阴极)，且与直流电容C的正极相连；
二极管D3的阳极连接第二绝缘栅双极晶体管T2的发射极(或反并联二极管D4的阳极)，且与直流电容C的负极相连。最终构成如图1所示的单相桥式结构。
工作原理：
本发明提出的家用直流微电网稳压电路，分别工作在：高功率因数稳压供电模式M1、风/光发电稳压供电或电池充电模式M2和电池供电模式M3三种模式下，不同工作模式下的简化电路如图2所示，图中的宽箭头代表功率传输方向，U1和U2表示直流母线端电压。电路的工作模式由负载大小决定，假设负载功率为Pload、风电功率为Pwind、光伏发电功率为PPV、电池供电功率为电路的具体工作原理阐述如下：
(1)当时，负载由配电网、风电单元和光伏发电单元同时供电，此时S1～S3均闭合，如图2(a)所示，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现输出电压U2的稳定调节和配电网的单位功率因数运行，因此命名为高功率因数稳压供电模式。
(2)当Pload<Pwind+PPV时，风电单元和光伏发电单元同时为负载供电，并给电池单元充电，此时S1断开，S2和S3均闭合，如图2(b)所示，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现负载稳压供电和电池单元的充电运行，因此命名为稳压供电或电池充电模式。
(3)当时，风电单元、光伏发电单元和电池单元同时为负载供电，此时S1断开，S2和S3均闭合，如图2(c)所示，稳压电路主要调节风电单元和光伏单元的输出电压，以提供少部分的负载功率，大部分的负载功率由电池单元供给，因此命名为电池供电模式。
(4)稳压控制电路的工作原理如图3所示，分别包括：电容充电、电容放电、电容旁路和电路直通四种工作模式，图中的L1和L2为限流电抗器。图3(a)为电容充电模式，电流流经L1-D1-C-D3，到达直流母线负极，构成电容充电回路；图3(b)为电容放电模式，电流流经L1-T2-C-T1，到达直流母线负极，构成电容放电回路；图3(c)为电容旁路模式，电流分别流经L1-D1-T1或L1-T2-D3，到达直流母线负极，构成电容旁路回路；图3(d)为电路直通模式，电流流经L1和L2，到达负载端，稳压电路被旁路。
(5)当端电压U1与端电压U2相差较小时，开关T1和T2保持关断状态，稳压控制电路工作在电路直通模式；当端电压U1与端电压U2相差较大时，控制开关T1和T2按一定占空比D导通，根据开关状态的不同，稳压控制电路的工作模式分别在电容充电模式、电容放电模式和电容旁路模式之间不断切换；当端电压U1不断变化时，通过实时改变占空比D的值，即可实现对端电压U2的稳定控制。
当直流微电网稳压电路工作在M1模式时，其控制框图如图4(a)所示，具体过程为：首先采样交流电网电压ugrid，通过相位检测单元锁定电网相位θ；采样端电压U2并设置其参考值U2REF，将θ、U2和U2REF输入占空比计算单元，并输出占空比D；根据D值产生门极控制信号，以驱动IGBT导通。当直流微电网稳压电路工作在M2模式(M3模式)时，其控制框图如图4(b)所示，仅需采样端电压U2并设置其参考值U2REF，将U2和U2REF输入占空比计算单元，并输出占空比D；根据D值产生门极控制信号，以驱动IGBT导通。
图5为稳压电路的控制程序流程图，程序运行开始后，首先根据Pload与Pwind、PPV和的大小关系，选择工作模式。若满足时，工作模式为M1，闭合开关S1、S2和S3，通过信号采样，读取电源电压、直流电压信号和电压参考信号，计算满足高功率因数整流条件的占空比D值，并驱动开关动作；若满足Pload<Pwind+PPV时，工作模式为M2，仅闭合开关S2和S3，通过信号采样，读取直流电压信号和电压参考信号，计算满足稳压供电条件的占空比D值，并驱动开关动作；若满足时，工作模式为M3，仅闭合开关S2和S3，通过信号采样，读取负载电压信号和电压参考信号，计算满足稳压供电条件的占空比D值，并驱动开关动作。另外，通过监测风力发电单元、光伏发电单元、电池储能单元和直流负载单元的功率变化，实时反馈和改变稳压控制电路的工作模式，如果各单元的供电功率不变，则继续检测信号，使系统按当前模式运行；如果各单元的供电功率发生改变，则切换工作模式，改变开关S1、S2和S3的状态，再通过信号采样，使系统按相应的模式运行。
系统的工作模式：当时，负载由配电网、风电单元和光伏发电单元同时供电，此时S1～S3均闭合，如图2(a)所示，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现输出电压U2的稳定调节和配电网的单位功率因数运行；当Pload<Pwind+PPV时，风电单元和光伏发电单元同时为负载供电，并给电池单元充电，此时S1断开，S2和S3均闭合，如图2(b)所示，系统通过控制稳压电路开关T1和T2，以实现负载稳压供电和电池单元的充电运行；当时，风电单元、光伏发电单元和电池单元同时为负载供电，此时S1断开，S2和S3均闭合，如图2(c)所示，稳压电路主要调节风电单元和光伏单元的输出电压，以提供少部分的负载功率，大部分的负载功率由电池单元供给。

Claims (2)

1.一种家用直流微电网稳压电路，包括单相交流电网单元(1)、风力发电单元(2)、光伏发电单元(3)、电池储能单元(4)、稳压控制电路(5)、直流负载(6)；
所述单相交流电网单元(1)连接第一不可控整流器(①)，所述风力发电单元(2)连接第二不可控整流器(②)；其特征在于：第一不可控整流器(①)的正极与第一开关(1#)的一端连接，第一开关(1#)的另一端接直流母线L0的正极，第一不可控整流器(①)的负极与直流母线L0的负极相连；第二不可控整流器(②)的正极、负极分别与直流母线L0的正极、负极相连；光伏发电单元(3)的正极与二极管D0的阳极相连，二极管D0的阴极连接直流母线L0的正极，光伏发电单元(3)的负极连接直流母线L0的负极；电池储能单元(4)的正极与第二开关(2#)的一端连接，第二开关(2#)的另一端连接直流母线L0正极，电池储能单元(4)的负极连接直流母线L0的负极；直流负载(6)的正极与第三开关(3#)的一端连接，第三开关(3#)的另一端连接直流母线L0的正极，直流负载(6)的负极连接直流母线L0的负极；直流母线L0上的阳极共节点A与第一电抗器L1一端相连，第一电抗器L1另一端连接第二电抗器L2一端，第二电抗器L2另一端与共阳极节点B相连；第一电抗器L1、第二电抗器L2的连接点与稳压控制电路(5)的a端相连，稳压控制电路(5)的b端连接直流母线L0的负极；
所述单相交流电网单元(1)、风力发电单元(2)、光伏发电单元(3)的正极和负极分别共节点，单相交流电网单元(1)、风力发电单元(2)、光伏发电单元(3)的正极的共节点为A；
电池储能单元(4)、直流负载(6)的正极和负极分别共节点，电池储能单元(4)、直流负载(6)的正极的共节点为B，共节点电极的电势相同；
所述稳压控制电路(5)包括碳化硅材料的第一绝缘栅双极晶体管T1、第二绝缘栅双极晶体管T2；
二极管D1的阳极接第二绝缘栅双极晶体管T2的集电极，节点为稳压控制电路(5)的a端；
二极管D3的阴极接第一绝缘栅双极晶体管T1的发射极，节点为稳压控制电路(5)的b端；
二极管D1的阴极连接第一绝缘栅双极晶体管T1的集电极，且与直流电容C的正极相连；
二极管D3的阳极连接第二绝缘栅双极晶体管T2的发射极，且与直流电容C的负极相连；
上述家用直流微电网稳压电路的控制方法如下：
分别工作在：高功率因数稳压供电模式M1、风/光发电稳压供电或电池充电模式M2、电池供电模式M3三种模式下，U1和U2表示直流母线端电压，电路的工作模式由负载大小决定，假设负载功率为Pload、风电功率为Pwind、光伏发电功率为PPV、电池供电功率为PEB，具体工作过程如下：
(1)、当Pload>Pwind+PPV+PEB时，负载由配电网、风力发电单元(2)和光伏发电单元(3)同时供电，此时第一开关(1#)、第二开关(2#)、第三开关(3#)均闭合，系统通过控制稳压控制电路(5)的第一绝缘栅双极晶体管T1和第二绝缘栅双极晶体管T2，以实现输出电压U2的稳定调节和配电网的单位功率因数运行，为高功率因数稳压供电模式；
(2)、当Pload<Pwind+PPV时，风力发电单元(2)和光伏发电单元(3)同时为负载供电，并给电池储能单元(4)充电，此时第一开关(1#)断开，第二开关(2#)和第三开关(3#)均闭合，系统通过控制稳压控制电路(5)的第一绝缘栅双极晶体管T1和第二绝缘栅双极晶体管T2，以实现负载稳压供电和电池储能单元(4)的充电运行，为稳压供电或电池充电模式；
(3)、当[Pload–(Pwind+PPV)]<PEB时，风力发电单元(2)、光伏发电单元(3)和电池储能单元(4)同时为负载供电，此时第一开关(1#)断开，第二开关(2#)和第三开关(3#)均闭合，稳压控制电路(5)主要调节风力发电单元(2)和光伏发电单元(3)的输出电压，以提供少部分的负载功率，大部分的负载功率由电池储能单元(4)供给，为电池供电模式。
2.根据权利要求1所述的一种家用直流微电网稳压电路，其特征在于：当系统工作模式为M1时，稳压控制电路(5)实现配电网单位功率因数运行的控制方法应受到重点保护，具体为：首先采样交流电网电压ugrid，通过相位检测单元锁定电网相位θ；采样端电压U2并设置其参考值U2REF，将θ、U2和U2REF输入占空比计算单元，并输出占空比D；根据D值产生门极控制信号，以驱动第一绝缘栅双极晶体管T1和第二绝缘栅双极晶体管T2导通。
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