CN106451544A - 一种光储联合的三电平并网系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光储联合的三电平并网系统控制方法，所述并网系统包括光伏板、储能系统、第一电容器和第二电容器以及三电平逆变器；所述控制方法包括：当并网系统并网运行时，采用电位补偿控制方法产生驱动信号并将所述驱动信号加载到三电平逆变器上，以实现三电平逆变器的中点电压不平衡条件下的对称输出和抑制光伏板输出功率的波动对三电平逆变器的中点电位稳定性以及并网电能质量造成的影响；同时，通过控制第一电容器电压使光伏运行在最大功率跟踪模式，储能系统根据第二电容器电压参考值，产生指令符号控制蓄电池充电或放电，以维持中点电位的稳定。本发明可以在光照变化导致输出功率波动，以及中点电压不平衡的条件下，仍能输出对称的并网电流。

Description

一种光储联合的三电平并网系统控制方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，具体涉及一种光储联合的三电平并网系统控制方法。

背景技术

针对光伏并网逆变器结构，通常分为两种：1、双极式逆变器，前级为DC/DC升压变换器，在提升光伏输出电压的同时，负责最大功率跟踪控制，后级为DC/AC逆变环节，此类逆变器一般作为电流源并入电网或以电压源形势供给本地独立负载；2、单级式逆变器，没有中间的DC/DC环节，只需要一级转换器来履行双级式逆变器的功能，由此系统将降低成本和提高效率，但是控制方法将更加复杂。目前应用于高功率应用场合的工业标准，通常为光伏三相单级式电压源(VSC)型逆变器的能源系统。

太阳能光伏系统的主要问题是输出功率的不可预测和波动性，大多数工程应用都是将光伏MPPT(最大功率点跟踪)运行产生最大功率并入电网，并没有考虑当与电网侧所需功率不匹配时的功率消纳问题，而通过并联蓄电池储能系统可以克服这个问题，同时也可以增加电力系统控制灵活性和提高整体可用性。通常，储能系统需要电能转换控制器，用以控制蓄电池储能系统充、放电过程中的输出电压和电流。本文关注的是研究光伏储能一体化的三相太阳能光伏发电并网系统，使用单级式三电平转换器以及并联储能系统实现MPPT控制和电网侧电流控制，并且还可通过控制电池的充电和放电维持系统功率平衡。采用该系统及控制方法，能够降低生产成本，提高运行效率，增加功率流控制的灵活性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光储联合的三电平并网系统控制方法，使其在运行过程中，由于光照变化导致输出功率波动，以及中点电压不平衡的条件下，仍能输出对称的并网电流，同时通过中点并联的储能系统进行能量调节。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种光储联合的三电平并网系统控制方法，所述并网系统包括光伏板、储能系统、第一电容器和第二电容器以及三电平逆变器，其中，所述光伏板的输出端通过三电平逆变器输出三相交流电压至电网，所述第一电容器和第二电容器串联后并接于光伏板上，所述储能系统并联接于第二电容器上，三电平逆变器的中点连接至第一电容器和第二电容器之间；所述控制方法包括：

当并网系统并网运行时，采用电位补偿控制方法产生驱动信号并将所述驱动信号加载到三电平逆变器上，以实现三电平逆变器在中点电压不平衡条件下，仍能对称输出并网电流，并且抑制光伏板输出功率波动对三电平逆变器的中点电位稳定性以及并网电能质量造成的影响；

同时，通过控制第一电容器电压使光伏运行在最大功率跟踪模式，储能系统根据第二电容器电压参考值，产生指令符号控制蓄电池充电或放电，以维持中点电位的稳定。

所述三电平逆变器包括a相电平逆变器、b相电平逆变器和c相电平逆变器，所述a相电平逆变器、b相电平逆变器和c相电平逆变器均为由四个IGBT管组成的全桥逆变器，每个全桥逆变器的两个输入端分别连接于光伏板的两端，每个全桥逆变器的第一输出端均连接至第一电容器和第二电容器之间，每个全桥逆变器的第二输出端输出相应的相交流电压；

采用电位补偿控制方法产生驱动信号并将所述驱动信号加载到三电平逆变器上的方法包括以下步骤：

步骤S11、通过采集光伏板输出电压V_pv和输出电流I_pv，由于本例为单极式光伏拓扑，直流侧电压值V_dc等于光伏板输出电压V_pv。因此可通过MPPT算法，确定所需要的最大功率运行时的直流侧电压参考值V_dc ^*；

步骤S12、通过电压传感器，采集第一电容器的电压值V_c1、第二电容器的电压值V_c2；并通过系统设置第一电容器的电压参考值V_c1 ^*、第二电容器的电压参考值V_c2 ^*；其中，第一电容器的电压值V_c1、第二电容器的电压值V_c2分别是第一电容器和第二电容器两端的实际电压值；V_c2 ^*为储能系统的输出电压参考值，V_c1 ^*＝V_dc ^*-V_c2；

步骤S13、计算获得补偿控制比例系数G1和G2：

步骤S14、确定中点电压不平衡度α：

步骤S15、通过补偿前的载波V_x ^*以及中点电压不平衡度α得到补偿后的调制波V_x’：

当时，当时，

其中，x＝a、b或c，V_x’在x＝a、b或c时分别代表a相电平逆变器、b相电平逆变器或c相电平逆变器的补偿后的调制波；

步骤S16、将补偿后的调制波V_x’送入中央处理器进行运算后，加载到对应的全桥逆变器中的每个IGBT管上。

第一电容器的正极和第二电容器的负极分别连接于光伏板的正负输出端，第一电容器的负极和第二电容器的正极相连；所述储能系统包括蓄电池、电容、电感以及第一IGBT管和第二IGBT管，其中，所述电容并接于蓄电池的两端，所述蓄电池的正极通过电感连接至第一IGBT管的发射极，第一IGBT管的集电极连接至第一电容器的负极和第二电容器的正极之间，所述第二IGBT管的集电极连接于电感和第一IGBT管的发射极之间，第二IGBT管的发射极连接于蓄电池的负极和第二电容器的负极之间；

所述根据指令符号控制储能系统中的蓄电池充电或放电的方法是：

当第二电容器的电压值V_c2小于第二电容器的电压参考值V_c2 ^*时，通过第一PWM信号加载至第一IGBT管的门极使第一IGBT管关断，电路流过续流二极管，同时第二IGBT管发出脉冲，储能系统和第二电容器之间构成Boost电路，蓄电池放电至第二电容器；

当第二电容器的电压值V_c2大于第二电容器的电压参考值V_c2 ^*时，通过一第二PWM信号加载至第二IGBT管的门极使第二IGBT管关断，同时第一IGBT管发出脉冲，储能系统和第二电容器之间构成BUCK电路，第二电容器为蓄电池充电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法采用光储联合的三电平并网系统，可以在光照变化导致输出功率波动，以及中点电压不平衡的条件下，仍能输出对称的并网电流，抑制光伏输出功率的波动对三电平中点电位稳定性、并网电能质量的影响；通过在三电平中点电位处并联储能系统，并根据指令符号控制蓄电池充(放)电，维持中点电压的稳定；在光伏输出最大功率与电网侧功率需求不匹配时，可通过储能系统自动地控制功率流动，维持系统正常运行。该系统及控制方法能够降低成本，提高运行效率，增加功率流控制的灵活性。

附图说明

图1为光储联合的三电平并网系统主电路拓扑。

图2为采用带比例系数的中点电位补偿控制方法。

图3为光储联合的三电平并网系统控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

基于光储联合的三电平并网系统，如图1所示，是集成太阳能光伏发电与储能系统，通过单极式三电平逆变器，将新能源发电送入电网的装置。这样可降低系统成本，并提高了整个系统的效率，特别适用于中、高功率的应用场合。

在所提出的系统中，可再生能源发出最大功率输送到电网，同时允许系统根据要求控制储能系统的充、放电。所提出的系统通过控制直流侧电容电压实现光伏MPPT，并同时能够维持中点电压(指三电平逆变器的中点电位电压，也即第一电容器和第二电容器连接处的电压)的稳定。另外，直流侧的不平衡电容电压情况下，逆变器的输出仍然可以输出对称平滑的电流波形。

为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面对系统详细控制方法说明如下：

通过采用中点电位补偿控制，在非平衡电容电压状态下，可以产生对称的交流电流，此种调试方法特别适用于两个电容电压不一致的条件下。针对本例，系统包括连接在两个电容器的PV光伏系统，以及并联在中点电位的储能系统，通过采用带比例系数的中点电位补偿控制方法，降低由中点电位不平衡对并网电能质量的影响。

针对直流侧上下电容不一致情况下，采用带比例系数的中点电位补偿控制方法，控制框图如图2所示，G1和G2为补偿控制比例系数，其中

G₁和G₂用于确定该电容电压的相对误差，从而允许所选择的电容器电压的更好的控制。例如，对于传统三电平逆变器电容电压平衡状态，G₁和G₂必须具有相等的参考电压值，但在本文所提系统中，电容电压是不平衡的，G₁和G₂是不相同的，它们的值是完全依赖于电容电压的定义。比例系数G₁和G₂的选取根据系统的配置决定，同时要满足V_c1 ^*＝V_dc ^*-V_c2，从而比例系数G₁相比G₂要高很多。光储联合的三电平并网系统运行过程中，采集光伏输出电压V_pv和输出电流I_pv通过MPPT控制,确定最大功率时所需要的直流电压参考值V_dc ^*，通过控制直流侧上、下电容器(分别定义为第一电容器和第二电容器)的电压总和(V_c1+V_c2＝V_dc)，实则控制C₁电压实现MPPT运行，储能系统独立地控制下电容器(第二电容器)电压V_c2，通过蓄电池充(放)电以维持C₂电压稳定，同时调节功率流动。

从图2中也可看出，G₁是控制直流侧电压V_dc，G₂控制下电容电压V_c2，将上下组直流电容的不平衡电压V_c1、V_c2与直流电压V_dc的值定义为中点电压不平衡度：

由G₁和G₂得到带比例系数的中点电压不平衡度α，假设补偿前的载波为V_x ^*，补偿后的调制波为V_x’(x＝a,b,c，所有调制波均为相电压，例如，V_x’为V_a’时，则为a相电平逆变器补偿后的调制波，将该V_A’加载到所有a相电平逆变器的IGBT管上，同样地，V_x ^*与V_x’的含义类似，二者仅有补偿前后之分)，那么在开关周期Ts有伏秒积平衡关系得到补偿后的调制波如下

将补偿后的调制波送入CPU运算，最终产生驱动信号。

系统检测光伏阵列可传输的最大可用功率，以及电网侧的需求，得到输出有功、无功功率参考值P*和Q*，结合基于d-q轴变换的电网电压、电流值进行运算，

由推导得到

最终获得逆变器输出电流参考值，进一步通过PI控制及解耦策略得到调制波形。

逆变器产生所需的功率输送到电网，若此时光伏输出功率P_pv有冗余，系统将自动地控制蓄电池充放电，维持中点电压V_c2的稳定，此时多余功率将存储至储能系统，反之储能系统放电以补充欠缺功率，维持系统正常运行。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种光储联合的三电平并网系统控制方法，其特征在于，所述并网系统包括光伏板、储能系统、第一电容器和第二电容器以及三电平逆变器，其中，所述光伏板的输出端通过三电平逆变器输出三相交流电压至电网，所述第一电容器和第二电容器串联后并接于光伏板上，所述储能系统并联接于第二电容器上，三电平逆变器的中点连接至第一电容器和第二电容器之间；所述控制方法包括：

当并网系统并网运行时，采用电位补偿控制方法产生驱动信号并将所述驱动信号加载到三电平逆变器上，以实现三电平逆变器在中点电压不平衡条件下，仍能对称输出并网电流，并且抑制光伏板输出功率波动对三电平逆变器的中点电位稳定性以及并网电能质量造成的影响；

同时，通过控制第一电容器电压使光伏运行在最大功率跟踪模式，储能系统根据第二电容器电压参考值，产生指令符号控制蓄电池充电或放电，以维持中点电位的稳定。

2.根据权利要求1所述的光储联合的三电平并网系统控制方法，其特征在于，所述三电平逆变器包括a相电平逆变器、b相电平逆变器和c相电平逆变器，所述a相电平逆变器、b相电平逆变器和c相电平逆变器均为由四个IGBT管组成的全桥逆变器，每个全桥逆变器的两个输入端分别连接于光伏板的两端，每个全桥逆变器的第一输出端均连接至第一电容器和第二电容器之间，每个全桥逆变器的第二输出端输出相应的相交流电压；

采用电位补偿控制方法产生驱动信号并将所述驱动信号加载到三电平逆变器上的方法包括以下步骤：

步骤S11、通过采集光伏板输出电压V_pv和输出电流I_pv，由于本例为单极式光伏拓扑，直流侧电压值V_dc等于光伏板输出电压V_pv。因此可通过MPPT算法，确定所需要的最大功率运行时的直流侧电压参考值V_dc ^*；

步骤S12、通过电压传感器，采集第一电容器的电压值V_c1、第二电容器的电压值V_c2；并通过系统设置第一电容器的电压参考值V_c1 ^*、第二电容器的电压参考值V_c2 ^*；其中，第一电容器的电压值V_c1、第二电容器的电压值V_c2分别是第一电容器和第二电容器两端的实际电压值；V_c2 ^*为储能系统的输出电压参考值，V_c1 ^*＝V_dc ^*-V_c2；

步骤S13、计算获得补偿控制比例系数G1和G2：

$G1=\frac{V_{c1}^{*}-V_{c1}}{V_{c1}}=\frac{(V_{dc}^{*}-V_{c2})-(V_{dc}-V_{c2})}{V_{dc}-V_{c2}}$

$G2=\frac{V_{c2}^{*}-V_{c2}}{V_{c2}}$

步骤S14、确定中点电压不平衡度α：

$\mathrm{\α}=\frac{V_{c1}-V_{c2}}{V_{dc}}=1-2\frac{V_{c2}}{V_{dc}}=1-2\frac{G_2}{G_1}$

步骤S15、通过补偿前的载波V_x ^*以及中点电压不平衡度α得到补偿后的调制波V_x’：

当时，当时，

其中，x＝a、b或c，V_x’在x＝a、b或c时分别代表a相电平逆变器、b相电平逆变器或c相电平逆变器的补偿后的调制波；

步骤S16、将补偿后的调制波V_x’送入中央处理器进行运算后，加载到对应的全桥逆变器中的每个IGBT管上。

3.根据权利要求2所述的光储联合的三电平并网系统控制方法，其特征在于，第一电容器的正极和第二电容器的负极分别连接于光伏板的正负输出端，第一电容器的负极和第二电容器的正极相连；所述储能系统包括蓄电池、电容、电感以及第一IGBT管和第二IGBT管，其中，所述电容并接于蓄电池的两端，所述蓄电池的正极通过电感连接至第一IGBT管的发射极，第一IGBT管的集电极连接至第一电容器的负极和第二电容器的正极之间，所述第二IGBT管的集电极连接于电感和第一IGBT管的发射极之间，第二IGBT管的发射极连接于蓄电池的负极和第二电容器的负极之间；

所述根据指令符号控制储能系统中的蓄电池充电或放电的方法是：

当第二电容器的电压值V_c2小于第二电容器的电压参考值V_c2 ^*时，通过第一PWM信号加载至第一IGBT管的门极使第一IGBT管关断，电路流过续流二极管，同时第二IGBT管发出脉冲，储能系统和第二电容器之间构成Boost电路，蓄电池放电至第二电容器；

当第二电容器的电压值V_c2大于第二电容器的电压参考值V_c2 ^*时，通过第二PWM信号加载至第二IGBT管的门极使第二IGBT管关断，同时第一IGBT管发出脉冲，储能系统和第二电容器之间构成BUCK电路，第二电容器为蓄电池充电。