CN106505602A - 一种储能系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种储能系统的控制方法，适用于由光伏电池板侧DCDC模块、蓄电池侧DCDC模块和电网侧DCAC模块组成的储能系统。该系统具有离网、并网两种工作模式，可以实现对电池充放电控制。本发明对光伏电池板侧DC/DC模块采用最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制，对光伏电池板侧DC/DC模块的母线电压采用闭环控制，对电网侧DC/AC模块的交流电压采用闭环控制，对蓄电池侧DC/DC模块的母线电压采用闭环控制，对蓄电池侧DC/DC模块的蓄电池采用恒流充电控制或恒压充电控制，对电网侧DC/AC模块的电压电流采用双闭环控制。

Description

一种储能系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种储能系统的控制方法。
背景技术
近年来风能、光伏发电得到了蓬勃发展。然而这些能源随着自然条件的变化而变化，呈现间歇的特性，不能提供稳定的电力供应。因此存在大量的“弃风”、“弃光”现象，造成了资源的浪费。储能系统的发展可以很好地解决这个问题。
通过储能系统的配合，在新能源发电出力多的时候可以吸纳电能，在新能源发电出力少的时候可以向电网提供电能，起到削峰填谷的作用。储能系统还可以在电力系统调峰、电压补偿、频率调节、电能质量管理等方面发挥出重要作用，从而确保系统安全可靠运行，通过储能的方式，规避可再生能源发电间歇性特点带来的大规模并网风险，提高可再生能源的利用率。总体看来，储能技术正朝着转换高效化、能量高密度化和应用成本化发展。
目前储能系统中，蓄电池侧DC/DC模块多采用单路BUCK-BOOST变换电路，如图9所示。目前储能系统受蓄电池制约，蓄电池侧电压等级较低，通常48V为额定电压，直流测电流较大。本发明中蓄电池侧DC/DC模块采用交错BUCK-BOOST变换电路，对电池电流起到分流作用，减小了开关器件的电流应力，同时交错BUCK-BOOST变换电路开关器件的交错导通、关断，大大减小了电池电流纹波，提高了电池的电能质量。
目前储能系统中，当蓄电池充电时通常采用由光伏电池板侧DC/DC模块稳母线电压或由电网侧DC/AC模块稳母线电压两种方式。目前储能系统对母线控制的缺点在于：当光伏电池板输出能量大于负载需要能量时，光伏电池板侧DC/DC模块，需要由光伏电池板侧DC/DC最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制，切换到光伏电池板侧DC/DC稳母线电压闭环控制，这样光伏电池板就不能工作在最大功率点状态，导致光伏电池板不能最大功率发电。
发明内容
本发明的目的是克服现有储能系统控制方法电池充放电电流纹波大，光伏电池板发电利用率低的缺点，提出一种储能系统的控制方法。
应用本发明控制方法的储能系统由三个模块组成，分别为光伏电池板侧DC/DC模块、蓄电池侧DC/DC模块和电网侧DC/AC模块。三个模块在直流母线处彼此连接。该储能系统具有离网、并网两种工作模式，可以实现对蓄电池充放电控制。在离网模式下，当光伏电池板输出的功率大于负载所需功率时，该储能系统采取自适用控制，使光伏电池板多余的能量给蓄电池充电，只要电池不是充满状态，光伏电池板始终工作在最大功率点追踪(MPPT)状态下，使光伏电池板最大限度的输出能量，大大提高了光伏电池板的利用率。
本发明储能系统的控制方法有7种，分别是：对光伏电池板侧DC/DC模块采用最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制、光伏电池板侧DC/DC模块采用稳母线电压的闭环控制、电网侧DC/AC模块采用交流电压的闭环控制、蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压的闭环控制、蓄电池侧DC/DC模块采用电池的恒流充电控制、蓄电池侧DC/DC模块采用电池的恒压充电控制，以及电网侧DC/AC模块采用电压电流双闭环控制。
当光伏电池板输出功率不超过负载所需功率与电池充电功率之和时，对光伏电池板侧DC/DC模块采用最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制。当光伏电池板输出功率超过负载所需功率与电池充电功率之和时，对光伏电池板侧DC/DC模块采用稳母线电压闭环控制。当电网侧DC/AC模块工作在离网状态时，对电网侧DC/AC模块采用交流电压闭环控制。当电网侧DC/AC模块工作在离网状态，并且光伏电池板输出能量大于负载所需能量，电池充电电流未到限流值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环控制。当电池处于充电状态并且充电电流达到限流值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒流充电控制。当电池处于充电状态并且充电电压达到限压值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制。当电网侧DC/AC模块工作在并网状态时，对电网侧DC/AC模块采用电压电流双闭环控制。
本发明采用由蓄电池侧DC/DC模块稳母线电压控制方式，解决了在光伏电池板输出能量大于负载需要能量时，光伏电池板不能最大功率发电这一问题。
附图说明
图1为本发明所包含三个模块的内部电路结构图；
图2为本发明光伏电池板侧DCDC MPPT电压闭环控制环路图；
图3为本发明光伏电池板侧DCDC稳母线电压闭环控制环路图；
图4为本发明电网侧DCAC交流电压闭环控制环路图；
图5为本发明蓄电池侧DCDC母线电压闭环控制环路图；
图6为本发明蓄电池侧DCDC电池恒流充电控制环路图；
图7为本发明蓄电池侧DCDC电池恒压充电控制环路图；
图8为本发明电网侧DCAC电压电流双闭环控制环路图；
图9为目前储能系统蓄电池侧DC/DC电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
应用本发明控制方法的储能系统包括光伏电池板侧DC/DC模块、蓄电池侧DC/DC模块和电网侧DC/AC模块。三个模块在直流母线处彼此连接。光伏电池板侧DC/DC模块由BOOST升压电路组成，蓄电池侧DC/DC模块由交错BUCK-BOOST电路组成，电网侧DC/AC模块由逆变全桥组成。三个模块的内部电路结构如图1所示。
该储能系统具有离网、并网两种工作模式。
在并网状态下，本发明对光伏电池板侧DC/DC模块采用MPPT电压闭环控制，如图2所示。VinRef为MPPT算法计算出的光伏电池板输出给定电压，Vin为实际采到的光伏电池板输出电压。经过PI调节器后，光伏电池板侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，驱动光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，使光伏电池板始终工作在最大功率输出状态。本发明对电网侧DC/AC模块采用电压电流双闭环控制，如图8所示。VbusRef为母线电压给定值，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，PI调节器的输出值与实时相位结合作为电流内环的给定值Iref；Iout为电网侧反馈电流，给定电流与反馈电流经过PI调节器，PI调节器的输出加上网压前馈Ug，电网侧DC/AC模块中的控制芯片最终输出SPWM脉冲，控制电网侧DC/AC模块逆变全桥的开关器件开通或关断，实现能量的双向流动。电流内环的给定值Iref为正时，电网侧DC/AC模块工作在整流状态，给电池充电；电流内环的给定值Iref为负时，电网侧DC/AC模块工作在逆变状态，向电网输出能量。本发明对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒流充电控制，如图6所示。IbRef为电池充电给定电流值，Ib为实际采集到的电池电流，电池充电给定电流值IbRef与实际采集到的电池电流Ib的差经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，使蓄电池工作在恒流充电状态。当蓄电池电压达到上限时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制，如图7所示，VbRef为电池充电给定电压值，Vb为实际采到的电池电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，使蓄电池工作在恒压充电状态。三部分协调工作，先给蓄电池充电，蓄电池充满后正常并网运行。
在离网状态下，本发明对光伏电池板侧DC/DC模块的控制方法根据能量关系分两种：
1、光伏电池板输出能量小于或等于负载所需能量时，光伏电池板侧DC/DC模块采用MPPT电压闭环控制，如图2所示，VinRef为MPPT算法计算出的光伏电池板输出给定电压，Vin为实际采集到的光伏电池板输出电压，经过PI调节器后，输出PWM脉冲，控制光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，使光伏电池板始终工作在最大功率输出状态。
2、光伏电池板输出能量大于负载所需能量和蓄电池充电所需能量时，本发明对光伏电池板侧DC/DC模块采用稳母线电压闭环控制，如图3所示。PVBusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，光伏电池板侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压在给定值。
在离网状态时，本发明对电网侧DC/AC模块采用交流电压闭环控制，如图4所示。VacRef为交流给定电压，Vac为实际采集到的交流电压，经过PI调节器后，电网侧DC/A C模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制电网侧DC/AC模块逆变全桥的开关器件开通或关断，从而控制输出交流电压。
本发明对蓄电池侧DC/DC模块的控制分为四种方式，刚上电时，对蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环放电控制，如图5所示。BVbusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压，蓄电池放电。光伏电池板输出能量大于负载所需能量时，对蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环充电控制，如图5所示。BVbusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压并给蓄电池充电。以上两种控制方式原理相同，只是控制对象不同，控制蓄电池侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件时，电池放电，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件时，电池充电。当电池充电电流达到限流值时，本发明对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒流充电控制，如图6所示。IbRef为电池充电给定电流值，Ib为实际采集到的电池电流，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件，使蓄电池工作在恒流充电状态。当电池电压达到限压值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制，如图7所示，VbRef为电池充电给定电压值，Vb为实际采集到的电池电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，使电池工作在恒压充电状态。
本发明采用交错BUCK-BOOST变换电路的控制方式，能够有效抑制蓄电池充放电电流纹波，提高蓄电池的使用寿命。另外本发明中包括的光伏电池板侧DC/DC模块、蓄电池侧DC/DC模块、电网侧DC/AC模块都参与直流母线的控制，随着能量变化，灵活切换控制模块来稳定母线电压，提高了整个系统光伏电池板发电的利用率。

Claims (8)

1.一种储能系统的控制方法，应用本发明控制方法的储能系统包括光伏电池板侧DC/DC模块、蓄电池侧DC/DC模块和电网侧DC/AC模块；三个模块在直流母线处彼此连接；光伏电池板侧DC/DC模块由BOOST升压电路组成，蓄电池侧DC/DC模块由交错BUCK-BOOST电路组成，电网侧DC/AC模块由逆变全桥组成，其特征在于：所述的控制方法分别为：对光伏电池板侧DC/DC模块采用最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制，对光伏电池板侧DC/DC模块的母线电压采用闭环控制，对电网侧DC/AC模块的交流电压采用闭环控制，对蓄电池侧DC/DC模块的母线电压采用闭环控制，对蓄电池侧DC/DC模块的蓄电池采用恒流充电控制或恒压充电控制，对电网侧DC/AC模块的电压电流采用双闭环控制。
当光伏电池板输出功率不超过负载所需功率与电池充电功率之和时，对光伏电池板侧DC/DC模块采用最大功率点追踪(MPPT)电压闭环控制；当光伏电池板输出功率超过负载所需功率与电池充电功率之和时，对光伏电池板侧DC/DC模块采用稳母线电压闭环控制；当电网侧DC/AC模块工作在离网状态时，对电网侧DC/AC模块采用交流电压闭环控制；当电网侧DC/AC模块工作在离网状态，并且光伏电池板输出能量大于负载所需能量，电池充电电流未到限流值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环控制；当电池处于充电状态并且充电电流达到限流值时，对蓄电池侧DC/DC采用电池恒流充电控制；当电池处于充电状态并且充电电压达到限压值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制；当电网侧DC/AC模块工作在并网状态时，对电网侧DC/AC模块采用电压电流双闭环控制。
2.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在并网状态下，对所述的光伏电池板侧DC/DC模块采用MPPT电压闭环控制；VinRef为MPPT算法计算出的光伏电池板输出给定电压，Vin为实际采集到的光伏电池板输出电压，经过PI调节器后，光伏电池板侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，驱动光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，使光伏电池板始终工作在最大功率输出状态。
3.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在并网状态下，对所述的电网侧DC/AC模块采用电压电流双闭环控制；VbusRef为母线电压给定值，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，PI调节器的输出值与实时相位结合作为电流内环的给定值Iref；Iout为电网侧反馈电流，给定电流与电网侧反馈电流经过PI调节器，PI调节器的输出加上网压前馈Ug，电网侧DC/AC模块中的控制芯片最终输出SPWM脉冲，控制电网侧DC/AC模块逆变全桥的开关器件开通或关断，实现能量的双向流动；Iref为正时，电网侧DC/AC模块工作在整流状态，给电池充电，Iref为负时，电网侧DC/AC模块工作在逆变状态，向电网输出能量。
4.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在并网状态下，对所述的蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒流充电控制；IbRef为电池充电给定电流值，Ib为实际采集到的电池电流，电池充电给定电流值IbRef与实际采集到的电池电流Ib的差，经过PI调节器后，输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件，使蓄电池工作在恒流充电状态；当电池电压达到上限时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制；VbRef为电池充电给定电压值，Vb为实际采到的电池电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，使蓄电池工作在恒压充电状态。
5.按照权利要求2、3、4任一所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在并网状态下对所述的光伏电池板侧DC/DC模块、电网侧DC/AC模块及蓄电池侧DC/DC模块的控制协调工作，首先给蓄电池充电，蓄电池充满后并网运行。
6.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在离网状态下，对所述的光伏电池板侧DC/DC模块的控制方法根据能量关系分两种：
(1)光伏电池板输出能量小于或等于负载所需能量时，光伏电池板侧DC/DC模块采用MPPT电压闭环控制；VinRef为MPPT算法计算出的光伏电池板输出给定电压，Vin为实际采集到的光伏电池板输出电压，经过PI调节器后，光伏电池板侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，使光伏电池板始终工作在最大功率输出状态；
(2)光伏电池板输出能量大于负载所需能量和蓄电池充电所需能量时，对光伏电池板侧DC/DC模块采用稳母线电压闭环控制；PVBusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，光伏电池板侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制光伏电池板侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压在给定值。
7.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在离网状态下，本发明对电网侧DC/AC模块采用交流电压闭环控制；VacRef为交流给定电压，Vac为实际采集到的交流电压，经过PI调节器后，电网侧DC/AC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制电网侧DC/AC模块逆变全桥的开关器件开通或关断，从而控制输出交流电压。
8.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：在离网状态下，对所述的蓄电池侧DC/DC模块的控制方式如下：
刚上电时，蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环放电控制；BVbusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BOOST电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压，蓄电池放电；光伏电池板输出能量大于负载所需能量时，对蓄电池侧DC/DC模块采用母线电压闭环充电控制；BVbusRef为母线给定电压，Vbus为实际采到的母线电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，稳定母线电压并给蓄电池充电；当电池充电电流达到限流值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒流充电控制；IbRef为电池充电给定电流值，Ib为实际采集到的电池电流，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件，使蓄电池工作在恒流充电状态；当电池电压达到限压值时，对蓄电池侧DC/DC模块采用电池恒压充电控制；VbRef为电池充电给定电压值，Vb为实际采集到的电池电压，经过PI调节器后，蓄电池侧DC/DC模块中的控制芯片输出PWM脉冲，控制蓄电池侧DC/DC模块BUCK电路的开关器件开通或关断，使电池工作在恒压充电状态。
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