CN107171359A - 一种含储能的t型三电平光伏逆变系统及控制策略 - Google Patents
一种含储能的t型三电平光伏逆变系统及控制策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及新能源发电技术领域，具体地说，是一种含储能的T型三电平光伏逆变系统及控制策略，光伏板经Boost电路升压后与直流母线相连接，储能电池经双向Buck‑Boost变流器连接直流母线，三相T型三电平并网逆变器的直流侧与直流母线连接，交流侧经网侧LCL滤波器后与三相交流电网相连，通过三相T型三电平并网逆变器控制策略稳定并网电压，通过储能双向Buck‑boost变流器控制策略对储能系统进行充放电控制，通过系统功率状态在线智能判断单元，实时监测光伏系统和储能系统的功率状态，经智能判断单元确定系统所处的运行工况。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体地说，是一种含储能的T型三电平光伏逆变系统及控制策略。
背景技术
目前，光伏发电成为当前新能源发电的重要研究方向。然而，由于外界环境的影响，光伏出力会有波动性和随机性，这往往不能满足上级电网功率调度的需求。为了减小光伏系统出力的波动性和随机性对电网的冲击，则需要引入储能系统。储能系统能够对光伏出力的波动进行平抑，实现削峰填谷的功能，以满足并网需求。
T型三电平逆变器具有器件数目少、损耗低、输出波形好、效率高的优点，在光储联合运行系统中若得到运用，则会显著提高整个系统的效率。同时，如何做好整个系统控制策略的设计，运用合理的能量管理策略，以维持并网电压的稳定、改善电网的电能质量、满足上级电网调度需求，这些是当前必须要解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种含储能的T型三电平逆变系统及控制策略，该系统分为光伏系统、储能系统、逆变系统三大部分，并通过对整个系统控制策略的实现，维持了并网电压的稳定，实现了逆变器在单位功率因数下的可靠运行，满足了上级电网功率调度的需求，改善了电网的电能质量，增强了电网对新能源的吸纳能力。
本发明披露的一种含储能的T型三电平逆变系统采用的具体技术方案如下：
一种含储能的T型三电平逆变系统及控制策略，系统整体包括三大系统：光伏系统、储能系统、逆变系统；其中，光伏系统中，光伏板经Boost电路升压后与直流母线相连接，储能系统中，储能电池经双向Buck-Boost变流器连接直流母线，逆变系统中，三相T型三电平并网逆变器的直流侧与直流母线连接，交流侧经网侧LCL滤波器后与三相交流电网相连。
根据光伏系统的出力情况、储能系统储能电池的充电状态、三相T型三电平并网逆变器并网点电压的波动情况和并网功率需求，分别通过三相T型三电平并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变；通过储能双向Buck-boost变流器控制策略对储能系统进行充放电控制以维持并网功率需求。
本发明的进一步改进，光伏系统由光伏板和Boost变换器组成，其中，光伏板经Boost变换器升压后与直流母线相连接；储能系统由储能电池和双向Buck-Boost变换器组成，其中储能电池经双向Buck-Boost变换器与直流母线相连接；逆变系统由三相T型三电平逆变器和滤波器组成，其中逆变器的每一桥臂由四个IGBT功率管组成T字形结构，Sa1、Sa2、Sa3、Sa4为一组桥臂，Sb1、Sb2、Sb3、Sb4为一组桥臂，Sc1、Sc2、Sc3、Sc4为一组桥臂；滤波器采用LCL滤波电路，L1、L2分别为滤波电感，Cd为滤波电容，电网由三个模拟电源ega、egb、egc组成，以模拟并网过程。
本发明披露的三相T型三电平并网逆变器控制策略具体为：
由于电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，从而逆变器并网后的输出电压会被电网钳位，因此对于本系统，三相T型三电平逆变器的并网控制策略只需要考虑电流内环。
采用一种引入电压前馈分量的基于电网电压定向的单电流环控制方法，其中利用了同步矢量电流PI控制技术对三相T型三电平并网逆变系统进行控制。
三相T型三电平光伏并网逆变器的控制目标是稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变，即能够可靠稳定地将光伏系统的能量和储能系统的能量输送至电网，设定并网逆变系统给定的功率参考值为P*和Q*，为了使系统单位功率因素运行，令Q*＝0，即令无功电流i* q。由所设定的有功功率P*计算得有功电流i* d作为有功电流环的给定值，通过对其的控制，以实现对整个系统有功功率流动的控制。
首先对整个系统进行数学建模分析，先建立三相T型三电平逆变系统在abc三相静止坐标系下的数学模型，再通过派克变换，建立系统在两相同步旋转坐标系(d-q)下的数学模型。
接着采用电网电压前馈解耦的控制方法，其电流环引入PI调节器，即利用同步矢量电流PI控制技术，根据瞬时功率理论，使得对系统有功功率和无功功率的控制只需要控制其输出电流的d，q轴分量，即id、iq。
然后对逆变器侧的实时电压和实时并网电流进行采样，采样后的电流经派克变换后变为d，q轴分量id、iq，这两个分量即为PI控制的输入量，再将这两个分量id、iq与给定的有功电流i* d和无功电流i* q进行差值计算，所得到的误差信号分别送入PI调节器，经PI调节后的信号再分别与耦合量ωLiq、ωLid进行差值比较，最后再分别与经派克变换后的三相电网电压egd、egq进行差值比较，随后将得到的信号Ud、Uq再经派克反变换后，引入电压前馈解耦控制，最终输出SPWM驱动信号，驱动a，b，c三相12个IGBT功率管。并且利用锁相技术(PLL)，将三相电网电压进行锁相，使得逆变器的输出电流相位可以和电网电压相位保持同步。通过并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变。
进一步地，为了维持光伏并网功率的稳定，采用一种用于满足上级电网功率的调度需求，可以保证光伏并网功率稳定的储能变流器控制策略。储能变流器的控制方式是通过控制电感电流的大小和方向，以调整储能变流器的能流方向，完成充放电过程。设定上级调度所需求的并网功率为Pset，光伏系统的实时出力为Ppv，控制方法是当光伏系统出力不足以满足并网功率需求，即当Ppv<Pset时，储能变流器释放能量至光伏并网点，维持并网功率稳定；当光伏系统出力大于并网功率需求，即当Ppv>Pset时，光伏系统既向并网点输送所需功率，保证并网功率的稳定，又向储能变流器送电，储存多余的电能。
储能变流器采用的控制方式为单电流环控制，其中光伏系统的实时出力Ppv可通过对光伏系统的输出电压Upv和输出电流Ipv进行实时采样获得。上级调度所需求的并网功率Pset与光伏系统实时出力Ppv进行做差，得到的功率差值即为储能系统给定的参考功率值，即Pbat＝Pset－Ppv，将其除以储能电池两端的电压即可得电感电流的参考值iL *，将实际采样的电感电流iL与此参考电感电流iL *进行比较，得到的误差值经过PI调节后通过限幅得到调制波信号，然后将调制波与三角载波进行比较可得到两路PWM信号，输送给上下桥臂的IGBT功率管。通过储能系统的控制策略，使得储能系统能够对光伏系统出力波动进行平抑，实现削峰填谷功能，从而维持了并网功率的稳定，满足了上级电网的调度需求。
本发明的有益效果：在光伏系统出力易受外界环境影响的情况下，通过储能变流器的控制策略，控制储能电池的充放电以平抑光伏出力的波动性，保证并网功率的稳定，满足上级电网调度需求。不仅如此，通过对三相T型三电平逆变器采用引入电压前馈分量的电网电压定向单电流环控制方式，可以消除耦合量和扰动量对系统控制的影响，保证并网输出电压的稳定性，使得逆变器能够在单位功率因数下实现可靠逆变，即能够可靠稳定地将光伏系统的能量和储能系统的能量输送至电网。
附图说明
图1是本发明提供的一种含储能的T型三电平逆变系统结构示意图。
图2是本发明所述基于电网电压定向控制的三相T型三电平逆变器整体控制框图。
图3是本发明所述储能变流器的控制策略框图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1所示，一种含储能的T型三电平逆变系统及控制策略，系统整体包括三大系统：光伏系统、储能系统、逆变系统。其中，光伏系统中，光伏板经Boost电路升压后与直流母线相连接；储能系统中，储能电池经双向Buck-Boost变流器连接直流母线；逆变系统中，三相T型三电平并网逆变器的直流侧与直流母线连接，交流侧经网侧LCL滤波器后与三相交流电网相连。根据光伏系统的出力情况、储能系统储能电池的充电状态、三相T型三电平并网逆变器并网点电压的波动情况和并网功率需求，分别通过三相T型三电平并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变；通过储能双向Buck-boost变流器控制策略对储能系统进行充放电控制以维持并网功率需求。
三相T型三电平并网逆变器控制策略具体为：
如图2所示，采用一种引入电压前馈分量的基于电网电压定向的单电流环控制方法，其中利用了同步矢量电流PI控制技术对三相T型三电平并网逆变系统进行控制。
三相T型三电平光伏并网逆变器的控制目标是稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变，即能够可靠稳定地将光伏系统的能量和储能系统的能量输送至电网。设定并网逆变系统给定的功率参考值为P*和Q*，为了使系统单位功率因素运行，令Q*＝0，即令无功电流i* q。由所设定的有功功率P*计算得有功电流i* d作为有功电流环的给定值，通过对其的控制，以实现对整个系统有功功率流动的控制。
首先对整个系统进行数学建模分析，先建立三相T型三电平逆变系统在abc三相静止坐标系下的数学模型，再通过派克变换，建立系统在两相同步旋转坐标系(d-q)下的数学模型。
三相T型三电平逆变系统在dq坐标系下的电压方程为
接着采用电网电压前馈解耦的控制方法，其电流环引入PI调节器，即利用同步矢量电流PI控制技术，根据瞬时功率理论，使得对系统有功功率和无功功率的控制只需要控制其输出电流的d，q轴分量，即id、iq。
由瞬时功率理论，得到瞬时有功功率P、无功功率Q分别为
然后对逆变器侧的实时电压和实时并网电流进行采样，采样后的电流经派克变换后变为d，q轴分量id、iq，这两个分量即为PI控制的输入量，再将这两个分量id、iq与给定的有功电流i* d和无功电流i* q进行差值计算，所得到的误差信号分别送入PI调节器，经PI调节后的信号再分别与耦合量ωLiq、ωLid进行差值比较，最后再分别与经派克变换后的三相电网电压egd、egq进行差值比较，随后将得到的信号Ud、Uq再经派克反变换后，引入电压前馈解耦控制，最终输出SPWM驱动信号，驱动a，b，c三相12个IGBT功率管。并且利用锁相技术(PLL)，将三相电网电压进行锁相，使得逆变器的输出电流相位可以和电网电压相位保持同步。通过并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变。
储能系统的控制策略具体为：如图3所示，为了维持光伏并网功率的稳定，采用一种用于满足上级电网功率的调度需求，可以保证光伏并网功率稳定的储能变流器控制策略。储能变流器的控制方式是通过控制电感电流的大小和方向，以调整储能变流器的能流方向，完成充放电过程。设定上级调度所需求的并网功率为Pset，光伏系统的实时出力为Ppv，控制方法是当光伏系统出力不足以满足并网功率需求，即当Ppv<Pset时，储能变流器释放能量至光伏并网点，维持并网功率稳定；当光伏系统出力大于并网功率需求，即当Ppv>Pset时，光伏系统既向并网点输送所需功率，保证并网功率的稳定，又向储能变流器送电，储存多余的电能。
储能变流器采用的控制方式为单电流环控制，其中光伏系统的实时出力Ppv可通过对光伏系统的输出电压Upv和输出电流Ipv进行实时采样获得。上级调度所需求的并网功率Pset与光伏系统实时出力Ppv进行做差，得到的功率差值即为储能系统给定的参考功率值，即Pbat＝Pset－Ppv，将其除以储能电池两端的电压即可得电感电流的参考值iL *，将实际采样的电感电流iL与此参考电感电流iL *进行比较，得到的误差值经过PI调节后通过限幅得到调制波信号，然后将调制波与三角载波进行比较可得到两路PWM信号，输送给上下桥臂的IGBT功率管。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种含储能的T型三电平逆变系统，其特征在于，该系统整体包括三大系统：光伏系统、储能系统、逆变系统；其中，光伏系统中，光伏板经Boost电路升压后与直流母线相连接，储能系统中，储能电池经双向Buck-Boost变流器连接直流母线，逆变系统中，三相T型三电平并网逆变器的直流侧与直流母线连接，交流侧经网侧LCL滤波器后与三相交流电网相连。
2.根据权利要求1所述的含储能的T型三电平逆变系统，其特征在于，该系统通过三相T型三电平并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变；通过储能双向Buck-boost变流器控制策略对储能系统进行充放电控制以维持并网功率需求。
3.一种含储能的T型三电平逆变控制策略，其特征在于，采用一种引入电压前馈分量的基于电网电压定向的单电流环控制方法，其中利用了同步矢量电流PI控制技术对三相T型三电平并网逆变系统进行控制，设定并网逆变系统给定的功率参考值为P*和Q*，令Q*＝0，即令无功电流i*q，由所设定的有功功率P*计算得有功电流i*d作为有功电流环的给定值，通过对其的控制，以实现对整个系统有功功率流动的控制。
4.根据权利要求3所述的含储能的T型三电平逆变控制策略，其特征在于，首先对整个系统进行数学建模分析，先建立三相T型三电平逆变系统在abc三相静止坐标系下的数学模型，再通过派克变换，建立系统在两相同步旋转坐标系(d-q)下的数学模型，三相T型三电平逆变系统在dq坐标系下的电压方程为
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接着采用电网电压前馈解耦的控制方法，其电流环引入PI调节器，即利用同步矢量电流PI控制技术，根据瞬时功率理论，使得对系统有功功率和无功功率的控制只需要控制其输出电流的d，q轴分量，即id、iq，由瞬时功率理论，得到瞬时有功功率P、无功功率Q分别为
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然后对逆变器侧的实时电压和实时并网电流进行采样，采样后的电流经派克变换后变为d，q轴分量id、iq，这两个分量即为PI控制的输入量，再将这两个分量id、iq与给定的有功电流i*d和无功电流i*q进行差值计算，所得到的误差信号分别送入PI调节器，经PI调节后的信号再分别与耦合量ωLiq、ωLid进行差值比较，最后再分别与经派克变换后的三相电网电压egd、egq进行差值比较，随后将得到的信号Ud、Uq再经派克反变换后，引入电压前馈解耦控制，最终输出SPWM驱动信号，驱动a，b，c三相12个IGBT功率管，利用锁相技术(PLL)，将三相电网电压进行锁相，使得逆变器的输出电流相位可以和电网电压相位保持同步，通过并网逆变器控制策略稳定并网电压，使得逆变器在单位功率因数下实现可靠逆变。
5.根据权利要求4所述的含储能的T型三电平逆变控制策略，其特征在于，设定上级调度所需求的并网功率为Pset，光伏系统的实时出力为Ppv，控制方法是当光伏系统出力不足以满足并网功率需求，即当Ppv<Pset时，储能变流器释放能量至光伏并网点，维持并网功率稳定；当光伏系统出力大于并网功率需求，即当Ppv>Pset时，光伏系统既向并网点输送所需功率，保证并网功率的稳定，又向储能变流器送电，储存多余的电能。
6.根据权利要求5所述的含储能的T型三电平逆变控制策略，其特征在于，储能变流器采用的控制方式为单电流环控制，其中光伏系统的实时出力Ppv可通过对光伏系统的输出电压Upv和输出电流Ipv进行实时采样获得，上级调度所需求的并网功率Pset与光伏系统实时出力Ppv进行做差，得到的功率差值即为储能系统给定的参考功率值，即Pbat＝Pset－Ppv，将其除以储能电池两端的电压即可得电感电流的参考值iL*，将实际采样的电感电流iL与此参考电感电流iL*进行比较，得到的误差值经过PI调节后通过限幅得到调制波信号，然后将调制波与三角载波进行比较可得到两路PWM信号，输送给上下桥臂的IGBT功率管。
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