CN107611960A - 一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统 - Google Patents

一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统 Download PDF

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陈苏声
杨雪蛟
王婷婷
刘邓
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Abstract

本发明公开了一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，它包括输入级和输出级，输入级用于提供电源，输出级用于对单向电网或负载输出电能，输入级与输出级之间设有隔直电容，输出级和单向电网之间串联设有控制开关，输入级包括光伏组件和锂电池组件；本发明的积极进步效果在于：系统各微电源之间便于协调控制，通过控制直流母线电压即可实现电源和负荷之间的功率平衡；各变换器独立工作，无需相互通讯，整个系统和公共电网隔离，隔离公共电网的扰动，将整个系统作为整体对公共电网提供一定的动态支撑；公共变换器代替独立变换器，提高变换器利用率，减少电力电子器件数量，降低成本。

Description

一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统
技术领域
本发明涉及电源能量管理，具体的说是一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统。
背景技术
微网是电网的一种形式，主要由分布式发电单元，储能单元及本地负载组合在一起构成。其作为一个整体，可独立运行亦可与公共电网相连接进而并网运行。传统微网研究主要集中在交流微网系统，便于同传统交流电力系统相适应。近年来直流技术得到快速发展，由于直流系统不存在相位、谐波、无功等的诸多特点且诸多新能源发电储能单元具有直流输出特性，故直流微网系统的研究备受关注。现有分布式电源能量管理系统在相位匹配、谐波治理、无功补偿等方面存在诸多不足。
发明内容
基于上述问题，本发明实施公开了一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，降低控制难度，简化系统结构，提高系统效率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，它包括
输入级，用于提供电源；输出级，用于对单向电网或负载输出电能；
位于输入级与输出级之间的隔直电容；
串联于输出级和单向电网之间的控制开关，用于切换输出级对单向电网或负载输出；
其中，输入级包括
光伏组件，用于将太阳能转化为电能；锂电池组件，用于在光伏组件发电量盈余或不足时实现功率平衡；
光伏侧升压斩波器，与光伏组件输出端相连且连接至隔直电容；
电池侧升降压斩波器，与锂电池组件输出端相连且连接至隔直电容；
其中，输出级为公共全桥变换器。
进一步地，所述输入级的连接方式为：所述光伏组件和光伏侧升压斩波器串联，所述锂电池组件和电池侧升降压斩波器串联，所述光伏组件和光伏侧升压斩波器构成的整体与锂电池组件和电池侧升降压斩波器构成的整体并联。
进一步地，所述光伏侧升压斩波器包括第一输入电容、第一电感、第一开关管以及第一二极管，所述光伏组件连接至第一电感的输入端，所述第一输入电容与第一电感并联，所述第一输入电容用于隔离直流电，所述第一电感的输出端连接至第一开关管的集电极以及第一二极管的正极，所述第一二极管用于在第一开关管导通时防止隔直电容对地放电。
进一步地，所述电池侧升降压斩波器包括第二输入电容、第二电感、第二开关管以及第三开关管，所述锂电池组件连接至第二输入电容的输入端，所述第二输入电容与第二电感并联，所述第二输入电容用于隔离直流电，所述第一电感的输出端连接至第二开关管的发射极以及第三开关管的集电极。
进一步地，所述输出级包括第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第三电感以及第四电感，所述第四开关管的集电极与第五开关管的集电极相连，所述第六开关管的发射极与第七开关管的发射极相连，所述第四开关管的发射极与第六开关管的集电极共同连接至第三电感的输入端，所述第五开关管的发射极与第七开关管的集电极共同连接至第四电感的输入端，所述第三电感与第四电感的输出端之间设有输出电容，所述输出电容的两端连接至负载的两极或单向电网的两极。
进一步地，所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管的发射极与集电极之间均设有续流二极管，所述续流二极管的正极均与发射极相连，所述续流二极管用以保证当开关管的负载为感性时，避免开关管被瞬时高压击穿。
本发明的积极进步效果在于：系统不存在频率和功角稳定性、无功补偿等问题，各个微电源之间便于协调控制，通过控制直流母线电压即可实现电源和负荷之间的功率平衡；各个变换器独立工作，无需相互通讯，简化控制系统结构，网侧变换器将整个系统和公共电网隔离开来，既可以隔离公共电网的扰动，又可将整个系统作为整体对公共电网提供一定的动态支撑；在直流微网中采用公共变换器代替独立变换器，提高变换器利用率，减少电力电子器件数量，降低成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中光伏侧升压斩波器的等效电路图；
图3为本发明中电池侧升降压斩波器在升压斩波状态下的等效电路图；
图4为本发明中电池侧升降压斩波器在降压斩波状态下的等效电路图；
图5为本发明中全桥变流器的等效电路。
附图标记
1输入级； 2光伏组件； 3光伏侧升压斩波器； 4 第一输入电容； 5第一电感；
6第一开关管； 7第一二极管； 8锂电池组件； 9电池侧升降压斩波器；
10第二输入电容； 11第二电感； 12第二开关管； 13第三开关管；
14隔直电容； 15输出级； 16第四开关管； 17第五开关管； 18第六开关管；
19第七开关管； 20第三电感； 21第四电感； 22输出电容； 23续流二极管；
24控制开关； 25负载； 26单向电网。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
本发明旨在提供一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，它包括输入级1和输出级15，输入级1用于提供电源，输出级15用于对单向电网26或负载25输出电能，输入级1与输出级15之间设有隔直电容14，输出级15和单向电网26之间串联设有控制开关24，控制开关24用于切换输出级15对单向电网26或负载25输出；输入级1包括光伏组件2和锂电池组件8，光伏组件2用于将太阳能转化为电能，锂电池组件8用于在光伏组件2发电量盈余或不足时供电实现功率平衡。
所述光伏组件2后级设有光伏侧升压斩波器3，所述光伏侧升压斩波器3连接至隔直电容14；所述锂电池组件8后级设有电池侧升降压斩波器9，所述电池侧升降压斩波器9连接至隔直电容14。
所述输入级1的连接方式为：所述光伏组件2和光伏侧升压斩波器3串联，所述锂电池组件8和电池侧升降压斩波器9串联，所述光伏组件2和光伏侧升压斩波器3构成的整体与锂电池组件8和电池侧升降压斩波器9构成的整体并联。
如图1 所示，光伏组件2通过单向DC/DC电路（升压斩波器）连接至公共直流母线，锂电池单元通过双向DC/DC电路（升降压斩波器）连接至公共直流母线上，直流母线通过公共全桥变换器输出稳定交流电给负载25供电或通过闭合控制开关24将电能并入单相电网。从系统结构图可以看出，三组变换器都同公共直流母线相连接，因而形成一个小功率直流微网。
根据光伏组件2输出能量优先满足用户负载使用的原则，确定系统中三个电源的供电优先级依次为：光伏组件2、锂电池组件8、单向电网26。光伏组件2输出功率优先满足用户负载的需求；在光伏发电量盈余或者不足的情形下，由锂电池来实现功率平衡；当光伏组件2和锂电池组件8都达到限制条件后，由单向电网26作为支撑保障用户电力需求，通过控制开关24可以切换系统工作在并网运行或是孤岛运行模式。
所述光伏侧升压斩波器3包括第一输入电容4、第一电感5、第一开关管6以及第一二极管7，所述光伏组件2连接至第一电感5的输入端，所述第一输入电容4与第一电感5并联，所述第一输入电容4用于隔离直流电，所述第一电感5的输出端连接至第一开关管6的集电极以及第一二极管7的正极，所述第一二极管7用于在第一开关管6导通时防止隔直电容14对地放电。
光伏侧升压斩波器3的等效电路如图2所示，光伏发电受辐射、温度、光照等因素的影响，太阳能电池输出电压会有很大的波动，光伏侧升压斩波器3将光伏组件2的输出电压变成系统所需的直流母线电压，光伏组件2相对于升压斩波器器可视为电压源，连接至直流母线的其他部分相当于负载R。当第一开关管6导通时，通过第一电感5的电流为iL，由于隔直电容14很大，负载R的端电压维持直流电压Vdc，此时电感L1上的电能为VPV·iL·ton，ton为第一开关管6的导通时间，VPV为光伏电路出口的电压；当第一开关管6关断时，电源和第一电感5为负载供电，此时第一电感5释放的能量为（Vdc-VPV）·iL·toff，toff为第一开关管6的关断时间，当电路处于稳态后，单一周期内第一电上积蓄的能量与释放的能量相同。
所述电池侧升降压斩波器9包括第二输入电容10、第二电感11、第二开关管12以及第三开关管13，所述锂电池组件8连接至第二输入电容10的输入端，所述第二输入电容10与第二电感11并联，所述第二输入电容10用于隔离直流电，所述第一电感5的输出端连接至第二开关管12的发射极以及第三开关管13的集电极。
升降压斩波器可以工作在升压斩波模式和降压斩波模式，其工作在降压斩波模式时，控制低压侧电压；当其工作在升压斩波模式时，控制高压侧电压。
当升降压斩波器工作在升压斩波模式时，此时锂电池放电维持直流母线电压稳定。功率流向是从锂电池向直流母线流动。其等效电路如图3所示，锂电池相当于电压源Vbat，直流母线之后部分由电阻R代替。第二开关管12的脉冲信号封锁，单独控制开关24第三开关管13。这时升降压斩波电路工作与单向升压斩波电路相同。在第三开关管13导通时，第二电感11积蓄能量；第三开关管13断开时，第二电感11释放能量。
当升降压斩波器工作在降压斩波模式时，此时主要为锂电池充电，功率流向是从直流母线端向锂电池流动。直流母线相当于电压源Vdc，锂电池相当于负载，由理想电压源Vbat和电阻R0串联表示，电阻R0为锂电池内阻。第三开关管13闭锁，只控制第二开关管12，此时其等效电路如图4所示，在第二开关管12导通时，第二电感11积蓄能量；第二开关管12断开时，第二电感11释放能量。
所述输出级15为公共全桥变换器，它包括第四开关管16、第五开关管17、第六开关管18、第七开关管19、第三电感20以及第四电感21，所述第四开关管16的集电极与第五开关管17的集电极相连，所述第六开关管18的发射极与第七开关管19的发射极相连，所述第四开关管16的发射极与第六开关管18的集电极共同连接至第三电感20的输入端，所述第五开关管17的发射极与第七开关管19的集电极共同连接至第四电感21的输入端，所述第三电感20与第四电感21的输出端之间设有输出电容22，所述输出电容22的两端连接至负载25的两极或单向电网26的两极。
所述第三电感20和第四电感21串联接在全桥变换器的输出端以阻止电磁干扰向外发射，输出电容22将全桥变换器回路接地，防止高频自激。
所述第二开关管12、第三开关管13、第四开关管16、第五开关管17、第六开关管18和第七开关管19的发射极与集电极之间均设有续流二极管23，所述续流二极管23的正极均与发射极相连，所述续流二极管23用以保证当开关管的负载为感性时，避免开关管被瞬时高压击穿。
全桥变换器的等效电路如图5所示，前级的直流母线可视为电压源Vdc。全桥变换器共有4个桥臂，每个桥臂由1个可控开关器件和1个反并联二极管构成，上下两个桥臂构成一个半桥电路，同一半桥上的两个桥臂各导通180°，2个半桥电路组成一个全桥逆变整流电路。全桥变换器因控制方法不同，可工作在逆变模式或是整流模式，由于系统采用双极性SPWM调制方式，故在任意时刻开关管第四开关管16和第七开关管19始终同步动作，第五开关管17和第六开关管18始终同步动作，第四开关管16和第六开关管18互补导通。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，它包括
输入级，用于提供电源；输出级，用于对单向电网或负载输出电能；
位于输入级与输出级之间的隔直电容；
串联于输出级和单向电网之间的控制开关，用于切换输出级对单向电网或负载输出；
其中，输入级包括
光伏组件，用于将太阳能转化为电能；锂电池组件，用于在光伏组件发电量盈余或不足时实现功率平衡；
光伏侧升压斩波器，与光伏组件输出端相连且连接至隔直电容；
电池侧升降压斩波器，与锂电池组件输出端相连且连接至隔直电容；
其中，输出级为公共全桥变换器。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，所述输入级的连接方式为：所述光伏组件和光伏侧升压斩波器串联，所述锂电池组件和电池侧升降压斩波器串联，所述光伏组件和光伏侧升压斩波器构成的整体与锂电池组件和电池侧升降压斩波器构成的整体并联。
3.根据权利要求2所述的一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，所述光伏侧升压斩波器包括第一输入电容、第一电感、第一开关管以及第一二极管，所述光伏组件连接至第一电感的输入端，所述第一输入电容与第一电感并联，所述第一输入电容用于隔离直流电，所述第一电感的输出端连接至第一开关管的集电极以及第一二极管的正极，所述第一二极管用于在第一开关管导通时防止隔直电容对地放电。
4.根据权利要求2所述的一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，所述电池侧升降压斩波器包括第二输入电容、第二电感、第二开关管以及第三开关管，所述锂电池组件连接至第二输入电容的输入端，所述第二输入电容与第二电感并联，所述第二输入电容用于隔离直流电，所述第一电感的输出端连接至第二开关管的发射极以及第三开关管的集电极。
5.根据权利要求4所述的一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，所述输出级包括第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第三电感以及第四电感，所述第四开关管的集电极与第五开关管的集电极相连，所述第六开关管的发射极与第七开关管的发射极相连，所述第四开关管的发射极与第六开关管的集电极共同连接至第三电感的输入端，所述第五开关管的发射极与第七开关管的集电极共同连接至第四电感的输入端，所述第三电感与第四电感的输出端之间设有输出电容，所述输出电容的两端连接至负载的两极或单向电网的两极。
6.根据权利要求5所述的一种基于直流微网技术的分布式电源能量管理系统，其特征在于，所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管的发射极与集电极之间均设有续流二极管，所述续流二极管的正极均与发射极相连，所述续流二极管用以保证当开关管的负载为感性时，避免开关管被瞬时高压击穿。
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