CN108599136B - 一种直流微电网光伏系统的模式切换方法 - Google Patents

一种直流微电网光伏系统的模式切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流微电网光伏系统的模式切换方法，光伏系统控制器包括光伏电池、MPPT控制器、直流母线、恒压控制器、脉宽调制器PWM和升压变换器Boost，特点是设置一个二重积分滑模控制器DISMC，通过将直流母线电压与直流上限电压的比较，在恒压控制器的输出端产生一个基于直流母线电压的电压偏移信号，利用该信号偏移光伏电池的最大功率工作电压，使之退出MPPT模式并进入恒压工作区，以替代传统光伏系统切换至恒压模式的过程，可以实现CVC模式下系统内功率的实时平衡，并稳定直流母线电压，本发明的方法不存在信号切换过程，系统的运行模式切换可通过恒压控制器偏移光伏电池的工作电压完成，从而实现光伏系统模式无缝切换。

Description

一种直流微电网光伏系统的模式切换方法
技术领域
本发明涉及一种直流微电网的光伏系统，尤其是涉及一种直流微电网光伏系统的模式切换方法。
背景技术
直流微电网作为近年来发展的一种微电网结构形式，具有低碳环保，能源利用率高等优点，相对于交流微电网而言具有诸多优势，是未来微电网发展比较理想的方案。光储直流微电网作为直流微电网的一种组成形式，主要由太阳能光伏电池、储能单元和用电负载组成。其中，光伏电池与直流-直流变换器(DC/DC)构成光伏发电系统，为微电网提供清洁能源。
图1为光储直流微电网的结构图，其组成包括光伏电池及其变换器组成的光伏系统、蓄电池和超级电容及其自身变换器组成的储能系统、各类负载以及并网逆变器。微电网运行时，总有Pload＝Pgrid+Ppv+Pes(1)，其中Pload表示本地负载的消耗功率，Pgrid表示并网逆变器输入/输出功率，Ppv表示光伏系统输出功率，Pes表示储能系统的充/放电功率。从式(1)可以看出，微电网内各单元产生能量波动都会造成系统内部的能量变化，并改变微电网稳态运行时的能量平衡关系，从而使直流母线电压发生波动。因此，需根据微电网内各系统的运行特点对直流母线电压进行协调控制。
光储直流微电网的能量管理方法如表1所示。
表1 光储直流微电网能量管理方法
微电网 光伏系统 储能系统 逆变器 母线电压
并网 MPPT 充电/停机 整流 V<sub>dc</sub>
并网 MPPT 充电/停机 逆变 V<sub>dc</sub>
离网 MPPT 放电 停机 0.95V<sub>dc</sub>
离网 MPPT 放电/充电 停机 V<sub>dc</sub>
离网 CVC 充电/停机 停机 1.05V<sub>dc</sub>
从表1可以看出，微电网可以根据并网逆变器是否工作分为并网运行和离网运行模式。在并网模式下，并网逆变器将直流母线电压稳定在参考值Vdc处，光伏系统工作在最大功率点跟踪(MPPT)模式提供最大输出，储能系统根据自身荷电状态工作在充电或者停机模式；而在离网模式下，则依靠光伏系统或储能系统对母线电压进行稳定。当微电网内光伏系统供电不足时，微电网直流母线电压将发生下降，此时光伏系统应工作在MPPT模式输出最大功率，由储能单元稳定母线电压；反之，网内能量过剩时，母线电压上升，当母线电压上升至1.05倍的Vdc时，光伏系统应工作于恒压控制(CVC)模式，减小功率输出从而稳定母线电压，并对储能系统充电。
微电网运行期间，根据微电网能量管理策略，光伏系统需要根据直流母线的电压信息，在恒压控制(CVC)模式与最大功率点跟踪(MPPT)模式间进行切换。
图2为传统光伏系统控制方法，在MPPT模式下，光伏系统是作为电流源，MPPT控制器获取光伏电池的输出电压和电流值后，得到光伏电池的给定电压参考值，并与反馈信号作比较，差值送入电压控制器并得到相应的PWM信号控制直流变换器工作。而在CVC模式下，光伏系统是作为电压源，由恒压控制器稳定变换器输出电压。可以看出，传统光伏系统MPPT控制策略以光伏电池的输出电压为控制目标，CVC控制策略以变换器输出端电压为控制目标。针对两种模式不同的控制目标，系统采用两套独立控制参数分别控制，在工作模式切换的瞬间，无法保证两套独立的闭环调节环路的输出量在切换前后一致，这势必导致在切换过程前后系统内电压和电流的突变，严重时还会出现振荡现象，威胁微电网的稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是基于光伏电池的特点，提出一种直流微电网光伏系统的模式切换方法，使光伏系统能够实现MPPT模式与CVC模式之间的无缝切换。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直流微电网光伏系统的模式切换方法，光伏系统控制器包括光伏电池、MPPT控制器、直流母线、恒压控制器、脉宽调制器PWM和升压变换器Boost，设置一个二重积分滑模控制器DISMC，将光伏电池的输出端、升压变换器Boost的第一直流输入端、MPPT控制器的输入端及二重积分滑模控制器DISMC的第一输入端并接，将升压变换器Boost的输出端、直流母线及恒压控制器的第一电压输入端并接，将MPPT控制器的输出端、恒压控制器的输出端及二重积分滑模控制器DISMC的第二输入端并接，将二重积分滑模控制器DISMC的输出端与脉宽调制器PWM的输入端连接，将脉宽调制器的输出端与升压变换器Boost的第二直流输入端连接，在恒压控制器的第二电压输入端输入直流上限电压，通过将直流母线电压与直流上限电压的比较，当恒压控制器的输出端产生一个基于直流母线电压的电压偏移信号时，利用该电压偏移信号偏移光伏电池参考电压，使光伏电池从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式，而当电压偏移信号消失时，光伏系统返回最大功率点跟踪模式。
模式切换的具体方法为：在最大功率点跟踪模式下，MPPT控制器在获取升压变换器Boost输入端光伏电池的输出电压值vpv和电流值ipv后，计算得到光伏电池的电压给定参考值vMPP，将给定参考值vMPP输入二重积分滑模控制器DISMC并与反馈信号vpv比较，得到升压变换器Boost占空比控制信号δ，再控制脉宽调制器PWM产生相应占空比脉冲信号使升压变换器Boost追踪光伏电池的最大功率点；恒压控制器获取直流母线电压vo和直流上限电压vlimit，当直流母线电压vo小于等于vlimit时，恒压控制器的输出为0，光伏系统工作在MPPT模式；当vo大于vlimit时，恒压控制器输出偏移信号vshift，作用于vMPP偏移光伏电池参考电压，使光伏电池从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过将直流母线电压与直流上限电压的比较，在恒压控制器的输出端产生一个基于直流母线电压的电压偏移信号，利用该信号偏移光伏电池的最大功率工作电压，使之退出MPPT模式并进入恒压工作区，以替代传统光伏系统切换至恒压模式的过程，可以实现CVC模式下系统内功率的实时平衡，并稳定直流母线电压。该控制方法不存在信号切换过程，系统的运行模式切换可通过恒压控制器偏移光伏电池的工作电压完成，从而实现光伏系统模式无缝切换。
附图说明
图1为光储直流微电网的结构示意图；
图2为传统的光伏系统控制方法框图；
图3为本发明的光伏系统控制方法框图；
图4为本发明恒压控制器控制方法示意图；
图5为本发明光伏系统恒压工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图3～图5所示，一种直流微电网光伏系统的模式切换方法，光伏系统控制器包括光伏电池1、MPPT控制器2、直流母线3、恒压控制器4、脉宽调制器PWM和升压变换器Boost，设置一个二重积分滑模控制器DISMC，将光伏电池1的输出端、升压变换器Boost的第一直流输入端、MPPT控制器2的输入端及二重积分滑模控制器DISM3的第一输入端并接，将升压变换器Boost的输出端、直流母线3及恒压控制器4的第一电压输入端并接，将MPPT控制器2的输出端、恒压控制器4的输出端及二重积分滑模控制器DISMC的第二输入端并接，将二重积分滑模控制器DISMC的输出端与脉宽调制器PWM的输入端连接，将脉宽调制器PWM的输出端与升压变换器Boost的第二直流输入端连接，在恒压控制器4的第二电压输入端输入直流上限电压，通过将直流母线3电压与直流上限电压的比较，当恒压控制器4的输出端产生一个基于直流母线3电压的电压偏移信号时，利用该电压偏移信号偏移光伏电池1参考电压，使光伏电池1从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式，而当电压偏移信号消失时，光伏系统返回最大功率点跟踪模式，具体方法为：在最大功率点跟踪模式下，MPPT控制器2在获取升压变换器Boost输入端光伏电池1的输出电压值vpv和电流值ipv后，计算得到光伏电池1的电压给定参考值vMPP，将给定参考值vMPP输入二重积分滑模控制器DISMC并与反馈信号vpv比较，得到升压变换器Boost占空比控制信号δ，再控制脉宽调制器PWM产生相应占空比脉冲信号使升压变换器Boost追踪光伏电池1的最大功率点；恒压控制器4获取直流母线3电压vo和直流上限电压vlimit，当直流母线3电压vo小于等于vlimit时，恒压控制器4的输出为0，光伏系统工作在MPPT模式；当vo大于vlimit时，恒压控制器4输出偏移信号vshift，作用于vMPP偏移光伏电池1参考电压，使光伏电池1从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式。

Claims (1)

1.一种直流微电网光伏系统的模式切换方法，光伏系统控制器包括光伏电池、MPPT控制器、直流母线、恒压控制器、脉宽调制器PWM和升压变换器Boost，其特征在于设置一个二重积分滑模控制器DISMC，将光伏电池的输出端、升压变换器Boost的第一直流输入端、MPPT控制器的输入端及二重积分滑模控制器DISMC的第一输入端并接，将升压变换器Boost的输出端、直流母线及恒压控制器的第一电压输入端并接，将MPPT控制器的输出端、恒压控制器的输出端及二重积分滑模控制器DISMC的第二输入端并接，将二重积分滑模控制器DISMC的输出端与脉宽调制器PWM的输入端连接，将脉宽调制器的输出端与升压变换器Boost的第二直流输入端连接，在恒压控制器的第二电压输入端输入直流上限电压，通过将直流母线电压与直流上限电压的比较，当恒压控制器的输出端产生一个基于直流母线电压的电压偏移信号时，利用该电压偏移信号偏移光伏电池参考电压，使光伏电池从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式，而当电压偏移信号消失时，光伏系统返回最大功率点跟踪模式，模式切换的具体方法为：在最大功率点跟踪模式下，MPPT控制器在获取升压变换器Boost输入端光伏电池的输出电压值vpv和电流值ipv后，计算得到光伏电池的电压给定参考值vMPP，将给定参考值vMPP输入二重积分滑模控制器DISMC并与反馈信号vpv比较，得到升压变换器Boost占空比控制信号δ，再控制脉宽调制器PWM产生相应占空比脉冲信号使升压变换器Boost追踪光伏电池的最大功率点；恒压控制器获取直流母线电压vo和直流上限电压vlimit，当直流母线电压vo小于等于vlimit时，恒压控制器的输出为0，光伏系统工作在MPPT模式；当vo大于vlimit时，恒压控制器输出偏移信号vshift，作用于vMPP偏移光伏电池参考电压，使光伏电池从最大功率工作点退出向恒压工作区过渡，光伏系统从最大功率跟踪模式切换到恒压控制模式。
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Assignee: ZHEJIANG HUAGANG ELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: ZHEJIANG INTERNATIONAL MARITIME College

Contract record no.: X2023980043365

Denomination of invention: A Mode Switching Method for DC Microgrid Photovoltaic Systems

Granted publication date: 20201009

License type: Common License

Record date: 20231017