CN109301866A - 一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，包括光伏发电系统、PWM整流模块、电池智能充放电模块；所述PWM整流模块、电池智能充放电模块分别连接直流母线；所述光伏发电系统包括光伏电池阵列、Z‑Source变换器，所述光伏电池阵列连接Z‑Source变换器，所述直流母线连接DC/AC逆变器，DC/AC逆变器连接电网；所述直流母线连接能量储存单元，能量储存单元连接直流负载。本发明系统选取了单级式光伏发电的系统结构和光伏电源直接供电的接线方式，在光伏发电系统DC／DC变换器上采用了新型的Z‑Source变换器，在光伏阵列MPPT控制上采取了基于系统输出电流的控制策略，具有升压效率高，输出电压稳定等特性，在电动汽车换电站的应用中具有传统光伏发电接入系统无法比拟的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统。
背景技术
日益凸显的石油供需矛盾和大气污染问题迫使传统动力汽车向新能源汽车转型，而电动汽车作为新能源汽车的代表，已被公认为21世纪汽车工业发展的主要方向。作为电动汽车的能量补给站，电动汽车换电站的建设必不可少。如何将光伏发电与电动汽车换电站有机结合，实现新能源系统的接入，对电动汽车电池进行充电，亦是当前的一个研究热点。
光伏发电作为当今世晁可再生能源领域中最清洁、最直接、最有大规模开发利用前景的发电方式之一，是实现向用户提供“绿色电力"，实现我国“节能减排"目标的重要举措。作为电动汽车的能量补给站，电动汽车换电站建设是电动汽车发展的必要保证，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。
从能源的利用角度上考虑，光伏发电站的建设可以与电动汽车换电站结合起来，由于电动汽车换电站拥有大容量的储能系统，在阳光充足的区域(如我国西北地区)换电站的屋顶安装光伏发电系统，储能电站把光伏所产生的电能储存下来，让清洁的“绿色电能”随用电的实际需求适时、适量地输出。光伏发电系统产生的电能可直接对电动汽车电池进行充电，同时也可将其富余电能存储在换电站储能电池中，再通过逆变器逆变成交流后并入电网。由于是对储能电池的电能进行逆变，其电能比较稳定，避免了光照、温度等外界因素的影响。因此，应用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统的研究具有很高的实用价值，能够对新能源进行综合有效利用，实现真正意义上的节能减排。
发明内容
本发明以实现电动汽车换电站中光伏发电系统的有效接入为目标，在总结和分析现有光伏发电系统的基础上，结合电动汽车换电站的实际结构，针对性的提出了一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统,该系统选取了单级式光伏发电的系统结构和光伏电源直接供电的接线方式，在光伏发电系统DC/DC变换器上采用了新型的Z-Source变换器，在光伏阵列MPPT控制上采取了基于系统输出电流的控制策略，具有升压效率高，输出电压稳定等特性，在电动汽车换电站的应用中具有传统光伏发电接入系统无法比拟的优势。
本发明采取的技术方案为：
一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，包括光伏发电系统、PWM整流模块、电池智能充放电模块；所述PWM整流模块、电池智能充放电模块分别连接直流母线；
所述光伏发电系统包括光伏电池阵列、Z-Source变换器，所述光伏电池阵列连接Z-Source变换器，Z-Source变换器第一输出端连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接电容C3一端、直流母线“+”极，Z-Source变换器第二输出端分别连接电容C3另一端、直流母线“-”极；
所述直流母线连接DC/AC逆变器，DC/AC逆变器连接电网；
所述直流母线连接能量储存单元，能量储存单元连接直流负载。
所述Z-Source变换器包括二极管D、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、开关管Q；
二极管D阳极连接光伏电池阵列一端，二极管D阴极分别连接电容C1一端、电感L1一端，
电容C1另一端分别连接电感L2另一端、开关管Q源极，
电感L2一端分别连接光伏电池阵列另一端、电容C2一端，
电容C2另一端分别连接电感L1另一端、开关管Q漏极，
开关管Q栅极连接驱动电路，驱动电路连接MPPT控制器，MPPT控制器连接直流母线。
所述能量储存单元采用蓄电池组。
所述PWM整流模块采用电压型PWM整流器VSR。
本发明一种用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，技术效果如下：
1：本发明光伏发电接入系统的主结构选取光伏电源直接供电的接线方式，具有升压效率高，输出电压稳定等特性。
2：本发明在光伏发电系统的主结构上采用了一种新型的Z-Source变换器，该变换器在占空比小于0.5的情况下，就能达到很高的升压要求，升压性能良好，适用于升压要求较高的场合。特别适用于诸如电动汽车换电站接入系统等升压要求较高的场合，在电动汽车换电站接入系统的应用中具有其独特优势。
3：PWM整流模块采用电压型PWM整流器VSR，具有结构简单、储能效率高、损耗较低、动态响应快、控制方便等诸多优点。
4：基于输出电流的光伏发电MPPT控制方法，该方法只需检测系统输出端的电流即可实现光伏发电MPPT控制，不仅简化了相关的硬件设计，更避免了多变量的控制算法，使得光伏发电MPPT控制更为简便。
5：基于输出电压的光伏发电MPPT控制方法，光伏发电系统的输出电压为恒定值，特别适用于电动汽车换电站系统。
6：光伏发电三相VSR整流控制方法，电流内环控制能够提高系统动态性能，实现限流保护；电压外环控制能够保证直流侧电压稳定性。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构与控制策略结构图。
图2为本发明的基于Z-Source变换器的光伏发电系统结构图。
图3为本发明的三相PWM整流器基本结构图。
图4为本发明的光伏发电接入系统控制策略图。
图5为本发明的三相VSR电压定向控制系统结构图。
具体实施方式
一种用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，包括以下部分：
(一)：电动汽车换电站光伏发电接入系统方式及主结构：
根据汇流母线的不同，电动汽车换电站可分为交流母线供电、直流母线供电和交直流母线混合供电三种接线方式。根据光伏发电系统是否逆变并网的不同，含光伏发电系统的电动汽车换电站又可分为光伏电源直接供电、光伏电源并网供电以及混合型光伏电源供电三种接线方式。用于电动汽车换电站的光伏发电系统的接线方式有三种：光伏电源直接供电、光伏电源并网供电和混合型光伏电源供电。
由于电动汽车换电站内对电动汽车电池的充电是由直流电源完成的，而光伏电池阵列的输出即为直流电，理论上只需将光伏电池阵列直接接到电动汽车换电站的直流母线即可。考虑到光伏发电的这一特点，本发明光伏发电接入系统的主结构选取光伏电源直接供电的接线方式。系统整体的拓扑结构及控制策略结构图如图1、2所示。
一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，包括光伏发电系统、PWM整流模块、电池智能充放电模块；所述PWM整流模块、电池智能充放电模块分别连接直流母线。
所述光伏发电系统包括光伏电池阵列、Z-Source变换器，所述光伏电池阵列连接Z-Source变换器，Z-Source变换器第一输出端连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接电容C3一端、直流母线“+”极，Z-Source变换器第二输出端分别连接电容C3另一端、直流母线“-”极；
所述直流母线连接DC/AC逆变器，DC/AC逆变器连接电网；
所述直流母线连接能量储存单元，能量储存单元连接直流负载。
所述Z-Source变换器包括开关管Q，开关管Q栅极连接驱动电路，驱动电路连接MPPT控制器，MPPT控制器连接直流母线。
所述能量储存单元采用蓄电池组。
所述PWM整流模块分别连接换流变压器二次侧三相，换流变压器一次侧三相分别连接电网U、V、W线。
所述能量储存单元采用蓄电池组。
系统工作过程为：
光伏电池阵列产生的直流电，经Z-Source变换器升压及LC滤波并经过MPPT控制器控制后，接至电动汽车换电站的直流母线。直流母线电压由电网经PWM整流模块整流后得到，其电压值可视为恒定值。
电池智能充放电模块连接至直流母线，通过监测电池的实时电量，对电池进行智能充电。
电池智能充放电模块采用沙洲职业工学院毕业设计(论文)《直流母线式蓄电池专用充放电机的电气分析》中记载的一种直流母线式蓄电池专用充放电机。
1.1：光伏发电系统的选取：
光伏发电系统一般由光伏电池阵列、整流系统、逆变系统以及储能装置等几部分构成两级式结构。整流系统为第一级，其主要由DC/DC变换器及光伏最大功率点跟踪(MPPT)控制器组成；逆变系统为第二级，其主要由DC/AC逆变器及并网控制器组成。由于本发明换电站系统采用的是光伏电源直接供电的接线方式，光伏发电系统并不需要逆变并网，所以本发明的光伏发电系统为只包含第一级的单级式结构。光伏发电系统结构形式中，以基于Boost变换器的光伏发电系统应用最为广泛，但该结构形式的光伏发电系统存在着一些问题：变换器升压效率较低，系统输出电压有限。针对传统Boost变换器的不足，本发明在光伏发电系统主结构上采用了一种新型的Z-Source变换器，基于Z-Source变换器的光伏发电系统基本结构如图2所示。
所述Z-Source变换器包括二极管D、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、开关管Q；
二极管D阳极连接光伏电池阵列一端，二极管D阴极分别连接电容C1一端、电感L1一端，电容C1另一端分别连接电感L2另一端、开关管Q源极，电感L2一端分别连接光伏电池阵列另一端、电容C2一端，电容C2另一端分别连接电感L1另一端、开关管Q漏极，开关管Q栅极连接驱动电路，驱动电路连接MPPT控制器，MPPT控制器连接直流母线。
1.2：PWM整流模块的选取：
随着电力电子技术的发展，整流器的发展经历了由不可控整流器(二极管)、相控整流器(晶闸管)到PWM整流器(IGBT)的过程。PWM整流器由于其低畸变率且近似正弦波的输入电流、功率因数可调、直流电压可调、功率可双向流动等优点，得到了广泛应用。根据直流侧储能元件的不同，PWM整流器可分为电压源型整流(Current Source Rectffer，CSR)、电流源型整流器(Voltage Source Rectffer，VSR)。电压型PWM整流器(VSR)如图3所示。
VSR最显著的特征就是直流侧采用电容储能，从而使VSR的直流侧为低阻抗的电压源特性。与CSR相比，其交流侧少了一组滤波电容，其结构LgCSR更为简单，另外，电容的减少也使得电路阶数降低，加快了系统动态响应速度，同时也避免了由LC滤波电路造成的电流畸变、震荡问题，弥补了CSR的不足。由于VSR具有结构简单、储能效率高、损耗较低、动态响应快、控制方便等诸多优点，目前得到了广泛的应用。鉴于VSR以上的优点，本发明系统选用三相VSR作为换电站PWM整流模块的主结构。
(二)：电动汽车换电站光伏发电接入系统控制策略：
本发明应用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统的控制策略包括两个部分：光伏发电MPPT控制策略和三相VSR整流控制策略。光伏发电MPPT的控制目标是保证光伏电池阵列始终工作在最大功率输出的状态；三相VSR整流的控制目标是保证VSR输出电压的大小满足电动汽车换电站直流母线电压的要求。下面将分别对系统两个部分的控制控制策略进行研究分析。
2.1光伏发电MPPT控制策略的选取：
由于光伏电池的输出特性曲线是受光照强度和环境温度影响的非线性函数；其次，即使在外部环境稳定的情况下，光伏电池的输出功率也会随着负载的变化而变化。因此，对光伏电池的输出最大功率点进行实时跟踪控制很有必要，这也是光伏发电系统的基本要求。
目前常用的光伏发电MPPT控制方法主要有恒定电压法、扰动观察法、电导增量法等经典控制方法以及模糊控制法、遗传算法、神经网络法等现代控制方法。结合电动汽车换电站的实际结构，考虑到其直流母线电压恒定这一特点，本发明提出了一种基于输出电流的光伏发电MPPT控制方法，该方法只需检测光伏发电系统输出端的电流Iout即可实现光伏发电MPPT控制，不仅简化了相关的硬件设计，更避免了多变量的控制算法，使得光伏发电MPPT控制更为简便。同时，采用该控制方法的光伏发电系统的输出电压Uout为恒定值，特别适用于电动汽车换电站系统。电动汽车换电站的光伏发电接入系统控制框图如图4所示。
2.2：三相VSR整流控制策略：
PWM整流系统的功能是为直流母线提供恒定直流电压，是本发明光伏发电MPPT控制策略的前提条件。目前，三相VSR整流控制技术有很多种。直接电流控制需要引入交流电流反馈，因其具有快速电流反馈的特点，所以电流动态响应快，另外直接电流控制还拥有良好的静态特性，鲁棒性好，因此得到了广泛的应用。在直接电流控制方法中，最常用的控制算法是矢量控制算法。矢量控制算法通过坐标变换，就可以将对交流量的控制转化为对直流量的控制，简化了控制系统，使得控制更为方便。其中，两相旋转砌坐标系下的矢量控制算法由于采用的是旋转坐标变换，响应快，无静差，在工程上得到了广泛应用。由于该算法采用电网电压空间矢量定向，因此被称为电压定向控制(Voltage Oriented Control，VOC)。本发明系统采用电压定向控制(Voltage Oriented Control，VOC)，其控制框图如图5所示。
由图5可以看出，该控制系统采用了电压、电流双闭环的控制结构，外环为电压控制，内环为电流控制。电流内环控制能够提高系统动态性能，实现限流保护。电压外环控制能够保证直流侧电压稳定性。
双闭环的目的是实现恒流充电的同时限制最终的充电电压。实现方式是设定两个基准参数，分别用来控制电流与电压。在充电初期，因为输出电压低，没有达到电压的限制值。所以只有一个控制环路：电流内环在发挥作用，输出电流被控制。工作方式为恒流输出。到了充电末期，输出电压达到了电压的限制值，这时候电压外环开始发挥作用，输出电压被限制，电流内环失去作用，工作方式为恒压输出。
图5中，ea、eb、ec、为电网电压，L为滤波电感，Udc为直流母线电压，C为直流电容，S1～S6为功率开关器件IGBT。
两相旋转坐标系下整流器交流侧电压方程如下：
将电网电压空间矢量定向在旋转坐标的d轴上，则eq＝0。采用PI调节器实现直流电压、d/q轴电流双闭环无静差控制。根据电网电压定向的原理，d轴和q轴分别控制有功和无功分量，直流侧电压PI输出为d轴电流指令，控制系统有功电流，以达到控制直流侧电压的目的。当q轴电流指令为0时，系统为单位功率因素控制。当直流侧空载、q轴电流指令不为0时，系统运行于无功补偿工况。
Claims (8)
1.一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，包括光伏发电系统、PWM整流模块、电池智能充放电模块；其特征在于：
所述PWM整流模块、电池智能充放电模块分别连接直流母线；
所述光伏发电系统包括光伏电池阵列、Z-Source变换器，所述光伏电池阵列连接Z-Source变换器，Z-Source变换器第一输出端连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接电容C3一端、直流母线“+”极，Z-Source变换器第二输出端分别连接电容C3另一端、直流母线“-”极；
所述直流母线连接DC/AC逆变器，DC/AC逆变器连接电网；
所述直流母线连接能量储存单元，能量储存单元连接直流负载。
2.根据权利要求1所述一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，其特征在于：所述Z-Source变换器包括二极管D、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、开关管Q；
二极管D阳极连接光伏电池阵列一端，二极管D阴极分别连接电容C1一端、电感L1一端，
电容C1另一端分别连接电感L2另一端、开关管Q源极，
电感L2一端分别连接光伏电池阵列另一端、电容C2一端，
电容C2另一端分别连接电感L1另一端、开关管Q漏极，
开关管Q栅极连接驱动电路，驱动电路连接MPPT控制器，MPPT控制器连接直流母线。
3.根据权利要求1所述一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，其特征在于：所述能量储存单元采用蓄电池组。
4.根据权利要求1所述一种适用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统，其特征在于：所述PWM整流模块采用电压型PWM整流器VSR。
5.如上述权利要求1-4所述任意一种光伏发电接入系统的光伏发电MPPT控制方法，其特征在于：只需检测光伏发电系统输出端的电流Iout，即可实现光伏发电MPPT控制。
6.如上述权利要求1-4所述任意一种光伏发电接入系统的光伏发电MPPT控制方法，其特征在于：光伏发电系统的输出电压Uout为恒定值，适用于电动汽车换电站。
7.如上述权利要求1-4所述任意一种光伏发电接入系统的光伏发电三相VSR整流控制方法，其特征在于：采用了电压、电流双闭环的控制结构，外环为电压控制，内环为电流控制；电流内环控制用于提高系统动态性能，实现限流保护；电压外环控制用于保证直流侧电压稳定性。
8.矢量控制算法，在光伏发电三相VSR整流控制中的应用。
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2018
- 2018-10-12 CN CN201811191207.6A patent/CN109301866A/zh active Pending
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