CN109713698A - 一种基于两级式双向变流器的控制系统及方法 - Google Patents

一种基于两级式双向变流器的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于两级式双向变流器的控制系统及方法，该系统由功率单元和控制单元两部分组成；所述功率单元包括Boost变换器和两个双向变流器，所述的Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端连接到直流母线；蓄电池和超级电容模组作为第一双向变流器的输入端，同时第一双向变流器的输出端连接到直流母线；所述的第二双向变流器的输入端与直流母线连接，其输出端接隔离电压器的低压端，隔离电压器的高压端经交流母线与电网连接；所述控制单元收集所述功率单元反馈的信号，并同时将控制指令输送至所述功率单元。本发明其根据光照强度和电网调度指令，对电网系统进行削峰填谷。

Description

一种基于两级式双向变流器的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及储能及能量交换技术领域，特别是涉及一种储能两级式双向变流器及其控制方法，应用于微电网。
背景技术
随着能源安全与环境问题日益严峻，发展新能源发电和微电网技术已成为国际趋势，电池储能系统可作为新能源发电和微电网技术等灵活传递电能的媒介，使新能源发电和微电网技术的电力传输更加平稳灵活，让原来几乎完全“刚性”的系统变得“柔性”起来，因此近年来受到世界各国的普遍重视。
电池储能系统主要用到两级式双向变流器，其主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，可以适配多种直流储能单元，如超级电容器组、蓄电池组、飞轮电池等，也可以与间歇式的分布式发电系统配合使用，快速有效地实现平抑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源发电(风能、光伏)的接纳能力，且可以接受调度指令，吸纳或补充电网的峰谷电能，以提高电网的供电质量和经济效益。
但是上述其缺陷在系统的灵活性及配置性差的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于两级式双向变流器的控制系统及方法，其根据光照强度和电网调度指令，对电网系统进行削峰填谷，具体是通过Boost变换器、第一双向变流器和第二双向变流器的协调控制，根据光照强度和电网调度指令，在电网系统的用电量大时，储能或者光伏加储能共同向电网中注入功率；当处于用电低谷，将电网或者光伏多余的能量存储在蓄电池和超级电容模组中，使直流微网物尽其用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于两级式双向变流器的控制系统，该系统由功率单元和控制单元两部分组成；
所述功率单元包括Boost变换器和两个双向变流器，所述的Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端连接到直流母线；蓄电池和超级电容模组作为第一双向变流器的输入端，同时第一双向变流器的输出端连接到直流母线；
所述的第二双向变流器的输入端与直流母线连接，其输出端接隔离电压器的低压端，隔离电压器的高压端经交流母线与电网连接；
所述控制单元收集所述功率单元反馈的信号，并同时将控制指令输送至所述功率单元。
在本发明的一个优选实施例中，所述第一双向变流器工作在Buck模式或Boost模式；第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态或PWM整流状态。
在本发明的一个优选实施例中，所述第一双向变流器为双向DC/DC变换器；所述第二双向变流器为DC/AC变换器和AC/DC变换器。
在本发明的一个优选实施例中，所述控制单元包括DSP控制系统，检测电路以及驱动电路，所述DSP控制系统控制所有组件，并通过驱动电路将控制指令输入至功率单元，所述检测电路用于将实际的电压电流转换到DSP控制芯片的AD可以采集的范围。
在本发明的一个优选实施例中，所述DSP控制系统还包括AD单元、PWM单元以及控制算法单元，所述AD单元实时检测所观察的变量，与给定值作比较，将偏差量经过控制算法单元，输出占空比，利用PWM单元生成驱动信号送至驱动电路。
一种基于两级式双向变流器的控制方法，包括以下步骤：
首先根据光照度参数判定处于白天阳光充足或较弱两种状况；
其次电网根据负荷轻重进行判断当下处于用电高峰或用电低谷两种状态；
在白天阳光充足的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为直流母线提供前级恒压源，第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态，向电网输入功率；
在白天阳光较弱的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，同时第一双向变流器工作在Boost恒压模式，蓄电池和超级电容模组的能量经第一双向变流器来维持直流母线电压恒定，第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态，光伏组件和储能装置共同向电网提供功率。
在本发明的一个优选实施例中，所述当处于用电高峰时，由电网发出调度指令，控制两级式双向变流器利用储能装置向电网输送功率；当处于用电低谷，多发出的电能利用储能装置将电能存储起来。
在本发明的一个优选实施例中，利用GZD系统光照度传感器测量实时光照强度，控制单元获得数据后并通过控制单元判断。
通过以上技术方案，本发明的技术效果在于:
本发明提出的四种工作模式，使光伏逆变器和双向DC-DC变换器实现一机多用，延长光伏逆变器的有效工作时长，日夜都可以工作，更重要的是实现削峰填谷功能，改善电网的用电质量，同时提高经济效益。
附图说明
附图1 是本发明的整体结构框图。
附图2 是本发明的控制模式选择图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利的附图，对涉及的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明的核心是提供一种两级式双向变流器的控制系统及方法。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步的详细说明。
实施例1：
本发明的第一方面的实施例，提供一种控制系统，用于储能及能量交换技术领域，具体来说是一种基于两级式双向变流器的控制系统。附图1为本发明提供的一种两级式双向变流器的结构框图。
该系统由光伏组件、Boost变换器、直流断路器K1和K2、第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）、交流接触器K3、隔离变压器（220V/380V）、交流断路器K4、第一双向变流器（双向DC/DC变换器）、蓄电池及超级电容模组和控制单元等组成。
图1中光伏并网逆变器属于DC/AC变换器，PWM整流器属于AC/AC变换器，这件专利就统一为光伏并网逆变器以及PWM整流器 。
所述功率单元包括Boost变换器和两个双向变流器，所述的Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端经直流断路器K1连接到直流母线；
所述的蓄电池和超级电容模组作为第一双向变流器（双向DC/DC变换器）的输入端，同时双向DC/DC变换器的输出端经直流断路器K2连接到直流母线。
所述的第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）的输入端与直流母线连接，其输出端接交流接触器K3；
所述的隔离电压器的低压端与交流接触器的输出端相连，高压端与交流断路器K4相连后，经交流母线与电网连接；
其中控制单元主要由DSP控制系统、检测电路和驱动电路组成；
所述的DSP控制系统由PWM单元、AD单元、控制算法单元和保护单元组成；
所述的检测电路采用电压互感器、电压和电流霍尔传感器以及运放调理电路，负责将实际的电压电流转换到主控制器AD可以采集的范围；
所述的驱动电路采用隔离DC-DC模块和A3120驱动芯片组成，用于驱动Mos管和IGBT正常通断；
实施例2：
本发明专利的第二方面的实施例，也提供两级式双向变流器的控制方法。如附图2所示，是一种两级式双向变流器的控制模式选择图。首先检测光照强度和接收电网调度指令，根据光照强度所出的区间和电网调度情况，选择合适的工作模式。
设定光照度的阈值H和L,根据实时测量的光照度参数，选择工作状态。用电高峰还是用电低谷，是电网根据负荷轻重进行判断的，当用电负荷需要的功率远大于发电的功率，就处于用电高峰，需要多发大量的电能满足负荷需要。本发明中光照强度参数P的范围为:0~30万Lux,其中阈值H为10万Lux,阈值L为1万Lux。
当处于用电高峰时，由电网发出调度指令，控制两级式双向变流器利用储能装置向电网输送功率。当用电负荷需要的功率远小于发电的功率，就处于用电低谷，多发出的电能利用储能装置将电能存储起来。
在白天阳光充足的情况下（白天阳光充足和较弱是由控制单元判断的，可以通过光照强度进行判断，利用GZD系统光照度传感器测量实时光照强度，根据光照度参数判定白天阳光充足和较弱两种状况。）光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为直流母线提供前级恒压源，第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态，向电网输入功率。
在白天阳光较弱的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，同时第一双向变流器（双向DC/DC变换器）工作在Boost恒压模式，蓄电池和超级电容模组的能量经第二双向变流器来维持直流母线电压恒定，第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）工作在光伏逆变器并网状态，光伏组件和储能装置共同向电网提供功率。
在用电高峰的情况下，蓄电池和超级电容模组在第一双向变流器（双向DC/DC变换器）的作用下，进行Boost恒压控制，为光伏逆变器提供一个稳定直流电压，此时第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）工作在光伏逆变器并网状态，向电网注入功率，起到补充电网的波峰电能的作用。
在晚上用电低谷的情况下，第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）工作在PWM整流状态，第一双向变流器（双向DC/DC变换器）工作在Buck模式，电网多余的功率先经过第二双向变流器变换器成直流，再经过第一双向变流器对蓄电池和超级电容模组进行充电，吸收电网的波谷电能，将其用于白天阳光较弱和用电高峰等两种情况下。
具体地，如下文所述：
当光照强度大于阈值H或者阈值L时，判断电网调度指令是否是用电高峰。如果电网调度指令处于用电高峰，直流断路器K1和K2都闭合，光伏组件通过前级Boost变换器实现扰动法的最大功率跟踪输出，第一双向变流器工作在Boost状态，使得蓄电池和超级电容模组释放能量，相当于两个直流电源并联；交流断路器K4闭合，第二双向变流器（DC/AC变换器和AC/DC变换器）工作在基于下垂控制的光伏逆变器状态，光伏逆变器工作在电压源模式，通过DSOGI-PLL对网侧电压进行锁相，当相位同步时（必须相位同步，才能进行逆变或者并网；如果不同时，关闭PWM驱动信号，继续锁相，直到相位同步），交流接触器K3闭合，光伏逆变器以电压源模式进行并网，光伏组件和储能装置共同向电网提供功率，来进行削峰调节。
当光照强度大于阈值H或者阈值L时，电网的调度指令处于用电低谷。直流断路器K1和K2都闭合，光伏组件通过前级Boost变换器实现扰动法的最大功率跟踪输出，第一双向变流器工作在Buck状态，将多余的能量通过第一双向变流器存储于蓄电池和超级电容模组中，第二双向变流器工作在正常逆变状态，实现变流器填谷的功能。
当光照强度大于阈值H或者阈值L时，电网质量正常的情况下。直流断路器K1和K2都闭合，光伏组件通过前级Boost变换器实现扰动法的最大功率跟踪输出，第二双向变流器正常进行逆变，第一双向变流器采用功率外环、电流内环的控制策略，可以利用储能抑制电网功率波动。
如果光照强度M小于阈值L，说明光照强度太微弱，对应于阴天或者夜晚，因此光伏组件不工作。直流断路器K1断开，直流断路器K2闭合。当处于用电高峰，第一双向变流器工作在Boost状态，利用储能装置给直流母线提供一个恒定的电压。第二双向变流器处于逆变状态，利用储能装置来削弱电网的用电高峰。其中对蓄电池和超级电容模组进行放电时，实时检测蓄电池和超级电容模组的电压，当两者电压略高于放电截止电压时，先发出警告处理，一段时间后再发出停止放电指令，第一双向变流器和第二双向变流器退出放电逆变并网状态。
当光照强度M小于阈值L，且处于用电低谷，不如像深夜，光伏自然不工作。直流断路器K1断开，直流断路器K2闭合。第二双向变流器工作在PWM整流状态，将电网过剩的交流电变换成直流电，第一双向变流器工作在Buck状态，对蓄电池和超级电容模组进行充电，吸收电网的波谷电能，将存储的电能用于白天阳光较弱和用电高峰等两种情况下。其中对蓄电池和超级电容模组进行充电时，采用四段式智能充电控制策略（根据蓄电池和超级电容模组的电压处于不同的状态，选择四阶式智能充电控制策略）为涓流充电控制、恒流充电控制、恒压充电控制，以及浮充恒压充电控制控制方式。当蓄电池和超级电容模组充电完成时，第二双向变流器退出PWM整流状态，为光伏逆变并网做好准备。
当光照强度M小于阈值L，电网调度指令处于正常状态。直流断路器K1断开，直流断路器K2闭合。第二双向变流器工作在逆变状态，第一双向变流器利用储能抑制电网功率波动。
本发明中，针对于第二双向变流器可以实现光伏并网逆变和PWM整流两种功能。首先，并网逆变和PWM整流两者硬件结构一样，只需要修改算法就可以实现功能。其次，针对于直流电压外环、电流内环的常规双闭环控制策略，两者又同时适应该控制策略。因此，第二双向变流器实现一机两用在硬件和软件都不需要改变，工作状态取决于两端电势差。

Claims (8)

1.一种基于两级式双向变流器的控制系统，其特征在于，该系统由功率单元和控制单元两部分组成；
所述功率单元包括Boost变换器和两个双向变流器，所述的Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端连接到直流母线；蓄电池和超级电容模组作为第一双向变流器的输入端，同时第一双向变流器的输出端连接到直流母线；
所述的第二双向变流器的输入端与直流母线连接，其输出端接隔离电压器的低压端，隔离电压器的高压端经交流母线与电网连接；
所述控制单元收集所述功率单元反馈的信号，并同时将控制指令输送至所述功率单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于两级式双向变流器的控制系统，其特征在于，所述第一双向变流器工作在Buck模式或Boost模式；第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态或PWM整流状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于两级式双向变流器的控制系统，其特征在于，所述第一双向变流器为双向DC/DC变换器；所述第二双向变流器为DC/AC变换器和AC/DC变换器。
4.根据权利要求1所述的一种基于两级式双向变流器的控制系统，其特征在于，所述控制单元包括DSP控制系统，检测电路以及驱动电路，所述DSP控制系统控制所有组件，并通过驱动电路将控制指令输入至功率单元，所述检测电路用于将实际的电压电流转换到DSP控制芯片的AD可以采集的范围。
5.根据权利要求4所述的一种基于两级式双向变流器的控制系统，其特征在于，所述DSP控制系统还包括AD单元、PWM单元以及控制算法单元，所述AD单元实时检测所观察的变量，与给定值作比较，将偏差量经过控制算法单元，输出占空比，利用PWM单元生成驱动信号送至驱动电路。
6.一种基于两级式双向变流器的控制方法，采用如权利要求1-5之一所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：
首先根据光照度参数判定处于白天阳光充足或较弱两种状况；
其次电网根据负荷轻重进行判断当下处于用电高峰或用电低谷两种状态；
在白天阳光充足的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为直流母线提供前级恒压源，第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态，向电网输入功率；
在白天阳光较弱的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，同时第一双向变流器工作在Boost恒压模式，蓄电池和超级电容模组的能量经第一双向变流器来维持直流母线电压恒定，第二双向变流器工作在光伏逆变器并网状态，光伏组件和储能装置共同向电网提供功率。
7.根据权利要求6所述的一种基于两级式双向变流器的控制方法，其特征在于，所述当处于用电高峰时，由电网发出调度指令，控制两级式双向变流器利用储能装置向电网输送功率；当处于用电低谷，多发出的电能利用储能装置将电能存储起来。
8.根据权利要求6所述的一种基于两级式双向变流器的控制方法，其特征在于，利用GZD系统光照度传感器测量实时光照强度，控制单元获得数据后并通过控制单元判断。
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