CN109921448A - 带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统，该系统包括光伏模块、电网模块和电池模块，光伏模块包括光伏阵列，以及与光伏阵列并联的逆变器一，电池模块包括蓄电池、以及与蓄电池并联的逆变器二，逆变器一和逆变器二均包括上层控制单元、光伏控制单元、电池控制单元和驱动单元；方法为：通过上层控制单元计算出总调制信号；通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量；叠加与单位矢量，得到光伏单元调制信号；通过电池控制单元计算出电池调制信号；将光伏单元调制信号和电池调制信号输入PS‑SPWM中生成PWM驱动信号驱动开关。本发明的整个自充电控制装置，结构简单，十分契合光伏发电系统的经济运行理念。

Description

带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统

技术领域

本发明涉及一种带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统，适用于光伏发电 技术领域。

背景技术

太阳能光伏发电作为新能源发电技术之一，因为太阳能资源充足不会枯竭，清洁环 保无污染，无地域限制，建造的便捷性等特点快速发展，由传统意义上的补充能源快速转换为替换能源。

光伏发电依赖于光照强度，由于光照的不稳定性，所以光伏发电具有显著的波动性、 间歇性、随机性等特点。为了克服这一缺点，需要添加储能装置来平抑光伏发电系统的功率波动，发挥削峰填谷稳定功率输出的作用，而级联多电平逆变器使用了多个H桥 单元串联输出结构，因此具有相电压冗余和易于模块化的特点，适用于光伏电池并网这 类由多个独立光伏阵列给各H桥单元供电的系统。带储能的级联型光伏发电系统能够 解决现今光伏发电系统需要面对的两个重要问题，所以是当前新能源光伏发电系统的重 点研究对象。

光伏发电系统中弃光丢光现象比较严重，特别是当光伏发电量充足且负荷消纳能力 不足时，光伏发电系统的能量丢失严重，而这个时间段十分贴合峰谷分时电价的低电价时段，严重影响经济效益，不符合电力系统经济运行理念，所以亟需一种功率分配方法 来避免弃光丢光现象，完成光伏发电系统的经济性运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统，优化 在低电价时段或者负荷消纳能力不足且光伏发电充足的状态时光伏发电系统的功率分配，避免弃光丢光现象。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种带储能的级联逆变器的自充电方法，包括 如下步骤：

S1、通过上层控制单元计算出总调制信号u(t)；

S2、通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量u_m(t)；

S3、u_m(t)叠加参考电流矢量I_ref ^*，得到光伏单元调制信号u_m(t)^*，光伏单元调制信号u_m(t)^*的计算公式如下：

u_m(t)^*＝u_m(t)×I_ref ^*。

S4、通过电池控制单元计算出电池调制信号v_batn；

S5、将u_m(t)^*和v_batn输入PS-SPWM中生成PWM驱动信号驱动开关。

进一步地，步骤S1中所述通过上层控制单元计算出总调制信号u(t)的具体计算步骤为：采集电网电流的实际值i和电网电流的参考值I_ref，得到电流误差信号Δi(t)；通 过将Δi(t)输入比例积分调节器PI₁得出电压参考信号e(t)；通过e(t)经过电压前馈控制 得出总调制信号u(t)。

进一步地，步骤S2中所述通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量u_m(t)的具体计 算步骤为：采集光伏模块输出的电压V_pvm和电流I_pv，输入mppt控制器得到最大功率电 压参考值V_pvm ^*；通过V_pvm ^*与V_pvm计算得到直流电压误差Δe_m(t)；通过Δe_m(t)输入比例积 分调节器PI₂得出光伏电压调节量u_m(t)。

进一步地，光伏电压调节量u_m(t)的计算公式如下：

u_m(t)＝K_p2Δe_m(t)+K_i2∫Δe_m(t)dt

式中，K_p2代表PI₂的比例参数，K_i2代表PI₂的积分参数，∫dt代表积分环节。

进一步地，步骤S4中所述通过电池控制单元计算出电池调制信号v_batn的具体计算步骤为：通过u(t)与u_m(t)^*计算得到电池调制参考信号v_bat；通过v_bat输入电池SOC均衡 控制后得到电池调制信号v_batn。

进一步地，电池调制参考信号v_bat的计算公式如下：

v_bat＝u(t)-(u₁(t)^*+…+u_M(t)^*)

式中，u₁(t)^*+…+u_M(t)^*为多个光伏单元调制信号之和。

一种基于带储能的级联逆变器的发电系统，包括光伏模块、电网模块和电池模块，所述光伏模块包括光伏阵列，以及与光伏阵列并联的逆变器一，所述电池模块包括蓄电池、以及与蓄电池并联的逆变器二，光伏模块和电池模块共同接入电网模块，其中：

所述逆变器一和逆变器二均包括上层控制单元、光伏控制单元、电池控制单元和驱 动单元；

所述上层控制单元用于采集电网模块的电流参考值和实际值，计算出电流误差信号，将电流误差信号输入调节器，得到电压参考信号，将电压参考信号加入电压前馈， 产生总调制信号，并发送至电池控制单元；

所述光伏控制单元用于采集光伏模块输出的电压和电流，经过mppt控制器得到最大功率电压参考值，通过大功率电压参考值和光伏模块输出的电压计算出直流电压误 差，将直流电压误差输入调节器得到光伏电压调节量，将光伏电压调节量稳压控制得到 光伏单元调制信号，并发送至电池控制单元和驱动单元；

所述电池控制单元用于采集总调制信号和光伏单元调制信号，计算出电池调制参考 信号，将电池调制参考信号输入电池SOC均衡控制后得到电池调制信号，并发送至驱 动单元；

所述驱动单元用于采集电池调制信号和光伏单元调制信号，输入PS-SPWM中生成PWM驱动信号驱动开关控制逆变器一和逆变器二。

进一步地，所述电网模块的电流为容形电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：整个自充电控制装置结构简单，整个自充电控制方法控制特性好，优化了低电价时段或者负荷消纳能力不足且光伏发电充足的状态时，光伏发电系统的功率分配，十分契合光伏发电系统的经济运行理念，光伏单元 进行mppt控制并进行电流矢量叠加的稳压控制，保证光伏工作在最大功率状态且输出 波形稳定质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或 现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还 可以根据提供的附图获得其他附图。

图1是基于带储能的级联逆变器的发电系统示意图；

图2是基于带储能的级联逆变器自充电示意图；

图3是电池控制单元结构示意图；

图4是自充电工作状态实例有功功率波形图；

图5是自充电工作状态实例无功功率波形图。

具体实施方式

结合图1-3，一种带储能的级联逆变器的自充电方法，包括如下步骤：

S1、通过上层控制单元计算出总调制信号u(t)，计算过程为：采集电网电流的实际值i和电网电流的参考值I_ref，得到电流误差信号Δi(t)，电流误差信号Δi(t)的计算公式如下：

Δi(t)＝I_ref-i

通过将Δi(t)输入比例积分调节器PI₁得出电压参考信号e(t)，电压参考信号e(t)的 计算公式如下：

e(t)＝K_p1Δi(t)+K_i1∫Δi(t)dt

式中，K_p1代表PI₁的比例参数，K_i1代表PI₁的积分参数，∫dt代表积分环节。

通过e(t)经过电压前馈控制得出总调制信号u(t)，总调制信号u(t)的计算公式如下：

u(t)＝V_s+e(t)

式中，V_s为电网瞬时值。

S2、通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量u_m(t)，计算过程为：采集光伏模块输出的电压V_pvm和电流I_pv，输入mppt控制器得到最大功率电压参考值V_pvm ^*；

通过V_pvm ^*与V_pvm计算得到直流电压误差Δe_m(t)，直流电压误差Δe_m(t)的计算公式如 下：

Δe_m(t)＝V_pvm ^*-V_pvm

通过Δe_m(t)输入比例积分调节器PI₂得出光伏电压调节量u_m(t)，光伏电压调节量u_m(t)的计算公式如下：

u_m(t)＝K_p2Δe_m(t)+K_i2∫Δe_m(t)dt

式中，K_p2代表PI₂的比例参数，K_i2代表PI₂的积分参数，∫dt代表积分环节。

S3、u_m(t)叠加参考电流矢量I_ref ^*，得到光伏单元调制信号u_m(t)^*，光伏单元调制信号u_m(t)^*的计算公式如下：

u_m(t)^*＝u_m(t)×I_ref ^*

当u_m(t)的电压偏低时，叠加一个与并网电流方向相同的矢量以提高电压，当u_m(t)的电压偏高时，叠加一个与并网电流方向相反的矢量以降低电压。

S4、通过电池控制单元计算出电池调制信号v_batn，计算过程为：通过u(t)与u_m(t)^*计 算得到电池调制参考信号v_bat，电池调制参考信号v_bat的计算公式如下：

v_bat＝u(t)-(u₁(t)^*+…+u_M(t)^*)

式中，u₁(t)^*+…+u_M(t)^*为多个光伏单元调制信号之和。

通过v_bat输入电池SOC均衡控制后得到电池调制信号v_batn，电池SOC均衡控制得 到v_batn的方法具体包括：电池调制参考信号输入到电池SOC，电池SOC将接收到的电 池调制参考信号进行均值处理，将得出的均值通过比例积分调节器PI₃控制，将控制结 果与电网电流的参考I_ref相乘，得到电池单元调制波微调量Δv_batn，Δv_batn与v_bat相加得到 v_batn。

一种基于带储能的级联逆变器的发电系统，包括光伏模块、电网模块和电池模块，光伏模块包括光伏阵列1，以及与光伏阵列并联的逆变器一2，电池模块包括蓄电池3、 以及与蓄电池并联的逆变器二4，光伏模块和电池模块共同接入电网模块，其中：

逆变器一和逆变器二均包括上层控制单元、光伏控制单元、电池控制单元和驱动单 元；

上层控制单元用于采集电网模块的电流参考值和实际值，计算出电流误差信号，将 电流误差信号输入比例积分调节器PI₁，得到电压参考信号，将电压参考信号加入电压前馈，产生总调制信号，并发送至电池控制单元，电网模块的电流为容形电流，容性电 流的输入有利于调节电力系统稳定性；

光伏控制单元用于采集光伏模块输出的电压和电流，经过mppt控制器得到最大功率电压参考值，计算出直流电压误差，将直流电压误差输入比例积分调节器PI₂，得到 光伏电压调节量，将光伏电压调节量稳压控制得到光伏单元调制信号，并发送至电池控 制单元和驱动单元，其中稳压控制方法为叠加一个参考电流矢量I_ref ^*，使用mppt控制， 每个光伏模块都经过独立的mppt控制，每个光伏模块由于所处位置、受光程度都有所 不同，其输出功率也会有一定的区别，所以独立的mppt控制，可以实现每个光伏模块 最大功率的工作状态和太阳能利用最大化，并且对光伏模块输出的电压进行稳压控制， 保证系统的稳定性。

电池控制单元用于采集总调制信号和光伏单元调制信号，计算出电池调制参考信号，将电池调制参考信号输入电池SOC均衡控制后得到电池调制信号，并发送至驱动 单元，电池SOC均衡控制避免了电池链之间的SOC不平衡和过充过放的情况，同时保 证了电池链的总可用性的稳定。

驱动单元用于采集电池调制信号和光伏单元调制信号，输入PS-SPWM中生成 PWM驱动信号驱动开关控制逆变器一和逆变器二。

图4、图5为两个光伏模块和两个电池模块的逆变器自充电工作模式下运行有功功率和无功功率分配效果图，图中细实线代表光伏阵列有功(或无功)功率输出之和，虚 线代表蓄电池有功(或无功)功率输出之和，粗实线代表光伏模块加蓄电池的总有功(或 无功)功率输出。由于光伏阵列发电具有随机性不稳定性，如图4所示，光伏阵列输出 有功功率发生了多次突变，分别是4s时和8s时，而逆变器在自充电工作模式时，光伏 阵列发出多少有功功率，蓄电池便吸收多少有功功率，光伏阵列与蓄电池向外输出的有 功功率一直保持为零，证实了自充电控制方法的有效性，图5中蓄电池提供电网模块与 光伏阵列需要的无功功率，光伏阵列吸收的无功功率根据光照变化有一定的变化，但是 整个逆变器向外补偿的无功功率稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保 护范围为准。

Claims (9)

1.一种带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过上层控制单元计算出总调制信号u(t)；

S2、通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量u_m(t)；

S3、u_m(t)叠加参考电流矢量I_ref ^*，得到光伏单元调制信号u_m(t)^*；

S4、通过电池控制单元计算出电池调制信号v_batn；

S5、将u_m(t)^*和v_batn输入PS-SPWM中生成PWM驱动信号驱动开关。

2.根据权利要求1所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，步骤S1中所述通过上层控制单元计算出总调制信号u(t)的具体计算步骤为：采集电网电流的实际值i和电网电流的参考值I_ref，得到电流误差信号Δi(t)；通过将Δi(t)输入比例积分调节器PI₁得出电压参考信号e(t)；通过e(t)经过电压前馈控制得出总调制信号u(t)。

3.根据权利要求1所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，步骤S2中所述通过光伏控制单元计算出光伏电压调节量u_m(t)的具体计算步骤为：采集光伏模块输出的电压V_pvm和电流I_pv，输入mppt控制器得到最大功率电压参考值V_pvm ^*；通过V_pvm ^*与V_pvm计算得到直流电压误差Δe_m(t)；通过Δe_m(t)输入比例积分调节器PI₂得出光伏电压调节量u_m(t)。

4.根据权利要求3所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，所述光伏电压调节量u_m(t)的计算公式如下：

u_m(t)＝K_p2Δe_m(t)+K_i2∫Δe_m(t)dt

式中，K_p2代表PI₂的比例参数，K_i2代表PI₂的积分参数，∫dt代表积分环节。

5.根据权利要求1所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，步骤S3中所述光伏单元调制信号u_m(t)^*的计算公式如下：

u_m(t)^*＝u_m(t)×I_ref ^*。

6.根据权利要求1所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，步骤S4中所述通过电池控制单元计算出电池调制信号v_batn的具体计算步骤为：通过u(t)与u_m(t)^*计算得到电池调制参考信号v_bat；通过v_bat输入电池SOC均衡控制后得到电池调制信号v_batn。

7.根据权利要求6所述的带储能的级联逆变器的自充电控制方法，其特征在于，所述电池调制参考信号v_bat的计算公式如下：

v_bat＝u(t)-(u₁(t)^*+…+u_M(t)^*)

式中，u₁(t)^*+…+u_M(t)^*为多个光伏单元调制信号之和。

8.一种基于带储能的级联逆变器的发电系统，包括光伏模块、电网模块和电池模块，所述光伏模块包括光伏阵列，以及与光伏阵列并联的逆变器一，所述电池模块包括蓄电池、以及与蓄电池并联的逆变器二，光伏模块和电池模块共同接入电网模块，其中：

所述逆变器一和逆变器二均包括上层控制单元、光伏控制单元、电池控制单元和驱动单元；

所述上层控制单元用于采集电网模块的电流参考值和实际值，计算出电流误差信号，将电流误差信号输入调节器，得到电压参考信号，将电压参考信号加入电压前馈，产生总调制信号，并发送至电池控制单元；

所述光伏控制单元用于采集光伏模块输出的电压和电流，经过mppt控制器得到最大功率电压参考值，通过大功率电压参考值和光伏模块输出的电压计算出直流电压误差，将直流电压误差输入调节器得到光伏电压调节量，将光伏电压调节量稳压控制得到光伏单元调制信号，并发送至电池控制单元和驱动单元；

所述电池控制单元用于采集总调制信号和光伏单元调制信号，计算出电池调制参考信号，将电池调制参考信号输入电池SOC均衡控制后得到电池调制信号，并发送至驱动单元；

所述驱动单元用于采集电池调制信号和光伏单元调制信号，输入PS-SPWM中生成PWM驱动信号驱动开关控制逆变器一和逆变器二。

9.根据权利要求8所述的基于带储能的级联逆变器的发电系统，其特征在于，所述电网模块的电流为容形电流。