CN110707750A - 一种光储并离网一体系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光储并离网一体系统,该系统的硬件拓扑结构由Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三部分电路组成,Boost升压电路的输入端接太阳能电池，其输出端接公共直流母线，Buck/Boost直流变换电路升压端连接公共直流母线，降压端连接蓄电池，全桥逆变电路直流侧接公共直流母线，交流侧连接负载；本发明能自动进行并离网状态切换，能够在并网状态时能够以MPPT方式向电网发电，保证太阳能的最大效率利用；本发明即可充当关键设备的UPS使用，这样就可以防止单独并网模式时，由于电网异常，尽管光伏正常，但也不能进行正常发电的缺点。
Description
技术领域
本发明属于变流器应用领域，更具体的讲，涉及一种光储并离网一体系统及控制方法。
背景技术
目前，以煤、石油为主的常规能源为全世界90％以上的电力负荷提供电能，但其资源有限且对大气的污染也日益严重，造成了全球的能源紧张和环境恶化。同时大电网存在着供电模式单一、不能灵活跟踪负荷的变化、局部事故极易扩散并导致大面积停电等弊端。随着环境问题以及能源危机的日益突出，诸如光伏、风电等一批新能源发电技术得到了迅速的发展。新能源发电装置大量接入电网当中，在一定程度上缓解了电力供应紧张的问题，并在改善能源结构，减少环境污染，实现人与自然的可持续发展方面起到很好的作用。
传统利用太阳能的方式主要是建立集中式的光伏阵列，或集中逆变并网发电或离网逆变供特定负载。目前现有的并网和离网光伏逆变器都有很大的局限性，并网逆变器当电网出现异常时就无法保证正常发电，光伏电能资源得不到利用；离网逆变器存在当负载功率较小和蓄电池SOC较高时光伏电池不能以最大功率输出的问题。
同时，目前我国还有大量具有良好光照条件的边缘地区没有电网或者电网不稳定，这严重限制了边远地区人民使用电能；随着我国分布式能源接入进一步放开，国家电网提出了光伏系统可选择电量全部上网、发电量全部自用和发电量自用余电上网三种运行模式，这就为这些边缘没有电网的地区利用太阳能和电能提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带储能环节的光储并离网一体系统，通过采用Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三级硬件拓扑结构，同时结合并离网切换和能量分配的控制策略，能有效克服现有光伏并网逆变器只能并网发电、以及离网逆变器光伏能量不能最大程度利用的缺点，可有效地提高设备对太阳能的利用效率，特别适用于电网不稳定或电网供电成本较高的场合。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光储并离网一体系统,该系统的硬件拓扑结构由Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三部分电路组成,
所述Boost升压电路的输入端接太阳能电池，其输出端接公共直流母线，
所述Buck/Boost直流变换电路升压端连接公共直流母线，降压端连接蓄电池，
所述全桥逆变电路直流侧接公共直流母线，交流侧连接负载。
在上述技术方案中，所述公共直流母线与蓄电池之间由Buck/Boost直流变换电路实现能量双向流动。
本发明还共了一种并离网一体系统的控制方法，包括：
S1、通过检测电网电压确定系统并离网的状态，
S2、根据蓄电池不同的SOC确定每级的基本控制策略，
S3、根据系统并离网状态和蓄电池SOC进行工作模式的自动切换。
在上述技术方案中，包括：工作在离网状态的第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和工作在并网状态下的第四工作模式。
在上述技术方案中：
第一工作模式时，Boost升压电路采取功率限制模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
第二工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
第三工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取停机模式工作；
第四工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取充电模式、全桥逆变电路采取双闭环控制模式工作。
在上述技术方案中，自动切换策略包括离网状态时的工作模式之间的切换，和并离网状态时的工作模式之间的切换。
在上述技术方案中：
离网状态时，系统在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式之间进行切换；
离并网状态时，系统在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式之间进行切换。
在上述技术方案中，系统在离网状态时只根据蓄电池SOC状态进行工作模式切换：
当蓄电池SOC大于0.9时，系统工作在第一工作模式；
当蓄电池SOC大于0.1、小于0.9，系统工作在第二工作模式；
当蓄电池SOC小于0.1，系统工作在第三工作模式。
在上述技术方案中，系统在离并网状态之间切换时，根据蓄电池SOC和电网状态进行切换，当系统工作在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式的任一工作模式下，只要检测到电网电压正常时系统自动切换至第四工作模式。
在上述技术方案中，系统在并网状态下第四工作模式时，当检测到电网电压正常后：
当蓄电池SOC大于0.9时，系统切换到第一工作模式；
当蓄电池SOC大于0.1、小于0.9，系统切换到第二工作模式；
当蓄电池SOC小于0.1，系统切换到第三工作模式。
本发明一种带储能环节的光储并离网一体系统，通过采用Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三级硬件拓扑结构，同时结合并离网切换和能量分配的控制策略，能有效克服现有光伏并网逆变器只能并网发电、以及离网逆变器光伏能量不能最大程度利用的缺点，可有效地提高设备对太阳能的利用效率，特别适用于电网不稳定或电网供电成本较高的场合。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
由于光储并离网一体系统能够自动进行并离网状态切换，能够在并网状态时能够以MPPT方式向电网发电，保证太阳能的最大效率利用；当电网异常时自动切换到离网发电模式，尽管电网异常，光储并离网一体系统仍能继续将太阳能和蓄电池中能量逆变输出为优质的交流电能向负载供电，即可充当关键设备的UPS使用，这样就可以防止单独并网模式时，由于电网异常，尽管光伏正常，但也不能进行正常发电的缺点。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明一种带储能环节的光储并离网一体机系统硬件拓扑结构图；
图2是本发明一种带储能环节的光储并离网一体机的工作模式切换策略；
图3是Boost级功率限制模式控制结构图；
图4是Boost级MPPT模式控制结构图；
图5是Buck/Boost级稳直流母线模式控制结构图；
图6是Buck/Boost级充电模式控制结构图；
图7是全桥逆变级控制交流电压模式控制结构图；
图8是全桥逆变级双闭环控制模式控制结构图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示是本实施例一种带储能环节的光储并离网一体系统的实施例的系统硬件拓扑结构图。所述硬件拓扑结构主要由Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三部分电路组成。
其中，Boost升压电路的输入端接太阳能电池，其输出端接公共直流母线；Buck/Boost直流变换电路升压端连接公共直流母线，降压端连接蓄电池；全桥逆变电路直流侧接公共直流母线，交流侧接电网或者直接接负载。
其中，Boost升压电路用于光伏电池到直流母线的直流升压；Buck/Boost直流变换电路用于实现公共直流母线和蓄电池端能量的双向流动；全桥逆变电路用于实现公共直流母线到网侧的DC/AC变换。
如图2所示是本实施例一种带储能环节的光储并离网一体机的实施例的系统工作模式切换策略图。
首先，通过检测电网电压Vgrid确定系统并离网状态，然后对应蓄电池不同的SOC确定每级的基本控制策略。
系统处于离网状态时:
当蓄电池SOC大于0.9时称系统工作于模式Ⅰ(第一工作模式)，此时Boost升压电路采取功率限制模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
当蓄电池SOC大于0.1小于0.9时称系统工作于模式Ⅱ(第二工作模式)，此时Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
当蓄电池SOC小于0.1时称系统工作于模式Ⅲ(第三工作模式)，此时Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取停机模式工作；
系统处于并网状态时，称系统工作于模式Ⅳ(第四工作模式)，此时Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取充电模式、全桥逆变电路采取双闭环控制模式工作。
系统工作模式切换策略包括离网状态时模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ之间的切换以及离网状态时模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ和并网状态时模式Ⅳ的切换。
离网状态时只根据蓄电池SOC状态进行工作模式切换：
当蓄电池SOC大于0.9时切换至模式Ⅰ，
当蓄电池SOC大于0.1小于0.9时切换至模式Ⅱ，
当蓄电池SOC小于0.1时切换至模式Ⅲ。
离并网状态之间的模式切换需根据蓄电池SOC和电网状态进行切换，当系统工作于离网状态模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ三者之一时，只要检测到电网正常时系统自动切换至模式Ⅳ；而当系统工作于并网状态的模式Ⅳ时，当检测到电网正常后，蓄电池SOC大于0.9时切换至模式Ⅰ，蓄电池SOC大于0.1小于0.9时切换至模式Ⅱ，蓄电池SOC小于0.1时切换至模式Ⅲ。
其中，功率限制模式是指直接由限制功率计算给定Boost级输入电压指令
通过与实测Boost级输入电压VPV做差得到Boost级控制器输入，经控制器PID1作用得到Boost级开关驱动信号，如图3所示。
MPPT模式是指由MPPT算法计算给定Boost级输入电压指令
通过与实测Boost级输入电压VPV做差得到Boost级控制器输入，经控制器PID2作用得到Boost级开关驱动信号，如图4所示。
稳直流母线模式是指采用对Buck/Boost直流变换电路采用电压外环加电流内环的双环结构控制，直流母线电压指令值
与直流母线电压实际采样值Vdc作差，差值经电压外环控制器PID3作用得到电流内环指令
电流内环指令与蓄电池电流Ibat作差，差值经电流内环控制器PID4作用得到Buck/Boost级开关驱动信号，如图5所示。
充电模式包括恒压、恒流、恒功率三种充电方式，三者并行作为外环，取三者中最小值输出作为内环给定，其中恒压充电方式指以蓄电池端电压指令
与蓄电池端电压Vbat作差经恒压充电控制器PID5作用得到充电电流内环指令
恒流充电方式指直接给定电流内环指令
恒功率指以给定功率Pgiven与蓄电池端电压Vbat作商得到电流内环指令
电流内环指令
与蓄电池电流Ibat作差，差值经电流内环控制器PID6作用得到Buck/Boost级开关驱动信号，如图6所示。
控制交流电压模式是指全桥逆变电路以交流侧电压为控制目标，采取单电压外环的控制方式，交流侧电压指令值与交流侧电压实际采样值Vgrid作差，差值经电压外环控制器PID7作用得到全桥逆变电路级开关驱动信号，如图7所示。
双闭环控制模式指全桥逆变电路以直流母线电压和网侧电流为控制目标，采取电压外环和电流内环的双环控制方式，直流母线电压指令值
与直流母线电压实际采样值Vdc作差，差值经电压外环控制器PID8作用得到电流内环指令
流内环指令
与网侧电流Igrid作差，差值经电流内环控制器PID9作用得到全桥逆变电路级开关驱动信号，如图8所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种光储并离网一体系统,其特征在于该系统的硬件拓扑结构由Boost升压电路、Buck/Boost直流变换电路以及全桥逆变电路三部分电路组成,
所述Boost升压电路的输入端接太阳能电池，其输出端接公共直流母线，
所述Buck/Boost直流变换电路升压端连接公共直流母线，降压端连接蓄电池，
所述全桥逆变电路直流侧接公共直流母线，交流侧连接负载。
2.根据权利要求1所述的一种光储并离网一体系统,其特征在于所述公共直流母线与蓄电池之间由Buck/Boost直流变换电路实现能量双向流动。
3.并离网一体系统的控制方法，其特征在于包括：
S1、通过检测电网电压确定系统并离网的状态，
S2、根据蓄电池不同的SOC确定每级的基本控制策略，
S3、根据系统并离网状态和蓄电池SOC进行工作模式的自动切换。
4.根据权利要求3所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于包括：工作在离网状态的第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和工作在并网状态下的第四工作模式。
5.根据权利要求4所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于：
第一工作模式时，Boost升压电路采取功率限制模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
第二工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取控制交流电压模式工作；
第三工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取稳直流母线模式、全桥逆变电路采取停机模式工作；
第四工作模式时，Boost升压电路采取MPPT模式、Buck/Boost直流变换电路采取充电模式、全桥逆变电路采取双闭环控制模式工作。
6.根据权利要求4或5所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于自动切换策略包括离网状态时的工作模式之间的切换，和并离网状态时的工作模式之间的切换。
7.根据权利要求6所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于：
离网状态时，系统在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式之间进行切换；
离并网状态时，系统在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式之间进行切换。
8.根据权利要求3、4、7任一所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于系统在离网状态时只根据蓄电池SOC状态进行工作模式切换：
当蓄电池SOC大于0.9时，系统工作在第一工作模式；
当蓄电池SOC大于0.1、小于0.9，系统工作在第二工作模式；
当蓄电池SOC小于0.1，系统工作在第三工作模式。
9.根据权利要求7所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于系统在离并网状态之间切换时，根据蓄电池SOC和电网状态进行切换，当系统工作在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式的任一工作模式下，只要检测到电网电压正常时系统自动切换至第四工作模式。
10.根据权利要求9所述的一种并离网一体系统的控制方法，其特征在于当系统在并网状态下第四工作模式时，当检测到电网电压正常后：
当蓄电池SOC大于0.9时，系统切换到第一工作模式；
当蓄电池SOC大于0.1、小于0.9，系统切换到第二工作模式；
当蓄电池SOC小于0.1，系统切换到第三工作模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200117 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |