CN111371110A - 一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法 - Google Patents

一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法，所述系统包括光伏逆变器、储能逆变器和离网负载，离网负载中包括滤波电感L和用电负载R；所述方法通过光伏逆变器控制模块保证了光伏电池工作在最大功率状态，控制光伏输出功率全部转为有功功率；通过储能逆变器控制模块控制储能蓄电池配合光伏电池放电以保证混合系统离网输出电压的稳定；载波移相调制在级联系统中相对于传统调制方法能够更有效降低电压谐波含量，输出更高质量的电压波形。与传统的光伏储能混合系统不同，本发明所提出的基于级联型光伏储能混合系统离网控制方法能够有效减少输出电压谐波含量并保证离网供电质量，且控制方法简单易实现，具有很好的实用性。

Description

一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术，具体涉及一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法。
背景技术
在光伏发电系统中，级联型光伏储能混合系统是一种优越的集成拓扑，有着许多优点：能够平抑光伏功率波动，低开关频率，拥有宽范围的无功补偿和可实现光伏电池板和蓄电池独立的维护和控制等等。
现有研究中，对于光储混合系统的离网控制策略研究主要集中在对于电压型控制策略的改进与提升，这种方法生成的离网电压往往谐波含量较大，存在一定的静态误差。然而使用了级联型结构的光储混合系统，与载波移相调制方法有着很好的适配性，载波移相调制能够消除开关频率以下的低频谐波，从而大大减小离网电压的谐波含量；级联型结构中光伏电池和储能电池可以被看成两个独立的模块，从而可以方便对每个级联单元进行独立的控制，结合不同的控制方法得到更高质量的离网电压波形，从而提高离网供电电压的稳定性。
发明内容
综上所述，本发明公开了一种离网型单相级联光伏储能混合系统及其控制方法，其中，所述系统包括光伏逆变器、储能逆变器和离网负载；
所述光伏逆变器包括光伏电池和光伏逆变器H桥；
所述储能逆变器包括储能蓄电池和储能逆变器H桥；
所述离网负载包括滤波电感和用电负载；
所述光伏逆变器和储能逆变器通过各自的H桥交流侧级联，并通过滤波电感与用电负载相连。
本发明还提供了一种离网型单相级联光伏储能混合系统控制方法，包括光伏逆变器控制模块，储能逆变器控制模块和载波移相调制模块；
所述光伏逆变器控制模块，用于保证光伏电池工作在最大功率状态，控制光伏输出功率全部转为有功功率；
所述储能逆变器控制模块，用于控制储能蓄电池配合光伏电池放电以保证混合系统离网输出电压的稳定；
所述载波移相调制模块，使用了载波移相调制方法生成H桥(包括光伏逆变器H桥和储能逆变器H桥)驱动信号，在级联H桥拓扑中是一种常用的方法。
所述光伏逆变器控制模块，用于保证光伏电池工作在最大功率状态，控制光伏输出功率全部转为有功功率，具体包括如下步骤：
步骤1，对光伏电池行最大功率点跟踪控制，保证太阳能利用率的最大化；
步骤2，以光伏最大功率电压为参考值，光伏实际直流电压为实际值，通过PI控制生成误差信号；
步骤3，将步骤2生成的误差信号与离网电流i相乘产生光伏逆变器的调制信号，并将调制信号输出到载波移相调制模块中生成驱动信号，从而驱动光伏逆变器H桥工作；
步骤1中，光伏逆变器控制模块通过扰动观察法对光伏电池进行最大功率点跟踪控制，保证太阳能利用率的最大化，具体包括：检测当前电压电流并计算当前功率，然后给一固定方向的小扰动，小扰动通常取0.1～0.5V，重新检测扰动后的电压电流并计算功率，通过比较扰动前后的电压和功率大小判断对当前工作状态进行增载或减载操作使光伏电池不断接近最大功率点。
步骤3中，采用如下公式计算光伏逆变器的调制信号upv：
Figure BDA0002388595430000021
其中，ΔVpv是步骤2中生成的误差信号，Ppv是光伏电池输出的有功功率，Qpv是光伏电池输出的无功功率，θ是光伏输出电压和离网电流之间的相位，i表示离网电流，
步骤3中将检测到的电流与误差信号相乘生成光伏输出电压调制信号，保证了光伏输出电压与电流同相位，光伏单元只对外输出有功功率。
所述储能逆变器控制模块，通过双闭环控制生成离网电压信号uout，然后利用离网电压信号uout与步骤3得到的光伏逆变器的调制信号upv进行矢量相减得到储能逆变器输出电压调制信号ubat，并将其输出到载波移相调制模块中生成驱动信号，驱动储能逆变器H桥工作。
所述双闭环控制包括准比例谐振PR电压外环控制和PI电流内环控制。所述准比例谐振PR电压外环控制包括：在虚轴上引入两个极点±ωo，以此形成谐振，实现交流信号的无静差跟踪，准PR电压外环控制的传递函数G(s)如(2)所示：
Figure BDA0002388595430000031
其中，系统带宽ωc视具体系统而定，一般取6kHz～12kHz，谐振频率ω0取工频50Hz。根据上述传递函数可以将准PR控制应用在特定谐波处，进一步消除离网电压中的低次谐波含量。
本发明针对级联型光储混合系统提出了离网控制方法，该方法将系统分为了光伏单元和储能单元两级级联，选用离网电压作为控制的参考值，分别对光伏单元和储能单元进行控制。光伏单元中提出了检测离网电流合成光伏单元输出电压的方法，能够有效控制光伏单元只输出有功功率，提高能量使用效率，储能单元中提出了准PR电压外环和PI电流内环的双闭环控制方法使储能逆变器拥有更宽的稳定工作范围，并使用载波移相的调制方法以获得更低的谐波含量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)降低了光储混合系统离网输出电压的谐波含量；
(2)提高了离网供电电压的稳定性；
(3)储能逆变器拥有更宽的稳定工作范围；
(4)控制方法简便易实现并具有良好特性。
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是电压合成矢量图；
图2是离网控制策略框图；
图3是级联型光伏储能混合系统中电阻负载的电流电压波形图；
图4是光伏逆变器直流输出电压波形图。
具体实施方式
本发明提供了一种单相级联型光伏储能混合系统的离网控制方法，通过对光伏电池和储能电池的分别控制，能够提高光储混合系统的发电利用率，输出更高质量的离网电压波形。以下结合附图对本发明方案进行说明。
如图1所示为光伏逆变器输出电压upv和储能逆变器输出电压ubat合成离网电压uout,ref的矢量图，图中光伏逆变器输出电压upv和离网电流i同相位，与离网电压uout,ref的相位角为α。由于光储系统中的主要负载是电阻和电感，所以电流表现为滞后电压α的角度，α可由(5)计算而来。
Figure BDA0002388595430000041
其中R是电阻负载，L是滤波电感，ω是系统角频率。
在已知离网电压Uout,ref和通过控制策略计算得到了光伏逆变器输出电压Upv的情况下，储能逆变器输出电压Ubat就可以通过矢量相减得到。
图2所示的离网模式控制策略具体实现步骤如下：
步骤1，以光伏最大功率电压Vpvmppt为参考值，光伏实际直流电压Vpv为实际值进行PI控制生成误差信号uopv；
步骤2，将误差信号uopv与采集的离网电流i相乘生成光伏逆变器的输出电压调制信号upv，并将输出电压调制信号upv输出到载波移相调制模块(PS-SPWM)中生成驱动信号，从而驱动光伏逆变器H桥工作；
步骤3，以离网电压额定值uout，ref为参考值，实际离网电压为实际值进行准PR电压外环控制生成误差信号io，然后进行误差信号io与离网电流i的电流内环控制生成离网电压信号uout。
步骤4，利用离网电压信号uout与步骤2中得到的光伏逆变器的输出电压调制信号upv进行矢量相减得到储能逆变器输出电压调制信号ubat，并将其输出到载波移相调制模块(PS-SPWM)中生成驱动信号，从而驱动储能逆变器H桥工作。
本发明中的关键技术在于：采集离网电流生成光伏逆变器的输出电压调制信号，这使光伏电池只输出有功功率，提高光伏发电的利用率；使用准PR电压外环和PI电流内环的双闭环控制方法实现无静差跟踪离网电压。
实施例
使用MATLAB/Simulink仿真验证了所提出的离网控制方法，搭建上述的一个光伏单元和一个蓄电池的级联系统，用电负载选为电阻负载，并按照图2所示控制框图搭建控制系统进行仿真。具体仿真参数设定为：储能逆变器直流侧电压Vbat＝100V，电阻负载R＝10Ω，滤波电感L＝0.0225H，电网频率f＝50Hz，稳压电容C＝00021F，温度T＝25℃，初始光照强度为1000W/m2，光伏电池最大功率电压Vpvmppt＝60V，离网电压uout，ref幅值为100V，相位为0°。
仿真试验中进行光照变化的模拟，当仿真运行到3s时，光伏电池光照强度发生了变化，从初始光照强度的1000W/m2降为了800W/m2，观察试验现象。如图3所示为电阻负载的电压电流波形图，可以看出电阻负载上的电压为100V，电流为10A，且电压电流值保持稳定，所以认为试验结果是可靠的。
图4所示是光伏电池直流电压变化波形图，从图中可以看出稳定工作状态下，光伏电池直流电压稳定在最大功率电压60V处，并且3s时光照强度发生变化时，光伏电池迅速反应，继续跟踪新的最大功率，直至稳定，证明了系统的可靠性和稳定性。
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 (8)

1.一种离网型单相级联光伏储能混合系统，其特征在于，包括光伏逆变器、储能逆变器和离网负载；
所述光伏逆变器包括光伏电池和光伏逆变器H桥；
所述储能逆变器包括储能蓄电池和储能逆变器H桥；
所述离网负载包括滤波电感和用电负载；
所述光伏逆变器和储能逆变器通过各自的H桥交流侧级联，并通过滤波电感与用电负载相连。
2.一种离网型单相级联光伏储能混合系统控制方法，其特征在于，包括光伏逆变器控制模块，储能逆变器控制模块和载波移相调制模块；
所述光伏逆变器控制模块，用于保证光伏电池工作在最大功率状态，控制光伏输出功率全部转为有功功率；
所述储能逆变器控制模块，用于控制储能蓄电池配合光伏电池放电以保证混合系统离网输出电压的稳定；
所述载波移相调制模块，使用了载波移相调制方法生成H桥驱动信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光伏逆变器控制模块，用于保证光伏电池工作在最大功率状态，控制光伏输出功率全部转为有功功率，具体包括如下步骤：
步骤1，对光伏电池进行最大功率点跟踪控制，保证太阳能利用率的最大化；
步骤2，以光伏最大功率电压为参考值，光伏实际直流电压为实际值，通过比例积分(PI)控制生成误差信号；
步骤3，将步骤2生成的误差信号与离网电流i相乘产生光伏逆变器的调制信号upv，将调制信号upv输出到载波移相调制模块中生成驱动信号，从而驱动光伏逆变器H桥工作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中，光伏逆变器控制模块通过扰动观察法对光伏电池行最大功率点跟踪控制，保证太阳能利用率的最大化，具体包括：检测当前电压电流并计算当前功率，然后给一固定方向的小扰动并采集电压电流计算功率，通过比较扰动前后的电压和功率大小判断对当前工作状态进行增载或减载操作使光伏电池断接近最大功率点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，采用如下公式计算光伏逆变器的调制信号upv：
Figure FDA0002388595420000021
其中，ΔVpv是步骤2中生成的误差信号，Ppv是光伏电池输出的有功功率，Qpv是光伏电池输出的无功功率，θ是光伏输出电压和离网电流之间的相位，i表示离网电流。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述储能逆变器控制模块，通过双闭环控制生成离网电压信号uout，然后利用离网电压信号uout与步骤3得到的光伏逆变器的调制信号upv进行矢量相减得到储能逆变器输出电压调制信号ubat，并将其输出到载波移相调制模块中生成驱动信号，驱动储能逆变器H桥工作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述双闭环控制包括准比例谐振PR电压外环控制和PI电流内环控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述准比例谐振PR电压外环控制包括：在虚轴上引入两个极点±ωo，以此形成谐振，实现交流信号的无静差跟踪，准PR电压外环控制的传递函数G(s)如(2)所示：
Figure FDA0002388595420000022
其中，KP为比例系数，KR为谐振系数，s为虚变量，ωc为系统带宽，ω0为谐振频率。
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