CN111509775A - 基于mmc光储混合逆变器的新型集成结构和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化多电平光储混合并网逆变器的新型集成结构和功率分配方法，对系统进行上层并网控制，稳定直流侧电压；对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制，使各光伏子模块在一定光照下输出其最大功率；对蓄电池模块进行SOC均衡控制；根据电网功率需求指令，对蓄电池模块进行下层功率控制，使其充当系统备用电源。本发明可根据电力调度指令，灵活地将有功功率分配到光伏模块和储能电池模块中，通过上层控制稳定直流侧电压，下层控制可最大限度地提高能源利用效率，提高了系统的稳定性，抑制环流，适用于大规模光伏并网系统。

Description

基于MMC光储混合逆变器的新型集成结构和功率分配方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种基于MMC光储混合逆变器的新型集成结构和功率分配方法。

背景技术

带储能元件的模块化多电平光伏并网逆变器具有模块化程度高、开关频率高、谐波特性好等特点，其中储能系统还可以辅助光伏系统并网，平滑功率波动，提高电能质量，得到了广泛的应用。

针对基于MMC的光储混合逆变器，已有一些可行的集成结构提出，包括将光伏组件和蓄电池通过DC-DC变换器同时集成到一个子模块中，或将大量光伏电池进行串并联直接连接到MMC直流侧，将蓄电池集成到各子模块中。现有结构中含有大量DC-DC双向变换器，大大增加了系统中开关管和变压器数量，增大了系统损耗和控制难度，而将大量光伏组件串并联无法解决光伏电池的局部阴影问题，容易造成系统的功率波动。此外，现有技术中对于系统中光伏电池和蓄电池两种直流源的功率分配问题并未进行详细阐述，难以满足电力调度需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MMC光储混合逆变器的新型集成结构和功率分配方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于模块化多电平光储混合并网逆变器的新型集成结构和功率分配方法，包括如下步骤：

步骤1、对系统进行上层并网控制，稳定直流侧电压；

步骤2、对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制，使各光伏子模块在一定光照下输出其最大功率；

步骤3、对蓄电池模块进行SOC均衡控制；

步骤4、根据电网功率需求指令，对蓄电池模块进行下层功率控制，使其充当系统备用电源。

进一步的，步骤1中，对系统进行上层并网控制的具体方法为：

采用电压电流内外环控制实现系统解耦控制后的交流并网，由直流侧电压参考值和实际值经PI控制器调节得到参考并网电流在d轴上的分量i_dref，并实现直流侧电压恒定，由电网无功功率指令Q得到参考并网电流在q轴上的分量i_qref，使系统跟踪电网指令要求。

进一步的，步骤2中，对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制的具体方法为：

步骤2.1、确定光伏子模块电压调节量，利用扰动观察法得到每个光伏子模块的最大功率点电压，将其与光伏模块瞬时电压作差，经PI调节后乘以对应桥臂电流经符号调节后的结果，使得每个光伏子模块都能独立工作在其最大功率点上；

步骤2.2、确定光伏子模块环流调节量，其由j(j＝a,b,c)相环流实际值与参考值作差后经PR调节后得到，其中环流参考值由其直流分量和基频分量构成，通过将j(j＝a,b,c)相上桥臂所有光伏电池输出电压和与下桥臂光伏电池电压和相加，与参考值作差经PI控制后得到j相环流直流分量参考值，以控制相间电压均衡，通过将j相上桥臂所有光伏电池输出电压和与下桥臂光伏电池电压和相减，与参考值作差经PI控制后得到j相环流基频分量参考值，以控制桥臂间电压均衡。

进一步的，步骤3中，对蓄电池模块进行SOC均衡控制的具体方法为：

确定蓄电池子模块SOC调节量，其由每个模块的SOC值和对应桥臂SOC平均值作差经PI调节后得到，以确保在蓄电池初始SOC状态不一致时使其趋于均衡。

进一步的，步骤4中，对蓄电池模块进行下层功率控制的具体方法为：

步骤4.1、确定j(j＝a,b,c)相所有光伏电池发出的有功功率

包括j相上桥臂和下桥臂所有光伏电池发出的有功功率

具体公式为：

其中，

为j相z(z＝p,n)桥臂第k个光伏子模块的输出功率，U_{pv_zjk}为j相z桥臂第k个光伏子模块的最大功率点电压，I_zjk为j相z桥臂第k个光伏子模块的输出电流，P^* _{pv_pj}为j相上桥臂所有光伏电池发出的有功功率，P^* _{pv_nj}为j相下桥臂所有光伏电池发出的有功功率；

步骤4.2、由于光伏电池发出的功率存在不确定性，根据电网调度指令，其他有功功率由蓄电池补充以确保其满足电网需求，并使其在光照条件变化情况下仍能保持输出功率恒定，确定j(j＝a,b,c)相所有蓄电池应发出的有功功率，具体公式为：

其中，P^* _{ac_j}为j相输出的总功率，P^* _ac为电网调度指定的总功率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)新型集成结构简化了系统配置和控制，降低了系统损耗；2)在用电高峰及局部阴影条件下，提出的功率分配方法可根据电网功率调度，由光伏电池和蓄电池同时向电网供电，适用于大规模光伏并网系统。

附图说明

图1为本发明基于MMC光储混合逆变器的新型集成结构的示意图。

图2为本发明功率分配方法的整体控制原理图。

图3为本发明下层控制原理图。

图4为本发明仿真结果图，其中(a)为光照均衡和光照不均衡两种情况下电网电压和电流、电容电压和功率波形图，(b)为两种情况下直流侧电压和环流波形图。

图中，m为各桥臂光伏子模块数量，n为各桥臂子模块总数量，L为桥臂滤波电感，U_dc为直流侧电压，L_s为负载电感，U_sj(j＝a,b,c)为电网电压，i_j为j相并网电流，i_pj为j相上桥臂电流，i_nj为j相下桥臂电流，i_cirj为j相环流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

本发明提出一种基于MMC光储混合逆变器的新型集成结构，不需要DC-DC转换器，通过半桥结构将光伏电池和储能电池集成到不同的子模块中，减少了系统损耗，可以独立控制光伏模块和蓄电池模块，使能源得到充分利用。如图1所示，MMC中每个相位包含上、下两个桥臂，每个桥臂由n个子模块和滤波电感L组成，n个子模块包括m个光伏子模块和n-m个蓄电池子模块，其中，光伏电池或蓄电池直接连接到半桥结构上。上、下桥臂的公共点引出相线通过负载电感L_s与电网相连。环流由i_cirj＝(i_pj+i_nj)/2得到，并网电流由i_j＝(i_pj-i_nj)/2得到。

基于上述新型集成结构，本发明还提出一种功率分配方法，以解决传统光伏并网系统无法满足电网需求问题以及由于光照不平衡而引起的功率波动问题，当光伏模块输出功率无法满足电网需求时，可由两种电源同时向交流电网供电以满足调度需求。如图2-3所示，基于模块化多电平光储混合并网逆变器的功率分配方法，其过程具体包括如下三个部分：

(1)并网控制

图2为本发明控制方式示意图，上层控制为并网控制，只要给定参考并网电流在d轴和q轴上的分量i_dref和i_qref，即可实现解耦控制后的交流并网，其中i_dref由直流侧电压参考值和实际值经PI控制器调节得到，i_qref由电网无功功率指令Q得到，通常设置为0。

MMC交流侧等效输出电压可由其在d轴和q轴上的分量u_sd和u_sq经反派克变换得到，u_sd和u_sq可由下式得到：

式中：v_d和v_q分别由并网电流在d轴和q轴上的分量的参考值和实际值作差后经PI控制器得到；e_d和e_q分别为电网电压在d轴和q轴上的分量；L为MMC等效连接电感；ω为电网电压基波频率。

(2)功率控制

图3为本发明下层控制方式示意图，包括功率控制和均衡控制。功率控制即为上述步骤4中所述对系统蓄电池模块进行的下层功率控制。根据电力调度指令确定总输出功率P^* _ac，由于光伏电池可以根据光照强度输出固定的功率，剩余的功率由蓄电池补充以满足电网需要。将一相中所有光伏电池的最大输出功率相加可以得到光伏模块参考功率P^* _{pv_j}，具体公式为：

其中：

每相所有蓄电池需补充的有功功率P^* _{ES_j}可由根据调度需求确定的每相输出的总功率P^* _{ac_j}和P^* _{pv_j}作差得到，即：

当耗电量处于一天中的峰值时，光伏电池输出的功率无法满足电网的供电需求。此外，当处于局部阴影情况下，即光伏子模块光照不均衡情况下，光伏模块的输出功率发生波动。本发明提出的功率分配方法可以根据功率需求指令，由蓄电池充当备用电源补足剩余功率。

(3)均衡控制

均衡控制包括上述步骤2中所述对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制控制以及步骤3中所述对蓄电池模块进行的SOC均衡控制。如图3所示，在MPPT控制中，对每个光伏电池都采取单独的控制使其工作在各自的最大功率点，以保证太阳能的最大利用。采用扰动观察法得到j(j＝a,b,c)相z(z＝p,n)桥臂第k个光伏电池的最大功率点电压U_{pv_zjk}，将其与光伏电池瞬时电压作差，经PI控制后乘以对应桥臂电流经符号调节后的结果。此外，为了降低系统损耗，提出了各相的环流抑制方案。其中，环流参考值的基频分量由上、下桥臂电压差产生，直流分量由两桥臂电压之和产生。将环流参考值与实际值作差，通过PR控制器消除环流中的二倍频分量。通过这种控制方式，在局部阴影条件下，仍然可以保证电力系统的稳定运行。在蓄电池模块中，需考虑蓄电池的SOC均衡控制。计算各对应桥臂的SOC均值并将其作为参考值与各蓄电池子模块SOC实际值作差，经PI控制后，加上功率控制的调节量，乘以对应桥臂电流经符号调节的结果，得到蓄电池子模块的调节量。由于在光伏模块中考虑了环流抑制，因此在蓄电池中不再考虑。

本发明适用于光伏电池和储能电池作为链节直流源的模块化多电平混合储能系统，能够根据电网调度需求和实现各相内部链节的有功功率分配，并保证系统在光照不平衡或光照变化情况下仍能安全稳定运行，不影响系统总功率输出。但是，本方法的应用场合不限于由光伏电池和蓄电池作为直流源的模块化多电平混合储能系统，理论上还适用于其他三相多电平混合储能系统。

实施例

为了验证本发明的有效性，在Matlab/Simulink中搭建实验仿真模型，系统实际参数如下：

表1系统实际参数表

以A相为例，光照均衡和不均衡情况下的仿真结果如图4(a)所示。当所有光伏电池的光照强度为1000W/m²时，由于无功功率命令为0，电网电压和电流的相位保持一致且每个光伏电池都能跟踪其最大功率点。设定A相输出总功率为4400W，由于光伏模块的最大输出功率无法满足电网需求，剩余功率由蓄电池补充。当部分子模块光照强度下降到400W/m²时，光伏模块的输出功率下降，并网电流随之减小。光伏电池跟踪新的最大功率点且互不影响。总功率设定为3000W，光伏模块提供最大功率，其余由蓄电池补充。

A相直流侧电压和环流波形如图4(b)所示。直流侧电压能跟踪指令值，环流也能得到很好地抑制，可以看出本发明控制方式能够达到控制目标。

Claims (5)

1.一种基于模块化多电平光储混合并网逆变器的新型集成结构和功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对系统进行上层并网控制，稳定直流侧电压；

步骤2、对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制，使各光伏子模块在一定光照下输出其最大功率；

步骤3、对蓄电池模块进行SOC均衡控制；

步骤4、根据电网功率需求指令，对蓄电池模块进行下层功率控制，使其充当系统备用电源。

2.根据权利要求1所述的功率分配方法，其特征在于，步骤1中，对系统进行上层并网控制的具体方法为：

采用电压电流内外环控制实现系统解耦控制后的交流并网，由直流侧电压参考值和实际值经PI控制器调节得到参考并网电流在d轴上的分量i_dref，并实现直流侧电压恒定，由电网无功功率指令Q得到参考并网电流在q轴上的分量i_qref，使系统跟踪电网指令要求。

3.根据权利要求1所述的功率分配方法，其特征在于，步骤2中，对光伏模块进行最大功率跟踪控制和环流抑制的具体方法为：

步骤2.1、确定光伏子模块电压调节量，利用扰动观察法得到每个光伏子模块的最大功率点电压，将其与光伏模块瞬时电压作差，经PI调节后乘以对应桥臂电流经符号调节后的结果，使得每个光伏子模块都能独立工作在其最大功率点上；

步骤2.2、确定光伏子模块环流调节量，其由j(j＝a,b,c)相环流实际值与参考值作差后经PR调节后得到，其中环流参考值由其直流分量和基频分量构成，通过将j(j＝a,b,c)相上桥臂所有光伏电池输出电压和与下桥臂光伏电池电压和相加，与参考值作差经PI控制后得到j相环流直流分量参考值，以控制相间电压均衡，通过将j相上桥臂所有光伏电池输出电压和与下桥臂光伏电池电压和相减，与参考值作差经PI控制后得到j相环流基频分量参考值，以控制桥臂间电压均衡。

4.根据权利要求1所述的功率分配方法，其特征在于，步骤3中，对蓄电池模块进行SOC均衡控制的具体方法为：

确定蓄电池子模块SOC调节量，其由每个模块的SOC值和对应桥臂SOC平均值作差经PI调节后得到，以确保在蓄电池初始SOC状态不一致时使其趋于均衡。

5.根据权利要求1所述的功率分配方法，其特征在于，步骤4中，对蓄电池模块进行下层功率控制的具体方法为：

步骤4.1、确定j(j＝a,b,c)相所有光伏电池发出的有功功率

包括j相上桥臂和下桥臂所有光伏电池发出的有功功率

具体公式为：

其中，P^* _{pv_zjk}为j相z(z＝p,n)桥臂第k个光伏子模块的输出功率，U_{pv_zjk}为j相z桥臂第k个光伏子模块的最大功率点电压，I_zjk为j相z桥臂第k个光伏子模块的输出电流，P^* _{pv_pj}为j相上桥臂所有光伏电池发出的有功功率，P^* _{pv_nj}为j相下桥臂所有光伏电池发出的有功功率；

步骤4.2、由于光伏电池发出的功率存在不确定性，根据电网调度指令，其他有功功率由蓄电池补充以确保其满足电网需求，并使其在光照条件变化情况下仍能保持输出功率恒定，确定j(j＝a,b,c)相所有蓄电池应发出的有功功率，具体公式为：

其中，P^* _{ac_j}为j相输出的总功率，P^* _ac为电网调度指定的总功率。

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