CN113224746A - 一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置及模式切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置及模式切换方法。属于直流微电网运行控制技术领域，该方法根据光伏电池的输出特性曲线，将输出功率对输出电流的微分作为控制变量，通过跟踪不同的dp/di指令值来实现光伏系统最大功率点跟踪模式、恒压下垂模式的控制以及两种模式间的平滑切换；该装置包括光伏DC/DC变换器Boost、dp/di控制器、CVD控制器、脉宽调制器PWM、和负向限幅器。本发明的方法使用一种控制环路统一了MPPT模式与CVD模式，不存在控制环路的切换，保证了模式切换的瞬态性能和稳定性能；该装置可应用于光储直流微电网，结构简单，经济性高，可以实现多光伏系统工作模式间的平滑切换。

Description

一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置及模式切换方法
技术领域
本发明涉及直流微电网运行控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置及模式切换方法。
背景技术
为了应对能源危机，以光伏等可再生能源为主的分布式发电技术得到广泛使用。直流微电网可以最大程度地接纳分布式电源，并与大电网连接。与交流微电网相比，光储直流微电网具有节能环保，能源利用率高，可靠性高和灵活性强等优点，是未来分布式能源系统的发展趋势。如今，光储直流微电网已在船舶、航天等独立的电力系统得到初步应用。
光储直流微电网由光伏发电系统、储能系统、负载以及并网变换器组成，其简化结构图如图1所示。微电网运行期间，光伏系统需要根据微电网直流母线电压信号，在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式与恒压下垂(Constant VoltageDroop，CVD)模式间进行切换。当微电网处于并网运行模式时，为了充分利用太阳能资源，光伏系统工作在MPPT模式以尽可能地多输出功率。当直流微电网孤岛运行时，若出现光伏系统的输出功率大于负荷需求，且储能系统无法吸纳多余功率的情况下，光伏系统需要退出MPPT模式，切换至CVD模式跟随负荷变化以维持直流母线电压。图2为传统的光伏系统控制装置结构示意图，在MPPT模式下，光伏系统作为电流源，以实时保持最大功率输出；而在CVD模式下，光伏系统作为电压源，以稳定直流母线电压。从图中可以看出，MPPT控制环和CVD控制环是相互独立的控制环路，在工作模式切换的瞬间，由一个控制环切换至另一个控制环很明显会给系统带来一定的扰动，使PWM的输出发生跳变，导致切换过程前后光伏系统输出功率的突变，引起直流母线电压大幅波动，严重时还会出现振荡现象，威胁微电网的稳定运行。为了保证光伏系统模式切换过程的稳定性，需要实现两种模式的平滑切换。同时随着光伏渗透率的提高，光伏发电功率越来越大，单个DC/DC变换器功率难以满足需求，多组光伏变换器并联运行成为理想的解决方案。然而，多光伏变换器模式切换问题的稳定性能和瞬态性能还有待提高。
发明内容
根据上述提出的技术问题，本发明提供一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置及模式切换方法，使光伏系统实现MPPT模式与CVD模式之间的平滑切换。
本发明采用的技术手段如下：
一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置，包括：电性连接的dp/di控制器、CVD控制器、脉宽调制器PWM、Boost变换器以及负向限幅器；
所述dp/di控制器，用于实现dp/di的闭环控制；
所述CVD控制器，用于控制多个光伏变换器的功率分配以及将dp/di的参考值输送至dp/di控制器；
所述Boost变换器用于将光伏电池发出的电能传输到直流母线端；
所述负向限幅器用于输出0或者正的dp/di指令值；
所述脉宽调制器PWM用于产生占空比脉冲信号，使得Boost变换器工作在MPPT或CVD模式。
进一步地，所述dp/di控制器包括dp/di计算器和第一PI控制器，dp/di计算器输入端、光伏电池输出端及Boost变换器的输入端相连接，第一PI控制器输出端与脉宽调制器PWM的输入端相连接；
dp/di计算器用于实时计算光伏电池的dp/di值；
第一PI控制器用于接收dp/di计算器输出的dp/di当前值与直流母线电压控制器输出的dp/di指令值的差值，并产生第一控制信号。
进一步地，所述CVD控制器主要包括下垂控制器、直流母线电压控制器以及第二PI控制器；
下垂控制器的输入端与Boost变换器的输出端相连接，下垂控制器用于实现多个光伏变换器的功率分配；
直流母线电压控制器输入端、下垂控制器的输出端与Boost变换器的输出端相连接，直流母线电压控制器用于将dp/di的参考值送至dp/di控制器；
第二PI控制器输出端与负向限幅器的输入端相连接，第二PI控制器用于接收下垂控制器输出的直流母线电压参考值和Boost变换器的输出电压的差值，并产生第二控制信号。
进一步地，所述第一控制信号用于控制脉宽调制器PWM产生相应的占空比脉冲信号d使Boost变换器工作在MPPT或CVD模式；所述第二控制信号用于控制负向限幅器输出0或者正的dp/di指令值。
本发明还提供了一种基于上述模式切换装置的模式切换方法，包括如下步骤：
S1、根据光伏电池Ppv-Ipv特性曲线，dp/di计算器在获取Boost变换器输入端光伏电池的输出电压upvi和输出电流ipvi后，计算得到光伏电池的dp/di当前值。
S2、在直流母线电压控制器中，比较下垂控制器给出的直流母线电压参考值ui *与当前直流母线电压udci；
S3、当直流母线电压udci小于参考值ui *时，由于负向限幅器的作用，CVD控制器输出的dp/di参考值为0，此时dp/di计算器跟踪0指令值，使光伏系统工作在MPPT模式；
S4、当直流母线电压udci大于给定值ui *时，CVD控制器有输出，产生正的dp/di参考值，此时dp/di计算器跟踪正的dp/di指令值，使光伏电池退出最大功率点，并向“电压源区”过渡，同时降低光伏电池的输出功率，完成光伏系统从MPPT模式向CVD模式的切换。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述模式切换方法。
本发明还提供了电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述模式切换方法。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的新型直流微电网多光伏系统的模式切换方法，该方法根据光伏电池的输出特性曲线，将dp/di作为控制变量，光伏系统的工作模式切换可以通过跟踪光伏电池不同的dp/di值来完成。
2、本发明提供的新型直流微电网多光伏系统的模式切换方法，与传统切换控制方法相比，不存在控制环路的切换，使用一种控制环路统一了MPPT模式与CVD模式，保证了模式切换的瞬态性能和稳定性能。
3、本发明提供的新型直流微电网多光伏系统的模式切换装置，可应用于光储直流微电网，结构简单，切换速度快，经济性高。
基于上述理由本发明可在直流微电网运行控制等领域广泛推广。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光储直流微电网简化结构示意图。
图2为传统光伏系统控制装置结构示意图。
图3为光伏电池Ppv-Ipv特性曲线示意图。
图4为本发明直流微电网多光伏系统的模式切换装置结构示意图。
图5为本发明实施例提供的直流母线电压仿真结果。
图6为本发明实施例提供的光伏电池输出功率仿真结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图4所示，本发明提供了一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置，包括：电性连接的dp/di控制器、CVD控制器、脉宽调制器PWM、Boost变换器以及负向限幅器；
所述dp/di控制器，用于实现dp/di的闭环控制；
所述CVD控制器，用于控制多个光伏变换器的功率分配以及将dp/di的参考值输送至dp/di控制器；
所述Boost变换器用于将光伏电池发出的电能传输到直流母线端；
所述负向限幅器用于输出0或者正的dp/di指令值；
所述脉宽调制器PWM用于产生占空比脉冲信号，使得Boost变换器工作在MPPT或CVD模式。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述dp/di控制器包括dp/di计算器和第一PI控制器，dp/di计算器输入端、光伏电池输出端及Boost变换器的输入端相连接，第一PI控制器输出端与脉宽调制器PWM的输入端相连接；
dp/di计算器用于实时计算光伏电池的dp/di值；
第一PI控制器用于接收dp/di计算器输出的dp/di当前值与直流母线电压控制器输出的dp/di指令值的差值，并产生第一控制信号。所述第一控制信号用于控制脉宽调制器PWM产生相应的占空比脉冲信号d使Boost变换器工作在MPPT或CVD模式；
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述CVD控制器主要包括下垂控制器、直流母线电压控制器以及第二PI控制器；
下垂控制器的输入端与Boost变换器的输出端相连接，下垂控制器用于实现多个光伏变换器的功率分配；
直流母线电压控制器输入端、下垂控制器的输出端与Boost变换器的输出端相连接，直流母线电压控制器用于将dp/di的参考值送至dp/di控制器；
第二PI控制器输出端与负向限幅器的输入端相连接，第二PI控制器用于接收下垂控制器输出的直流母线电压参考值和Boost变换器的输出电压的差值，并产生第二控制信号。所述第二控制信号用于控制负向限幅器输出0或者正的dp/di指令值。
实施例：
以单台变换器为例，dp/di计算器获取Boost变换器输入端光伏电池的输出电压upvi和输出电流ipvi后，通过下式计算得到光伏电池的dp/di当前值。
Figure BDA0003078708350000061
CVD控制器获取Boost变换器输出电压udci和输出电流idci后，下垂控制器通过下式计算出直流母线电压控制器的给定值ui *。
Figure BDA0003078708350000062
上式中，udc_ref表示直流母线电压参考值，mi表示下垂系数。下垂控制器通过引入虚拟阻抗mi来改变变换器的输出阻抗，当串联的虚拟阻抗远大于线路阻抗时，就可以忽略线路阻抗对分流精度的影响，输出电流将与下垂系数成反比。
在直流母线电压控制器中，将下垂控制器输出的直流母线电压给定值ui *和Boost变换器的输出电压udci作差，并将差值传送至第二PI控制器，第二PI控制器的输出值经过负向限幅器后，输出0或者正的dp/di指令值。
当Boost变换器的输出电压udci小于给定值ui *时，第二PI控制器的输出为负值，经过负向限幅器的作用后，直流母线电压控制器输出的dp/di参考值为0。此时，dp/di计算器输出的dp/di当前值与直流母线电压控制器输出的0指令值作差，并将差值传送至第一PI控制器并产生控制信号，再控制脉宽调制器PWM产生相应的占空比脉冲信号d使Boost变换器工作在MPPT模式。
当Boost变换器的输出电压udci大于给定值ui *时，第二PI控制器的输出为正值，经过负向限幅器的作用后，直流母线电压控制器输出的dp/di参考值为正。此时，dp/di计算器输出的dp/di当前值与直流母线电压控制器输出的正指令值作差，并将差值传送至第一PI控制器并产生控制信号，再控制脉宽调制器PWM产生相应的占空比脉冲信号d使Boost变换器工作在CVD模式。
本发明还提供了一种基于上述直流微电网多光伏系统的模式切换装置的模式切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据光伏电池Ppv-Ipv特性曲线，dp/di计算器在获取Boost变换器输入端光伏电池的输出电压upvi和输出电流ipvi后，计算得到光伏电池的dp/di当前值。
S2、在直流母线电压控制器中，比较下垂控制器给出的直流母线电压参考值ui *与当前直流母线电压udci；
S3、当直流母线电压udci小于参考值ui *时，由于负向限幅器的作用，CVD控制器输出的dp/di参考值为0，此时dp/di计算器跟踪0指令值，使光伏系统工作在MPPT模式；
S4、当直流母线电压udci大于给定值ui *时，CVD控制器有输出，产生正的dp/di参考值，此时dp/di计算器跟踪正的dp/di指令值，使光伏电池退出最大功率点，并向“电压源区”过渡，同时降低光伏电池的输出功率，完成光伏系统从MPPT模式向CVD模式的切换。
为了验证本发明的有效性，通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证，图5为直流母线电压仿真结果图，图6为光伏电池输出功率仿真结果图。仿真案例分析了两台不同容量的光伏变换器并联运行模式切换效果，在0～0.2s和0.45～0.6s内，光伏系统运行在MPPT模式；在0.2～0.45s内，光伏系统运行在CVD模式。在直流母线电压仿真结果图中可以看出，光伏系统在MPPT与CVD模式间切换时，不存在电压过冲与大幅跌落现象，母线电压的动态过冲与跌落分别为4.1％和3％，并且由于模式切换而导致的动态调整时间仅为0.04s和0.03s。在图6中可以看出，光伏系统在两种模式间切换时，光伏电池输出功率瞬态过程也足够快速和平稳。由此可以看出本发明的方法及装置工作稳定，切换速度快。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种直流微电网多光伏系统的模式切换装置，其特征在于，包括：电性连接的dp/di控制器、CVD控制器、脉宽调制器PWM、Boost变换器以及负向限幅器；
所述dp/di控制器，用于实现dp/di的闭环控制；
所述CVD控制器，用于控制多个光伏变换器的功率分配以及将dp/di的参考值输送至dp/di控制器；
所述Boost变换器用于将光伏电池发出的电能传输到直流母线端；
所述负向限幅器用于输出0或者正的dp/di指令值；
所述脉宽调制器PWM用于产生占空比脉冲信号，使得Boost变换器工作在MPPT或CVD模式。
2.根据权利要求1所述的直流微电网多光伏系统的模式切换装置，其特征在于，所述dp/di控制器包括dp/di计算器和第一PI控制器，dp/di计算器输入端、光伏电池输出端及Boost变换器的输入端相连接，第一PI控制器输出端与脉宽调制器PWM的输入端相连接；
dp/di计算器用于实时计算光伏电池的dp/di值；
第一PI控制器用于接收dp/di计算器输出的dp/di当前值与直流母线电压控制器输出的dp/di指令值的差值，并产生第一控制信号。
3.根据权利要求1所述的直流微电网多光伏系统的模式切换装置，其特征在于，所述CVD控制器主要包括下垂控制器、直流母线电压控制器以及第二PI控制器；
下垂控制器的输入端与Boost变换器的输出端相连接，下垂控制器用于实现多个光伏变换器的功率分配；
直流母线电压控制器输入端、下垂控制器的输出端与Boost变换器的输出端相连接，直流母线电压控制器用于将dp/di的参考值送至dp/di控制器；
第二PI控制器输出端与负向限幅器的输入端相连接，第二PI控制器用于接收下垂控制器输出的直流母线电压参考值和Boost变换器的输出电压的差值，并产生第二控制信号。
4.根据权利要求3所述的直流微电网多光伏系统的模式切换装置，其特征在于，所述第一控制信号用于控制脉宽调制器PWM产生相应的占空比脉冲信号d使Boost变换器工作在MPPT或CVD模式；所述第二控制信号用于控制负向限幅器输出0或者正的dp/di指令值。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项权利要求所述模式切换装置的模式切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据光伏电池Ppv-Ipv特性曲线，dp/di计算器在获取Boost变换器输入端光伏电池的输出电压upvi和输出电流ipvi后，计算得到光伏电池的dp/di当前值。
S2、在直流母线电压控制器中，比较下垂控制器给出的直流母线电压参考值ui *与当前直流母线电压udci；
S3、当直流母线电压udci小于参考值ui *时，由于负向限幅器的作用，CVD控制器输出的dp/di参考值为0，此时dp/di计算器跟踪0指令值，使光伏系统工作在MPPT模式；
S4、当直流母线电压udci大于给定值ui *时，CVD控制器有输出，产生正的dp/di参考值，此时dp/di计算器跟踪正的dp/di指令值，使光伏电池退出最大功率点，并向“电压源区”过渡，同时降低光伏电池的输出功率，完成光伏系统从MPPT模式向CVD模式的切换。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行所述权利要求5所述的方法。
7.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行所述权利要求5所述的方法。
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