CN113507135A - 一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法 - Google Patents

一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，包括以下步骤：进行光伏面板输出电压判断；CT检测装置检测家用负载与电网之间的电流有效值IRMS；判断双向DCDC变换器调整方向；通过调整双向DCDC变换器功率，结合CT检测装置反馈实现光伏发电系统能量变换调节。上述技术方案通过CT检测装置用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，以及控制单元控制DCDC变换器的工作结合相应家用负载与电网间的电流有效值IRMS的反馈，实现DCDC变换器工作方向及工作功率的调整，寻找在家用负载与电网之间流动的电流的电流有效值IRMS为最小时，双向DCDC变换器的最佳工作功率，该控制方法简单，且无需改变光伏系统的硬件结构及控制原理。

Description

一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法。
背景技术
有资料显示，对于一个光伏储能系统，光伏输出经MPPT和逆变器给家用负载使用，当光伏输出功率大于家用负载功率时，多余能量会并网发电；当光伏输出功率小于家用负载功率时，家用负载会从电网取电。业界希望光伏供电系统能处于自发自用模式，即尽量不消耗电网能量，也不并网发电，也即家用负载与电网之间的功率流动为最小或零。
为此，在光伏发电系统中加入双向DCDC变换器和低压储能电池，当光伏输出功率大于家用负载功率时，双向DCDC变换器将多余能量给低压电池充电储能，使并网功率为零或者最小(当双向DCDC变换器充电功率到达最大或电池充满时)，此时称双向DCDC变换器为正向工作；当光伏输出功率小于家用负载功率时，此时系统中的双向DCDC变换器将低压电池中的储能变换后供给家用负载使用，使从电网取电功率为零或最小(当DCDC变换器放电功率到达最大或电池亏电时)，此时称双向DCDC变换器为反向工作，因此需控制家用负载与电网之间的功率流动为最小。
中国专利文献CN105144533B公开了一种“用于在适用于光伏系统的电蓄能器中存储电力/从其取得电力的模块、光伏系统以及升级光伏系统的方法”。在家用负载和电网之间设置功率检测装置507，功率检测装置507同时检测电压电流以及同名端以检测功率流向，以功率由电网到家用负载侧为正向功率流动，则当为正向功率流动时，则控制双向DCDC变换器由低压电池取电馈网；当为负向功率流动时，控制双向DCDC变换器将光伏输出给低压电池供电储能。该方式需同时检测电压电流以及同名端，因此检测电路复杂。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案检测内容多，检测电路复杂的技术问题，提供一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，通过CT检测装置用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，以及控制单元控制DCDC变换器的工作结合相应家用负载与电网间的电流有效值IRMS的反馈，实现DCDC变换器工作方向及工作功率的调整，寻找在家用负载与电网之间流动的电流的电流有效值IRMS为最小时，双向DCDC变换器的最佳工作功率，该控制方法简单，且无需改变光伏系统的硬件结构及控制原理。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种应用于光伏发电系统的能量变换系统，包括：
CT检测装置，用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，分别与家用负载、电网、控制单元相连；
控制单元，用于控制DCDC变换器的工作，分别与光伏面板、DCDC变换器、MPPT控制器相连；
双向DCDC变换器，用于控制光伏面板输出能量应用，分别与光伏面板、低压电池系统相连。
一种应用于光伏发电系统的能量变换方法，包括以下步骤：
S1进行光伏面板输出电压判断；
S2若光伏面板输出电压，则CT检测装置检测家用负载与电网之间的电流有效值IRMS；
S3通过向双向DCDC变换器施加充电扰动判断双向DCDC变换器调整方向；
S4通过调整双向DCDC变换器功率，结合CT检测装置反馈实现光伏发电系统能量变换调节。
作为优选，所述的步骤S2若光伏面板输出电压，则说明光伏系统开始工作，则CT检测装置检测家用负载与电网之间的电流有效值IRMS是否为零，若为零，则光伏供电系统处于自发自用模式，若电流有效值IRMS不为零，包括两种情况：光伏输出功率大于家用负载功率而需并网发电，以及光伏输出功率小于家用负载功率而需消耗电网能量。
作为优选，所述的步骤S3向双向DCDC变换器施加充电扰动具体包括控制单元向双向DCDC变换器施加充电扰动，增加光伏面板向低压电池系统充电部分功率，减少光伏面板输出给逆变器逆变部分功率，减少逆变器供给家用负载的功率，通过CT检测装置采集电流有效值IRMS的变化判断光伏面板输出能量应用。
作为优选，若CT检测装置采集电流有效值IRMS增大，证明此时电网给家用负载供电的功率增大，家用负载功率大于光伏输出功率，处于消耗电网能量状态，双向DCDC变换器应反向工作，增加双向DCDC变换器向逆变器放电功率。
作为优选，若CT检测装置采集电流有效值IRMS减小，证明此时家用负载并网发电的功率减小，家用负载功率小于光伏输出功率，处于并网发电状态，双向DCDC变换器应正向工作，增加双向DCDC变换器向电压电池系统充电功率。
作为优选，所述的步骤S5控制单元控制使双向DCDC变换器的正向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明通过增加双向DCDC变换器的正向工作功率减小家用负载与电网之间流动的功率，功率扰动方向正确；若否，则说明当前工作功率过大，导致电流有效值IRMS反向增加；使双向DCDC变换器的正向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的正向工作功率是否减小到零，若判断双向DCDC变换器的正向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率已减小到零，则将进入双向DCDC变换器的反向工作的状态，并进入双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤，若双向DCDC变换器的正向工作功率不为零，则继续判断电流有效值IRMS是否减小；若减小，则说明功率扰动方向正确，若不减小，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率减小量过多，则返回至使双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤。
作为优选，所述的步骤S5控制单元控制使双向DCDC变换器的反向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明增加双向DCDC变换器的反向工作功率减小家用负载与电网之间流动的功率，功率扰动方向正确，若否，则说明目前的工作功率过大，导致电流有效值IRMS反方向增加；因此使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的反向工作功率是否减小到零，若判断双向DCDC变换器的反向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率已减小到零，则进入双向DCDC变换器的正向工作的状态，并进入双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤，若是，则说明功率扰动方向正确，继续使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，若否，则继续判断电流有效值IRMS是否减小，若否，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率减小量过多，则返回至使双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤。
作为优选，若检测双向DCDC变换器是否正向工作的判断结果为否，并之后双向DCDC变换器是否反向工作的判断结果也为否，则说明双向DCDC变换器目前未开机，而进入双向DCDC变换器开机正向工作的状态。
作为优选，在光伏系统的工作过程中，控制单元还检测低压储能电池是否处于电池充满或电池亏电状态，若是，则双向DCDC变换器停止工作，由电网补偿光伏面板不能满足家用负载的部分，或将家用负载无法消耗的部分并网发电。
本发明的有益效果是：通过CT检测装置用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，以及控制单元控制DCDC变换器的工作结合相应家用负载与电网间的电流有效值IRMS的反馈，实现DCDC变换器工作方向及工作功率的调整，寻找在家用负载与电网之间流动的电流的电流有效值IRMS为最小时，双向DCDC变换器的最佳工作功率，该控制方法简单，且无需改变光伏系统的硬件结构及控制原理。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构图。
图2是本发明的一种流程图。
图3是本发明的一种家用负载功率大于光伏输出功率时施加扰动变化图。
图4是本发明的一种家用负载功率小于光伏输出功率时施加扰动变化图。
图中1CT检测装置，2控制单元，3双向DCDC变换器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统，如图1所示，包括光伏面板，光伏面板经过双向DCDC变换器3与低压电池系统相连，同时光伏面板经过MPPT控制器、逆变器、家用负载与电网相连，家用负载与电网之间设有CT检测装置1。光伏面板与双向DCDC变换器3之间设有控制单元2，控制单元2同时与MPPT控制器、CT检测装置1相连。CT检测装置用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，控制单元用于控制DCDC变换器的工作，双向DCDC变换器用于控制光伏面板输出能量应用。
工作功率增加或减小为双向DCDC变换器正向工作时工作功率增加或减小，或双向DCDC变换器反向工作时工作功率增加或减小。
具体的，在正向工作与反向工作之间切换为双向DCDC变换器从正向工作切换为反向工作或从反向工作切换为正向工作。其中上述的正向工作为双向DCDC变换器工作以给低压电池储能，上述的反向工作为双向DCDC变换器工作以将低压电池中存储的能量供负载使用。
具体的，控制单元执行如图2所示的控制过程。也即控制单元还连接光伏面板的输出端，以检测光伏面板的输出电压值。具体的，如图4所示，控制单元检测光伏是否有输出，若无则继续检测，若有，则说明光伏系统开始工作，则判断电流有效值IRMS是否为零，若为零，则光伏供电系统处于自发自用模式，若电流有效值IRMS不为零，则可能为光伏输出功率大于家用负载功率而需并网发电或为光伏输出功率小于家用负载功率而需消耗电网能量，为使光伏供电系统能处于自发自用模式或并网或消耗电网的能量最小，则需控制双向DCDC变换器正向工作已将光伏输出的多余能量储存在低压电池中或双向DCDC变换器反向工作已将储存在低压电池中的能量变换而供家用负载使用，并需控制双向DCDC变换器的工作功率以使电流有效值IRMS最小，为达到此目的，控制单元首先检测双向DCDC变换器是否正向工作，若是，则控制单元控制使双向DCDC变换器的正向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明通过增加双向DCDC变换器的正向工作功率可减小家用负载与电网之间流动的功率，则说明目前的功率扰动方向是正确的，因此可继续使双向DCDC变换器的正向工作功率增加并继续判断电流有效值IRMS是否减小，若否，则说明目前的工作功率过大，导致电流有效值IRMS反方向增加，因此需使双向DCDC变换器的正向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的正向工作功率是否减小到零，若否则继续判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明目前的功率扰动方向是正确的，则继续使双向DCDC变换器的正向工作功率减小，若否，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率减小的过多了，则返回至使双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤，若判断双向DCDC变换器的正向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率已减小到零，则将进入双向DCDC变换器的反向工作的状态，
而需进入双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤；在检测双向DCDC变换器是否正向工作的步骤中，若为否，则需检测双向DCDC变换器是否反向工作，若是，则控制单元控制使双向DCDC变换器的反向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明通过增加双向DCDC变换器的反向工作功率可减小家用负载与电网之间流动的功率，则说明目前的功率扰动方向是正确的，因此可继续使双向DCDC变换器的反向工作功率增加并继续判断电流有效值IRMS是否减小，若否，则说明目前的工作功率过大，导致电流有效值IRMS反方向增加，因此需使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的反向工作功率是否减小到零，若否则继续判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明目前的功率扰动方向是正确的，则继续使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，若否，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率减小的过多了，则返回至使双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤，若判断双向DCDC变换器的反向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率已减小到零，则将进入双向DCDC变换器的正向工作的状态，而需进入双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤；若检测双向DCDC变换器是否正向工作的判断结果为否，并之后双向DCDC变换器是否反向工作的判断结果也为否，则说明双向DCDC变换器目前未开机，而进入双向DCDC变换器开机正向工作的状态。如此控制单元经过如上的不断给双向DCDC变换器一功率扰动而使在家用负载与电网之间流动的电流的电流有效值IRMS最小。
在一实施例中，上述双向DCDC变换器的正向工作功率增加或减小的步长相同。
在一实施例中，上述双向DCDC变换器的反向工作功率增加或减小的步长相同。
双向DCDC变换器有一定的工作功率范围，如正向最大工作功率为3kw，反向最大工作功率为-3kw。在一实施例中，在双向DCDC变换器处于正向工作的状态时，在双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤之后还包括控制单元检测双向DCDC变换器是否达到正向工作功率的最大值，若是，则进入双向DCDC变换器正向工作功率减小的步骤，若否则继续进入判断电流有效值IRMS是否减小的步骤；并在双向DCDC变换器处于反向工作的状态时，在双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤之后还包括控制单元检测双向DCDC变换器是否达到反向工作功率的最大值，若是，则进入双向DCDC变换器反向工作功率减小的步骤，若否则继续进入判断电流有效值IRMS是否减小的步骤。
低压储能电池也有一定的能量存储容量。在光伏系统的工作过程中，控制单元还检测低压储能电池是否处于电池充满或电池亏电状态，若是，则双向DCDC变换器停止工作，由电网补偿光伏面板不能满足家用负载的部分或将家用负载无法消耗的部分并网发电。
在一实施例中，请参阅图3当家用负载功率大于光伏输出功率时，电网会给家用负载供电如图中曲线所示，则控制单元先给双向DCDC变换器施加一个充电扰动，以100W为例给电池充电，此时光伏输出给逆变器逆变部分功率减少，电网给负载供电会增加，则CT检测的电流有效值IRMS增大，因此判断此时应电池放电馈网，双向DCDC变换器进入反向工作逐步增加放电扰动，直至CT检测的电流有效值IRMS为零；此时再增加双向DCDC变换器放电功率，系统处于并网发电，CT检测的电流有效值IRMS会反向增大，此时应减小放电功率。
在一实施例中，请参阅图4当家用负载功率小于光伏输出功率时，多余功率会并网，如图中曲线所示，控制单元先给双向DCDC变换器施加一个充电扰动，以100W为例给电池充电，此时光伏输出给逆变器，逆变部分功率减少，并网发电功率会减小，CT检测的电流有效值IRMS会减小，因此判断此时应电池充电储能双向DCDC变换器进入正向作逐步增加充电扰动，直至CT电流为零；此时再增加双向DCDC变换器的充电功率，系统会消耗电网功率，CT检测的电流有效值IRMS会反向增大，此时应减小充电功率。
图3和图4所示的实施例以双向DCDC变换器开机工作功率为零为例，然实际工作中，起点不一定为双向DCDC变换器工作功率为零的点，其可以从任意一个点启机。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了、、、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种应用于光伏发电系统的能量变换系统，其特征在于，包括：
CT检测装置(1)，用于检测家用负载与电网间的电流有效值IRMS，分别与家用负载、电网、控制单元(2)相连；
控制单元(2)，用于控制DCDC变换器的工作，分别与光伏面板、DCDC变换器、MPPT控制器相连；
双向DCDC变换器(3)，用于控制光伏面板输出能量应用，分别与光伏面板、低压电池系统相连。
2.一种应用于光伏发电系统的能量变换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1进行光伏面板输出电压判断；
S2若光伏面板输出电压，则CT检测装置(1)检测家用负载与电网之间的电流有效值IRMS；
S3通过向双向DCDC变换器(3)施加充电扰动判断双向DCDC变换器(3)调整方向；
S4通过调整双向DCDC变换器(3)功率，结合CT检测装置(1)反馈实现光伏发电系统能量变换调节。
3.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，所述步骤S2若光伏面板输出电压，则说明光伏系统开始工作，则CT检测装置(1)检测家用负载与电网之间的电流有效值IRMS是否为零，若为零，则光伏供电系统处于自发自用模式，若电流有效值IRMS不为零，包括两种情况：光伏输出功率大于家用负载功率而需并网发电，以及光伏输出功率小于家用负载功率而需消耗电网能量。
4.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，所述步骤S3向双向DCDC变换器(3)施加充电扰动具体包括控制单元(2)向双向DCDC变换器(3)施加充电扰动，增加光伏面板向低压电池系统充电部分功率，减少光伏面板输出给逆变器逆变部分功率，减少逆变器供给家用负载的功率，通过CT检测装置(1)采集电流有效值IRMS的变化判断光伏面板输出能量应用。
5.根据权利要求4所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，若CT检测装置(1)采集电流有效值IRMS增大，证明此时电网给家用负载供电的功率增大，家用负载功率大于光伏输出功率，处于消耗电网能量状态，双向DCDC变换器(3)应反向工作，增加双向DCDC变换器向逆变器放电功率。
6.根据权利要求4所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，若CT检测装置(1)采集电流有效值IRMS减小，证明此时家用负载并网发电的功率减小，家用负载功率小于光伏输出功率，处于并网发电状态，双向DCDC变换器(3)应正向工作，增加双向DCDC变换器向电压电池系统充电功率。
7.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，所述步骤S5控制单元(2)控制使双向DCDC变换器(3)的正向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明通过增加双向DCDC变换器的正向工作功率减小家用负载与电网之间流动的功率，功率扰动方向正确；若否，则说明当前工作功率过大，导致电流有效值IRMS反向增加；使双向DCDC变换器的正向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的正向工作功率是否减小到零，若判断双向DCDC变换器的正向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率已减小到零，则将进入双向DCDC变换器的反向工作的状态，并进入双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤，若双向DCDC变换器的正向工作功率不为零，则继续判断电流有效值IRMS是否减小；若减小，则说明功率扰动方向正确，若不减小，则说明双向DCDC变换器的正向工作功率减小量过多，则返回至使双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤。
8.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，所述步骤S5控制单元(2)控制使双向DCDC变换器(3)的反向工作功率增加，然后判断电流有效值IRMS是否减小，若是，则说明增加双向DCDC变换器的反向工作功率减小家用负载与电网之间流动的功率，功率扰动方向正确，若否，则说明目前的工作功率过大，导致电流有效值IRMS反方向增加；因此使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，并判断双向DCDC变换器的反向工作功率是否减小到零，若判断双向DCDC变换器的反向工作功率为零，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率已减小到零，则进入双向DCDC变换器的正向工作的状态，并进入双向DCDC变换器的正向工作功率增加的步骤，若是，则说明功率扰动方向正确，继续使双向DCDC变换器的反向工作功率减小，若否，则继续判断电流有效值IRMS是否减小，若否，则说明双向DCDC变换器的反向工作功率减小量过多，则返回至使双向DCDC变换器的反向工作功率增加的步骤。
9.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，若检测双向DCDC变换器是否正向工作的判断结果为否，并之后双向DCDC变换器是否反向工作的判断结果也为否，则说明双向DCDC变换器目前未开机，而进入双向DCDC变换器开机正向工作的状态。
10.根据权利要求1所述的一种应用于光伏发电系统的能量变换系统及方法，其特征在于，在光伏系统的工作过程中，控制单元(2)还检测低压储能电池是否处于电池充满或电池亏电状态，若是，则双向DCDC变换器(3)停止工作，由电网补偿光伏面板不能满足家用负载的部分，或将家用负载无法消耗的部分并网发电。
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