CN116418040A - 一种基于母线电压分层控制能量流动的方法 - Google Patents

一种基于母线电压分层控制能量流动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的技术方案是公开了一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，包括以下步骤：根据光伏电压定义标准母线参考电压一；根据接入光储一体机的电网电压定义标准母线参考电压二；将母线参考电压分为至少两层；根据优先输入功率的控制环路参考电压最高，优先输出功率的控制环参考电压最低为原则确定各母线电压控制环的分层母线电压参考。本发明基于母线电压分层控制的思想解决控制能量流动和功率分配的问题，通过对母线电压参考设定进行分层，通过控制光伏、电池和逆变不同的层的母线电压自动决定功率的流动和工作状态的切换。

Description

一种基于母线电压分层控制能量流动的方法
技术领域
本发明涉及一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，属于光伏储能逆变器的控制领域。
背景技术
光储一体机在传统光伏逆变器的基础上集成了储能功能，其工作原理为：当光伏能量充足时，光伏组件为电网或负载供电，并将多余的电能充入储能电池，当光伏能量不足时再将储能电池的能量释放出来给负载使用。
光储一体机的结构如图1所示，包括光伏(下文简称“PV”)侧的Boost电路、储能电池侧的DC/DC电路、直流母线电容和DC/AC逆变电路，其中：光伏侧的Boost电路的一侧接光伏组件，另一侧接直流母线电容；储能电池侧的DC/DC电路一侧接储能电池，另一侧接直流母线电容；DC/AC逆变电路的直流侧接母线电容，交流侧接电网和负载。
PV的功率通过Boost电路实现控制，其控制环路由PV电压控制环、PV母线电压控制环和PV电流控制内环组成。
PV电压控制环，其电压外环的输入为参考电压Upvref，实际PV电压为Upv，经过电压环调节器控制，得到电流内环的参考电流为
Figure SMS_1
Figure SMS_2
用来控制PV最大功率的搜索，式中，Tv1表示一阶滤波时间常数、Kpv1表示PV电压环调节器比例系数、Kiv1表示PV电压环调节器积分系数、s表示复变量。
PV母线电压控制环，其电压外环的输入为参考电压Ubuspvref，实际母线电压为Ubus，经过电压环调节器控制，得到电流内环的参考电流为
Figure SMS_3
Figure SMS_4
用来控制母线电压稳定，式中，Kpv表示PV母线电压控制环比例系数、Kiv表示PV母线电压控制环积分系数。
PV电流控制内环，其电流环的输入为参考电流Ipvbudref，参考电流Ipvbusred可以以PV电压控制输出为电流环的输入信号，以母线电压控制输出信号为PV控制输出的限流信号获得，也可以通过PV电压控制环输出和母线电压控制环输出的最小值获得，即Ipvbusref＝Min(Ipvsref,Ibusref)，实际PV电流为Ipv，经过电流环调节器控制，得到控制Boost电路的调制信号。Boost电路可以是单路也可以是多路。
储能电池的充放电功率通过DC/DC电路控制，通过调节电池的充放电功率来稳定母线电压稳定，其控制环路由储能电池母线电压控制外环和储能电池电流控制内环组成，储能电池母线电压控制外环的输入为参考电压Ubusbatref，实际母线电压为Ubus，经过电压环调节器控制，得到储能电池电流控制内环的参考电流为
Figure SMS_5
Ibat为DC/DC电路的实际电流，经过电流内环调节器控制，得到电池的充放电功率通过DC/DC电路的调制信号。DC/DC电路可以是单路也可以是多路。
逆变功率通过DC/AC逆变电路控制，其控制环路由控制母线电压稳定的逆变电压控制外环和逆变电流控制内环组成，其逆变电压环的输入为参考电压Ubusinvref，实际母线电压为Ubus，经过电压环调节器控制，得到逆变电流内环的有功分量参考电流为
Figure SMS_6
DC/AC逆变电路可以是单相、裂相或三相系统。
Iinvref作为逆变电流环有功分量的电流参考，经过电流环PI调节器控制，得到DC/AC逆变电路的调制电压，调制电压控制逆变功率的输出，从而可以稳定母线电压。
PV侧的Boost电路、电池侧的DC/DC电路和逆变侧的DC/AC逆变电路共直流母线，三者可同时对母线电压进行控制，即电池、光伏和电网或负载之间通过直流母线进行耦合，能量的流动可以通过控制Boost电路、DC/DC电路和DC/AC逆变电路的直流母线的高低进行分配。现有的控制能量流动的方法主要根据光储一体机的工作状态进行模式切换来判断电池充电、放电，DC/AC逆变电路限功率和非限功率，从而控制功率的流动，该方式导致DC/DC电路和DC/AC逆变电路工作状态在不同模式间来回切换，稳定性变差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的控制能量流动的方法导致DC/DC电路和DC/AC逆变电路工作状态在不同模式间来回切换，稳定性变差。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，用于光储一体机，该光储一体机包括光伏侧的Boost电路、储能电池侧的DC/DC电路、直流母线电容和DC/AC逆变电路，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据光伏电压定义标准母线参考电压一Vbusstd1；根据接入光储一体机的电网电压定义标准母线参考电压二Vbusstd2；
步骤2、根据标准母线参考电压一Vbusstd1以及标准母线参考电压二Vbusstd2将母线参考电压分为至少两层；
步骤3、根据优先输入功率的控制环路参考电压最高，优先输出功率的控制环参考电压最低为原则确定Boost电路的PV母线电压控制环、DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环以及所控制的DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压。
优选地，步骤1中，所述标准母线参考电压二Vbusstd2采用下式计算：
Figure SMS_7
式中，Vgrid为电网电压、ΔV2为母线参考电压与电网电压峰值的压差。
优选地，步骤1中，当所述Boost电路处于运行状态时，所述标准母线参考电压一Vbusstd1采用下式计算：
Vbusstd1＝Vmppt+ΔV1
式中，Vmppt为光伏实际追踪电压、ΔV1为母线参考电压与光伏实际追踪电压的压差；
当光伏电压大于标准母线电压，所述Boost电路处于不运行状态时，所述标准母线参考电压一Vbusstd1的计算公式为：Vbusstd1＝Vmppt。
优选地，步骤2中，根据标准母线参考电压一Vbusstd1以及标准母线参考电压二Vbusstd2将母线参考电压分为三层，分别得到分层母线参考电压Vbusref1、分层母线参考电压Vbusref2、分层母线参考电压Vbusref3，其中，Vbusref1>Vbusref2>Vbusref3。
优选地，步骤2中，所述分层母线参考电压Vbusref1、分层母线参考电压Vbusref2以及分层母线参考电压Vbusref3采用下式计算：
Vbusref1＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)+ΔV
Vbusref2＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)
Vbusref3＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)-ΔV
式中，ΔV为分层母线参考电压之间的压差。
优选地，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压最高，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压最低；
当光伏发电功率优先供给电池模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压最高，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压最低。
优选地，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压为Vbusref1，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref3，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref2。
优选地，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时：
当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1；
当光伏发电功率>逆变功率，且光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被储能电池侧的DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率<逆变功率<光伏发电功率+电池放电功率时，直流母线电压被储能电池侧的DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率+电池放电功率<逆变功率时，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref3。
优选地，步骤3中，当光伏发电功率优先供给电池模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压为Vbusref1，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref2，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref3。
优选地，步骤3中，当光伏发电功率优先供给电池模式时：
当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1；
当光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率，且光伏发电功率>电池充电功率时，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率<电池充电功率时：若DC/AC逆变电路不允许电网给储能电池充电，直流母线电压被DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref3；若DC/AC逆变电路允许电网给储能电池充电，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2。
本发明基于母线电压分层控制的思想解决控制能量流动和功率分配的问题。在本发明所公开的技术方案中，不同的控制环路可以同时控制母线电压，对母线电压控制分为两层以上进行控制，优先输入能量的控制环路所控制的母线参考电压层越高，优先输出能量的控制环路所控制的母线参考电压层越低。通过对母线电压参考设定进行分层，通过控制光伏、电池和逆变不同的层的母线电压自动决定功率的流动和工作状态的切换。
附图说明
图1示意了现有的光储一体机的结构；
图2示意了本发明中的母线参考电压的三层结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
根据如图1所示的现有光储一体机的结构和工作原理，由于PV电压范围较宽，在完全独立输入时，考虑PV的压差等因素，可能仅在PV电压高到一定程度光储一体机才会切换成Boost电路不运行状态。据此运行规律，我们按照Bus分层的原则，提出了一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，具体包括以下内容：
PV的功率通过Boost电路控制，其PV母线电压控制环的母线电压参考为参考电压Ubuspvref；电池的充放电功率通过DC/DC电路控制，其储能电池母线电压控制外环的母线电压参考为Ubusbatref；逆变功率通过DC/AC逆变电路控制，其逆变电压控制外环的母线电压参考为Ubusinvref。
以Boost运行状态为例，假设PV的追踪电压Vmppt＝350V，ΔV1＝10V，根据式(1)得标准母线参考电压一Vbusstd1为360V：
Vbusstd1＝Vmppt+ΔV1 (1)
假设接入电网线电压Vgrid＝240V，ΔV2＝40V，根据式(2)得标准母线参考电压二Vbusstd2为379V：
Figure SMS_8
如图2所示，将母线参考电压分三层，假设ΔV＝10V，根据式(3)、(4)、(5)得Vbusref1＝389V，Vbusref2＝379V，Vbusref3＝369V：
Vbusref1＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)+ΔV (3)
Vbusref2＝max(Vbusstd1,Vbusstd2) (4)
Vbusref3＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)-ΔV (5)
根据功率输出优先级确定PV母线电压控制环、储能电池母线电压控制外环、逆变电压控制外环所控制的分层母线电压参考，以优先输入功率的控制环路参考电压最高，优先输出功率的控制环参考电压最低为原则，具体的：
当光伏发电功率优先供给电网和负载时，PV侧的Boost电路的PV母线电压控制环把母线电压控制在Vbusref1，逆变侧的DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环把母线电压控制在Vbusref3，电池侧的DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环把母线电压控制在Vbusref2。
1)当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，DC/AC逆变电路处于限功率或最大输出功率状态，储能电池处于最大充电功率状态，DC/AC逆变电路和储能电池的控制环路处于饱和状态，光伏侧的Boost电路降额输出，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1。
2)当光伏发电功率>逆变功率，且光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率时，光伏追踪到最大功率点，因逆变侧的DC/AC逆变电路控制的母线电压低于储能电池侧的DC/DC电路控制的母线电压，光伏发电功率优先给DC/AC逆变电路使用，DC/AC逆变电路处于限功率或最大功率状态，直流母线电压被电池侧的DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref2。
3)当光伏发电功率<逆变功率<光伏发电功率+电池放电功率时，光伏追踪到最大功率点，因逆变侧的DC/AC逆变电路控制的母线电压低于储能电池侧的DC/DC电路控制的母线电压，光伏发电功率优先给DC/AC逆变电路使用，光伏发电功率不能满足逆变输出功率的部分由储能电池放电提供，储能电池测的DC/DC电路控制母线电压自动钳位到Vbusref2。
4)当光伏发电功率+电池放电功率<逆变功率时，光伏追踪到最大功率点，储能电池以最大功率放电，母线电压下降，DC/AC逆变电路控制的母线电压自动钳位到Vbusref3。
当光伏发的电优先供给电池时，PV侧的Boost电路的PV母线电压控制环把母线电压控制在Vbusref1，逆变侧的DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环把母线电压控制在Vbusref2，储能电池侧的DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环把母线电压控制在Vbusref3。
1)当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，储能电池处于最大充电功率状态，DC/AC逆变电路处于限功率或最大输出功率状态，储能电池和逆变控制环路处于饱和状态，光伏侧的Boost电路降额输出，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1。
2)当光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率，且光伏发电功率>电池充电功率时，光伏追踪到最大功率点，因储能电池侧的DC/DC电路控制的母线电压低于逆变侧的DC/AC逆变电路控制的母线电压，光伏发电功率优先给储能电池充电使用，储能电池处于最大充电功率状态，直流母线电压被逆变侧的DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2。
3)当光伏发电功率<电池充电功率，光伏追踪到最大功率点，因储能电池侧的DC/DC电路控制的母线电压低于逆变侧的DC/AC逆变电路控制的母线电压，光伏发电功率优先给储能电池充电使用：逆变侧的DC/AC逆变电路如在不允许电网给电池充电的情况下功率为0，储能电池以降额功率充电，DC/DC电路控制母线电压自动钳位到Vbusref3；逆变侧DC/AC如允许电网给储能电池充电的情况下，光伏和逆变同时给储能电池以最大功率充电，直流母线电压被逆变侧的DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2。

Claims (10)

1.一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，用于光储一体机，该光储一体机包括光伏侧的Boost电路、储能电池侧的DC/DC电路、直流母线电容和DC/AC逆变电路，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据光伏电压定义标准母线参考电压一Vbusstd1；根据接入光储一体机的电网电压定义标准母线参考电压二Vbusstd2；
步骤2、根据标准母线参考电压一Vbusstd1以及标准母线参考电压二Vbusstd2将母线参考电压分为至少两层；
步骤3、根据优先输入功率的控制环路参考电压最高，优先输出功率的控制环参考电压最低为原则确定Boost电路的PV母线电压控制环、DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环以及所控制的DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压。
2.如权利要求1所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤1中，所述标准母线参考电压二Vbusstd2采用下式计算：
Figure FDA0004177441470000011
式中，Vgrid为电网电压、ΔV2为电网电压峰值与母线参考电压的压差。
3.如权利要求1所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤1中，当所述Boost电路处于运行状态时，所述标准母线参考电压一Vbusstd1采用下式计算：
Vbusstd1＝Vmppt+ΔV1
式中，Vmppt为光伏实际追踪电压、ΔV1为光伏实际追踪电压与母线参考电压的压差；
当光伏电压大于标准母线电压，所述Boost电路处于不运行状态时，所述标准母线参考电压一Vbusstd1的计算公式为：Vbusstd1＝Vmppt。
4.如权利要求1所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤2中，根据标准母线参考电压一Vbusstd1以及标准母线参考电压二Vbusstd2将母线参考电压分为三层，分别得到分层母线参考电压Vbusref1、分层母线参考电压Vbusref2、分层母线参考电压Vbusref3，其中，Vbusref1>Vbusref2>Vbusref3。
5.如权利要求4所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤2中，所述分层母线参考电压Vbusref1、分层母线参考电压Vbusref2以及分层母线参考电压Vbusref3采用下式计算：
Vbusref1＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)+ΔV
Vbusref2＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)
Vbusref3＝max(Vbusstd1,Vbusstd2)-ΔV
式中，ΔV为分层母线参考电压之间的压差。
6.如权利要求1所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压最高，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压最低；
当光伏发电功率优先供给电池模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压最高，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压最低。
7.如权利要求6所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压为Vbusref1，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref3，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref2。
8.如权利要求7所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤3中，当光伏发电功率需要优先供给电网和负载模式时：
当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1；
当光伏发电功率>逆变功率，且光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被储能电池侧的DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率<逆变功率<光伏发电功率+电池放电功率时，直流母线电压被储能电池侧的DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率+电池放电功率<逆变功率时，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref3。
9.如权利要求6所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤3中，当光伏发电功率优先供给电池模式时，Boost电路的PV母线电压控制环的分层母线参考电压为Vbusref1，DC/AC逆变电路的逆变电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref2，DC/DC电路的储能电池母线电压控制外环的分层母线参考电压为Vbusref3。
10.如权利要求9所述的一种基于母线电压分层控制能量流动的方法，其特征在于，步骤3中，当光伏发电功率优先供给电池模式时：
当光伏发电功率>逆变功率+电池充电功率时，直流母线电压被光伏侧的Boost电路控制自动钳位到Vbusref1；
当光伏发电功率<逆变功率+电池充电功率，且光伏发电功率>电池充电功率时，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2；
当光伏发电功率<电池充电功率时：若DC/AC逆变电路不允许电网给储能电池充电，直流母线电压被DC/DC电路控制自动钳位到Vbusref3；若DC/AC逆变电路允许电网给储能电池充电，直流母线电压被DC/AC逆变电路控制自动钳位到Vbusref2。
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