CN203086161U - 分布式发电协调控制系统 - Google Patents

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Abstract

分布式发电协调控制系统，包括由太阳电池、风力发电机和蓄电池组成的分布式电源，由光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元和蓄电池充放电DC/DC单元组成的协调控制电路；由传感器、逆变桥、SPWM和低通滤波器组成逆变控制电路，及DSP+FPGA控制和智能开关构成。其中风力DC/DC单元、光伏DC/DC单元及蓄电池充放电DC/DC单元连接系统母线；DSP+FPGA控制分别连接协调控制电路中的3个DC/DC单元、逆变控制电路和智能开关。本实用新型提出了一种分布式电源的协调控制方式，使新能源发挥最大的效能。

Description

分布式发电协调控制系统
技术领域
本实用新型涉及一种新型分布式电源协调控制系统，主要应用于独立和并网运行的分布式电源发电系统，属于新能源及自动控制技术领域。
背景技术
太阳能和风能作为一种分布广泛的新能源，具有取之不尽、用之不竭的优点，而且不会对环境造成污染，可与常规电力构架匹配等特点已经成为各国政府可持续发展新型能源的首选。虽然它们存在随风速和日照强度的变化而变化的随机特点，但太阳能和风能具有的天然互补优势，相比单一的发电方式提高了系统的稳定性。协调控制的目的是为了提高分布式电源的整体利用率，按照需要进行最佳的统一控制，使发电系统发挥出最大的功效。目前的风光互补发电系统中，研究较多的是采用单一的DC/DC拓扑实现最大功率跟踪和逆变系统的单独控制，由于太阳能和风能的不稳定性难以保证逆变系统有最大功率输出。协调控制的目的是为了提高分布式电源的整体利用率，按照需要进行最佳的统一控制，使发电系统发挥出最大的功效。协调控制系统主要包括最大功率跟踪与逆变控制系统的协调控制和基于DSP+FPGA的控制平台的协调控制。此种协调控制方式可以有效的实现分布式发电系统的最大功率输出。
发明内容
本实用新型目的是解决目前分布式发电系统太阳能和风能的最大功率跟踪与逆变系统的协调控制问题，提供一种周期性间隔扰动的最大功率电跟踪与逆变系统的协调控制方式，使新能源发挥最大的效能。
本实用新型提出的分布式发电协调控制系统，由最大功率跟踪与逆变控制系统的协调控制和基于DSP+FPGA的控制平台的协调控制两部分组成，具体结构包括：由太阳电池、风力发电机和蓄电池构成的分布式电源，由光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元和蓄电池充放电DC/DC单元组成的协调控制电路，由传感器、逆变桥、SPWM和低通滤波器组成的逆变控制电路，及DSP+FPGA控制和智能开关组成。
所述的光伏DC/DC单元的输入端连接太阳电池，输出端接入母线，所述的风力DC/DC单元的输入端连接风力发电机，输出端也接入母线，所述的蓄电池充放电DC/DC单元的输入端接入母线，输出端连接蓄电池。
所述逆变控制电路中包括6个传感器，其中传感器1、2分别检测光伏DC/DC单元中的电流IPV和电压UPV、传感器3、4分别检测风力DC/DC单元中的电流IW和电压UW，传感器5检测并网电流iac、传感器6检测蓄电池电压Ubatt；6个传感器的输出同时连接DSP+FPGA控制，DSP+FPGA控制的输出分别连接协调控制电路中的光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元、蓄电池充放电DC/DC单元、逆变电路中的逆变桥及智能开关S。
所述的光伏DC/DC单元、风力DC/DC和蓄电池充放电DC/DC单元单元为并联连接。
所述的光伏DC/DC单元和风力DC/DC单元的输出端各连接有一个MOS大功率管，蓄电池充放电DC/DC单元连接有两只MOS大功率管，各MOS大功率管的栅极与DSP+FPGA控制的控制端连接。
本实用新型的分布式发电协调控制系统既可独立运行，也可并网运行。两种模式下均采用双闭环的控制策略，只是控制对象不同。独立运行时采用V/f控制，目的是保证输出电压的幅值和频率恒定；而并网运行的关键是使得并网电流能跟踪电网电压的频率和相位，从而实现单位功率因数运行，同时使输出电压与电网电压幅值相等。
具体的协调控制如下：
1、系统根据检测到的光伏阵列和风力发电系统的输出电压和电流判断出各个子系统的输出功率，在系统初始状态需要周期性的对两者分别进行扰动，根据扰动前后的功率变化量来确定初步调整方向。若先对光伏阵列扰动为Δd，则光伏阵列的功率变化量△p1；下个周期对风力发电机进行扰动，则风力发电机的功率变化量为△p2，根据△p1与△p2的符号及大小及电压的变化趋势，确定出目前风力发电和光伏阵列输出功率在最大功率点的左侧还是右侧，然后分别按照功率增加的方向调整，此周期性间隔扰动方法可以快速有效的确定电压的调整方向。本实用新型设计的逆变电路为两级拓扑，前面为一级DC/DC拓扑，在系统实现最大功率点跟踪时，系统的直流母线电压会相应的发生变化，而母线电压与逆变输出电压又存在比例关系，所以要对电路前后通过DSP+FPGA单元进行协调控制。
2、常用的最大功率点跟踪和蓄电池充放电逆变电路采用单一DSP实现，但由于DSP的可用I/O及PWM输出有限，因而风力发电、光伏发电与控制与逆变电路共用一个DSP控制效果不理想，而FPGA有足够的I/O和逻辑单元，可灵活、方便的实现多路PWM控制信号，并嵌入AD采集、通信等功能。因此本实用新型采用DSP+FPGA作为控制平台，两者采用并行处理方式，分工明确且相互协调控制，FPGA的引入减轻了DSP的程序复杂度，从而使得逆变器的复杂控制算法得以实现。
本实用新型的优点和积极效果
1、光伏电池阵列发出的直流电经DC/DC调节输出电压并实现最大功率点跟踪；而风力发电系统是先将频率变化的交流电通过不可控整流为直流电，然后再通过Boost电路实现升压，两者在直流母线处并联，同时为了提高系统的稳定性和可靠性，系统中加入了铅酸蓄电池储能环节，蓄电池的充放电电路采用双向Buck/Boost拓扑完成。系统通过传感器实时检测太阳能光伏发电和风力发电的输出电流，和DSP+FPGA控制互相配合采用周期性间隔扰动方法快速有效的确定电压的调整方向来实现最大功率点跟踪，此方法调整误差小，反应速度快，最大程度的利用新能源。
2、分布式发电系统具有两种运行模式，既可独立运行，也可并网运行。独立运行时采用V/f控制，而并网运行时并网电流能跟踪电网电压的频率和相位，从而实现单位功率因数运行。该系统可实现前端分布式电源和逆变单元的协调控制，使它们运行于最佳状态，实现最大功率输出。本实用新型提出的分布式发电系统存在着运算量大，控制信号多的特点，采用DSP+FPGA作为控制平台，两者采用并行处理方式，分工明确且相互协调控制，FPGA的引入减轻了DSP的程序复杂度，从而使得逆变器的复杂控制算法得以实现。
3、由于太阳能和风能均有随机的特点，当分布式发电系统处于独立运行时，负荷功率由光伏、风力和蓄电池联合提供，其中蓄电池起稳定母线电压和能量调节的作用。若分布式发电发电功率足以满足负荷需求时，将剩余电量给蓄电池充电；若发电功率不能满足负荷需求时，可释放蓄电池的电能以满足负荷需求。
4、电路中设计了智能控制开关，在DSP+FPGA的协调控制下实现自动并网。
5、通过调整PWM脉冲的占空比改变IGBT管的导通和截止时间实现最大功率点的跟踪和调整逆变桥的占空比，使发电系统始终处于稳定的最大功率输出状态。
6、该控制系统采用DSP+FPGA控制，两者采用并行处理方式，分工明确且相互协调控制，FPGA的引入减轻了DSP的程序复杂度，从而使得逆变器的复杂控制算法得以实现。
附图说明
图1是总体结构图；
图2是原理框图；
图3是电路原理图；
图4是DSP+FPGA原理图，其中a为DSP原理图、b为FPGA原理图。
下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实用新型提供的分布式发电协调控制系统，包括由太阳电池、风力发电机和蓄电池构成的分布式电源1、协调控制电路2、DSP+FPGA控制3、逆变控制电路4和智能开关6组成，图中5为负载，7为电网。
如图2、图3所示，协调控制电路包括DC/DC单元21、DC/DC单元22和DC/DC单元23，组成，所述的DC/DC单元21的输入端连接太阳电池11，输出端接入母线；所述的DC/DC单元22的输入端连接风力发电机12，输出端也接入母线，所述的DC/DC单元23的输入端同时接入母线，输出端连接蓄电池13；所述的传感器43中的传感器1、2分别检测光伏DC/DC单元21中的电流IPV和电压UPV，传感器3、4分别检测风力DC/DC单元22中的电流IW和电压UW，传感器5检测并网电流iac、传感器6检测蓄电池电压Ubatt；6个传感器的输出同时连接DSP+FPGA控制3，DSP+FPGA控制分别连接协调控制电路中的DC/DC单元21、22、23和智能开关6；所述的DC/DC单元21、22、23为并联连接。
所述的DC/DC单元21、DC/DC单元22的输出端之间各连接有一个MOS大功率管，DC/DC单元23连接有两只MOS大功率管，各MOS大功率管的栅极与DSP+FPGA控制的输出信号控制端连接。
如图3所示，所述的DC/DC单元23是蓄电池的充放电电路，该电路采用双向Buck/Boost拓扑；它的输入端直接连在直流母线上，由DSP+FPGA控制智能充放电过程。
如图3所示，所述的DSP+FPGA控制3输出的SPWM调制信号与逆变桥S1～S4的MOS大功率管的栅极连接。
本实用新型的原理及控制过程
协调控制原理如下（见图3）：
分布式发电中光伏电池阵列和风力发电处于并联运行模式，DSP+FPGA控制电路3根据传感器检测到的输出电流信号IPV、IW和输出电压信号UPV、UW产生控制DC/DC电路开关管SPV、SW的脉宽调制信号PWMPV和PWMM，通过DSP+FPGA控制单元3协调控制以实现最大功率点跟踪。
智能开关6控制分布式发电系统的工作状态，当传感器检测iac输出功率大于负载需求时，DSP+FPGA控制电路3经过计算后协调控制智能开关闭合，系统工作在并网状态，反之系统为离网独立工作状态；电网出现故障时，DSP+FPGA控制3立即控制并网开关6断开，系统转入独立运行模式，以防止对电网检测维修人员造成伤害，并避免因功率不匹配而造成设备损坏。
当分布式发电系统处于独立运行时，负载功率由光伏电池11、风力发电12和蓄电池13联合提供，若分布式发电发电功率足以满足负载需求时，将剩余电量给蓄电池11充电；若发电功率不能满足负荷需求时，需要释放蓄电池13的电能以满足负荷需求。此功能由传感器检测的电压信号Ubatt和DSP+FPGA控制3完成。
当分布式发电系统处于并网运行时，在DSP+FPGA控制3的协调控制下，系统实现单位功率因数运行。若系统除满足负载需求外还有余量，则将多余电量并入电网，若不能满足负载需求，此时需要电网和分布式发电系统共同给负载供电，而此时蓄电池13可起稳定及调节电压的作用。

Claims (4)

1.一种分布式发电协调控制系统，其特征在于该系统包括由太阳电池、风力发电机和蓄电池组成的分布式电源，由光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元和蓄电池充放电DC/DC单元组成的协调控制电路，由传感器、逆变桥、SPWM和低通滤波器组成的逆变控制电路，以及DSP+FPGA控制和智能开关构成；
所述的光伏DC/DC单元的输入端连接太阳电池，输出端接入母线，风力DC/DC单元的输入端连接风力发电机，输出端也接入母线，蓄电池充放电DC/DC单元输入端连接母线，输出端连接蓄电池；所述逆变控制电路中包括6个传感器，其中传感器1、2分别检测光伏DC/DC单元中的电流和电压、传感器3、4分别检测风力DC/DC单元中的电流和电压，传感器5检测并网电流、传感器6检测蓄电池电压；6个传感器的输出同时连接DSP+FPGA控制，DSP+FPGA控制的输出分别连接协调控制电路中的光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元、蓄电池充放电DC/DC单元、逆变电路中的逆变桥及智能开关S。
2.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述的光伏DC/DC单元、风力DC/DC单元及蓄电池充放电DC/DC单元为并联连接状态。
3.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述的光伏DC/DC单元和风力DC/DC单元的输出端各连接有一个MOS大功率管，蓄电池充放电DC/DC单元连接有2个MOS大功率管，各MOS大功率管的栅极与DSP+FPGA控制的控制端连接。
4.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于系统的协调控制采用DSP+FPGA控制。
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