CN206658105U - 用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，包括光伏阵列、单向DC‑DC变换器、超级电容、双向DC‑DC变换器、蓄电池、DC‑AC变换器和滤波器；光伏阵列经单向DC‑DC变换器接入直流母线，单向DC‑DC变换器用于调节光伏阵列的功率输出；超级电容经双向DC‑DC变换器接入直流母线，蓄电池直接接入直流母线，双向DC‑DC变换器用于对蓄电池的充放电电流进行平滑；直流母线的另一侧依次通过DC‑AC变换器和滤波器接入交流母线，DC‑AC变换器用于作为电压/频率源对交流母线的电压和频率进行调节。实现离网条件下光伏电源对交流母线电压和频率的控制，延长蓄电池寿命，提高系统效率。

Description

用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源

技术领域

本实用新型涉及一种混合储能式光伏电源，特别是涉及一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，属于新能源控制与应用技术领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染等问题的日益严重，可再生能源发电技术得到了快速发展。为了解决光伏、风机等分布式电源的接入问题，提高新能源的利用效率，人们提出了微电网的概念。然而，微电网中分布式电源输出的随机性以及负荷的随机变化，会影响系统的运行稳定性。为此，通常需要在微电网中增加储能装置。由于单一储能介质目前仍无法同时满足微电网系统在能量和功率两方面的需求，混合储能系统成为当前研究和应用的重点。

在现有的研究成果中，混合储能系统的电路结构主要适用于功率指令控制模式，即根据系统的不平衡功率生成功率调节指令，采用不同的滤波方式得到其中的高频分量和低频分量，分别作为功率型储能和能量型储能的目标指令。然而，当微电网运行于离网模式时，往往需要由储能系统直接参与微电网系统电压和频率调节，维持微电网系统运行稳定。此外，传统微电网中分布式电源、储能装置通过各自变换器独立接入微电网系统交流母线时，存在能量转换环节多、协调控制困难等问题，导致微电网系统效率降低，增加了控制系统及策略的复杂性。

因此，针对含分布式光伏接入的离网型微电网，研究基于混合储能的光伏电源，对于提高微电网系统运行效率，优化储能系统能量管理具有重要现实意义。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，不仅从硬件上降低了电能从光伏阵列到蓄电池和电能从蓄电池到负载过程中的损耗，而且从硬件上保证了光伏电源能够对交流母线的电压和频率进行控制，可满足微电网离网运行要求，结构简单、经济而高效。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，包括位于直流母线一侧的光伏阵列、单向DC-DC变换器、超级电容、双向DC-DC变换器和蓄电池，以及位于直流母线与交流母线之间的DC-AC变换器和滤波器。

其中，所述光伏阵列经单向DC-DC变换器接入直流母线，所述单向DC-DC变换器用于调节光伏阵列的功率输出；所述超级电容经双向DC-DC变换器接入直流母线，所述蓄电池直接接入直流母线，所述双向DC-DC变换器用于对蓄电池的充放电电流进行平滑；所述直流母线的另一侧依次通过DC-AC变换器和滤波器接入交流母线，所述DC-AC变换器用于作为电压/频率源对交流母线的电压和频率进行调节。

本实用新型进一步设置为：所述单向DC-DC变换器包括储能电感L1、功率开关管G1和续流二极管D1，所述光伏阵列的正极通过储能电感L1分别与功率开关管G1的发射极和续流二极管D1的负极相连，所述续流二极管D1的正极与直流母线的正母线相连，所述光伏阵列的负极分别与功率开关器件G1的集电极和直流母线的负母线相连。

本实用新型进一步设置为：所述双向DC-DC变换器包括储能电感L2、功率开关管G2、功率开关管G3、续流二极管D2和续流二极管D3，所述超级电容的正极与功率开关管G3的发射极相连，所述功率开关管G3的集电极与功率开关管G2的发射极相连，所述功率开关管G2的集电极与直流母线的负母线相连，所述超级电容的负极分别与直流母线的正母线和储能电感L2的一端相连，所述储能电感L2的另一端与功率开关管G3的集电极相连，所述续流二极管D2并联于功率开关管G3的发射极和集电极的两端，所述续流二极管D3并联于功率开关管G2的发射极和集电极的两端。

本实用新型进一步设置为：所述超级电容采用型号为DRL 2.7V/3000F的单体电容串/并联而成。

本实用新型进一步设置为：所述DC-AC变换器采用两电平-三相电压型桥式拓扑结构。

本实用新型进一步设置为：所述滤波器采用LCL滤波器。

本实用新型进一步设置为：所述DC-AC变换器与直流母线之间并联有直流侧电容C1，所述直流侧电容C1用于吸收DC-AC变换器向直流侧索取的高幅值脉动电流。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

通过单向DC-DC变换器、超级电容、双向DC-DC变换器和蓄电池的设置，实现了离网条件下光伏电源对交流母线电压和频率的控制，可以保证储能系统长时间离网运行；其中蓄电池直接与直流母线相连，不仅减少蓄电池充电过程和放电过程的能量转换环节，而且可大幅降低能量损耗；加入超级电容，以及通过双向DC-DC变换器对蓄电池的充放电电流进行平滑，可大幅提升储能系统的动态响应性能，还可延长蓄电池的使用寿命；本实用新型光伏电源整体电路简单，节约成本，控制方便，系统可靠性高，具有广阔的应用前景。

上述内容仅是本实用新型技术方案的概述，为了更清楚的了解本实用新型的技术手段，下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

附图说明

图1是本实用新型用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源的系统框图；

图2是本实用新型用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源中光伏阵列及单向DC-DC变换器的电路图；

图3是本实用新型用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源中超级电容及双向DC-DC变换器的电路图；

图4是本实用新型用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源中DC-AC变换器及滤波器的电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，包括位于直流母线一侧的光伏阵列、单向DC-DC变换器、超级电容、双向DC-DC变换器和蓄电池，以及位于直流母线与交流母线之间的DC-AC变换器和滤波器；所述超级电容采用nanoForce（万裕）公司生产的型号为DRL 2.7V/3000F的单体电容串/并联而成。

其中，所述光伏阵列经单向DC-DC变换器接入直流母线，所述单向DC-DC变换器用于调节光伏阵列的功率输出，正常情况下的单向DC-DC变换器采用最大功率输出控制模式；所述超级电容经双向DC-DC变换器接入直流母线，所述蓄电池直接接入直流母线，所述双向DC-DC变换器用于对蓄电池的充放电电流进行平滑，即可实现对蓄电池充放电电流中的高频部分进行吸收或补偿；所述直流母线的另一侧依次通过DC-AC变换器和滤波器接入交流母线，所述DC-AC变换器用于作为电压/频率源对交流母线的电压和频率进行调节，从而可维持储能系统的运行稳定。

如图1所示，本实用新型光伏电源采用光伏阵列与混合储能相结合的方式，为离网型微电网中的负载提供电能。日间太阳能充足时，光伏阵列利用“光生伏打”效应产生的电能经单向DC-DC变换器、DC-AC变换器和滤波器给系统交流母线上的负载供电，同时多余的电能用于给直流母线上的蓄电池充电；夜间太阳能不足时，光伏阵列不再输出功率，蓄电池经DC-AC变换器和滤波器继续给交流母线上的负载供电。

由于蓄电池存在功率密度低、循环寿命短等缺点，为了提高光伏电源对负载波动的响应能力，延长蓄电池的循环寿命，在储能系统运行过程中，对蓄电池的充放电电流进行实时检测，所以可利用超级电容和双向DC-DC变换器对蓄电池充放电电流中的高频分量进行吸收或补偿。正常情况下，双向DC-DC变换器采用功率控制模式；当超级电容端电压过高或者过低时，通过改变控制模式，即通过对超级电容状态进行相应调整，以维持其对蓄电池充放电电流的持续调节能力。

如图1所示，本实用新型光伏电源中的蓄电池是微电网中重要的能量型储能单元，对于实现微电网能量管理，保证微电网长时间可靠运行具有重要支撑作用。作为重要的能量储存单元，蓄电池的充电和放电过程的效率将直接影响到系统的整体效率。因此，本实用新型光伏电源采用了将蓄电池直接接入直流母线的方式，以减少蓄电池充电和放电过程中的能量转换环节，达到降低损耗的目的。实际运行过程中，需要防止蓄电池过充或过放；当检测到直流母线电压过高时，通过控制单向DC-DC变换器可减少光伏阵列功率输出；当检测到直流母线电压过低时，采取切负荷或其他措施，可保证关键负荷供电。

如图2所示，所述单向DC-DC变换器包括储能电感L1、功率开关管G1和续流二极管D1，其采用的是单向Boost拓扑结构；所述光伏阵列的正极通过储能电感L1分别与功率开关管G1的发射极和续流二极管D1的负极相连，所述续流二极管D1的正极与直流母线的正母线相连，所述光伏阵列的负极分别与功率开关器件G1的集电极和直流母线的负母线相连。

具体工作过程为：当功率开关管G1导通时，光伏阵列、储能电感L1和功率开关管G1形成回路，光伏阵列给储能电感L1充电，电感电流上升；当功率开关器件G1关断时，由于储能电感L1电流不能突变，储能电感L1通过续流二极管D1放电，储能电感L1电流下降。因此，在一个开关周期内，通过对功率开关管G1的通断进行控制，可以实现能量从光伏阵列流向直流母线。

如图2所示，为了保证光伏阵列在当前运行环境下的最大功率输出，正常情况下，单向DC-DC变换器根据光伏阵列端口电压的实时值和光伏阵列输出功率的实时值对功率开关管G1的占空比进行控制，实现对光伏阵列端口电压的调节，达到跟踪光伏阵列的最大功率运行点的目的。在特定运行条件下，例如当光伏阵列输出功率大于负载消耗量，且蓄电池即将充满时，可以通过调节光伏阵列端口电压，限制光伏阵列输出功率。

如图3所示，所述双向DC-DC变换器包括储能电感L2、功率开关管G2、功率开关管G3、续流二极管D2和续流二极管D3，其采用的是双向Buck-Boost拓扑结构，不仅可以实现能量双向控制，而且能够实现不同电压等级超级电容的灵活接入，当超级电容端电压高于或低于直流母线电压时，该双向DC-DC变换器均能够顺利实现能量转换；所述超级电容的正极与功率开关管G3的发射极相连，所述功率开关管G3的集电极与功率开关管G2的发射极相连，所述功率开关管G2的集电极与直流母线的负母线相连，所述超级电容的负极分别与直流母线的正母线和储能电感L2的一端相连，所述储能电感L2的另一端与功率开关管G3的集电极相连，所述续流二极管D2并联于功率开关管G3的发射极和集电极的两端，所述续流二极管D3并联于功率开关管G2的发射极和集电极的两端。

具体工作过程为：当功率开关管G3关断，功率开关管G2工作于开关模式时，超级电容运行于充电状态；当功率开关管G2导通时，储能电感L2充电，储能电感L2电流上升；当功率开关管G2关断时，储能电感L2通过续流二极管D2放电，储能电感L2电流下降。当功率开关管G2关断，功率开关管G3工作于开关模式时，超级电容运行于放电状态；当功率开关管G3导通时，储能电感L2充电，储能电感L2电流上升；当功率开关管G3关断时，储能电感L2通过续流二极管D3放电，储能电感L2电流下降。因此，通过对功率开关管G2和功率开关管G3进行控制，可以实现能量在超级电容和直流母线之间的双向流动。

如图3所示，为了吸收或补偿蓄电池电流中的高频部分，平滑蓄电池的充放电电流，所述双向DC-DC变换器可根据超级电容和蓄电池的总电流对功率开关管G2和功率开关管G3进行控制，从而实现超级电容输入/输出功率的调节。其中双向DC-DC变换器可以采用单环控制：首先根据直流母线上超级电容和蓄电池的总电流，采用滤波算法提取出其中的高频分量，然后将此电流的高频分量转换为超级电容吸收/释放的功率指令，并与超级电容实际功率进行比较，对所得误差进行PI控制，输出功率开关器件G2和G3的开关控制信号。

如图4所示，所述DC-AC变换器采用两电平-三相电压型桥式拓扑结构，所述滤波器采用LCL滤波器可降低交流输出电流中的纹波；所述DC-AC变换器与直流母线之间并联有直流侧电容C1，所述直流侧电容C1用于吸收DC-AC变换器向直流侧索取的高幅值脉动电流。

如图4所示，所述DC-AC变换器检测并网点相电压和相电流，采用恒压/恒频控制方法，控制目标是不论分布式电源输出的功率如何变化，交流母线的电压幅值和微电网系统的频率维持不变。其中DC-AC变换器可以采用双环控制：外环电压控制环节和内环电流控制环节。

电压控制环节，首先根据设定的变换器输出电压、频率和初相角确定变流器输出电压参考信号；然后将三相电压参考信号进行dq变换，得到在旋转坐标系下的电压参考信号；将电压参考信号分别与dq变换后的实际电压测量值进行比较，对所得误差进行PI控制，得到内环电流参考信号。

电流控制环节，采用dq旋转坐标，将电压控制环节得到的电流参考信号分别与实际测量并经dq变换得到的实际电流信号进行比较，对所得误差进行PI控制，并通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号。其中，电压前馈补偿和交叉耦合补偿的主要目的是将并网方程中的dq分量解耦，分别进行控制。最后，对所得电压控制信号进行dq反变换和SPWM调制，得到图4所示的功率开关管G4、G5、G6、G7、G8和G9的开关控制信号。

本实用新型的创新点在于，实现了离网条件下光伏电源对交流母线电压和频率的控制，延长了蓄电池循环寿命，减少了能量转换环节，提高了系统效率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：包括位于直流母线一侧的光伏阵列、单向DC-DC变换器、超级电容、双向DC-DC变换器和蓄电池，以及位于直流母线与交流母线之间的DC-AC变换器和滤波器；

所述光伏阵列经单向DC-DC变换器接入直流母线，所述单向DC-DC变换器用于调节光伏阵列的功率输出；

所述超级电容经双向DC-DC变换器接入直流母线，所述蓄电池直接接入直流母线，所述双向DC-DC变换器用于对蓄电池的充放电电流进行平滑；

所述直流母线的另一侧依次通过DC-AC变换器和滤波器接入交流母线，所述DC-AC变换器用于作为电压/频率源对交流母线的电压和频率进行调节。

2.根据权利要求1所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述单向DC-DC变换器包括储能电感L1、功率开关管G1和续流二极管D1，所述光伏阵列的正极通过储能电感L1分别与功率开关管G1的发射极和续流二极管D1的负极相连，所述续流二极管D1的正极与直流母线的正母线相连，所述光伏阵列的负极分别与功率开关器件G1的集电极和直流母线的负母线相连。

3.根据权利要求1所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括储能电感L2、功率开关管G2、功率开关管G3、续流二极管D2和续流二极管D3，所述超级电容的正极与功率开关管G3的发射极相连，所述功率开关管G3的集电极与功率开关管G2的发射极相连，所述功率开关管G2的集电极与直流母线的负母线相连，所述超级电容的负极分别与直流母线的正母线和储能电感L2的一端相连，所述储能电感L2的另一端与功率开关管G3的集电极相连，所述续流二极管D2并联于功率开关管G3的发射极和集电极的两端，所述续流二极管D3并联于功率开关管G2的发射极和集电极的两端。

4.根据权利要求1所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述超级电容采用型号为DRL 2.7V/3000F的单体电容串/并联而成。

5.根据权利要求1所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述DC-AC变换器采用两电平-三相电压型桥式拓扑结构。

6.根据权利要求5所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述滤波器采用LCL滤波器。

7.根据权利要求6所述的用于离网型交流微电网电压控制的混合储能式光伏电源，其特征在于：所述DC-AC变换器与直流母线之间并联有直流侧电容C1，所述直流侧电容C1用于吸收DC-AC变换器向直流侧索取的高幅值脉动电流。