CN104092438A

CN104092438A - 一种光伏储能***

Info

Publication number: CN104092438A
Application number: CN201410336539.4A
Authority: CN
Inventors: 蔡旭; 姜广宇; 王海松; 叶程广; 丁卓禹; 金涛; 罗天意
Original assignee: ANHUI LIGHT ENERGY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: ANHUI LIGHT ENERGY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2014-10-08

Abstract

本发明揭示了一种光伏储能***，其特征在于：光伏储能***光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间；本发明基于光伏侧Boost变换器，电池侧Buck-Boost变换器和负载侧全桥逆变器相结合的离网型光伏储能***，并且提出了基于TI的TMS320f28335芯片与三菱智能功率模块IPM的IGBT功率模块，有效地解决了***控制的复杂度，使得光伏储能***使用更加安全可靠。

Description

一种光伏储能***

技术领域

本发明涉及光伏储能领域，尤其涉及一种利用光伏组件和电池组配合电网为家庭供电的设备。

背景技术

离网型光伏储能***在偏远山区或者孤岛等无公共电网的地方发挥着重要作用。其主要问题在于供电持续性，为此通常接入储能装置来平抑功率波动，对于以上两种光储互补的离网光伏储能***来说，加入电池一方面可以起到平抑功率波动的作用，另一方面由于电池存在过充过放等极端情况，需要实时地检测电池状态，以控制光伏侧变换器和电池侧变换器工作在合适的模式下，这必将增加***控制上的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种结构简单，使用可靠的光伏储能***。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光伏储能***，其特征在于：光伏储能***由光伏组件、电池组、功率模块、负载组成。光伏储能***光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间；

所述光伏储能***设有控制器，所述控制器采集光伏组件输出电压、电流，电池组充放电流、直流母线电压，以及全桥逆变器输出电压和电感电流，所述控制器ePWM模块输出驱动信号经驱动电路输送至光伏侧变换器、电池侧变换器以及全桥逆变器。

所述光伏储能***中的功率开关器件内部包含一个独立IGBT、一个独立二极管以及六个带有反并联二极管的IGBT，其中第一个桥臂上的一个IGBT和一个二极管用作光伏测变换器电路开关管，另一个桥臂上的IGBT作为电池侧变换器上的电路开关管，剩余两个桥臂上的IGBT作为全桥逆变器开关管。

所述光伏测变换器开关管S1的占空比为D1，Ts为开关周期，则光伏测变换器稳定工作时输入输出的电压电流关系为：

V_{dc} = \frac{V_{PV}}{1 - D_{1}}

I_{o} = (1 - D_{1}) \cdot I_{L_{1}}

电感电流纹波Δ_iL1峰峰值为：

Δ i_{L_{1}} = \frac{V_{PV} \cdot D_{1} T_{s}}{L_{1}} .

所述电池侧变换器开关管S3的导通占空比为D3，则当电池侧变换器处于Boost模式时稳态输入输出关系为：

V_{dc} = \frac{V_{bat}}{1 - D_{3}}

I_{o} = (1 - D_{3}) \cdot I_{L_{2}}

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{V_{bat} \cdot D_{3} T_{s}}{L_{2}} .

所述电池侧变换器开关管S3的导通占空比为D3，则当电池侧变换器处于Buck模式时稳态输入输出关系为：

I_{L_{2}} = \frac{I_{i}}{D_{2}}

V_bat＝D₂·V_dc

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{(V_{dc} - V_{bat}) \cdot D_{2} T_{s}}{L_{2}} .

所述全桥逆变器采用双极性调制，其输出电压为：

V_i＝d₄(t)·V_dc-(1-d₄(t)·V_dc＝(2d₄(t)-1)·V_dc。

所述控制器采用TMS320F28335，所述控制器中的ADC模块模块进行光伏储能***中的采样工作，所述ePWM模块负责IGBT的驱动工作，所述功率开关器件采用智能功率模块IPM。

本发明基于光伏侧Boost变换器，电池侧Buck-Boost变换器和负载侧全桥逆变器相结合的离网型光伏储能***，并且提出了基于TI的TMS320f28335芯片与三菱智能功率模块IPM的IGBT功率模块，有效地解决了***控制的复杂度，使得光伏储能***使用更加安全可靠。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为基于DSP的光伏储能***离网硬件结构图；

图2为离网型光伏储能***拓扑图；

图3为光伏侧变换器拓扑结构图；

图4为光伏侧变换器主要变量的稳态波形；

图5为电池侧变换器工作在Boost模式时的等效电路图；

图6为电池侧变换器工作在Buck模式时的等效电路图；

图7为电池侧变换器工作在Buck模式时主要变量的稳态波形；

图8为全桥逆变器拓扑结构图；

图9(a)为全桥逆变器单极性调制方式；

图9(b)为全桥逆变器双极性调制方式；

图10为孤岛运行光伏发电实验波形；

图11为孤岛运行电池供电实验波形。

具体实施方式

参见图2可知，光伏储能***光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间，三个变换器都连接到公共直流母线上，从而组成一个典型的直流微网。通过控制直流母线电压可以很容易控制直流微网内的功率流动。

如图1所示，光伏储能***设有控制器，可采用TI的TMS320F28335作为控制芯片，主频达150MHz，能够快速实时地实现各种数字信号信息的采集和处理，完成各种数字控制算法的计算。其ADC模块，ePWM模块可以提供解决光伏储能***的采样需求及IGBT控制需求，有效地降低了***控制的复杂度。控制器采集光伏组件输出电压、电流，电池组充放电流、直流母线电压，以及全桥逆变器输出电压和电感电流，所述控制器输出调节信号经驱动电路输送至光伏侧变换器、电池侧变换器以及全桥逆变器。

功率开关器件采用三菱公司的L1系列智能功率模块(Intelligent PowerModel,IPM)：PM100RL1A120，整个IPM模块内部包含一个独立IGBT、一个独立二极管以及六个带有反并联二极管的IGBT。其中第一个桥臂上含一个IGBT和一个二极管，此桥臂作为Boost电路开关管。另外三个桥臂，一个作为Buck-Boost电路开关管，另外两个作为全桥逆变器开关管，三菱IPM可以很好的满足光伏储能***。

参见图3光伏侧Boost升压等效电路，光伏组件相当于电压源V_PV,直流母线后面的部分用电阻负载R代替，在电路工作在电感电流连续模式的理想条件下，Boost电路主要变量的稳态波形如图4所示

假设D1为开关管S1的占空比，Ts为开关周期，则当Boost电路稳定工作时输入输出的电压电流关系为：

V_{dc} = \frac{V_{PV}}{1 - D_{1}}

I_{o} = (1 - D_{1}) \cdot I_{L_{1}}

电感电流纹波Δ_iL1峰峰值为：

Δ i_{L_{1}} = \frac{V_{PV} \cdot D_{1} T_{s}}{L_{1}} .

参见图5电池侧变换器工作在Boost模式时的等效电路图，此时锂电池放电以维持直流母线电压恒定，给负载供电。锂电池相当于电压源Ubat。直流母线后面的部分用电阻代替。开关管S2的脉冲始终封锁，只单独控制开关管S3。

假设D3为开关管S3的导通占空比，则当Buck-Boost电路工作在Boost模式时的稳态输入输出关系为：

V_{dc} = \frac{V_{bat}}{1 - D_{3}}

I_{o} = (1 - D_{3}) \cdot I_{L_{2}}

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{V_{bat} \cdot D_{3} T_{s}}{L_{2}} .

参见图6电池侧变换器工作在Buck模式时的等效电路图，此时功率从直流母线流向锂电池，给锂电池充电。中间直流母线相当于电压源，用Udc表示；锂电池相当于负载，用理想电压源和电阻串联表示，其中串联电阻ro为锂电池的内阻。开关管S3的脉冲始终封锁，只单独控制开关管S2。

电路工作在Buck模式时，在电路工作在电感电流连续模式的理想条件下，主要变量的稳态波形如图7所示，假设D2为开关管S2的导通占空比，则当Buck-Boost电路工作在Buck模式时的稳定输入输出关系为：

I_{L_{2}} = \frac{I_{i}}{D_{2}}

V_bat＝D₂·V_dc

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{(V_{dc} - V_{bat}) \cdot D_{2} T_{s}}{L_{2}} .

全桥逆变器的等效电路图如图8所示。直流母线连接到一个由4个开关管组成的全桥逆变器上，逆变产生的脉冲电压经过LC滤波器接入负载。

在单相逆变***中，正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)方式以其控制算法简单而易于实现、输出谐波易于控制等特点受到广泛应用。SPWM调制方式包括单极性调制和双极性调制，其调制原理如图9所示

本***采用双极性调制，无论在调制波正半周期还是负半周期，S₄和S₇始终同时动作，S₅和S₆始终同时动作，S₄和S₆互补导通。假设S₄、S₇的占空比为d₄(t)，那么S₅、S₆的占空比为1-d₄(t)，则采用双极性调制的逆变器输出电压为：

V_i＝d₄(t)·V_dc-(1-d₄(t)·V_dc＝(2d₄(t)-1)·V_dc

如图10孤岛运行、光伏发电工况下的稳态实验波形。图中光伏组件给负载(纯阻性负载，下同)供电，同时给锂电池充电。直流母线电压V_dc稳定在480V，逆变器输出电压v_o为220V/50Hz，负载功率3kW，锂电池充电功率为2kW。

如图11所示孤岛运行、电池供电工况下的稳态实验波形。图中电池独立给负载供电，直流母线电压V_dc稳定在480V，逆变器输出电压v_o为220V/50Hz，负载功率约为5kW。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光伏储能***，其特征在于：光伏储能***由光伏组件、电池组、功率模块、负载组成,光伏储能***光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间；

所述光伏储能***设有控制器，所述控制器采集光伏组件输出电压、电流，电池组充放电流、直流母线电压，以及全桥逆变器输出电压和电感电流，所述控制器输出调节信号经驱动电路输送至光伏侧变换器、电池侧变换器以及全桥逆变器。

2.根据权利要求1所述的光伏储能***，其特征在于：所述光伏储能***中功率模块的功率开关器件内部包含一个独立IGBT、一个独立二极管以及六个带有反并联二极管的IGBT，其中第一个桥臂上的一个IGBT和一个二极管用作光伏测变换器电路开关管，另一个桥臂上的IGBT作为电池侧变换器上的电路开关管，剩余两个桥臂上的IGBT作为全桥逆变器开关管。

3.根据权利要求1所述的光伏储能***，其特征在于：所述光伏***的功率模块由光伏测Boost变换器、电池侧Buck-Boost变换器、负载侧全桥变换器组成,其中光伏测Boost变换器开关管S1的占空比为D1，Ts为开关周期，则光伏测变换器稳定工作时输入输出的电压电流关系为：

V_{dc} = \frac{V_{PV}}{1 - D_{1}}

I_{o} = (1 - D_{1}) \cdot I_{L_{1}}

电感电流纹波Δ_iL1峰峰值为：

Δ i_{L_{1}} = \frac{V_{PV} \cdot D_{1} T_{s}}{L_{1}} .

4.根据权利要求1所述的光伏储能***，其特征在于：所述电池侧Buck-Boost变换器开关管S3的导通占空比为D3，则当电池侧变换器处于Boost模式时稳态输入输出关系为：

V_{dc} = \frac{V_{bat}}{1 - D_{3}}

I_{o} = (1 - D_{3}) \cdot I_{L_{2}}

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{V_{bat} \cdot D_{3} T_{s}}{L_{2}} .

5.根据权利要求1所述的光伏储能***，其特征在于：所述电池侧变换器开关管S3的导通占空比为D3，则当电池侧变换器处于Buck模式时稳态输入输出关系为：

I_{L_{2}} = \frac{I_{i}}{D_{2}}

V_bat＝D₂·V_dc

电感电流纹波Δ_iL2峰峰值为：

Δ i_{L_{2}} = \frac{(V_{dc} - V_{bat}) \cdot D_{2} T_{s}}{L_{2}} .

6.根据权利要求1所述的光伏储能***，其特征在于：所述全桥逆变器采用双极性调制，其输出电压为：

V_i＝d₄(t)·V_dc-(1-d₄(t)·V_dc＝(2d₄(t)-1)·V_dc。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光伏储能***，其特征在于：所述控制器采用TMS320F28335，所述控制器中的ADC模块进行光伏储能***中的采样工作，所述ePWM模块负责IGBT的驱动工作，所述功率开关器件采用智能功率模块IPM。