CN108777494A - 集散式光储充电***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集散式光储充电***及其控制方法，包括光伏PV阵列、集散式汇流箱、集散式双向逆变器、DC充放电单元、电动汽车和储能电池，集散式汇流箱包括多个DC变换单元，各DC变换单元的输入端与光伏PV阵列的输出端相连，各DC变换单元的输出端并联汇流后与集散式双向逆变器内部的***直流母线相连，储能电池、电动汽车分别通过DC充放电单元、直流DC充电桩与***直流母线相连。集散式汇流箱能检测DC变换单元的输入端电压和功率，并进行最大功率点跟踪(MPPT)，而当集散式双向逆变器切换到限功率状态时，集散式汇流箱根据***直流母线的电压时时调节DC/AC变换单元的运行，控制输出到电网的有功功率，满足限功率输出的需求。

Description

集散式光储充电***及其控制方法
技术领域
本发明涉及光储充发电领域，具体涉及一种集散式光储充电***及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车的快速发展，电动汽车对电力的需求量及便利性逐渐加剧，而现有的大型充电站是直接接入电网取电为电动汽车充电，在用电高峰期给电网造成了很大的压力，同时大型充电站数量分布不均，为电动汽车充电带来不便。而光伏发电作为一种清洁能源，可分布应用在城市的各个社区，能减少电网压力及电力长距离传输的损耗，与电动汽车充电相结合更能发挥其价值。由于光伏发电的间歇性，对增加储能技术的需求越来越强烈，在直流母线侧引入储能后，可以有效消除电网的峰谷差、平滑负荷，更有效地利用好可再生能源，降低供电成本，同时还可以配合有功调度、实现调频调峰的功能。
在光伏发电中，逆变器承担着电能变换、并网控制、智能监控和安全保护的功能，现有光储充电***光伏多采用集中式逆变器和组串式逆变器两种，但分别存在发电量低、成本高的缺点，同时现有光储***在限功率时，如何保证直流母线汇总电压的稳定控制，自动实现最大功率点跟踪(MPPT)和限功率状态的切换一直是个难题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种集散式光储充电***及其控制方法，通过光伏发电满足储能电池和电动汽车的需要，储能电池与电网进行能量交互；通过集散式汇流箱检测DC变换单元的输入端电压和功率，进行最大功率点跟踪(MPPT)，提高光伏发电率，而当集散式双向逆变器切换到限功率状态时，集散式双向逆变器控制***直流母线的电压，集散式汇流箱根据***直流母线的电压时时调节DC/AC变换单元的运行，精确控制***输出到电网的有功功率，满足限功率输出的需求。
本发明采用的技术方案是，一种集散式光储充电***及其控制方法，包括光伏PV阵列、集散式汇流箱、集散式双向逆变器、DC充放电单元、电动汽车和储能电池；所述集散式汇流箱包括多个DC变换单元，所述DC变换单元的输入端与所述光伏PV阵列的输出端相连，所述DC变换单元的输出端并联汇流后与所述集散式双向逆变器内部的***直流母线相连；所述DC充放电单元的输入端与所述储能电池相连，所述DC充放电单元的输出端与所述***直流母线相连；所述储能电池在充电阶段，所述DC充放电单元以降压输出的模式工作；所述储能电池在放电阶段，所述DC充放电单元以升压输出的模式工作；所述电动汽车通过直流DC充电桩与所述***直流母线相连；所述集散式双向逆变器与所述电网相连。
优选地，所述集散式双向逆变器的直流输入端与直流开关的第一端相连，直流开关的第二端与直流熔断器的第一端相连，直流熔断器的第二端与直流接触器的第一端相连，直流接触器的第二端与绝缘栅双极型晶体管的直流母线相连，经过三相全桥逆变后由抑制输出电流的大幅度波动，并起滤波作用，滤除开关动作产生的高频电流成分，再连接交流接触器和交流开关实现并网和功率平衡，交流接触器和交流开关通过交流熔断器连接，直流侧与电网侧分别安装有直流防雷器和交流防雷器。
优选地，集散式汇流箱包括四组个光伏阵列，每组光伏阵列包含有四个光伏阵列，第一组光伏阵列通过分断开关K1连接滤波检测电路，滤波检测电路通过DC线路与最大功率点跟踪控制器MPPT1和MPPT2连接，第二组光伏阵列、第三组光伏阵列以及第四组光伏阵列分别通过PV分断开关K2、K3、K4与另外三组滤波检测电路相连，并分别与最大功率点跟踪控制器MPPT3～MPPT8连接。
优选地，当所述DC充放电单元以降压输出的模式工作时，开关K2恒关断，开关K1间歇性PWM导通，在开关K1导通时，通过电感L给电容C2及Vbat充电，电感L电流增大；在开关K1关断时，电感L与二极管D2续流，电容C2及Vbat的电压降低，实现从Vdc到Vbat的降压充电功能；
当所述DC充放电单元以升压输出的模式工作时，开关K1恒关断，开关K2间歇性PWM导通，在开关K2导通时，通过电感L电流增大；在开关K2关断时，电感L与二极管D1续流，实现从Vbat到Vdc的升压放电功能。
优选地，所述集散式双向逆变器能双向传递电能，其包括以下两种工作方式：
所述DC充放电单元给电动汽车或储能电池充电的功率大于集散式汇流箱所能提供的功率时，所述集散式双向逆变器工作在整流状态、从电网吸收有功功率；或
所述DC充放电单元工作在放电状态时，所述集散式双向逆变器工作在发电状态、输出功率到电网。
一种利用上述的集散式光储充电***进行充电的控制方法，所述集散式双向逆变器对所述***直流母线的电压进行时时检测，结合所述集散式汇流箱实现对***的控制，具体为：
S1、***正常运行时，所述***直流母线的电压稳定在预设置的第一工作电压，所述集散式汇流箱进行最大功率点跟踪MPPT运行，并控制所述DC变换单元的输入端电压运行在最大功率点跟踪所对应的数值；
S2、***切换到限功率状态时，所述集散式双向逆变器调节所述***直流母线的电压，控制***输出到电网的有功功率，满足限功率输出的要求，同时控制所述***直流母线的电压在第一工作电压到保护点工作点3之间浮动；
S3、当所述***直流母线的电压超越预设置的第一工作电压、但小于预设的第二工作电压时，所述集散式汇流箱停止MPPT的运行，并逐步抬高所述DC/AC变换单元的输入运行电压；
S4、当所述***直流母线的电压超越预设的第二工作电压后，停止所述集散式汇流箱内的PWM发波，让所述DC/AC变换单元处于待机状态；
S5、通过以上控制过程改变光伏阵列传入电网的功率，使***达到限功率所要求的平衡，自行完成最大功率点跟踪运行状态到限功率状态的切换。
优选地，所述第三工作电压>第二工作电压>第一工作电压。
优选地，所述第一工作电压为820V，所述第二工作电压为850V，所述第三工作电压为960V。
本发明的有益效果是：
1、将光伏发电、电池储能与电池汽车充电相结合，为电动汽车充电提供便利，使光伏发电经济效益最大化，同时与电网进行能量交互，降低供电成本，配合有功调度，实现对电网的削峰填谷，发挥其更大价值。
2、利用集散式汇流箱进行多路MPPT寻优，提升光伏发电率，结合集散式双向逆变器实现直流电的集中逆变，当***切换到限功率状态时，集散式汇流箱根据***直流母线的电压时时调节DC/AC变换单元的运行，控制***输出到电网的有功功率，满足限功率输出的需求。
附图说明
图1为本发明集散式光储充***结构框图；
图2为本发明集散式双向储能逆变器的结构示意图；
图3为本发明集散式汇流箱主电路图；
图4为本发明DC/AC充放电单元的结构示意图；
图5为本发明集散式双向逆变器内***直流母线的电压控制框图；
图6为本发明集散式汇流箱内DC/AC变换单元的运行控制框图；
图7为本发明光伏PV阵列的电流、电压及功率变化示意图。
主要附图标记：
光伏PV阵列1；集散式汇流箱2；DC变换单元21；储能电池3；DC充放电单元4；电动汽车5；直流DC充电桩6；集散式双向逆变器7；***直流母线71；电网8。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，集散式汇流箱2包括多个DC变换单元21，多组光伏PV阵列1的输出端接入集散式汇流箱2，与DC变换单元21的输入端相连，每个DC变换单元21均具有最大功率点跟踪(MPPT)功能，能检测并控制相应光伏PV阵列1的输出电压和输出功率，控制光伏PV阵列1的输出电压运行在最大功率点跟踪所对应的数值，使光伏PV阵列1的发电量最大化。多个DC变换单元21的输出并联汇流后作为集散式汇流箱2的输出，将电压提升，经过长距离直流电缆接入到集散式双向逆变器7的直流柜输入断路器开关，经过DC/AC逆变转换后接入电网8。同时DC充放电单元4的输入端与储能电池3相连，DC充放电单元4的输出端也连接到集散式双向逆变器7的直流柜输入断路器开关，并联接入***直流母线71。电动汽车5经过直流DC充电桩6也连接到集散式双向逆变器7的直流柜输入断路器开关，并联接入***直流母线71，既能利用光伏PV阵列1的直流电，又能使用电网8的交流电；储能电池3能与电网8进行能量交互，在充电阶段，DC充放电单元4工作在降压输出的模式；储能电池3在放电阶段，DC充放电单元4工作在升压输出的模式。集散式双向逆变器7对***直流母线71的电压进行时时检测，通过对***直流母线71预设电压值，控制发电***的有功功率。
集散式双向逆变器7能实现能量双向流动；当DC充放电单元4给电动汽车5或储能电池3充电的功率大于集散式汇流箱2所能提供的功率时，集散式双向逆变器7工作在整流状态、从电网8吸收有功功率；当DC充放电单元4工作在放电状态时，集散式双向逆变器7工作在发电状态、输出功率到电网8。
图2为集散式双向储能逆变器的电路结构示意图，直流输入端与直流开关Q5的第一端相连，直流开关Q5的第二端与直流熔断器FU1的第一端相连，直流熔断器FU1的第二端与直流接触器Q3的第一端相连，直流接触器Q3的第二端与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的直流母线相连，经过三相全桥逆变后由LC抑制输出电流的大幅度波动，并起滤波作用，滤除开关动作产生的高频电流成分，再连接交流接触器Q2和交流开关Q1实现并网和功率平衡，交流接触器Q2和交流开关Q1通过交流熔断器FU2连接，直流侧与电网8侧分别安装有直流防雷器F1和交流防雷器F2。
图3为集散式汇流箱2的主电路图，光伏阵列PV1～PV4通过PV分断开关K1连接滤波检测电路221，滤波检测电路221通过DC线路与最大功率点跟踪控制器MPPT1、MPPT2连接，光伏阵列PV5～PV8、PV9～PV12和PV13～PV16分别通过PV分断开关K2、K3、K4与滤波检测电路222、223、224相连，并分别与最大功率点跟踪控制器MPPT3～MPPT8连接，最大功率点跟踪控制器MPPT1、MPPT3、MPPT5与MPPT7并联连接为总线BUS+，最大功率点跟踪控制器MPPT2、MPPT4、MPPT6与MPPT8并联连接为总线BUS-。相比于采用光伏控制***所存在MPPT较少、集中监测精确度较低的问题，集散式汇流箱中有8个MPPT单元，可精确监测各光伏PV阵列1的方阵遮挡、支架倾角变化等变量，减小失配损失，提高整体发电效率，同时，MPPT单元具备电压提升功能，能将远距离(集散式汇流箱2到集散式双向逆变器7的直流柜输入断路器开关)直流传输电压提升到800VDC左右，降低线损，满足并网需要。集散式汇流箱2与集散式双向逆变器7的配合，通过前置多个MPPT控制优化器，实现多路MPPT寻优功能，其输出汇流成单一直流母线后再采用集中式逆变器逆变，具有“集中逆变”和“分散MPPT跟踪”的特点。
图4为DC/AC充放电单元的电路结构示意图，Vdc代表***直流母线71的端电压，Vbat代表储能电池3的端电压，电容C1与Vdc并联进行滤波，电容C2与Vbat并联进行滤波，二极管D1的正极、二极管D2的负极和电感L的一端相连，二极管D2的正极分别与电容C1、电容C2相连。充电时，开关K2恒关断，开关K1间歇性PWM导通，在开关K1导通时，通过电感L给电容C2及Vbat充电，电感L电流增大；在开关K1关断时，由于电感L电流不能突变，电感L与二极管D2续流，电容C2及Vbat的电压降低，实现从Vdc到Vbat的降压充电功能。放电时，开关K1恒关断，开关K2间歇性PWM导通，在开关K2导通时，通过电感L电流增大；在开关K2关断时，电感L与二极管D1续流，实现从Vbat到Vdc的升压放电功能。
图5的横坐标为***运行模式M，m1表示***正常运行，m2表示***限功率运行，纵坐标为***直流母线71的工作电压V。图6横坐标为***直流母线71的工作电压V，纵坐标为DC变换单元21的输入电压U21。结合图5与图6，当***运行模式M处于正常运行m1时，集散式双向逆变器7调节***直流母线71的工作电压V稳定在y1，即预设置的工作电压g1，如820伏直流电(Vdc)，此时，在工作电压为g1时，集散式汇流箱2内DC/AC变换单元21进行最大功率点跟踪(MPPT)运行，DC变换单元21的输入电压U21由MPPT决定，以提高发电率。而当***运行模式M处于m2限功率运行时，为满足限功率输出的需求，集散式双向逆变器7需精确控制***输出到电网8的有功功率，限定功率的同时调节电流数值，使***直流母线71的工作电压V控制在不小于预设置的工作电压g1(如820Vdc)，同时可在工作电压g1到保护点工作电压g3(960Vdc)之间做上升和下降浮动控制，其变化曲线如y2，此时，集散式汇流箱2根据曲线y2时时调节内部DC/AC变换单元的运行，调节过程如下：
1)当***直流母线71的输入电压V超越预设置的工作电压g1(如820Vdc)、但小于预设的工作电压g2时(如850Vdc)，停止集散式汇流箱2的MPPT自动运行，逐步抬高DC/AC变换单元的输入电压U21，变化曲线为y3；
2)当***直流母线71的输入电压V超越预设的工作电压g2(如850Vdc)后，停止集散式汇流箱2内的PWM发波，即让DC/AC变换单元处于待机状态，DC/AC变换单元输入电压U21的变化曲线为y4；
通过以上控制过程改变光伏PV阵列1传入电网的功率，使***达到限功率所要求的稳态，自行完成最大功率点跟踪(MPPT)运行状态到限功率状态的切换。
图7所示为光伏PV阵列1的电压、电流及功率变化示意图，从图中可以看出光伏PV阵列1的最大功率跟踪点Pmax对应的电压为Vmp、电流为Imp。如果控制光伏PV阵列1的输出电压V从最大功率跟踪点Vmp向短路电压Vpv或开路电压Voc的方向控制时，那么光伏PV阵列1输出的功率则是逐步降低，直至为0。同时通过改变光伏PV阵列1的直流电压实现输出功率变化，然后比较不同电压下的输出功率，这样一直搜索最高的功率点，即为最大功率点跟踪(MPPT)。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种集散式光储充电***，包括光伏PV阵列、集散式汇流箱、集散式双向逆变器、DC充放电单元、电动汽车和储能电池，其特征在于：
所述集散式双向逆变器与电网相连，所述集散式汇流箱、DC充放电单元以及直流DC充电桩分别与所述集散式双向逆变器连接；
所述集散式汇流箱包括多个DC变换单元，所述DC变换单元的输入端与所述光伏PV阵列的输出端相连，所述DC变换单元的输出端并联汇流后与所述集散式双向逆变器内部的***直流母线相连；
所述DC充放电单元的输入端与所述储能电池相连，所述DC充放电单元的输出端与所述***直流母线相连；所述储能电池处于充电阶段时，所述DC充放电单元以降压输出的模式工作；所述储能电池处于放电阶段时，所述DC充放电单元以升压输出的模式工作；
所述电动汽车通过直流DC充电桩与所述***直流母线相连。
2.根据权利要求1所述的集散式光储充电***，其特征在于：所述集散式双向逆变器的直流输入端与直流开关的第一端相连，直流开关的第二端与直流熔断器的第一端相连，直流熔断器的第二端与直流接触器的第一端相连，直流接触器的第二端与绝缘栅双极型晶体管的直流母线相连，经过三相全桥逆变后由抑制输出电流的大幅度波动，并起滤波作用，滤除开关动作产生的高频电流成分，再连接交流接触器和交流开关实现并网和功率平衡，交流接触器和交流开关通过交流熔断器连接，直流侧与电网侧分别安装有直流防雷器和交流防雷器。
3.根据权利要求2所述的集散式光储充电***，其特征在于：所述集散式汇流箱包括第一组光伏阵列、第二组光伏阵列、第三组光伏阵列以及第四组光伏阵，所述第一组光伏阵列通过分断开关K1连接滤波检测电路，滤波检测电路通过DC线路与最大功率点跟踪控制器MPPT1和MPPT2连接，第二组光伏阵列、第三组光伏阵列以及第四组光伏阵列分别通过PV分断开关K2、K3、K4与三组滤波检测电路相连，并分别与最大功率点跟踪控制器MPPT3～MPPT8连接。
4.根据权利要求1所述的集散式光储充电***，其特征在于：当所述DC充放电单元以降压输出的模式工作时，开关K2恒关断，开关K1间歇性PWM导通，在开关K1导通时，通过电感L给电容C2及Vbat充电，电感L电流增大；在开关K1关断时，电感L与二极管D2续流，电容C2及Vbat的电压降低，实现从Vdc到Vbat的降压充电功能；
当所述DC充放电单元以升压输出的模式工作时，开关K1恒关断，开关K2间歇性PWM导通，在开关K2导通时，通过电感L电流增大；在开关K2关断时，电感L与二极管D1续流，实现从Vbat到Vdc的升压放电功能。
5.根据权利要求4所述的集散式光储充电***，其特征在于，所述集散式双向逆变器能双向传递电能，所述DC充放电单元工作在整流状态或者放电状态，具体为：
所述DC充放电单元给电动汽车或储能电池充电的功率大于集散式汇流箱所能提供的功率时，所述集散式双向逆变器工作在整流状态、从电网吸收有功功率；或
所述DC充放电单元工作在放电状态时，所述集散式双向逆变器工作在发电状态、输出功率到电网。
6.一种利用权利要求1所述的集散式光储充电***进行充电的控制方法，其特征在于，所述集散式双向逆变器对所述***直流母线的电压进行时时检测，结合所述集散式汇流箱实现对***的控制：
S1、***正常运行时，所述***直流母线的电压稳定在预先设置的第一工作电压，所述集散式汇流箱进行最大功率点跟踪MPPT运行，并控制所述DC变换单元的输入端电压运行在最大功率点跟踪所对应的数值；
S2、***切换到限功率状态时，所述集散式双向逆变器调节所述***直流母线的电压，控制***输出到电网的有功功率，满足限功率输出的要求，同时控制所述***直流母线的电压在第一工作电压到保护点工作点3之间浮动；
S3、当所述***直流母线的电压超越预设置的第一工作电压但小于预设的第二工作电压时，所述集散式汇流箱停止MPPT的运行，并逐步抬高所述DC/AC变换单元的输入运行电压；
S4、当所述***直流母线的电压超越预设的第二工作电压后，停止所述集散式汇流箱内的PWM发波，让所述DC/AC变换单元处于待机状态；
S5、通过以上控制过程改变光伏阵列传入电网的功率，使***达到限功率所要求的平衡，自行完成最大功率点跟踪运行状态到限功率状态的切换。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述第三工作电压>第二工作电压>第一工作电压。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第一工作电压为820V，所述第二工作电压为850V，所述第三工作电压为960V。
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