CN109103925B - 一种基于光伏发电的微电网 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光伏发电的微电网，包括输入端连接光伏组件的DC‑DC变换器1，所述DC‑DC变换器1的输出端依次连接多功能并网逆变器、断路器S1、断路器S2、配电网，在DC‑DC变换器1与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有由双向DC‑DC变换器2和储能蓄电池串联组成的储能支路，在该储能支路与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有直流负荷的支路，在断路器S1和断路器S2之间连接有交流负荷的支路；所述多功能并网逆变器采用直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***。采集交流负载中的无功功率及光伏组件发出的瞬时功率，指令电流内环，对电网接入点进行主动的有功和无功调节，利于电网稳定及提高用户的经济用电。

Description

一种基于光伏发电的微电网
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种基于光伏发电的微电网。
背景技术
太阳能具有无污染、分布广、储量大和可再生等优点，目前太阳能发电主要分为离网型和并网发电方式。并网型光伏发电***由光伏组件，并网逆变器以及接入电网侧的并网开关组成，光伏组件将太阳能转化成直流电能接入并网逆变器的直流侧，通过对逆变器直流侧电压网侧电流的双闭环控制将直流侧电能转化成交流电能馈入电网，光伏组件发出的电能收到光照、环境温度以及湿度等条件的影响，其输出功率具有很强的随机性和波动性，而光伏并网逆变器通常有最大功率跟踪（MPPT）环节，则逆变器馈入到电网的能量同样具有较大的随机和波动特征，相对电网并网逆变器可以等效为一个不可控的电流源，当大量光伏分布式电源接入电网，会对电网的运行和控制造成不良影响。目前与分布式发电并网运行相关的规范和标准，对分布式发电采取了比较多的限制，以减小对公共电网的冲击，这也限制了分布式光伏发电效能的充分发挥。
在光伏***中引入蓄电池储能环节构成光储***，该***将光伏组件发出的直流电能通过双向DC-DC变换器给蓄电池充电，并且满足用户交流负载的基本功率需求，其基本能量管理思想为：首先满足当地交流负载的负荷，并维持蓄电池的安全荷电状态，再将余电上网，尽可能减少光伏对电网的冲击，其中蓄电池的充放电状态以及工作电流大小可以根据电网状态调节，该类光伏逆变器的控制方式仍然局限在被动地将光伏能量转换成交流电能馈入电网的模式，不能主动地对电网接入点进行有功和无功调节，降低了光伏并网***柔性接入电网的能力，也制约了电网对分布式发电***的消纳能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光伏发电的微电网，对电网接入点进行主动的有功和无功调节，利于电网的稳定性以及提高用户的经济用电方式。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于光伏发电的微电网，包括输入端连接光伏组件的DC-DC变换器1，所述DC-DC变换器1的输出端依次连接多功能并网逆变器、断路器S1、断路器S2、配电网，在DC-DC变换器1与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有由双向DC-DC变换器2和储能蓄电池串联组成的储能支路，在该储能支路与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有直流负荷的支路，在断路器S1和断路器S2之间连接有交流负荷的支路；所述多功能并网逆变器采用直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***，所述直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***的电压外环对直流母线电压Vdc和参考电压U* dc的误差进行PI比例积分补偿作为网侧有功电流的幅值指令，与交流侧电压ug同相位的sin正弦量相乘得到网侧有功电流指令；交流负荷的无功电流分量iqref与多功能并网逆变器注入断路器S1的无功电流反馈量iqLf的误差经PI比例积分补偿后，与交流侧电压ug正交的cos余弦量相乘得到网侧无功电流指令；网侧有功电流指令和网侧无功电流指令相加得到网侧电流指令iref；电流内环对网侧电流指令iref和网侧电流实际值iLf的误差进行PI比例积分补偿，再引入交流侧电压ug作为前馈控制量后，经SPWM控制多功能并网逆变器。
本发明的进一步方案是，光伏组件在数个采样周期内的发电功率均值的直流分量Pdc 作为多功能并网逆变器的网侧有功电流的幅值指令；交流分量Pac作为双向DC-DC变换器2的电流指令；可以在光伏能量剧烈波动时，避免直流母线电压的大幅波动，防止进网电流幅度发生大幅波动，能够有效平抑光伏发电的波动性和随机性，利于电网的稳定性以及提高用户的经济用电方式。
本发明的进一步方案是，在电网用电高峰阶段，所述多功能并网逆变器工作于逆变方式,双向DC-DC变换器2在蓄电池荷电状态安全状态下，控制储能蓄电池工作于放电；在用电低谷阶段，所述多功能并网逆变器工作于整流方式，双向DC-DC变换器2工作于蓄电池充电模式；在用电低谷和高峰阶段分别控制储能蓄电池储能、放电，对配电网进行一定的有功支撑，缓解配电网的压力，进一步提高电网的稳定性。
本发明的进一步方案是，所述多功能并网逆变器包括串联组成第一桥臂的功率开关管V1和功率开关管V2，以及串联组成第二桥臂的功率开关管V3和功率开关管V4，第一桥臂和第二桥臂并联组成单相的逆变全桥，所述逆变全桥的交流输出端经电感L连接配电网。
本发明与现有技术相比的优点在于：
通过对多功能并网逆变器的电压电流瞬时值反馈控制方案实现网侧电流功率因数以及网侧电流波形的良好控制，通过采集交流负载中的无功功率及光伏组件发出的瞬时功率，并指令多功能并网逆变器的电流内环，实现了对电网接入点进行主动的有功和无功调节，利于电网的稳定性以及提高用户的经济用电方式。
附图说明
图1为本发明的基于光伏发电的微电网结构图。
图2 为本发明的多功能并网逆变器结构图。
图3为本发明注入配电网有功功率、无功功率控制策略图。
图４为本发明的直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***框图。
图5 为光伏组件在一个采样周期内的发电功率均值的直流分量Pdc和交流分量Pac计算流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种基于光伏发电的微电网，包括输入端连接光伏组件的DC-DC变换器1，所述DC-DC变换器1的输出端依次连接多功能并网逆变器、断路器S1、断路器S2、配电网，所述多功能并网逆变器包括串联组成第一桥臂的功率开关管V1和功率开关管V2，以及串联组成第二桥臂的功率开关管V3和功率开关管V4，第一桥臂和第二桥臂并联组成单相的逆变全桥，所述逆变全桥的交流输出端经电感L连接交流侧；在DC-DC变换器1与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有由双向DC-DC变换器2和储能蓄电池串联组成的储能支路，在该储能支路与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有直流负荷的支路，在断路器S1和断路器S2之间连接有交流负荷的支路。
当配电网处于正常状态，光伏组件处于发电状态下，断路器S1、断路器S2闭合，DC-DC变换器1工作于最大功率跟踪（MPPT）方式，直流母线电压升高，直流母线能量通过多功能并网逆变器转换成交流电能输出到本地的交流负荷，若有多余能量则通过断路器S2馈入电网；若光伏组件在MPPT情况下发出的电能不能满***流负荷，则差额能量由电网通过断路器S2输入至交流负荷；若电网出现故障，则控制双向DC-DC变换器2使得储能蓄电池放电，多功能并网逆变器工作于独立逆变方式，保证交流负荷的可靠供电。
所述多功能并网逆变器采用如图4直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***，所述直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***的电压外环对直流母线电压Vdc和参考电压U* dc的误差进行PI比例积分补偿以消除两者之间的稳态误差，输出值作为网侧有功电流的幅值指令，与交流侧电压ug的cos正弦量相乘得到网侧有功电流指令；交流负荷的无功电流分量iqref与多功能并网逆变器注入断路器S1的无功电流反馈量iqLf的误差经PI比例积分补偿后，与交流侧电压ug的sin正弦量相乘得到网侧无功电流指令；网侧有功电流指令和网侧无功电流指令相加得到网侧电流指令iref；电流内环对网侧电流指令iref和网侧电流实际值iLf的误差进行PI比例积分补偿，再计算与交流侧电压ug的误差后，经SPWM控制多功能并网逆变器。
直流母线电压Vdc通过传感器采样获得，参考电压U* dc为预设值，交流侧电压ug的cos正弦量、sin正弦量通过锁相环PLL计算得到，交流负荷的无功电流分量iqref由图3中交流负荷的ul、il计算得到，多功能并网逆变器注入断路器S1的无功电流反馈量iqLf通过传感器采样电感电流和网侧电压信号计算得到，网侧电流实际值iLf通过传感器采样得到，以上需要计算的参数分别具有成熟的算法，不做赘述。
当光伏组件处于发电状态下，光照、环境温度等条件变化导致DC-DC变换器1注入到直流母线能量产生对应的波动，为避免多功能并网逆变器通过断路器S1注入到配电网能量剧烈波动，如图3所示，对DC-DC变换器1注入到直流母线的电压电流数值进行采样，通过图5所示的计算方法，得到光伏组件在100个采样周期内的发电功率均值的直流分量Pdc和交流分量Pac，其中直流分量Pdc 作为多功能并网逆变器的网侧有功电流的幅值指令，使得光伏波动能量由储能蓄电池充放电缓冲，从而抑制了并网逆变器进网能量的波动性；交流分量Pac作为双向DC-DC变换器2的电流指令，用来控制储能蓄电池充放电模式以及实际电流大小。
所述的多功能并网逆变器对电网接入点进行无功调节，如图3所示，控制器采集交流负载的电压电流，实时计算其中的无功分量，并将该无功分量对应的无功电流作为多功能并网逆变器的网侧无功电流指令，通过PI调节器使得多功能并网逆变器输出的无功分量能够准确跟踪网侧无功电流指令，对本地负载中无功的补偿实现了对电网接入点的无功调节。
所述的多功能并网逆变器能够根据电网接入点的负荷峰谷时间段，实现对电网的有功支撑；在日间电网用电高峰阶段，所述多功能并网逆变器工作于逆变方式，，双向DC-DC变换器2在蓄电池荷电状态安全状态下，控制储能蓄电池工作于放电，光伏组件和储能蓄电池一起出力，对电网接入点起到一定的有功支撑；在夜间用电低谷阶段，所述多功能并网逆变器工作于整流方式，双向DC-DC变换器2工作于蓄电池充电模式，对储能蓄电池进行充电。
当前随着光伏装机成本的持续下降，光伏平价上网成为光伏发电的必然趋势，而家用小容量光伏并网***也会得到大规模的推广，由此给电网带来了更多的不稳定因素，而本发明提出的和电网具有一定互动功能的微电网不仅使得多个小容量的光伏组件单元不会对电网稳定性形成负面影响，还能积极参与电网的调功调压，因此在未来的新能源发电领域具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于光伏发电的微电网，其特征在于：包括输入端连接光伏组件的DC-DC变换器1，所述DC-DC变换器1的输出端依次连接多功能并网逆变器、断路器S1、断路器S2、配电网，在DC-DC变换器1与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有由双向DC-DC变换器2和储能蓄电池串联组成的储能支路，在该储能支路与多功能并网逆变器之间的直流母线上连接有直流负荷的支路，在断路器S1和断路器S2之间连接有交流负荷的支路；所述多功能并网逆变器采用直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***，所述直流侧电压、交流侧电流双闭环反馈控制***的电压外环对直流母线电压Vdc和参考电压U* dc的误差进行PI比例积分补偿作为网侧有功电流的幅值指令，与交流侧电压ug同相位的sin正弦量相乘得到网侧有功电流指令；交流负荷的无功电流分量iqref与多功能并网逆变器注入断路器S1的无功电流反馈量iqLf的误差经PI比例积分补偿后，与交流侧电压ug正交的cos余弦量相乘得到网侧无功电流指令；网侧有功电流指令和网侧无功电流指令相加得到网侧电流指令iref；电流内环对网侧电流指令iref和网侧电流实际值iLf的误差进行PI比例积分补偿，再引入交流侧电压ug作为前馈控制量后，经SPWM控制多功能并网逆变器。
2. 如权利要求1所述的一种基于光伏发电的微电网，其特征在于：光伏组件在数个采样周期内的发电功率均值的直流分量Pdc 作为多功能并网逆变器的网侧有功电流的幅值指令；交流分量Pac作为双向DC-DC变换器2的电流指令。
3.如权利要求1所述的一种基于光伏发电的微电网，其特征在于：在电网用电高峰阶段，所述多功能并网逆变器工作于逆变方式，双向DC-DC变换器2在蓄电池荷电状态安全状态下，控制储能蓄电池工作于放电；在用电低谷阶段，所述多功能并网逆变器工作于整流方式，双向DC-DC变换器2工作于蓄电池充电模式。
4.如权利要求1或3所述的一种基于光伏发电的微电网，其特征在于：所述多功能并网逆变器包括串联组成第一桥臂的功率开关管V1和功率开关管V2，以及串联组成第二桥臂的功率开关管V3和功率开关管V4，第一桥臂和第二桥臂并联组成单相的逆变全桥，所述逆变全桥的交流输出端经电感L连接交流侧。
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