CN110120679A - 一种与光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，包括级联的第一DC/DC变换电路和第二DC/DC变换电路；所述第一DC/DC变换电路的输入端与光伏组件阵列相连，第二DC/DC变换电路的输出端与光伏逆变器相连，第一和第二DC/DC变换电路的公共直流母线端与电池相连；所述公共直流母线并联滤波电容并引出一路端口与电池并联；所述第一DC/DC变换器用于执行MPPT控制算法，第二DC/DC变换器用于执行PV模拟算法。优点：尤其适用于在现有光伏发电***中增加储能设备，其将光伏能量通过直流耦合方式存入电池中，结构简单，提高了***的变换效率，并能够与***中已有的光伏逆变器耦合运行，节省了投资。
Description
技术领域
本发明涉及一种与光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，属于电力电子应用技术技术领域。
背景技术
针对存量户用光伏市场开发的交流侧耦合储能变流器已有了广泛的使用，由于***中的储能变流器和光伏逆变器多采用并网控制策略，由此带来的显著缺点是在电网停电时即使光伏侧有能量也不能够存入电池中。有一种改进的策略是当电网停电时，储能变流器控制一个开关将家庭电网与市电电网脱离，储能变流器启动后在家庭电网中建立电压，光伏逆变器随后启动将光伏能量馈入家庭电网中，由于此时储能变流器进行U/f控制，将自行根据光伏和负载功率情况对电池进行充放电达到功率平衡。但这种方法通过DC/DC、DC/AC、AC/DC三级变换，增加了***的损耗。并且交流侧耦合的储能方案要求储能变流器及电池的功率必须大于光伏逆变器功率才能保证***稳定地运行。另外有一种广泛使用的混合逆变器，这种逆变器将光伏、电池、市电及负载的端口集于一身，通过单一MCU芯片控制所有端口的能量流向，但这种方案适用于新装机用户，对于存量的光伏发电用户来说将原有的光伏逆变器替换成混合逆变器无疑增加了投资成本，并且造成了设备的浪费。还有一种通过光伏充电器先将电能存储在电池中，然后通过一个逆变器输出交流电的方案，这种方案中的逆变器必须使用专用的电池逆变器，通用的光伏逆变器由于其自带的MPPT功能导致其与电池无法直接连接，对于存量光伏发电用户而言同样会造成原有的光伏逆变器的废弃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种与光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其特征在于，包括级联的第一DC/DC变换电路和第二DC/DC变换电路；
所述第一DC/DC变换电路的输入端与光伏组件阵列相连，第二DC/DC变换电路的输出端与光伏逆变器相连，第一和第二DC/DC变换电路的公共直流母线端与电池相连；所述公共直流母线并联滤波电容并引出一路端口与电池并联；所述第一DC/DC变换器用于执行MPPT控制算法，第二DC/DC变换器用于执行PV模拟算法。
进一步地，所述第一DC/DC变换电路为BUCK电路，BUCK电路检测光伏组件阵列输入的电流和电压，执行MPPT控制算法，所述MPPT控制算法用于追踪光伏组件阵列的最大功率，同时监测电池是否达到最大充电电流，若达到电池最大充电电流则保持当前功率，不再往增大功率的方向扰动，否则一直往增大功率的方向扰动。
进一步地，所述第二DC/DC变换电路为BOOST电路，BOOST电路采集其输出端电流I2，作为电流闭环控制的反馈值。
进一步地，所述PV模拟算法用于对输出电流进行闭环控制，所述输出电流进行闭环控的电流给定值I2 *为：
式中：Ub为电池电压、U2为输出电压、Um为设定的虚拟最大功率点电压、P*为给定输出功率。
一种光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)判断与变换器联合运行进行并网的光伏逆变器是否具有离网运行功能，若否，依次执行步骤21)-23)，若是，依次执行步骤31)-33)；
21)第一DC/DC变换电路采集光伏组件阵列输入端的电流和电压，执行MPPT控制算法，保证光伏组件阵列的最大发电效率，同时第一DC/DC变换器监测电池的充电电流，以最大允许充电电流计算光伏组件阵列输出功率的上限；
22)第二DC/DC变换电路采集其输出电流、电压和输入侧电流、电压，执行PV模拟算法，模拟光伏组件的输出特性以正常启动光伏逆变器并控制第二DC/DC变换电路的输出功率，同时第二DC/DC变换器监测电池的放电电流，以最大允许放电电流计算第二DC/DC变换电路输出功率的上限；
23)电网断电时，第二DC/DC变换电路停止工作，第一DC/DC变换电路仍执行MPPT控制算法，将光伏能量存入电池中，同时根据电池是否已达到最大充电电流来判断是否需要限制光伏组件的输入功率。
31)判断光伏逆变器是否离网运行，若否，变换器按步骤21)-23)执，若是，继续向下进行；
32)第二DC/DC变换电路采集输出电压值，闭环控制输出电压为恒定值，第一DC/DC变换电路仍执行MPPT控制算法，同时根据电池是否已达到最大充电电流来判断是否需要限制光伏组件的输入功率。
进一步地，所述MPPT控制算法用于追踪光伏组件阵列的最大功率，同时监测电池是否达到最大充电电流，若达到电池最大充电电流则保持当前功率，不再往增大功率的方向扰动，否则一直往增大功率的方向扰动。
进一步地，所述PV模拟算法用于控制输出电流进行闭环控的电流给定值I2 *，如下式：
式中：Ub为电池电压、U2为输出电压、Um为设定的虚拟最大功率点电压、P*为给定输出功率。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供了一种户用直流侧耦合的光伏储能变换器，尤其适用于在现有光伏发电***中增加储能设备，其将光伏能量通过直流耦合方式存入电池中，结构简单，提高了***的变换效率，并能够与***中已有的光伏逆变器联合运行，节省了投资。由于该变换器与光伏逆变器独立控制，无需建立通讯，在电网断电时仍能够将光伏能量充入电池中，提高了光伏能源的利用率。并且如果其与有离网功能的光伏逆变器配合使用，能够很好地平抑光伏输入功率的波动，提高了原有***的离网带载能力和稳定性。
附图说明
图1是本发明变换器实例的电路拓扑图；
图2是图1所示实例并网运行时的控制框图；
图3是图2控制框图中控制并网功率为零时P*的给定方法；
图4是图2控制框图中控制电池电流为恒定值时P*的给定方法；
图5是优先给电池充电时的控制逻辑；
图6是图1所示实例离网运行时的控制框图；
图7是图1所示实例仅充电时的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种与光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其包括：第一DC/DC变换电路101，其为BUCK电路，第二DC/DC变换电路102，其为BOOST电路。BUCK变换电路的输入端“PV+”和“PV-”连接光伏组件阵列，输出端与BOOST变换电路的输入端直连，BOOST变换电路的输出端INV+和INV-与光伏逆变器的输入端相连。BUCK变换电路和BOOST变换电路的公共直流母线引出端子BAT+和BAT-与电池相连。由101和102所示的两个DC/DC变换电路共同组成了本发明所述的一种与光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器103。
如图2所示，当光伏逆变器并网运行时，BUCK电路检测PV输入的电流和电压，执行MPPT算法，追踪最大功率，同时也监测电池是否达到最大充电电流，若达到电池最大充电电流则保持当前功率，不再往增大功率的方向扰动。BOOST电路采集输出端电流I2，执行电流闭环控制，其中电流的给定值I2 *采用PV模拟算法得到，如式(1)所示：
其中：I2 *为输出电流的给定值；
Um为虚拟的PV最大功率点对应的电压值，由软件设定，应保证其在光伏逆变器PV输入端的满载MPPT跟踪范围内；
Ub为输入电压，通过测量获得；
U2为输出电压，通过测量获得；
P*为给定输出功率，根据具体的使用需求进行给定。
图3为控制并网功率为零时P*的计算方法，即采集并网点的电流值，并计算有功功率，通过PI调节器后输出作为P*，如此能够保持并网点功率为零。
图4为控制电池恒流充放电时P*的计算方法，即采集电池电流经过闭环控制，输出作为P*，如此能够保持电池的充放电电流恒定。进一步，可以通过改变给定充放电电流的值来分配光伏能量优先给电池充电或者优先给负载供电。若优先给负载供电，只要给定电池的充电电流为0即可，若优先给电池充电，控制逻辑如图5所示：电池是否达到最大充电电流，若是则判断BOOST输出功率是否已达最大值，若没有达到则增加输出功率，若达到则限制输入侧MPPT功率；若电流没有达到最大充电电流，则判断BOOST输出功率是否为0，若是0则保持当前占空比，若不是0则减小输出功率。
通过以上的控制方法，BOOST和BUCK变换器两者的能量差将造成直流母线的电压波动，最终将通过电池的充放电达到功率和能量平衡。由于两个变换电路的能量都是单向流动的，BUCK电路控制输入功率，BOOST电路控制输出功率，BUCK电路应监测电池的充电电流，在充电电流超过最大允许值时限制输入功率，BOOST电路应监测电池的放电功率，在放电电流超过最大允许值时限制输出功率。
图6是离网运行时的控制框图。这种运行方式下要求光伏逆变器有离网运行功能，例如日本市场上销售的逆变器就通常具备该功能。此时光伏逆变器交流侧运行在U/f模式，即输出恒定电压和频率，直流侧MPPT功能关闭。本发明所述的光伏储能变换器应相应地改变控制策略，BOOST变换电路关闭PV模拟功能，通过闭环控制使输出侧电压为恒值，例如对于单相输出220V AC的逆变器可控制为400V DC。BUCK变换器仍执行MPPT控制策略。
图7为本发明所述的光伏储能变换器在电网断电时连接不具备离网功能的逆变器所采用控制策略。BOOST变换器占空比保持为0，BUCK变换器执行MPPT控制策略，直至把电池充满。在市电恢复时，可以优先将电池的能量释放出来，提高了光伏能量的利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其特征在于，包括级联的第一DC/DC变换电路和第二DC/DC变换电路；
所述第一DC/DC变换电路的输入端与光伏组件阵列相连，第二DC/DC变换电路的输出端与光伏逆变器相连，第一和第二DC/DC变换电路的公共直流母线端与电池相连；所述公共直流母线并联滤波电容并引出一路端口与电池并联；所述第一DC/DC变换器用于执行MPPT控制算法，第二DC/DC变换器用于执行PV模拟算法。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其特征在于，所述第一DC/DC变换电路为BUCK电路，BUCK电路检测光伏组件阵列输入的电流和电压，执行MPPT控制算法，所述MPPT控制算法用于追踪光伏组件阵列的最大功率，同时监测电池是否达到最大充电电流，若达到电池最大充电电流则保持当前功率，不再往增大功率的方向扰动，否则一直往增大功率的方向扰动。
3.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其特征在于，所述第二DC/DC变换电路为BOOST电路，BOOST电路采集其输出端电流I2，作为电流闭环控制的反馈值。
4.根据权利要求3所述的光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器，其特征在于，输出电流闭环控制的电流给定值I2 *采用PV模拟算法得到，如下式：
式中：Ub为电池电压、U2为输出电压、Um为设定的虚拟最大功率点电压、P*为给定输出功率。
5.一种基于权利要求1所述的光伏逆变器直流侧耦合的户用光伏储能变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)判断与变换器联合运行进行并网的光伏逆变器是否具有离网运行功能，若否，依次执行步骤21)-23)，若是，依次执行步骤31)-33)；
21)第一DC/DC变换电路采集光伏组件阵列输入端的电流和电压，执行MPPT控制算法，保证光伏组件阵列的最大发电效率，同时第一DC/DC变换器监测电池的充电电流，以最大允许充电电流计算光伏组件阵列输出功率的上限；
22)第二DC/DC变换电路采集其输出电流、电压和输入侧电流、电压，执行PV模拟算法，模拟光伏组件的输出特性以正常启动光伏逆变器并控制第二DC/DC变换电路的输出功率，同时第二DC/DC变换器监测电池的放电电流，以最大允许放电电流计算第二DC/DC变换电路输出功率的上限；
23)电网断电时，第二DC/DC变换电路停止工作，第一DC/DC变换电路仍执行MPPT控制算法，将光伏能量存入电池中，同时根据电池是否已达到最大充电电流来判断是否需要限制光伏组件的输入功率；
31)判断光伏逆变器是否离网运行，若否，变换器按步骤21)-23)执，若是，继续向下进行；
32)第二DC/DC变换电路采集输出电压值，闭环控制输出电压为恒定值，第一DC/DC变换电路仍执行MPPT控制算法，同时根据电池是否已达到最大充电电流来判断是否需要限制光伏组件的输入功率。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述MPPT控制算法用于追踪光伏组件阵列的最大功率，同时监测电池是否达到最大充电电流，若达到电池最大充电电流则保持当前功率，不再往增大功率的方向扰动，否则一直往增大功率的方向扰动。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述PV模拟算法用于对输出电流进行闭环控制，所述输出电流进行闭环控的电流给定值I2 *为：
式中：Ub为电池电压、U2为输出电压、Um为设定的虚拟最大功率点电压、P*为给定输出功率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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