CN116207788B - 一种光伏储能***的母线控制方法 - Google Patents

一种光伏储能***的母线控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光伏储能***的母线控制方法，包括如下步骤：检测光伏板对应的MPPT电压vpv_mppt和母线电压vbus；电池放电时，若vpv_mppt＞vbus，则双向DC/DC单元全桥延时控制；否则保持恒频fr工作；电池充电时，若vpv_mppt＞vbus，则双向DC/DC单元调频控制；否则保持恒频fr工作。本申请的有益效果：通过对双向DC/DC单元进行全桥延时控制，可以对光伏储能***的母线电压进行抬升，以保证光伏***可以保持最大功率进行输出，进而有效的提高光伏***的工作效率。

Description

一种光伏储能***的母线控制方法
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，尤其是涉及一种光伏储能***的母线控制方法。
背景技术
如图1所示，为现有技术中普遍使用的光伏储能***100的架构图，采用共直流母线的结构。具体的结构为：光伏板110经DC/DC单元120接入母线，电池130经双向DC/DC单元140接入母线，电网200和负载300经DC/AC单元150接入母线。如图2所示，现有技术中电池130连接侧的双向DC/DC单元140常采用单级LLC拓扑结构或LLC加Buck/Boost的拓扑结构，这就使得***的母线电压由电池130的电压决定，没有兼顾到光伏板110的电压，进而在光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt高于母线电压vbus时，光伏板110不得不降额运行，这就导致光伏***无法进行最大功率输出。
发明内容
本申请的其中一个目的在于提供一种能够保证光伏***始终进行最大功率输出的光伏储能***的母线控制方法。
为达到上述的目的，本申请采用的技术方案为：一种光伏储能***的母线控制方法，包括利用单级LLC结构的双向DC/DC单元进行母线控制的如下具体步骤：
S100：检测光伏板对应的MPPT电压vpv_mppt和母线电压vbus；
S200：判断电池的工作状态，若电池进行放电，则进行步骤S300；若电池进行充电，则进行步骤S400；
S300：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元进行全桥延时控制；否则双向DC/DC单元保持恒频fr工作；
S400：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元进行调频控制；否则双向DC/DC单元保持恒频fr工作。
优选的，双向DC/DC单元通过副边均包括桥式连接的四个半导体开关器件以形成全桥电路，全桥电路以50%占空比进行打脉冲。
优选的，在步骤S300中，通过将双向DC/DC单元的副边驱动进行Φ时间的延时设置，以使得双向DC/DC单元进行全桥延时控制。
优选的，双向DC/DC单元两个副边的半导体开关器件可以分别定义为S1、S2、S3和S4以及S5、S6、S7和S8；其中，S1和S4的驱动相同，S2和S3的驱动相同，S5和S8驱动相同，S6和S7驱动相同；当双向DC/DC单元进行全桥延时控制时，S7和S8的驱动分别与S3和S4的驱动相同；并且，S5和S6的驱动相比较S1和S2存在Φ时间的延时。
优选的，光伏储能***适于通过控制环路***来识别母线的当前工作状态，并根据识别的结果向双向DC/DC单元的各半导体开关器件发送相应的驱动信号，进而实现步骤S300和S400中双向DC/DC单元的不同运行方式。
优选的，控制环路***包括比较控制模块和驱动信号产生模块；比较控制模块适于识别母线的当前工作状态，并根据母线的当前工作状态向驱动信号产生模块发送不同的运行信号，进而驱动信号产生模块根据接收的运行信号向各半导体开关器件发送对应的驱动信号。
优选的，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行恒频fr运行时，比较控制模块适于直接向驱动信号产生模块输出恒定的频率，以使得驱动信号产生模块产生相应的驱动信号。
优选的，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行全桥延时运行时，比较控制模块适于根据母线电压和光伏板对应的MPPT电压的比较，向驱动信号产生模块发送Φ时间的延时控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的延时控制信号产生相应的驱动信号。
优选的，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行调频运行时，比较控制模块适于根据母线电压和光伏板对应的MPPT电压的比较，向驱动信号产生模块发送调频控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的调频控制信号产生相应的驱动信号。
优选的，在步骤S200中，电池的工作状态适于根据光伏储能***的功率流向进行判断；在步骤S300和S400中，恒频fr适于采用谐振频率。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
本申请通过在光伏板对应的MPPT电压vpv_mppt高于母线电压vbus时，对双向DC/DC单元进行全桥延时控制，从而可以对光伏储能***的母线电压进行抬升，以保证光伏***可以保持最大功率进行输出，进而有效的提高光伏***的工作效率。并且，本申请公开的母线控制方向在实施上较为的简单，可以有效的避免电路复杂造成的冗余。
附图说明
图1为现有的一种光伏储能***的电路架构示意图。
图2为现有的一种双向DC/DC单元的电路结构示意图。
图3为现有技术中母线电压和电池电压的关系示意图。
图4为本发明进行工作时的双向DC/DC单元的逻辑控制表。
图5为本发明中电池处于放电状态时的双向DC/DC单元的控制流程示意图。
图6为本发明中电池处于充电状态时的双向DC/DC单元的控制流程示意图。
图7为本发明中双向DC/DC单元采用恒频运行时的控制流程示意图。
图8为本发明中双向DC/DC单元采用全桥延时运行时的控制流程示意图。
图9为本发明中双向DC/DC单元采用调频运行时的控制流程示意图。
图10为发明中双向DC/DC单元采用全桥延时运行时的驱动信号的产生示意图。
图中：光伏储能***100、光伏板110、DC/DC单元120、电池130、双向DC/DC单元140、DC/DA单元150、电网200、负载300。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、 “横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图2所示，为现有的光伏储能***100中常用的双向DC/DC单元140的电路结构示意图。为使现有的光伏储能***100的控制简单化，双向DC/DC单元140一般都是采用单级的LLC结构，并且LLC结构对应的电路采用开环控制，并使用固定的开关频率进行工作。对现有的光伏储能***100的母线而言，电池130相当于电压源，则光伏储能***100的母线电压vbus由电池130的输出电压决定。
如图3所示，为现有的光伏储能***100中双向DC/DC单元140采用上述的控制方式后，母线电压vbus和电池130输出侧电压的关系曲线示意图。由于双向DC/DC单元140以恒频进行工作，其增益恒定，则电池130输出侧电压和母线电压vbus的比例可以认为是一条直线。
电池130的输出侧电压的范围一般为43.6V到60V，母线电压vbus的范围一般为400V到550V。当光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt在这条直线的左侧，即光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt小于母线电压vbus时，光伏***通过MPPT控制对光伏板110进行最大功率输出是可以实现的，这时位于光伏板110侧的DC/DC单元120工作于Boost升压模式。当光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt在这条直线的右侧，即图中打斜线的区域时，光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt大于母线电压vbus，光伏***通过MPPT控制对光伏板110进行最大功率输出是不可实现的，因为位于光伏板110侧的DC/DC单元120工作一般为Boost，无法降压。这样，光伏***不得不对光伏板110的输出功率降额运行，即光伏***的MPPT功能无法保证。应当知道的是，上述电压的具体数值可以根据不同的场景进行变化，这里仅仅是为了解释说明。
为了避免光伏***进行光伏板110输出功率的降额运行，以确保光伏***始终能够以光伏板110的最大功率进行输出。本申请的其中一个优选实施例，如图4至图10所示，提供一种光伏储能***的母线控制方法，具体包括如下工作步骤：
S100：检测光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt和母线电压vbus。
S200：判断电池130的工作状态，若电池130进行放电，则进行步骤S300；若电池130进行充电，则进行步骤S400。
S300：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元140进行全桥延时控制；否则双向DC/DC单元140保持恒频fr工作。
S400：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元140进行调频控制；否则双向DC/DC单元140保持恒频fr工作。
可以理解的是，当光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt≤母线电压vbus时，光伏***能够通过MPPT控制进行光伏板110的最大功率输出。则此时光伏储能***100无需进行母线电压vbus的抬升工作，进而只需保证光伏储能***100的双向DC/DC单元140保持恒定的频率fr工作即可。一般来说，双向DC/DC单元140可以采用谐振频率fs来最为恒定的频率进行工作，即fr=fs；选择谐振频率可以有效提高双向DC/DC单元140的控制效率。
应当知道的是，谐振频率fs也称为电路的固有频率，具体数值可以由双向DC/DC单元140中所采用的电容和电感的自身参数进行决定。
而当光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt＞母线电压vbus时，光伏***无法通过MPPT控制进行光伏板110的最大功率输出，则此时光伏储能***100需要对母线电压vbus进行抬升。在进行光伏储能***100的母线电压vbus抬升时，双向DC/DC单元140具体的控制方式还取决于电池130的工作状态。
当电池130处于充电状态时，光伏储能***100的功率可以由母线向电池130进行传输，此时双向DC/DC单元140可以通过调频的方式来实现母线电压vbus的抬升。应当知道的是，调频升压的实质就是利用电抗（阻抗、感抗和容抗等）来进行分压，因为感抗和容抗的大小都是频率f的函数，所以随着频率的变化，感抗和容抗的大小就会跟随着变化，励磁电感上的交流分压可以由驱动频率来进行调整，即通过驱动频率的调节，可以进行母线电压vbus的抬升。具体的调频方式为LLC结构的常规技术，为本领域技术人员所公知，故不在此进行详细的阐述。
当电池130进行放电时，光伏储能***100的功率由电池130向母线进行传输，此时双向DC/DC单元140可以通过全桥延时控制的方式来实现母线电压vbus的抬升。
可以理解的是，当电池130在进行充电时，光伏储能***100可能无需向负载300进行供电，或光伏板110在降额功率输出的情况下依旧能够满足负载300的用电需求，并将部分多余的电能输出至电池130进行存储。则此时光伏储能***100的母线电压vbus的抬升并不急迫或母线电压vbus抬升的要求程度不高，只需采用传统的LLC结构所对应的调频升压方式即可；当然，也可以通过全桥延时控制的方式来快速的实现母线电压vbus的抬升。
还可以理解的是，在步骤S200中，可以通过光伏储能***100中功率的流向来判断电池130的工作状态。
为了方便理解对双向DC/DC单元140进行全桥延时控制，可以先了解双向DC/DC单元140的具体结构。
如图2所示，双向DC/DC单元140可以通过两个副边均包括桥式连接的四个半导体开关器件形成全桥电路，并且全桥电路以50%占空比进行打脉冲。从而在进行步骤S300中对双向DC/DC单元140进行全桥延时控制时，可以通过将双向DC/DC单元140两侧的副边驱动进行Φ时间的延时设置。
具体的，如图2所示，将双向DC/DC单元140靠近电池130侧副边全桥连接的半导体开关器件分别定义为S1、S2、S3和S4，将双向DC/DC单元140靠近母线侧副边全桥连接的半导体开关器件分别定义为S5、S6、S7和S8。其中，S1和S4的驱动相同，S2和S3的驱动相同，S1和S2互补，S3和S4互补；S5和S8驱动相同，S6和S7驱动相同。当双向DC/DC单元140进行全桥延时控制时，与传统的副边不控整流或同步整流不同的是：S7和S8的驱动分别与S3和S4的驱动相同；并且，S5和S6的驱动相比较S1和S2存在Φ时间的延时。
此时，如图10所示，双向DC/DC单元140的两个副边由于延时阶段的存在，使得母线侧副边桥臂电压vbus_ac存在高电平、零电平和低电平三个电平。相比较传统方式，由于零电平的***，使得母线电压vbus得以抬升；并且延时时间Φ的值越大，母线电压vbus的抬升也越高。
本申请的其中一个实施例，可以通过控制环路***来控制双向DC/DC单元140进行母线控制。具体的，光伏储能***100可以通过控制环路***来识别母线的当前工作状态，并根据识别的结果向双向DC/DC单元140的各个半导体开关器件发送相应的驱动信号，进而实现步骤S300和S400中双向DC/DC单元140所需的不同运行方式。
本实施例中，控制环路***包括比较控制模块和驱动信号产生模块；比较控制模块可以识别母线的当前工作状态，并根据母线的当前工作状态向驱动信号产生模块发送不同的运行信号，进而驱动信号产生模块根据接收的运行信号向各半导体开关器件发送对应的驱动信号。
可以理解的是，比较控制模块可以首先对光伏储能***100的功率流向进行检测。然后再对光伏储能***100的母线电压vbus以及光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt进行检测。然后根据母线电压vbus和光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt的比较结果并结合光伏储能***100的功率流向，可以判断出母线的当前工作状态。最后根据判断的结果得到双向DC/DC单元140所需的运行方式。
具体的，如图5所示，当比较控制模块识别到光伏储能***100的功率由电池130向母线进行传输，且母线电压vbus≥光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt时，比较控制模块可以判断出双向DC/DC单元140需要进行恒频运行。
同时，当比较控制模块识别到光伏储能***100的功率由电池130向母线进行传输，且母线电压vbus＜光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt时，比较控制模块可以判断出母线侧的双向DC/DC单元140需要进行全桥延时运行。
如图6所示，当比较控制模块识别到光伏储能***100的功率由母线向电池130进行传输，且母线电压vbus≥光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt时，比较控制模块可以判断出双向DC/DC单元140需要进行恒频运行。
同时，当比较控制模块识别到光伏储能***100的功率由母线向电池130进行传输，且母线电压vbus＜光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt时，比较控制模块可以判断出双向DC/DC单元140需要进行调频运行。
本实施例中，如图7所示，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元140需要进行恒频fr运行时，比较控制模块可以根据谐振频率直接向驱动信号产生模块输出恒定的频率fr，以使得驱动信号产生模块产生相应的驱动信号并分别发送至对应的半导体开关器件。
本实施例中，如图8所示，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元140需要进行全桥延时运行时，比较控制模块可以根据母线电压vbus和光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt的比较，向驱动信号产生模块发送Φ时间的延时控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的延时控制信号产生相应的驱动信号并分别发送至对应的半导体开关器件。
具体的，如图8所示，比较控制模块包括比较器和控制器。将母线电压指令值vdc_ref设定为光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt，比较器可以将母线电压指令值vdc_ref和光伏板110的输出电压vdc进行比较，然后比较器将比较的结果发送至控制器以得到延时时间Φ，控制器根据得到的延时时间Φ向驱动信号产生模块发送延时控制信号。
本实施例中，如图9所示，当比较控制模块识别出双向DC/DC单元140需要进行调频运行时，比较控制模块可以根据母线电压vbus和光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt的比较，向驱动信号产生模块发送调频控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的调频控制信号产生相应的驱动信号并分别发送至对应的半导体开关器件。
具体的，如图9所示，比较控制模块包括比较器和控制器。将母线电压指令值vdc_ref设定为光伏板110对应的MPPT电压vpv_mppt，比较器可以将母线电压指令值vdc_ref和光伏板110的输出电压vdc进行比较，然后比较器将比较的结果发送至控制器以得到开关频率即谐振频率fs，控制器根据得到的开关频率向驱动信号产生模块发送调频控制信号。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种光伏储能***的母线控制方法，其特征在于，包括利用单级LLC结构的双向DC/DC单元进行母线控制的如下具体步骤：
S100：检测光伏板对应的MPPT电压vpv_mppt和母线电压vbus；
S200：判断电池的工作状态，若电池进行放电，则进行步骤S300；若电池进行充电，则进行步骤S400；
S300：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元进行全桥延时控制；否则双向DC/DC单元保持恒频fr工作；
S400：若vpv_mppt＞vbus，则对双向DC/DC单元进行调频控制；否则双向DC/DC单元保持恒频fr工作；
双向DC/DC单元通过两侧均包括桥式连接的四个半导体开关器件以形成全桥电路，全桥电路以50%占空比进行脉冲驱动；
在步骤S300中，通过将双向DC/DC单元的副边驱动进行Φ时间的延时设置，以使得双向DC/DC单元进行全桥延时控制。
2.如权利要求1所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：双向DC/DC单元两个副边的半导体开关器件分别定义为S1、S2、S3和S4以及S5、S6、S7和S8；其中，S1和S4的驱动相同，S2和S3的驱动相同，S5和S8驱动相同，S6和S7驱动相同；当双向DC/DC单元进行全桥延时控制时，S7和S8的驱动分别与S3和S4的驱动相同；并且，S5和S6的驱动分别相比较S1和S2存在Φ时间的延时。
3.如权利要求1所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：光伏储能***适于通过控制环路***来识别母线的当前工作状态，并根据识别的结果向双向DC/DC单元的各半导体开关器件发送相应的驱动信号，进而实现步骤S300和S400中双向DC/DC单元的不同运行方式。
4.如权利要求3所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：控制环路***包括比较控制模块和驱动信号产生模块；比较控制模块适于识别母线的当前工作状态，并根据母线的当前工作状态向驱动信号产生模块发送不同的运行信号，进而驱动信号产生模块根据接收的运行信号向各半导体开关器件发送对应的驱动信号。
5.如权利要求4所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行恒频fr运行时，比较控制模块适于直接向驱动信号产生模块输出恒定的频率，以使得驱动信号产生模块产生相应的驱动信号。
6.如权利要求4所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行全桥延时运行时，比较控制模块适于根据母线电压和光伏板对应的MPPT电压的比较，向驱动信号产生模块发送Φ时间的延时控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的延时控制信号产生相应的驱动信号。
7.如权利要求4所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：当比较控制模块识别出双向DC/DC单元需要进行调频运行时，比较控制模块适于根据母线电压和光伏板对应的MPPT电压的比较，向驱动信号产生模块发送调频控制信号，进而驱动信号产生模块根据接收的调频控制信号产生相应的驱动信号。
8.如权利要求1-7任一项所述的光伏储能***的母线控制方法，其特征在于：在步骤S200中，电池的工作状态适于根据光伏储能***的功率流向进行判断；在步骤S300和S400中，恒频fr适于采用谐振频率。
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