CN105870953A - 一种光储联合并网系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光储联合并网系统，包括依次连接的光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网、双向DC/DC变换器、采集模块、MPPT计算模块、直流电压/交流电流双环控制模块、桥臂电压调制波生成模块、电池电流、电池电压采集模块、电池直流电流计算模块、电池电流闭环控制模块、DC/DC变换器调制波生成模块。基于本系统的控制方法可以使光储联合并网系统像传统发电机组一样参与电网调频过程，电网频率出现异常时，双向DC/DC变换器参与调频，向电网输送或吸收功率，降低了单纯光伏发电系统对电网的不利影响，极大地提高了新能源并网系统的并网适应性。

Description

一种光储联合并网系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种光储联合并网系统及其控制方法，可实现光储联合系统工作在并网工况下，模拟同步发电机一次调频功能。

背景技术

近年来，随着新能源发电技术的不断发展，基于电力电子接口的分布式电源在电力系统的渗透率不断提升。在传统光伏并网逆变器的控制策略中，光伏逆变器正常工作时总是根据最大功率算法(MPPT)向电网输送从太阳能电池板所获得的最大功率，当电网频率发生扰动时，由于太阳能电池板出力的限制，传统光伏逆变器无法响应电网频率的变化，参与电网的一次调频。

其次，光伏发电系统缺乏惯量，不具备短时过载能力，与此同时传统集中式一次能源逐渐减少，这导致电网的转动惯量逐渐减小，频率波动变大，尤其是以光伏发电为主的供电系统，其能源的间歇性和不可调度更加剧了电网的频率波动，使得系统的频率稳定性问题日趋严峻，在电网故障情况下将不能提供短时功率甚至脱机，导致电力系统难以获得足够的时间以恢复电网，进而导致电网稳定性急剧下降。

因此，利用储能装置和传统光伏逆变器组建成光储联合并网系统，并通过采用合适的控制方案实现光储联合并网系统像传统发电机组一样参与电网调频过程，就可以降低单纯光伏发电系统对电网的不利影响，特别是电网发生频率异常事件时，能有效地为电网提供必要的有功支撑和惯量阻尼，将极大提高了新能源并网系统的并网适应性。

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，提供一种光储联合并网系统及其控制方法，可实现光储联合系统工作在并网工况下，模拟同步发电机一次调频功能，当电网频率发生变化时，所发明的光储联合并网系统实时向电网输送或吸收有功功率，向电网提供有功功率支撑以参与电网一次调频，为改善新能源并网装置的并网适应性提供重要的技术基础。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：

一种光储联合并网系统，包括光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网、储能电 池和双向DC/DC变换器，所述光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网依次相连，所述双向DC/DC变换器连接在储能电池与三相逆变器主电路之间，其特征在于，还包括：

直流电流采集模块，用于采集光伏阵列输出的电流；

直流电压采集模块，用于采集三相逆变器主电路的输入电压；

交流电流采集模块，用于采集三相逆变器主电路输出的电感电流；

交流电压采集模块，用于采集三相逆变器主电路输出的逆变器电压；

MPPT计算模块，根据直流电流采集模块输出的电流、直流电压采集模块输出的电压，计算逆变器直流电压参考值；

直流电压/交流电流双环控制模块，根据交流电流采集模块采集到的电感电流、交流电压采集模块采集到的逆变器电压和逆变器直流电压参考值，计算交流电流参考信号和逆变器三相调制信号；

桥臂电压调制波生成模块，根据逆变器三相调制信号和载波信号生成逆变器功率管控制信号；

电池电流采集模块，用于采集储能电池输出的电池电流；

电池电压采集模块，用于采集储能电池输出的电池电压；

电池直流电流计算模块，根据电池电流采集模块输出的电池电流、电池电压采集模块输出的电池电压、交流电压采集模块采集到的逆变器电压和储能电池SOC信号计算储能电池直流给定值；

电池电流闭环控制模块，根据储能电池直流给定值计算双向DC/DC变换器调制信号；

DC/DC变换器调制波生成模块，根据双向DC/DC变换器调制信号和双向DC/DC变换器载波信号生成双向DC/DC变换器功率管控制信号。

基于前述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A，当电网频率正常时，采用三相逆变器控制策略，具体步骤如下：

A1，将直流电流采集模块输出的电流、直流电压采集模块输出的电压，送入MPPT计算模块，计算逆变器直流电压参考值U_dcref；

A2，将交流电流采集模块采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块，直流电压/交流电流双环控制模块计算后输出逆变器三相调制信号v_mABC；

A3，将逆变器三相调制信号v_mABC和载波信号v_c，送入桥臂电压调制波生成模块，生成逆变器功率管控制信号d₁；

B，电网频率出现异常时，双向DC/DC变换器参与一次调频，当实际电网频率低于电网额定频率f_n，且储能电池荷电状态soc＞soc_min时，其中soc_min为储能电池荷电系数最小值，双向DC/DC变换器根据储能电池直流给定值I_dcref进行闭环控制，向电网提供有功功率支撑；当实际电网频率高于电网额定频率f_n时，若此时储能电池荷电状态soc＜soc_max，其中soc_max为储能电池荷电系数最大值，三相逆变器保持工作在MPPT最大功率跟踪模式，双向DC/DC变换器将吸收光伏阵列输出的有功功率，以限制光储联合并网系统输送到电网的有功功率；若此时储能电池荷电状态soc＝soc_max，直接对三相逆变器采取限功率措施，使其运行于限功率模式，具体步骤如下：

B1，将电池电流采集模块输出的电池电流、电池电压采集模块输出的电池电压、交流电压采集模块采集到的逆变器电压u_oABC和储能电池SOC信号，送入电池直流电流计算模块，计算储能电池直流给定值I_dcref；

B2，将储能电池直流给定值I_{dcref ，}送入电池电流闭环控制模块，计算双向DC/DC变换器调制信号v_mdc；

B3，将双向DC/DC变换器调制信号v_mdc和双向DC/DC变换器载波信号v_cdc，送入DC/DC变换器调制波生成模块，生成双向DC/DC变换器功率管控制信号d₂。

前述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于：所述步骤B1中电池直流电流计算模块计算储能电池直流给定值I_dcref时，通过如下公式计算：

$I_{dcref}=\frac{P_{max}}{V_{dc}\·k}\·(f_n-f_g)+J\·\frac{{\mathrm{\Δf}}_g}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，k＝f_n-f_gmin，f_g为利用所测量的逆变器电压u_oABC所获得的实际电网频率，f_gmin为设定电网频率下限，f_n为电网额定频率，为电网频率变化率，P_max为双向DC/DC变换器输出最大功率，V_dc为储能电池电压，J为虚拟转动惯量。

前述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于：所述步骤A2中将交流电流采集模块采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块，计算逆变器三相调制信号v_mABC，通 过如下公式计算：

$I_{dref}=(U_{dcref}-U_{dc})(k_p+\frac{k_i}{s})$

$v_{mABC}=(i_{refABC}-i_{ABC})(k_p+\frac{k_i}{s})+u_{oABC}$

其中，I_dref为交流电流d轴电流参考信号，k_p为电流环调节器比例系数，k_i电流环调节器积分系数，U_dc为逆变器直流母线反馈电压，i_refABC为交流电流参考信号。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的光储联合并网系统及其控制方法，可以使光储联合并网系统像传统发电机组一样参与电网调频过程，在电网频率正常时，采用三相逆变器控制策略，双向DC/DC变换器不参与调频，电网频率出现异常时，双向DC/DC变换器参与调频，向电网输送或吸收功率，降低了单纯光伏发电系统对电网的不利影响，极大地提高了新能源并网系统的并网适应性。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图2是电网电压频率突变仿真波形。

图3是在电网电压频率突变时，双向DC/DC变换器参与一次调频时逆变器三相电流仿真波形。

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。

一种光储联合并网系统，如图1所示，包括光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网、储能电池和双向DC/DC变换器，光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网依次相连，所述双向DC/DC变换器连接在储能电池与三相逆变器主电路之间，还包括：直流电流采集模块2、直流电压采集模块3、交流电流采集模块4、交流电压采集模块5、MPPT计算模块6、直流电压/交流电流双环控制模块7、桥臂电压调制波生成模块8、电池电流采集模块9、电池电压采集模块10、电池直流电流计算模块11、电池电流闭环控制模块12、DC/DC变换器调制波生成模块13。

直流电流采集模块2，用于采集光伏阵列输出的电流；

直流电压采集模块3，用于采集三相逆变器主电路的输入电压；

交流电流采集模块4，用于采集三相逆变器主电路输出的电感电流；

交流电压采集模块5，用于采集三相逆变器主电路输出的逆变器电压；

MPPT计算模块6，根据直流电流采集模块2输出的电流、直流电压采集模块3输出的电压，计算逆变器直流电压参考值；

直流电压/交流电流双环控制模块7，根据交流电流采集模块4采集到的电感电流、交流电压采集模块5采集到的逆变器电压和逆变器直流电压参考值，计算交流电流电流参考信号和逆变器三相调制信号；

桥臂电压调制波生成模块8，根据逆变器三相调制信号和载波信号生成逆变器功率管控制信号；

电池电流采集模块9，用于采集储能电池输出的电池电流；

电池电压采集模块10，用于采集储能电池输出的电池电压；

电池直流电流计算模块11，根据电池电流采集模块9输出的电池电流、电池电压采集模块10输出的电池电压、交流电压采集模块5采集到的逆变器电压和储能电池SOC信号计算储能电池直流给定值；

电池电流闭环控制模块12，根据储能电池直流给定值计算双向DC/DC变换器调制信号；

DC/DC变换器调制波生成模块13，根据双向DC/DC变换器调制信号和双向DC/DC变换器载波信号生成双向DC/DC变换器功率管控制信号。

基于上述的光储联合并网系统的控制方法，包括以下步骤：

A，当电网频率正常时，采用三相逆变器控制策略，具体步骤如下：

A1，将直流电流采集模块2输出的电流、直流电压采集模块3输出的电压，送入MPPT计算模块6，计算逆变器直流电压参考值U_dcref；

A2，将交流电流采集模块4采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块5采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块7计算后输出逆变器三相调制信号v_mABC；

A3，将逆变器三相调制信号v_mABC和载波信号v_c，送入桥臂电压调制波生成模块8，生成逆变器功率管控制信号d₁；

B，电网频率出现异常时，双向DC/DC变换器参与一次调频，当实际电网频率低于电网 额定频率f_n，且储能电池荷电状态soc＞soc_min时，其中soc_min为储能电池荷电系数最小值，双向DC/DC变换器根据储能电池直流给定值I_dcref进行闭环控制，向电网提供有功功率支撑；当实际电网频率高于电网额定频率f_n时，若此时储能电池荷电状态soc＜soc_max，其中soc_max为储能电池荷电系数最大值，三相逆变器保持工作在MPPT最大功率跟踪模式，双向DC/DC变换器将吸收光伏阵列输出的有功功率，以限制光储联合并网系统输送到电网的有功功率；若此时储能电池荷电状态soc＝soc_max，直接对三相逆变器采取限功率措施，使其运行于限功率模式，

具体步骤如下：

B1，将电池电流采集模块9输出的电池电流、电池电压采集模块10输出的电池电压、交流电压采集模块5采集到的逆变器电压u_oABC和储能电池SOC信号，送入电池直流电流计算模块11，计算储能电池直流给定值I_dcref；

B2，将储能电池直流给定值I_dcref，送入电池电流闭环控制模块12，计算双向DC/DC变换器调制信号v_mdc；

B3，将双向DC/DC变换器调制信号v_mdc和双向DC/DC变换器载波信号v_cdc，送入DC/DC变换器调制波生成模块13，生成双向DC/DC变换器功率管控制信号d₂。

步骤B1中，电池直流电流计算模块11计算储能电池直流给定值I_dcref时，通过如下公式计算：

$I_{dcref}=\frac{P_{max}}{V_{dc}\·k}\·(f_n-f_g)+J\·\frac{{\mathrm{\Δf}}_g}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，k＝f_n-f_gmin，f_g为利用所测量的逆变器电压u_oABC所获得的实际电网频率，f_gmin为设定电网频率下限，f_n为电网额定频率，为电网频率变化率，P_max为双向DC/DC变换器输出最大功率，V_dc为储能电池电压，J为虚拟转动惯量。

步骤A2中，将交流电流采集模块4采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块5采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块7，计算逆变器三相调制信号v_mABC，通过如下公式计算：

$I_{dref}=(U_{dcref}-U_{dc})(k_p+\frac{k_i}{s})$

$v_{mABC}=(i_{refABC}-i_{ABC})(k_p+\frac{k_i}{s})+u_{oABC}$

其中，I_dref为交流电流d轴电流参考信号，k_p为电流环调节器比例系数，k_i电流环调节器积分系数，U_dc为逆变器直流母线反馈电压，i_refABC为交流电流参考信号。

为说明本发明的正确性和可行性，对所提出的一种光储联合并网系统及其控制方法进行了仿真验证，其中仿真参数为：光伏阵列开路电压761.6V，短路电流912.8A，光照强度为1000，温度25度时最大功率点电压610V，变流器输出滤波电感L均为0.15mH，输出滤波电容C均为200μF(三角型连接)，双向DC/DC变换器储能电池电压500V。

(1)图2是电网电压频率突变仿真波形：图中，2s时，电网电压频率由50Hz突变至49.5Hz；

(2)图3是在电网电压频率突变时，双向DC/DC变换器参与一次调频时逆变器三相电流仿真波形，2s时双向DC/DC变换器参与一次调频后逆变器输出电流增加；

图2图3给出的仿真波形显示，针对电网频率波动，双向DC/DC变换器能够参与一次调频，输出一定有功功率支撑电网频率。

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 (4)

1.一种光储联合并网系统，包括光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网、储能电池和双向DC/DC变换器，所述光伏阵列、三相逆变器主电路、滤波电路、电网依次相连，所述双向DC/DC变换器连接在储能电池与三相逆变器主电路之间，其特征在于，还包括：

直流电流采集模块(2)，用于采集光伏阵列输出的电流；

直流电压采集模块(3)，用于采集三相逆变器主电路的输入电压；

交流电流采集模块(4)，用于采集三相逆变器主电路输出的电感电流；

交流电压采集模块(5)，用于采集三相逆变器主电路输出的逆变器电压；

MPPT计算模块(6)，根据直流电流采集模块(2)输出的电流、直流电压采集模块(3)输出的电压，计算逆变器直流电压参考值；

直流电压/交流电流双环控制模块(7)，根据交流电流采集模块(4)采集到的电感电流、交流电压采集模块(5)采集到的逆变器电压和逆变器直流电压参考值，计算交流电流参考信号和逆变器三相调制信号；

桥臂电压调制波生成模块(8)，根据逆变器三相调制信号和载波信号生成逆变器功率管控制信号；

电池电流采集模块(9)，用于采集储能电池输出的电池电流；

电池电压采集模块(10)，用于采集储能电池输出的电池电压；

电池直流电流计算模块(11)，根据电池电流采集模块(9)输出的电池电流、电池电压采集模块(10)输出的电池电压、交流电压采集模块(5)采集到的逆变器电压和储能电池SOC信号计算储能电池直流给定值；

电池电流闭环控制模块(12)，根据储能电池直流给定值计算双向DC/DC变换器调制信号；

DC/DC变换器调制波生成模块(13)，根据双向DC/DC变换器调制信号和双向DC/DC变换器载波信号生成双向DC/DC变换器功率管控制信号。

2.基于权利要求1所述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A，当电网频率正常时，采用三相逆变器控制策略，具体步骤如下：

A1，将直流电流采集模块(2)输出的电流、直流电压采集模块(3)输出的电压，送入MPPT计算模块(6)，计算逆变器直流电压参考值U_dcref；

A2，将交流电流采集模块(4)采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块(5)采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块(7)，直流电压/交流电流双环控制模块(7)计算后输出逆变器三相调制信号v_mABC；

A3，将逆变器三相调制信号v_mABC和载波信号v_c，送入桥臂电压调制波生成模块(8)，生成逆变器功率管控制信号d₁；

B，电网频率出现异常时，双向DC/DC变换器参与一次调频，当实际电网频率低于电网额定频率f_n，且储能电池荷电状态soc＞soc_min时，其中soc_min为储能电池荷电系数最小值，双向DC/DC变换器根据储能电池直流给定值I_dcref进行闭环控制，向电网提供有功功率支撑；当实际电网频率高于电网额定频率f_n时，若此时储能电池荷电状态soc＜soc_max，其中soc_max为储能电池荷电系数最大值，三相逆变器保持工作在MPPT最大功率跟踪模式，双向DC/DC变换器将吸收光伏阵列输出的有功功率，以限制光储联合并网系统输送到电网的有功功率；若此时储能电池荷电状态soc＝soc_max，直接对三相逆变器采取限功率措施，使其运行于限功率模式，具体步骤如下：

B1，将电池电流采集模块(9)输出的电池电流、电池电压采集模块(10)输出的电池电压、交流电压采集模块(5)采集到的逆变器电压u_oABC和储能电池SOC信号，送入电池直流电流计算模块(11)，计算储能电池直流给定值I_dcref；

B2，将储能电池直流给定值I_dcref，送入电池电流闭环控制模块(12)，计算双向DC/DC变换器调制信号v_mdc；

B3，将双向DC/DC变换器调制信号v_mdc和双向DC/DC变换器载波信号v_cdc，送入DC/DC变换器调制波生成模块(13)，生成双向DC/DC变换器功率管控制信号d₂。

3.根据权利要求2所述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于：所述步骤B1中电池直流电流计算模块(11)计算储能电池直流给定值I_dcref时，通过如下公式计算：

$I_{dcref}=\frac{P_{max}}{V_{dc}\·k}\·(f_n-f_g)+J\·\frac{{\mathrm{\Δf}}_g}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，k＝f_n-f_gmin，f_g为利用所测量的逆变器电压u_oABC所获得的实际电网频率，f_gmin为设定电网频率下限，f_n为电网额定频率，为电网频率变化率，P_max为双向DC/DC变换器输出最大功率，V_dc为储能电池电压，J为虚拟转动惯量。

4.根据权利要求2所述的光储联合并网系统的控制方法，其特征在于：所述步骤A2中将交流电流采集模块(4)采集到的电感电流i_ABC、交流电压采集模块(5)采集到的逆变器电压u_oABC和逆变器直流电压参考值U_dcref，送入直流电压/交流电流双环控制模块(7)，计算逆变器三相调制信号v_mABC，通过如下公式计算：

$I_{dref}=(U_{dcref}-U_{dc})(k_p+\frac{k_i}{s})$

$v_{mABC}=(i_{refABC}-i_{ABC})(k_p+\frac{k_i}{s})+u_{oABC}$

其中，I_dref为交流电流d轴电流参考信号，k_p为电流环调节器比例系数，k_i电流环调节器积分系数，U_dc为逆变器直流母线反馈电压，i_refABC为交流电流参考信号。