专利名称：一种储能型准-z源单相光伏发电系统的设计方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法。
背景技术：
光伏发电是理想的可持续能源，对其开发利用过程中，功率变换器/逆变器必不可少。但是，一般而言，光伏电池输出电压的变化幅度可达2倍，使用传统的单级逆变器结构，将导致逆变器设计容量倍增。若采用双级结构，引入的DC/DC变换器，将增加费用，降低效率。为此，研究人员开始研究新技术，采用Z-源和准-Z源逆变器克服这些问题，因为它以单级功率变换的形式，实现传统由DC/DC和逆变器组成的双级变换功能，不会增大逆变 器容量，且在光伏发电领域与传统系统兼容。另一方面，光伏发电功率对光照和温度依赖性很强，由于光照和温度变化无常，光伏电池输出的电压和功率宽范围变化，直接并网或独立供电会对电网或负载造成负面影响。所以，除了传统独立光伏发电系统应用储能电池的方案外，近年在并网型太阳能发电系统中也采用储能电池技术，以缓存能量，平抑并网功率。一般常用的方法，是通过双向DC/DC变换器将储能电池联接到直流侧，实现并网功率平抑功能，但是额外增加了一套DC/DC变换器，增加了系统的成本。为了克服这个问题，发明专利[申请号201010234868. X，单级升降压储能型光伏并网发电控制系统]将储能电池与其中一直电容并联，实现了单级功率变换完成升/降压、逆变和储能。在该系统中，储能电池直接并联在电容上，无需增加额外的设备，经济实用。但是，目前为止，尚未有文献介绍如何设计系统中各量参数，比如，储能电池电压、容量，光伏电池电压等级，调制指数，各电容、电感、功率开关器件损耗分析等。对于一个储能型光伏并网发电控制系统而言，这些参数的确定至关重要。
发明内容
为了解决以上问题，本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，所述储能型准-Z源单相光伏发电系统包括储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容、第二电解电容、第一电感、第二电感、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容组成；并且，所述第二电解电容的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连，所述第二电解电容的正极和所述H桥逆变器的正极连；所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容正极和所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于所述H桥逆变器正极；所述第一电解电容的负极与所述H桥逆变器的负极相连；所述第一电感的一端与所述光伏电池的正极相连；所述第一电感的另一端与所述第二电解电容的负极相连；所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，或供电当地负载；所述储能电池跨接于所述第一电解电容两端，且所述储能电池的正极连接于第一电解电容的正极；基于用户电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特点，该方法包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计，光伏电池模块选取，准-Z源网络电感、电容参数设计，H桥逆变器电压、电流等级设计，Z-源网络二极管设计，准-Z源逆变器损耗计算等。进一步，作为一种优选，所述H桥逆变器电压、电流等级设计包括如下步骤步骤I，根据负 载电压或并网处电网电压，计算单相逆变器输出的电压幅值Val ；步骤2，设定光伏电池工作电压变化范围为I :2，且最大光伏电池电压为Vin=Val，最小为Vin = val/2,对应地，光伏电池电压最大时，逆变器调制指数M= I，直通占空比D=O，直流母线电压峰值为VPN=val，光伏电池电压最小时，直通占空比D=l/3，逆变器调制指数M=2/3，直流母线电压峰值为Vpn=L 5*val。进一步,作为一种优选,所述电容、电感参数设计包括步骤3,计算电容C1电压和并联电池电压Va=VB=val ；步骤4,计算直流母线电压峰值最大为Vpn=L 5 X Val ；步骤5，计算电容C2电压最大值为Vc2=O. 5 X Val ;步骤6，最大直通占空比D=l/3。进一步，作为一种优选，所述光伏电池模块选取包括步骤7，根据负载或并网功率P。，考虑到最大功率发生在最大电压处，光伏电池电
(in Val，步骤8，储能电池放电发生在光伏功率不足时，根据上述设计，光伏电池最低工作电压为val/2，设定允许工作的最低光照强度时光伏电池最低功率时提供电流为最大功率时的k分之一；则要输出P。功率时，电池需要提供功率为PfPJ. 5XvalXiIVk，则电池电流为Ib=Pb/Vb ;则电感L2的电流为i^iu+iB。进一步，作为一种优选，所述储能电池电压和容量参数设计包括步骤9，确定蓄电池的容量，应用统计数据，根据当地气候特点，结合所设计系统的用途，确定蓄电池的容量；如果要求所设计的光伏系统在某地日照条件下，除了供电给当地负载/电网外，每天还平均以Px的功率给电池充电X小时，以供夜晚无日照时使用，且电池每次放电深度为y%，则需要电池容量为[PxXx/val]/(l-y%) (Ah)。进一步，作为一种优选，所述光伏电池模块选取包括步骤10，确定光伏电池模块及其数量，选定光伏电池模块，根据当地气候特点，确定该模块最大功率点中的最大工作电压Vpv和最大工作电流ipv，则光伏电池数量可计算为
valh\
「取整数得11，^取整数得m，光伏电池模块数量为m*n。
pvlpV进一步,作为一种优选,所述电容、电感参数设计包括步骤11，电容C2设计，系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2fs ;稳态时，一个周期内电容电压的初值和终值相等；以直通时
为例，Quasi-Z网络电容C2电压的纹波其中，-iL1 = iC2,
2 4/s
P .I)
fs为载波频率，于是有= lLl 2fsAfc 若给定电容电压的纹波为aK a Ve2，则有P0
C2>iLl_为抑制两倍频电压脉动，需要的电容为^"= 4j2 s式中，e为两倍频
2fsaVC2，PN ,
. D
电压脉动占Vpn的比例，f 为负载或电网电压频率，则由于电容C大于zU 2fsaVcl且电容
Pn
C1与电池并联，所以电各C2设计为G步骤12，电容C1设计，系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z网络上电 容电压的脉动频率为2fs ;稳态时，一个周期内电容电压的初值和终值相等，以直通时为例，
* T, - A/D
Quasi-Z 网络电容 C1 电压的纹波 AVci 为AVci = In —其中，icl = iB-iL2, fs
Il 2/g 5
D
为载波频率，于是有G = (lB ~1^) 2 /jAFa若给定电容电压的纹波为AVaS aVa，则有 D
L IfsCtVcx .步骤13，电感L2的设计，稳态时，一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通
A. _ A/D
时为例，Quasi-Z网络电感电流的纹波A iL2为A,L2=VL2[^其中，A/=f \2=Va，于是有
2 2Js >
U- = rCi 2/sA/z,若给定电感电流的纹波为A iL2 ( biL2,则有A ^pCI 2d .
5^ 步骤14，电感LI的设计，稳态时，一个周期内电感电流的初值和终值相等，
A. _ Aff)
以直通时为例，Quasi-Z网络电感电流的纹波A iu为tsiIA =vIiT-其中，At=^T
Ll， 2/s，
Vin+Vra = vL1,于是有1I = + vCi) 2 若给定电感电流的纹波为Aiu Sbiu，则有I1 > (Fin+Fc2)-^-步骤15，Quasi-Z网络中二极管的参数，Quasi-Z网络中的二极管在直通状态下承受反压关断，在非直通状态下导通，因此，可根据直通状态下其两端的电压和非直通状态下其流过的电流来设计该二极管；直通状态下二极管承受反压为Vpn，非直通状态下通过二极管的电流为iD ( iu+ic2=iLi+iL；rid，在传统零矢量时间内，id=0时，此时二极管流过最大电流为 iD=iu+iL2 ；步骤16，逆变器功率器件的参数，根据负载或并网功率P。，和负载或并网处电网电压，计算负载电流有效值4 =^l根据步骤4计算得的直流母线电压峰值Vpn和上述计算
va/
得的负载电流有效值，作为逆变器功率器件的选取的电压和电流参数。进一步，作为一种优选，所述准-Z源逆变器损耗计算包括步骤17，储能型准-Z源单相光伏逆变器损耗估算，有4个IGBT及其反并联二极管，一个Z-源网络二极管，其损耗可以按照器件予以分别计算；1)4个IGBT及其反并联二极管的损耗估算，这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗，传统意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗，且开关损耗为
权利要求
1.一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，储能型准-z源单相光伏发电系统包括储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容、第二电解电容、第一电感、第二电感、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容组成；并且，所述第二电解电容的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连，所述第二电解电容的正极和所述H桥逆变器的正极连；所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容正极和所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于所述H桥逆变器正极；所述第一电解电容的负极与所述H桥逆变器的负极相连；所述第一电感的一端与所述光伏电池的正极相连；所述第一电感的另一端与所述第二电解电容的负极相连；所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，或供电当地负载；所述储能电池跨接于所述第一电解电容两端，且所述储能电池的正极连接于第一电解电容的正极； 其特征在于，基于用户电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特点，该方法包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计，光伏电池模块选取，准-Z源网络电感、 电容参数设计，H桥逆变器电压、电流等级设计，Z-源网络二极管设计，准-Z源逆变器损耗计算。
2.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述H桥逆变器电压、电流等级设计包括如下步骤 步骤I，根据负载电压或并网处电网电压，计算单相逆变器输出的电压幅值Val ； 步骤2，设定光伏电池工作电压变化范围为I : 2，且最大光伏电池电压为Vin=Val，最小为Vin=val/2，对应地，光伏电池电压最大时，逆变器调制指数M= I，直通占空比D=O，直流母线电压峰值为VPN=val，光伏电池电压最小时，直通占空比D=l/3，逆变器调制指数M=2/3，直流母线电压峰值为Vpn=L 5*val。
3.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述电容电感参数设计包括 步骤3,计算电容C1电压和并联电池电压Va=VB=val ； 步骤4，计算直流母线电压峰值最大为Vpn=L 5 X Val ; 步骤5，计算电容C2电压最大值为Ve2=O. 5 X Val ; 步骤6，最大直通占空比D=l/3。
4.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述光伏电池模块选取包括 步骤7，根据负载或并网功率P。，考虑到最大功率发生在最大电压处，光伏电池电流为,-P0- PolLi - 7T"-—.lin Val， 步骤8，储能电池放电发生在光伏功率不足时，根据上述设计，光伏电池最低工作电压为Val/2，设定允许工作的最低光照强度时光伏电池最低功率时提供电流为最大功率时的k分之一；则要输出P。功率时，电池需要提供功率为Pb=P^O. 5 X ValX iu/k，则电池电流为1B=PbAb ;则电感L2的电流为iL2=iu+iB。
5.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述储能电池电压和容量参数设计包括 步骤9，确定蓄电池的容量，应用统计数据，根据当地气候特点，结合所设计系统的用途，确定蓄电池的容量；如果要求所设计的光伏系统在某地日照条件下，除了供电给当地负载/电网外，每天还平均以Px的功率给电池充电X小时，以供夜晚无日照时使用，且电池每次放电深度为y%，则需要电池容量为[PxXx/val]/(l-y%) (Ah)。
6.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述光伏电池模块选取包括 步骤10，确定光伏电池模块及其数量，选定光伏电池模块，根据当地气候特点，确定该模块最大功率点中的最大工作电压Vpv和最大工作电流ipv，则光伏电池数量可计算为^取 pv整数得n，，取整
7.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述电容电感参数设计包括 步骤11，电容C2设计，系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2fs ;稳态时，一个周期内电容电压的初值和终值相等；以直通时为
8.如权利要求I所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，其特征在于，所述准-Z源逆变器损耗计算包括 步骤17，储能型准-Z源单相光伏逆变器损耗估算，有4个IGBT及其反并联二极管，一个Z-源网络二极管，其损耗可以按照器件予以分别计算； I)4个IGBT及其反并联二极管的损耗估算，这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗，传统意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗，且开关损耗为
全文摘要
本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计，光伏电池模块选取，准-Z源网络电感、电容参数设计，H桥逆变器电压、电流等级设计，Z-源网络二极管设计，准-Z源逆变器损耗计算等。该设计方法基于用户电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特点。所设计的储能型准-Z源单相光伏发电系统能够满足光伏电池电压1∶2宽范围变化，无论其电压如何变化，系统都输出负载需求电压，而且适合单级功率变换完成升/降压、逆变和储能要求。本发明为储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计、实现提供了简便、有效、快捷的方法。
文档编号H02N6/00GK102709940SQ20121016071
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者孙东森, 葛宝明 申请人:北京交通大学