适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法
【专利摘要】一种适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，含MPPT与限功率控制两种功能，可保证系统在并/离网的稳定运行和功率输出最优化，并且在离网条件下具备一定地储能管理能力。所提出的统一功率控制方法基于扰动观察，其中的限功率控制功能又根据储能装置是否满容量或超过限制电流，在控制方法的实现上有所区别。为了提高限功率控制方法的快速性，进一步引入了变步长扰动观察方法，同时兼顾了稳态和动态性能。本发明所述的光伏微电网统一功率控制方法，可MPPT与限功率控制有机结合，实现简单，可进一步拓展光伏微电网系统的运行，有利于提高可再生能源发电的利用效率，具有很好的应用价值和推广前景。
【专利说明】适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光伏微电网系统中直直变换电路的统一功率控制方法，属新能源发电和电能变换领域的微电网系统控制技术。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的持续快速发展，我国能源发展面临能源供需缺口的加大、石油后备资源不足、环境污染严重等问题。为了实现能源与社会经济、环境的可持续发展，开发利用太阳能等可再生能源分布式发电技术是解决能源危机的重要途径之一。但光伏逆变器的直接接入存在成本较高、控制相对困难以及对电网构成冲击等缺点。为此，有专家学者提出了微电网的概念:由光伏等分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。
[0003]通常，微电网具有两种运行模式:并网运行模式和离网运行模式。在并网运行模式下，光伏组件和储能装置可以独立优化，光伏组件始终以最大功率点跟踪(Maximum powerpoint tracking, MPPT)运行,提高利用率。反之，当微电网离网运行时，系统必须满足自身供需能量平衡:当分布式电源输出功率较小时，储能装置放电以补充能量缺口 ；而当分布式电源输出功率较大时，储能装置充电以吸收过剩能量。如果采用现有的光伏逆变器等分布式电源时，由于它们只能以MPPT模式运行，输出功率无法控制。再加上用电负荷的随机性，造成离网模式 运行时，系统无法对储能装置进行充放电管理。此外，当分布式电源输出功率过大时，即超过了储能装置极限时，系统需要强行切除光伏的运行，不利于系统的平滑稳定运行，也在一定程度上降低了新能源的利用率。
[0004]光伏微电网系统如附图1所示，由光伏阵列、Boost直直变换电路、储能装置、DC/AC逆变器、PCC并网开关以及本地负载构成。它们的具体连接关系为=Boost直直变换器的输入端接光伏阵列，输出端与储能装置并联，构成直流母线。该直流母线接逆变器的输入，逆变器输出为本地负载提供供电能力，同时经公共连接点(PCC)开关与电网相连接。在电网正常时，PCC开关闭合，系统并网运行，既可以向电网输送功率，也可以从电网吸收功率；在电网故障时，PCC开关断开，系统自动切换到离网模式运行，由光伏阵列和储能装置共同为本地负载提供电能。其中，系统通过MPPT控制器控制光伏阵列始终以最大功率点跟踪运行，并通过改变MPPT控制器中场效应管的占空比，能够限制光伏阵列的功率输出。
【发明内容】
[0005]发明目的:针对上述现有技术，提出了一种适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，保证系统在并/离网的稳定运行和功率输出最优化控制。
[0006]技术方案:适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，直直变换电路包括MPPT控制模式与限功率控制模式:在光伏微电网并网运行时，直直变换电路工作于MPPT控制模式,光伏阵列输出最大功率；在光伏微电网离网运行时:
[0007]当SOC < B1^socmax且Ibat < I^Ilimit时，直直变换电路工作于MPPT模式；当SOC<MSOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，直直变换电路工作于限功率控制模式，限制光伏阵列输出功率使 Ibat ( Ilimit ;
[0008]当SOC > a2*S0Cmax且Ibat < O时，直直变换电路工作于MPPT模式；当SOC >a2*S0Cmax且Ibat ^ O时，直直变换电路工作于限功率控制模式，限制光伏阵列输出功率使Ibat为O ;其中，SOCmax为储能装置容量阈值，SOC为储能装置实际容量值，Ilimit为储能装置充电电流电流阈值，Ibat为储能装置实际充电电流值，a2、bp b2为系数,0.9≤B1≤a2≤1,0.9 ^ bi ^ b2 ^ 10 [0009]作为本发明的优选方案，所述B1取0.95，所述a2取0.98，所述Id1取0.95，所述b2取 0.98。
[0010]进一步地，所述限功率控制模式基于扰动观察法控制直直变换电路的输出，当直直变换电路工作于所述限功率控制模式时，以步长AD来改变MPPT控制器中场效应管的占空比，从而限制光伏阵列的功率输出。
[0011]作为本发明的改进，当直直变换电路工作于MPPT控制模式，以变步长扰动观察MPPT来跟踪光伏微电网的最大功率点。
[0012]作为本发明对进一步改进，当SOC < MSOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比:令Λ I = Ibat-1limit,当Λ I > Iupi时，以最大步长ADmax减小占空比；当ΛΙ≥Iupi时，以步长AD= (ΛΙ/ΙυΡ1)Χ ADmax的步长来减小占空比；其中Iupi为变步长控制第一电流门限值，Iupi取值为0.1Ilimit ；
[0013]当SOC > a2*S0Cmax且Ibat≥O时，以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比:当Ibat > Iup2时，以最大步长ADmax减小占空比;当储能装置充电电流Ibat ( Iup2时，以步长AD = (Ibat/IUP2) X ADmax的步长来减小占空比；其中Iup2为变步长控制第二电流门限值，Iup2 取值为 0.15Ilimit。
[0014]有益效果:本发明提供的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，含MPPT与限功率控制两种功能:系统检测当前系统的运行状态，当以并网模式运行时，通过控制Boost变换器来控制光伏阵列，使其运行在MPPT模式，光伏阵列输出最大功率；当以离网模式运行时，系统实时检测储能装置的工作状态，若储能装置在正常范围内运行，控制光伏阵列以MPPT模式运行，光伏阵列输出最大功率；若储能装置的容量接近饱和或者超过最大充电电流时，则以限功率模式运行，减小光伏阵列的输出功率，以维持功率平衡，保证了系统的连续稳定运行。本方法兼顾了并网和离网两种运行模式的能量优化管理和调度，针对离网运行条件的优化，使系统具备一定的储能管理能力，有别于现有的光伏并网逆变器和微电网产品，具有重要的研究价值和应用前景。
[0015]基于变步长扰动观察的MPPT与限功率统一控制方法不仅可以提高系统的动态性能，快速控制储能装置的充放电电流，还能够改善稳态性能，减小稳态时的功率脉动。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明所基于的光伏发电系统总体结构框图；
[0017]图2是MPPT与限功率统一控制方法具体实现框图；
[0018]图3是充电电流过大时限功率方法流程图；
[0019]图4是储能装置饱和时限功率方法流程图；[0020]图5是统一功率控制方法具体工作原理不意图；
[0021]图6是充电电流过大时变步长限功率方法流程图；
[0022]图7是储能装置饱和时变步长限功率方法体流程图；
[0023]图8是统一功率控制方法完整实现框图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0025]附图2为MPPT与限功率统一控制方法的基本结构框图，系统检测当前系统的运行状态，当光伏微电网以并网模式运行时，通过控制Boost直直变换电路来控制光伏阵列，使其运行在MPPT模式，光伏阵列输出最大功率；当光伏微电网以离网模式运行时，系统实时检测储能装置的工作状态，若储能装置在正常范围内运行，控制光伏阵列以MPPT模式运行，光伏阵列输出最大功率；若储能装置的容量接近饱和或者超过最大充电电流时，则以限功率模式运行，减小光伏阵列的输出功率，以维持功率平衡，保证了系统的连续稳定运行。
[0026]本发明提出的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法的两种工作模式均以扰动观察思路来实现。当满足MPPT运行条件时，系统以常规的扰动观察MPPT方法运行，通过扰动占空比来实现最大功率点跟踪。否则，则根据储能装置容量和充电电流状态进一步划分为两种工作情况:
[0027]在系统k 时刻，当 SOC < B1^SOCmax 且 Ibat < I^Iliniit 时，这里 B1 取 0.95，Id1 取 0.95，即当储能装置容量SOC低于95%的标称值且储能装置充电电流Ibat低于95%的充电电流电流阈值时，直直变换电路工作于MPPT模式，而不是简单的通过增大占空比来提高光伏阵列的输出功率。其原因在于，即使光伏阵列运行于最大功率点，其输出峰值功率减去负荷功率后，给储能装置的充电电流也达不到Ilimit，故应通过MPPT控制，使光伏阵列工作于最大功率点。当SOC < B1^SOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，这里b2取0.98，即当储能装置容量SOC低于95%的标称值，且储能装置充电电流Ibat大于98%的充电电流电流阈值时，认为充电电流超过标称值，则直直变换电路工作于限功率控制模式，以步长AD来减小MPPT控制器中场效应管的占空比，即D(k) = D (k-l)_ Λ D，从而减小光伏阵列的功率输出，逐步减小储能装置的充放电电流使其向Ilimit基准靠近，最终使Ibat ( Ilimito其中SOCmax为储能装置容量阈值，SOC为储能装置实际容量值，Ilimit为储能装置充电电流电流阈值，Ibat为储能装置实际充电电流值，D(k)为k时刻MPPT控制器中场效应管的占空比，D(k-l)为(k-l)MPPT控制器中场效应管的占空比。对应的流程图如附图3所示。
[0028]在系统k时刻，当SOC > a2*S0Cmax且Ibat < O时，这里a2取0.98，即储能装置处于放电状态，由于此时可能存在负荷功率大于光伏峰值功率的情况，换言之，即使光伏阵列在最大功率点运行，其输出的峰值功率也不足于为负荷提供全部的电能，直直变换电路工作于MPPT模式来提高光伏阵列的输出功率，来提高新能源的利用率，而不是简单的以一定步长AD来增加占空比。当SOC > a2*S0Cmax且Ibat≥O时，认为储能装置的实际容量已接近最大值，直直变换电路工作于限功率控制模式，系统以一定的步长AD减小占空比，即D(k)=D(k-1)-AD，来限制光伏阵列的输出功率，逐步减小储能装置的充放电电流，使Ibat向O基准靠近。相应的工作流程图如附图4所示。
[0029]为了进一步说明MPPT与限功率统一控制方法工作原理，附图5给出了其工作示意图。假设在tl时刻，光照强度突然增强，此时系统中本地负载的功率大小不变且储能装置在运行范围内工作，Boost直直变换电路以MPPT模式运行，自动寻找光伏阵列的最大功率点。假设在t2时刻负荷突然变小，由于光伏输出功率无法突变，储能装置的瞬时充电电流超过了上限电流Ilimit，故系统将以一定步长AD(如0.01)减小Boost直直变换电路的占空t匕，降低光伏输出功率，限制充电电流为Ilimit。假设在t3时刻，储能装置已经接近饱和，此时系统快速切换到限功率模式，以一定步长AD减小Boost直直变换电路的占空比，直至光伏阵列的功率输出约为O。需要补充说明的是，为了重点描述系统在光照或负荷发生变化时的动态过程，附图5中仅给出了功率及占空比等动态变化趋势，而忽略了稳态时扰动观察法固有的脉动量。其中，Pmpp为光伏最大功率点功率，Dmpp最大功率点处的占空比；
[0030]进一步的，本发明提出的直直变换电路统一功率控制方法，还以采用变步长扰动观察法来实现限功率控制:
[0031]当直直变换电路工作于MPPT控制模式，以变步长扰动观察MPPT来跟踪光伏微电网的最大功率点。
[0032]在系统k时刻，当SOC < B1^SOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，储能装置容量低于标称值，但充电电流超过标称值，以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比，占空比扰动步长将根据实际充电电流Ibat与电流上限Ilimit之差来确定:令Λ I = Ibat-1limit,当Λ I > Iupi时，以最大步长Λ Dmax减小占空比；当ΛΙ≤Iupi时，以步长AD(k) = (ΔΙ/Ι?Ρ1) X ADmax^步长来减小占空比其中Iupi为变步长控制第一电流门限值；即电流越小、步长越小。其中Iupi取值为0.1Ilimit ;该工作状态对应的流程图如附图6所示。
[0033]当SOC > a2*S0Cmax且Ibat ^ O时，储能装置的实际容量已接近标称值，根据要求储能装置将不再充电，此时由于光伏或负荷可能发生快速突变，使得储能装置的实际充电电流远大于0，故以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比，来快速限制光伏阵列的输出功率，减小储能装置的充电电流向O基准靠近:当Ibat > Iup2时，系统以最大步长ADmax减小占空比；当储能装置充电电流Ibat ( Iup2时，以步长AD(k) = (Ibat/IUP2) X ADmax的步长来减小占空比，即系统将根据实际电流来调节步长AD ;可见电流越小扰动步长越小，目的是为了减小系统在稳态时的功率脉动。其中Iup2为变步长控制第二电流门限值，Iup2取值为0.15Ilimit。附图7给出了详细的流程图。
[0034]基于变步长扰动观察的MPPT与限功率统一控制方法不仅可以提高系统的动态性能，快速控制储能装置的充放电电流，还能够改善稳态性能，减小稳态时的功率脉动。
[0035]如图8所示，为了避免在储能装置容量超限及充电电流超限比较值附近时出现多次跳变，SOC或最大充电电流的判断采用滞环比较方法，其中系数满足如下条件:0.9 ≤ ％ ≤ a2 ≤ I，0.9 ≤ Id1 ≤ b2 ≤ I。例如:当 SOC > 0.98S0C.或者 Ibat > 0.98Iliniit 时，则认为储能装置已经饱和或者超过最大充电电流，而当SOC < 0.95S0Cmax或者Ibat < 0.95Ilimit时，则认为储能装置在正常范围，而在95%至98%之间时，则维持原有判断状态，系统继续以上一时刻工作状态工作。
[0036]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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，其特征在于:直直变换电路包括MPPT控制模式与限功率控制模式:在光伏微电网并网运行时，直直变换电路工作于MPPT控制模式,光伏阵列输出最大功率；在光伏微电网离网运行时: 当SOC < B1^SOCmax且Ibat < I^Ilimit时，直直变换电路工作于MPPT模式；当SOC<MSOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，直直变换电路工作于限功率控制模式，限制光伏阵列输出功率使 Ibat ( Ilimit ; 当SOC > a2*S0Cmax且Ibat < O时，直直变换电路工作于MPPT模式；当SOC > a2*S0Cmax且Ibat ^ O时，直直变换电路工作于限功率控制模式，限制光伏阵列输出功率使Ibat为O ;其中，SOCmax为储能装置容量阈值，SOC为储能装置实际容量值，Ilimit为储能装置充电电流电流阈值，Ibat为储能装置实际充电电流值，a2、b1、b2为系数,0.9≤B1≤a2≤I,0.9 ^ bi ^ b2 ^ 10
2.根据权利要求1所述的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，其特征在于:所述B1取0.95，所述a2取0.98，所述Id1取0.95，所述b2取0.98。
3.根据权利要求1所述的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，其特征在于:所述限功率控制模式基于扰动观察法控制直直变换电路的输出，当直直变换电路工作于所述限功率控制模式时，以步长AD来改变MPPT控制器中场效应管的占空比，从而限制光伏阵列的功率输出。
4.根据权利要求3所述的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，其特征在于:当直直变换电路工作于MPPT控制模式，以变步长扰动观察MPPT来跟踪光伏微电网的最大功率点。
5.根据权利要求3或4所述的适用于光伏微电网系统的直直变换电路统一功率控制方法，其特征在于:当SOC < B1^SOCmax且Ibat > b2*Ilimit时，以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比:令ΛΙ = Ibat-1limit，当ΛΙ > Iupi时，以最大步长Λ Dmax减小占空比；当Δ I ( Iupi时，以步长AD= (ΔΙ/Ι?Ρ1) X ADmax的步长来减小占空比；其中Iupi为变步长控制第一电流门限值，Iupi取值为0.1Ilimit ； 当SOC > a2*S0Cmax且Ibat > O时，以变步长来减小MPPT控制器中场效应管的占空比:当Ibat > Iup2时，以最大步长Λ Dmax减小占空比;当储能装置充电电流Ibat ( Iup2时，以步长AD= (Ibat/IUP2) X Λ Dmax的步长来减小占空比；其中Iup2为变步长控制第二电流门限值，Iup2取值为 0.15Ilimit。
【文档编号】H02J7/00GK104022526SQ201410194268
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】陈杰, 陈家伟, 陈新, 龚春英, 薛济萍, 薛群山, 冯志阳 申请人:南京航空航天大学, 中天光伏技术有限公司