一种即插即用的太阳能光储一体化控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能光伏发电控制系统及方法，尤其涉及一种即插即用的太阳 能光伏发电控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是影响国家安全的重要因素。传 统的石化能源属于不可再生能源，面临着枯竭的危险，同时，由于燃烧石化燃料，给大气造 成了重度污染。
[0003] 为了解决能源供应这一重大问题，全世界的各个国家都加快了对新能源的开发。 太阳能作为一种清洁能源，具有以下几个特点：第一，取之不尽；第二，易于获取，普遍存 在；第三，清洁，无污染。
[0004] 太阳能的开发利用是解决传统石化能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等 问题的有效途径，是人类发展的理想替代能源。在国家一系列优惠政策的刺激下，我国太 阳能光伏产业发展迅速，2012年年底我国太阳能光伏发电装机容量累计达到700万千瓦， 2013年年底达到1716万千瓦，2014年达到了 2805万千瓦。
[0005] 其中，分布式发电由于直接在用户端安装，易于就地消纳，越来越受到市场的关 注，截止2014年底分布式太阳能光伏发电装机容量已到500万千瓦，但是，用户端安装过程 带来的停电干扰给用户带来了不便；用电负荷峰谷差大，对电网的经济运行造成影响。有些 用户没有电网，需要独立运行，单独配置储能所带来的成本问题，给分布式太阳能光伏发电 控制器的推广造成障碍。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种即插即用的太阳能光储一体化控制系统，该系统可对 分布式太阳能光电进行转化供电网和本地负载使用，并且既可以并网运行，又可以独立运 行，做到即插即用；并网运行时，可在夜晚低电价时进行充电，在白天高电价时进行放电，利 用电网电价的峰谷差提高经济性。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种即插即用的太阳能光储一体化控制方法，该方法 可基于上述系统达到上述效果。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提出了一种即插即用的太阳能光储一体化控制系统， 用于与太阳能光伏电池板连接，以对太阳能光电进行转化供电网和本地负载使用；其中，所 述控制系统包括控制单元，逆变单元，储能单元，并网开关，直流电压检测装置，交流电流检 测装置和交流电压检测装置，其中：
[0009] 所述逆变单元的直流输入端用于与所述太阳能光伏电池板的输出端连接，所述逆 变单元的交流输出端与所述并网开关的一端连接，该并网开关的一端还用于连接本地负 载，所述并网开关的另一端具有与电源插座适配的插头，以用于与所述电网连接，所述逆变 单元的控制端与所述控制单元的逆变单元PWM信号输出端连接；
[0010] 所述储能单元的直流端与所述逆变单元的直流输入端连接，所述储能单元的控制 端与所述控制单元的储能单元控制信号输出端连接；
[0011] 所述直流电压检测装置，其与逆变单元的直流母线连接，以检测逆变单元的直流 电压uDe，所述直流电压检测装置还与控制单元的直流信号输入端连接；
[0012] 所述交流电流检测装置串接于所述逆变单元和并网开关之间，以检测逆变单元输 出的交流电流i s，所述交流电流检测装置还与控制单元的交流电流信号输入端连接；
[0013] 所述交流电压检测装置与逆变单元的交流输出端连接，以检测逆变单元输出的交 流电压U s，所述交流电压检测装置还与控制单元的交流电压信号输入端连接；
[0014] 所述控制单元包括第一比例积分控制器和第二比例积分控制器；所述控制单元根 据下述模型获得逆变单元无功功率控制量U q和逆变单元有功功率控制量U d:
[0017] 式中，kpl为第一比例积分控制器的比例系数；k u为第一比例积分控制器的积分系 数；Qraf为通过第一下垂控制Qraf= kq*(Un-Us)得到的无功功率给定值，其中kq为第一下垂 控制系数，U n为设定的交流电压额定值，Us是由接收自交流电压检测装置的交流电压u 3得 到的交流电压幅值；(^表示所述控制系统输出的无功功率，
其中Is 是由接收自交流电流检测装置的交流电流is得到的交流电流幅值，妒表示交流电压与交流 电流的夹角；kp2为第二比例积分控制器的比例系数，k 12为第二比例积分控制器的积分系 数；Praf为通过第二下垂控制Praf= kf*(fN-fs)得到的有功功率给定值，其中kf为第二下垂 控制系数，f N为设定的频率额定值，fs为由交流电压us得到的频率；Ps表示所述控制系统 输出的有功功率，
[0018] 所述控制单元通过下述模型合成与交流三相分别对应的逆变单元PffM信号PWMa、 PffMb、PffMc:
[0022] Uciut为交流电压幅值控制量，U _= U N_uq
[0023] f _为频率控制量，f _ = f N-Ud
[0024] 控制单元通过其逆变单元PffM信号输出端将与交流三相分别对应的逆变单元PffM 信号PWMa、PWMb、PWM。传输给逆变单元的控制端，以控制逆变单元的输出电压和频率，消除无 功功率不平衡引起的电压偏差以及有功功率不平衡引起的频率偏差；
[0025] 所述控制单元的并网开关控制输出端还与所述并网开关的控制端连接，所述控制 单元还通过其电网电压信号输入端获取电网电压信号，以根据电网电压是否正常控制所述 并网开关的通断，当电网电压正常时，并网开关导通，控制系统处于并网运行模式，当电网 电压故障时，并网开关关断，控制系统处于独立运行模式；所述控制单元通过其储能单元控 制信号输出端将储能单元控制信号传输给储能单元的控制端，以对储能单元进行充电或放 电控制；在并网运行模式下，低电价时（例如夜晚时段）对储能单元进行充电控制，高电价 时（例如白天时段）对储能单元进行放电控制；在独立运行模式下，太阳能光电大于本地负 荷（即多余）时对储能单元进行充电控制，太阳能光电小于本地负荷（即不足）时对储能 单元进行放电控制。
[0026] 本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统，通过对电网电压信号是否 正常的判断自动切换并网运行模式和独立运行模式，同时，自动量测输出的电压与频率，根 据电网电压与频率的反馈，通过下垂控制，主动调节有功功率不平衡引起的频率偏差，主动 调节无功功率不平衡引起的电压偏差，因此控制系统可通过并网开关的与电源插座适配的 插头直接插入电源插座，具有即插即用的功能；在并网运行模式下，太阳能光电、储能以及 电网均可为本地负载提供电能，还可通过夜晚低电价时对储能单元进行充电控制，将储能 充满电，白天高电价时对储能单元进行放电控制，储能售电给电网，利用电网电价的峰谷差 提高经济性，此时储能单元输出功率满足P ess= Ps-Ppv，其中，Pess为储能单元输出功率，Ppv 为太阳能光伏电池板的输出功率，Pess为负值时，储能单元吸收功率，其状态为充电，反之 为放电，所述夜晚低电价和白天高电价时间段可由控制系统通过获取外部时钟实现自动判 断；在独立运行模式下，太阳能光电和储能均可为本地负载提供电能，还可通过太阳能光电 大于本地负荷（即多余）时对储能单元进行充电控制，太阳能光电小于本地负荷（即不足） 时对储能单元进行放电控制，为本地负载提供稳定电能，当储能单元输出功率满足P ess = P1-PJt，其中，P1S本地负载功率，其状态为放电；反之为充电，此时储能单元输出功率满 足P ess= Ppv-P1^述太阳能光电大于本地负荷（即多余）是指太阳能光伏电池板的输出功 率P pv大于本地负载功率P1，所述太阳能光电小于本地负荷（即不足）是指太阳能光伏电池 板的输出功率Pp/j、于本地负载功率P 所述太阳能光伏电池板的输出功率P PV可由控制系 统从太阳能光伏电池板的功率数据端口获得，本地负载功率P1可由控制系统根据逆变单元 输出的交流电流1交流电压U 3计算得到。本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控 制系统将太阳能光电与储能进行一体化设计，优化了整个系统、大大降低了成本。
[0027] 优选地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述第一下垂 控制系数k q的范围取l〈kq〈10,所述第二下垂控制系数kf的范围取l〈kf〈10。
[0028] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述第一下 垂控制系数满足下式
其中kq。为第一下垂控制系数预设初值， l<kq〇<10〇
[0030] 上述方案中，为了控制效果最佳，所述第一下垂控制采取自适应控制，第一下垂控 制系数kq随交流电压幅值U 3的变化而变化。
[0031] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述第二下 垂控制系数满足下式
其中kf。为第二下垂控制系数预设初值， l<kf〇<10〇
[0033] 上述方案中，为了控制效果最佳，所述第二下垂控制采取自适应控制，第二下垂控 制系数kf随频率f 5的变化而变化。
[0034] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述控制单 元为数字信号处理器。
[0035] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述直流电 压检测装置包括直流电压传感器。
[0036] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述交流电 压检测装置包括交流电压互感器。
[0037] 进一步地，本发明所述的即插即用的太阳能光储一体化控制系统中，所述交流电 流