一种基于MMC拓扑的光储离网独立供电装置及方法与流程

本发明涉及一种供电装置。更具体地，涉及一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置及方法。

背景技术：

在电网运行中，当电网发生故障时或根据电网调度需要，部分运行区域需要建立独立的离网系统，用来保持交流母线稳定的电压和频率，以维持对负荷的不间断供电。

随着新能源技术的发展，光伏发电成为分布式能源重要的组成部分，离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。但其产生的电能具有波动性和不确定性，给配电网带来一系列不利影响，而储能系统是解决以上问题的一种有效手段。光储系统能够在电能充足时，将多余的电能储存起来；在电能短缺时，释放储能电池中的能量，从而使负载获得连续而稳定的电能供应。

目前，光储系统中往往需要配备高压电池，造成系统的不安全性和不稳定性。而模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，mmc)因其模块化结构可以使储能单元以低电压分散的形式接入，避免了当前光储系统中潜在的问题。mmc具有开关频率低，开关损耗小；多电平输出，输出的交流电压畸变率低等特点，拥有广泛的应用前景。离网系统还要考虑内部大量的单相负荷，可能会导致输出电压不对称。因此，必须采取措施保证三相输出电压的稳定平衡。一般的做法是采用隔离变压器的方法，无需考虑零序电压的问题。但其成本和体积大大增大，不利于实现逆变器的小型化发展。

因此，需要提供一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置及方法。

技术实现要素：

为实现在离网工况下为不平衡负荷提供稳定的电能供应，本发明提出一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置及方法。通过将光伏阵列接入到供电装置直流侧，利用储能电池替代子模块电容，增加第四桥臂对负载电压中零序分量进行控制，不仅可以在不平衡负载条件下保持较好的电能质量，而且也能在电能供应过剩或不足对电能进行存储或补充，提高电能供应的稳定性。

本发明的一个目的在于提供一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置，包括：

光伏阵列；

与光伏阵列相连的mmc拓扑变换器，mmc拓扑变换器包括分别与第一、第二和第三交流负载相连的第一、第二和第三桥臂，用于储存光伏阵列电能；

第四桥臂，包括第一和第二igbt，第一igbt集电极与光伏阵列正极相连，第二igbt发射极与光伏阵列负极相连，第一igbt发射极与第二igbt集电极相连后经桥臂电感连接至第一、第二和第三交流负载公共端，第一和第二igbt基极用于接受驱动脉冲；

零序控制器，基于第一、第二和第三交流负载电压得到驱动脉冲。

优选地，

第一、第二和第三桥臂中的每个均包括上桥臂和下桥臂，各桥臂中的每个上桥臂和下桥臂均由n个储能电池子模块与一个桥臂电感串联组成，各上桥臂的正极与光伏阵列正极相连，各下桥臂的负极与光伏阵列负极相连，各上桥臂的负极与各下桥臂的正极相连且连接点分别为a、b、c，第一、第二和第三交流负载分别经过第一、第二和第三输出电感与连接点a、b、c相连，第一、第二和第三交流负载两端分别并联有第一、第二和第三输出电容，其中，n为自然数。

进一步优选地，

储能电池子模块包括第三igbt、第四igbt和电源e，第三igbt集电极与电源e正极相连，第三igbt发射极与第四igbt集电极相连作为储能电池子模块正极，第四igbt发射极与电源e负极相连作为储能电池子模块负极；

第三和第四igbt分别反向并联有第一和第二保护二极管。

优选地，

零序控制器包括采集模块、计算模块和调节模块，其中

采集模块，用于采集第一、第二和第三交流负载电压；

计算模块，用于对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标系变换，计算零序控制器的反馈值和指令值，基于反馈值和指令值得到驱动脉冲；

调节模块，利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动。

进一步优选地，

零序控制器还包括mppt控制模块，用于实时调整光伏阵列的工作点，控制工作点位于最大功率点。

优选地，

零序控制器还包括soc检测模块，用于实时监测储能电池子模块的soc状态，控制储能电池进行充放电操作。

优选地，

零序控制器还包括环流控制模块，用于采集桥臂电流并基于桥臂电流对独立供电装置的工作状态进行监控。

本发明的另一个目的在于提供一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电方法。

一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电方法，包括：

采集第一、第二和第三交流负载电压；

对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标变换，在两相静止坐标系下对正序和负序电压进行控制，得到第一、第二和第三交流调制电压；

将第一、第二和第三交流负载电压相加，得到零序控制器的指令值；

将第一、第二和第三交流调制电压相加，得到零序控制器的反馈值；

利用比例谐振控制器使反馈值跟踪指令值，获得第四桥臂的驱动脉冲；

利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动。

优选地，

实时调整光伏阵列的工作点，控制工作点位于最大功率点。

优选地，

实时监测储能电池子模块的soc状态，控制储能电池进行充放电操作。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置及方法，用于离网供电场合时，可以减少电网故障后停电时间，减少用户损失，提高供电稳定性，提高电能利用率，减少损耗，电能质量好，通过多级的子模块储能装置可以实现独立的soc控制。同时，实现成本低，仅增加新增桥臂的调制电压计算，大大节省了设备投资。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置结构示意图。

图2示出基于mmc拓扑的光储离网独立供电方法流程图。

图3示出基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置控制方法示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一些列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

为实现在离网工况下为不平衡负荷提供稳定的电能供应，本发明提出一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置。可以将光伏阵列接入到供电装置直流侧，利用储能电池替代子模块电容，增加第四桥臂对负载电压中零序分量进行控制。依靠此方法不仅可以在不平衡负载条件下保持较好的电能质量，而且也能在电能供应过剩或不足对电能进行存储或补充，提高电能供应的稳定性。

该装置以mmc拓扑为基础，将其拓展为拥有三相四桥臂的光储独立供电装置。利用光伏mppt技术实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，实现光伏发电装置发电最大化；实时监测子模块上储能电池的soc状态，得到储能电池的充放电指令；利用采集到的三相负载电压，在两相静止坐标系下对正序和负序电压进行控制，得到三相的调制电压，将得到的三相负载电压以及调制电压相加求和，分别作为零序控制器的反馈值和指令值，从而得到新增桥臂的调制电压，由于负载电压中的负序和零序分量得到了抑制，因此在不平衡负载条件下可以实现三相负载电压的平衡。

一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置，包括光伏阵列、mmc拓扑变换器、第四桥臂和零序控制器，其中：

mmc拓扑变换器与光伏阵列相连，包括分别与第一、第二和第三交流负载相连的第一、第二和第三桥臂，用于储存光伏阵列电能。第一、第二和第三桥臂中的每个均包括上桥臂和下桥臂，各桥臂中的每个上桥臂和下桥臂均由n个储能电池子模块与一个桥臂电感串联组成，各上桥臂的正极与光伏阵列正极相连，各下桥臂的负极与光伏阵列负极相连，各上桥臂的负极与各下桥臂的正极相连且连接点分别为a、b、c，第一、第二和第三交流负载分别经过第一、第二和第三输出电感与连接点a、b、c相连，第一、第二和第三交流负载两端分别并联有第一、第二和第三输出电容，其中，n为自然数。储能电池子模块包括第三igbt、第四igbt和电源e，第三igbt集电极与电源e正极相连，第三igbt发射极与第四igbt集电极相连作为储能电池子模块正极，第四igbt发射极与电源e负极相连作为储能电池子模块负极，第三和第四igbt分别反向并联有第一和第二保护二极管。

第四桥臂，包括第一和第二igbt，第一igbt集电极与光伏阵列正极相连，第二igbt发射极与光伏阵列负极相连，第一igbt发射极与第二igbt集电极相连后经桥臂电感连接至第一、第二和第三交流负载公共端，第一和第二igbt基极用于接受驱动脉冲；

零序控制器，基于第一、第二和第三交流负载电压得到驱动脉冲。零序控制器包括采集模块、计算模块和调节模块，其中采集模块用于采集第一、第二和第三交流负载电压；计算模块用于对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标系变换，计算零序控制器的反馈值和指令值，基于反馈值和指令值得到驱动脉冲；调节模块利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动。

进一步地，零序控制器还包括mppt控制模块，用于实时调整光伏阵列的工作点，控制工作点位于最大功率点。

零序控制器还包括soc检测模块，用于实时监测储能电池子模块的soc状态，控制储能电池进行充放电操作。

零序控制器还包括环流控制模块，用于采集桥臂电流并基于桥臂电流对独立供电装置的工作状态进行监控。

基于上述离网独立供电装置，本发明还提出了一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电方法，包括：

s1：采集第一、第二和第三交流负载电压；

s2：对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标变换，在两相静止坐标系下对正序和负序电压进行控制，得到第一、第二和第三交流调制电压；

s3：将第一、第二和第三交流负载电压相加，得到零序控制器的指令值；

s4：将第一、第二和第三交流调制电压相加，得到零序控制器的反馈值；

s5：利用比例谐振控制器使反馈值跟踪指令值，获得第四桥臂的驱动脉冲；

s6：利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动。

本发明中，进行电压调制时，mppt控制模块实时调整光伏阵列的工作点，控制工作点位于最大功率点附近。soc检测模块实时监测储能电池子模块的soc状态，控制储能电池进行充放电操作。

下面结合一个具体实施例进行说明

如图1所示，一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电装置，其中，mmc拓扑变换器1用于连接独立供电装置的直流侧与交流测。

mmc拓扑变换器1包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，其中，第一桥臂包括第一上桥臂和第一下桥臂，第二桥臂包括第二上桥臂和第二下桥臂，第三桥臂包括第三上桥臂和第三下桥臂。第一上桥臂、第二上桥臂和第三上桥臂与光伏阵列pv的正极相连，第一下桥臂、第二下桥臂和第三下桥臂与光伏阵列pv的负极相连，第一上桥臂和第一下桥臂连接点为a，第二上桥臂和第二下桥臂连接点为b，第三上桥臂和第三下桥臂连接点为c。第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂、第二下桥臂、第三上桥臂和第三下桥臂中每一个分别由n个储能电池子模块sm与一个桥臂电感la串联组成，其中n个储能电池子模块分别为sm1、sm2、sm3、…smn。

储能电池子模块sm由直流电源e、开关器件t1、t2和分别与其反并联的二极管d1、d2组成。t1的集电极与电源e正极相连，t1的发射极与t2的集电极相连作为储能电池子模块sm正极，t2的发射极与电源e负极相连作为储能电池子模块sm负极。

交流测包括第一负载ra、第二负载rb和第三负载rc，第一负载ra、第二负载rb和第三负载rc的一端连至交流负载公共端，另一端分别经输出电感lf连接至连接点a、b和c，第一负载ra、第二负载rb和第三负载rc两端分别并联有输出电容cf，输出电感lf和输出电容cf作为独立供电装置的输出滤波器件。

直流侧还包括第四桥臂2，第四桥臂2包括第一igbt和第二igbt，第一igbt集电极与光伏阵列正极相连，第二igbt发射极与光伏阵列负极相连，第一igbt发射极与第二igbt集电极相连后经桥臂电感连接至第一、第二和第三交流负载公共端，第一和第二igbt基极用于接受驱动脉冲；

作为控制部分，本发明的独立供电装置还包括零序控制器，用于基于第一、第二和第三交流负载电压得到驱动脉冲。

零序控制器包括采集模块、计算模块、调节模块、mppt控制模块、soc检测模块和环流控制模块。其中，采集模块用于采集第一、第二和第三交流负载电压；计算模块用于对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标系变换，计算零序控制器的反馈值和指令值，基于反馈值和指令值得到驱动脉冲；调节模块利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动；mppt控制模块用于实时调整光伏阵列的工作点，控制工作点位于最大功率点附近；soc检测模块用于实时监测储能电池子模块的soc状态，控制储能电池进行充放电操作；环流控制模块用于采集桥臂电流并基于桥臂电流对独立供电装置的工作状态进行监控。

如图2所示，基于上述离网独立供电装置，本发明还提出了一种基于mmc拓扑的光储离网独立供电方法，包括：

s1：采集第一、第二和第三交流负载电压；

s2：对第一、第二和第三交流负载电压进行坐标变换，在两相静止坐标系下对正序和负序电压进行控制，得到第一、第二和第三交流调制电压；

s3：将第一、第二和第三交流负载电压相加，得到零序控制器的指令值；

s4：将第一、第二和第三交流调制电压相加，得到零序控制器的反馈值；

s5：利用比例谐振控制器使反馈值跟踪指令值，获得第四桥臂的驱动脉冲；

s6：利用驱动脉冲对第四桥臂的第一和第二igbt基极进行驱动。

如图3所示，其控制过程如下：

不平衡电压(负载电压)中存在逆时针旋转的正序电压分量和顺时针旋转的负序电压分量，为了获得对称的交流电压，需要将负载电压中的负序分量抑制为零。uα^*、uβ^*、u0^*是在两相静止坐标系下的电压指令值，uα、uβ、u0是在两相静止坐标系下的电压反馈值。ea、eb、ec为三相调制电压。

在整流器和双馈发电机的矢量控制系统中广泛地采用了坐标变换技术，将三相静止坐标系下的电流电压等正弦量转化为同步旋转坐标系下的直流量，这一方面是为了简化系统的模型，实现有功功率和和无功功率的解耦，另一方面是因为pi控制器无法对正弦量实现无静差控制。坐标变换简化了控制系统外环的设计，却使电流分量互相耦合，造成内环结构复杂，设计困难。pr控制器可以实现对交流输入的无静差控制。将pr控制器用于网侧变换器的控制系统中，可在两相静止坐标系下对电流进行调节。可以简化控制过程中的坐标变换，消除两相静止坐标系下对电流进行调节。可以简化控制过程中的坐标变换，消除电流d、q轴分量之间的耦合关系，且可以忽略电网电压对系统的扰动作用。此外，应用pr控制器，易于实现低次谐波补偿，这些都有助于简化控制系统的结构。

本发明中pr控制器由于开环传递函数在基波频率处增益很高，闭环跟踪时稳态的幅值和相位可实现无静差跟踪。

控制部分由电压控制环节，环流抑制环节，mppt及储能电池soc控制环节以及载波移相调制电路组成。利用得到的脉冲控制子模块开关动作，使供电装置输出稳定的交流电压。

本发明采用mmc拓扑结构，mmc具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征：

(1)高度模块化的结构有利于缩短工程设计和加工周期，便于系统维护和易于冗余工作设计；

(2)不平衡运行能力：由于mmc各相桥臂的工作原理完全相同，且均可独立控制，当交流输入电压不平衡或者发生局部故障时mmc仍能可靠运行；

(3)故障穿越和恢复能力：mmc具有良好的故障穿越能力，这是因为mmc的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了mmc的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复；

(4)和传统的两电平电压型变换器(voltagesourcedconverter,vsc)不连续的“斩波”波形不同，mmc的桥臂电流是连续的，且脉动频率较高，能显著降低对交流输出滤波电感的要求。

本发明的装置和方法，将光伏阵列接入到供电装置直流侧，利用储能电池替代子模块电容，增加第四桥臂对负载电压中零序分量进行控制。依靠此方法不仅可以在不平衡负载条件下保持较好的电能质量，而且也能在电能供应过剩或不足对电能进行存储或补充，提高电能供应的稳定性。

本发明中，mmc拓扑结构新增第四桥臂，省去沉重的变压器，结构简单且实现三相负载电压的平衡控制；储能电池代替储能电容，能够监视储能电池的soc(荷电状态)状态，实现充放电控制；引入mppt技术，能够实现光伏阵列的最大化发电；模块化多电平变流器拓扑能够保证电能质量。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。