集成储能功能的光伏发电系统及动态平衡电能的方法与流程

本发明主要涉及到光伏发电技术领域，确切的说是涉及到在含有光伏电池的应用场合中提供电力储能和并网的方法，能够根据实际情况快速诊断电网需求、并判断出储能部分的能量流动方向从而为电网提供准确的电能补偿。

背景技术：

能源是人类生产生活不可或缺的资源，能源也是人类当前的实际需求和自然资源的消耗之间体现得较为明显的矛盾点。伴随着传统化工能源如石油、煤炭、天然气等的不可再生性，它们在日益枯竭同时也导致了大气污染和温室效应等严重的环境问题。能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展和能源日渐减少，其中太阳能作为重要能源之一以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发展。但太阳能存在间歇性及不稳定性和可控性差等缺陷。为保证其供电的均衡性和连续性，储能装置成为光伏发电系统的关键配套部件。储能系统种类较多，铅酸电池、锂电池、钠硫电池和钒液流电池等的应用技术虽成熟度不一，但均较易实现大容量储能。电池类储能的充放电速度、充放电次数等受到电池特性的限制，不能用于实现快速的动态功率补偿，抑制动态振荡、平滑风力发电输出的快速变化。提供可快速充、放电且充放电次数自动适应功率补偿的光伏储能电站是当前亟待解决的难题。光伏储能电站包括将太阳能转变为电能的太阳能电池板、用于将太阳能电池板输出的直流电转变为稳定的直流电的dc/dc变换器、储能系统，以及用于利用直流到直流的变换器对储能系统进行充电的控制器，光伏储能电站还包括用于将直流电变换器输出的直流电转变为交流电的直流电到交流电的逆变器。本申请提及的光伏储能电站的目标是可快速地响应充放电要求、可吸收频繁微弱光照，满足使储能电站具有高效率且具有储能迅速、具有超长的循环寿命的特征点。

太阳能具有分布广泛且近乎无穷无尽的特点，使用太阳能光伏发电系统的问题在于光伏能源也具有间歇性和不确定的特点，很难为负载提供持续稳定的电力供应，目前常用的方法是采用储能系统来存储或释放电能，降低天气造成光伏发电系统的负面影响，为用户稳定供电以保证供电的可靠性和电能质量。基于提高光伏发电系统的能量管理效率通常会设置电池管理系统对其进行管理，只是简单地控制电池模块的充放电情况，随着光伏发电系统组件的增加、功能多样化的扩展，简单地控制电池的充放电越来越显出效率低下和响应慢及控制准确度差等缺陷，无法根据负载及电池模块的参数进行充放电控制，以至于能量利用效率低。太阳能光伏发电系统作为诸多利用太阳能资源中的一种已经广泛应用于现在的工业及民用电力系统中。除了常规意义上的并网光伏发电系统，光伏的离网型系统也是较为常见的利用太阳能发电的系统。光伏的离网型系统一般由光伏电池组件、连接光伏电池组件的交流到直流的充电器、连接交流到直流的充电器输出端的电池组、连接蓄电电池组输出端的直流电到交流电的逆变器、及交流负载等构成。光伏电池组件在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过充电装置给蓄电电池包充电；在无光照时通过逆变器由蓄电电池包给交流负载供电。现有的光伏的离网型系统如果对电池组件已经被确立的容量试图有所更改的话，则需要改造整个储能系统的设备设计以对电池组件进行扩容，或需要在切断电力输出的情况下更换电池，在极不方便的情况下对电池容量进行更改操作。因此有必要提供改进的光伏发电系统及其储能系统以解决上述问题。

技术实现要素：

本申请在一个实施例中提供了一种集成储能功能的光伏发电系统，包括：多级光伏组件以及串联连接的多级电压转换器，每一级电压转换器均将从与之对应的一个光伏组件撷取到的电能转换成输出功率；对多级电压转换器提供的输出功率执行功率转换并产生交流电的逆变器；多级电压转换器各自的输出电压叠加到直流母线上并作为母线电压；动态平衡直流母线上电能的储能部分，在多级光伏组件提供的对外功率之和低于交流电所需要的预定功率值时储能部分向直流母线上馈送电能，或者，在多级光伏组件提供的对外功率之和高于交流电所需要的预定功率值时储能部分从直流母线上吸取电能。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：每一级电压转换器还用于将与之对应的一个光伏组件的输出电流和输出电压设置在最大功率点处。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：储能部分包括双向直流变换器和蓄电电池，储能部分以蓄电电池储存的电能作为能量供应源而向直流母线上馈送电能，或者储能部分将吸取的电能储存在蓄电电池。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：蓄电电池的给定参考功率除以蓄电电池被设定的电池电压所计算得到的值定义为双向直流变换器的跟踪电流值，实时采集双向直流变换器实际的输出电流，控制双向直流变换器的实际输出电流趋于等于跟踪电流值。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：蓄电电池的给定参考功率等于多级光伏组件提供的对外功率之和与交流电所需要的预定功率值之间的差值。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：控制双向直流变换器的实际输出电流趋于等于跟踪电流值的方式包括：基于双向直流变换器的实际输出电流和跟踪电流值建立的电流pi控制器产生的脉冲宽度调制信号用于驱动双向直流变换器；pi控制器将跟踪电流值设为给定指令值及同步调节双向直流变换器的实际输出电流对跟踪电流值的偏差，根据该偏差产生的脉冲宽度调制信号在驱动双向直流变换器的阶段用以减少该偏差。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：多级光伏组件提供的对外功率之和与预定功率值之间的差值的正号或负号乘以跟踪电流值的大小来定义跟踪电流值的方向：跟踪电流值为负值时双向直流变换器中电流的方向为从蓄电电池流向直流母线；跟踪电流值为正值时双向直流变换器中电流的方向为从直流母线流向蓄电电池。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：双向直流变换器同时带有升压电路和降压电路，跟踪电流值为负值时设定双向直流变换器处于升压工作状态，跟踪电流值为正值设定双向直流变换器处于降压工作状态。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：升压电路在双向直流变换器处于升压工作状态时的占空比和降压电路在双向直流变换器处于降压工作状态时的占空比互补。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：双向直流变换器在耦合到直流母线的输入侧设置有输入电容以及在耦合到蓄电电池的输出侧设置有输出电容；当输入电容两端的压降高于输出电容两端的压降时，触发双向直流变换器将电能存储到蓄电电池，以及当输入电容两端的压降低于输出电容两端的压降时，触发双向直流变换器将电能从蓄电电池馈送到直流母线。

上述的集成储能功能的光伏发电系统，其中：双向直流变换器耦合到直流母线的输入侧的压降高于双向直流变换器耦合到蓄电电池的输出侧的压降时，触发双向直流变换器启用降压电路将电能存储到蓄电电池；以及双向直流变换器耦合到直流母线的输入侧的压降低于双向直流变换器耦合到蓄电电池的输出侧的压降时，触发双向直流变换器启用升压电路将电能馈送到直流母线。

本申请在另一个实施例中提供了一种在集成储能功能的光伏发电系统中动态平衡电能的方法，光伏发电系统具有多级光伏组件和串联连接的多级电压转换器，每一级电压转换器均将从与之对应的一个光伏组件撷取到的电能转换成输出功率；光伏发电系统还具有对多级电压转换器提供的输出功率执行功率转换并产生交流电的逆变器，并且多级电压转换器各自的输出电压叠加到直流母线上并藉此作为母线电压；所述方法包括：比较多级光伏组件提供的对外功率之和与交流电所需要的预定功率值的大小；在多级光伏组件提供的对外功率之和低于交流电所需要的预定功率值时，利用提供的储能部分向直流母线上馈送电能；在满足多级光伏组件提供的对外功率之和高于交流电所需要的预定功率值时，利用提供的储能部分从直流母线上吸取电能；藉此利用储能部分动态地吞吐能量来平滑直流母线上的能量波动。

上述的方法，其中：每一级电压转换器还用于将与之对应的一个光伏组件的输出电流和输出电压设置在最大功率点处。

上述的方法，其中：储能部分包括双向直流变换器和蓄电电池，其动态地吞吐能量的方法包括：储能部分将吸取的电能储存在蓄电电池，或者储能部分以蓄电电池储存的电能作为能量供应源而向直流母线上馈送电能。

上述的方法，其中：储能部分在吞吐能量过程中调节吸取或馈送的功率值大小的方法包括：采集多级光伏组件各自提供的对外功率以及计算多级光伏组件提供的对外功率之和与交流电所需要的预定功率值之间的差值；将蓄电电池的给定参考功率除以蓄电电池的电池电压所计算得到的值定义为双向直流变换器的跟踪电流值，蓄电电池的给定参考功率等于所述差值；实时采集双向直流变换器实际的输出电流，并控制双向直流变换器的实际输出电流趋于等于跟踪电流值。

上述的方法，其中：控制双向直流变换器的实际输出电流趋于等于跟踪电流值的模式包括：基于双向直流变换器的实际输出电流和跟踪电流值所建立的电流pi控制器所产生的脉冲宽度调制信号用于驱动双向直流变换器；电流pi控制器将跟踪电流值设为给定指令值以及还同步调节双向直流变换器的实际输出电流对跟踪电流值的偏差，根据该偏差产生的脉冲宽度调制信号在驱动双向直流变换器的阶段用以减少该偏差。

上述的方法，其中：利用所述的差值的正号或负号乘以跟踪电流值的大小来定义跟踪电流值的方向：跟踪电流值为负值时双向直流变换器中电流的方向为从蓄电电池流向直流母线；跟踪电流值为正值时双向直流变换器中电流的方向为从直流母线流向蓄电电池。

上述的方法，其中：设定双向直流变换器同时带有升压电路和降压电路，判断双向直流变换器启用升压电路或者启用降压电路的方式为：判断出跟踪电流值为负值时则驱动双向直流变换器处于升压工作状态；判断出跟踪电流值为正值时则驱动双向直流变换器处于降压工作状态。

上述的方法，其中：双向直流变换器同时带有升压电路和降压电路，升压电路在双向直流变换器处于升压工作状态时的占空比和降压电路在双向直流变换器处于降压工作状态时的占空比彼此之间设为互补。

上述的方法，其中：双向直流变换器耦合到直流母线的输入侧的压降高于双向直流变换器耦合到蓄电电池的输出侧的压降时，触发双向直流变换器启用降压电路将电能存储到蓄电电池；双向直流变换器耦合到直流母线的输入侧的压降低于双向直流变换器耦合到蓄电电池的输出侧的压降时，触发双向直流变换器启用升压电路将电能馈送到直流母线。

附图说明

为使上文目的和特征及优点能够更加通俗易懂，后文结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本申请的特征和优势将显而易见。

图1是多级光伏组件以及串联连接的多级电压转换器整体架构的范例示意图。

图2是多级电压转换器或者逆变器作为给蓄电电池充电的充电设备的示意图。

图3是在集成储能功能的光伏发电系统中引入双向直流变换器的范例示意图。

图4是在集成储能功能的光伏发电系统中驱动双向直流变换器的范例示意图。

图5是双向直流变换器中升压电路和降压电路共享功率开关管的范例示意图。

图6是双向直流变换器中升压电路和降压电路分设功率开关管的范例示意图。

具体实施方式

下面将结合各具体的实施例，对本申请披露的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本申请用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，在基于该等实施例的基础之上，本领域的技术人员应该认识到，在没有做出创造性劳动的前提下所获得的任何方案都属于本申请的保护范围。

当前在分布式或集中式光伏电站中，值得关注的问题是：阴影遮挡造成众多光伏组件之间的失配；问题还在于：光伏组件的电池输出特性体现在输出电压和输出电流与光照强度和环境温度等外部因素存在着密切的关联，外部环境因素的不确定性，导致最大输出功率和最大功率点的对应电压跟随着外部因素的变化而变化。基于这些疑虑，考虑外部因素而实现光伏组件/电池的最大功率点追踪是本申请的目的之一。

参见图1，光伏组件阵列是光伏发电系统从光能到电能转换的基础，光伏组件阵列中安装有多个电池组串，电池组串由多个串联连接的光伏组件pv1至pvn串接构成。每块光伏组件或称电池均配有执行最大功率追踪演算的电压转换器或功率优化器。在某个电池组串中譬如第一级光伏组件pv1产生的电能由第一级电压转换器ch1进行功率转换以执行功率优化，以及第二级光伏组件pv2产生的电能由第二级电压转换器ch2进行功率转换以执行功率优化，依此类推，直至第n级的光伏组件pvn所产生的电能由第n级的电压转换器chn进行功率转换以执行功率优化，n为不低于1的自然数。使用在该场合的电压转换器又称为最大功率点跟踪器，通常使用特定类型的拓扑电路来搜索最大功率点并允许电压转换器从光伏组件中提取尽可能大的最大功率。

参见图1，设定第一级电压转换器ch1输出电压vo1，第二级电压转换器ch2输出电压vo2，…依此类推，直至第n级的电压转换器chn输出电压von。任意一串光伏电池组串上总的串级电压通过计算大约为vo1+vo2+…von＝vbus。不同的多组电池组串并联连接在母线la和lb之间：如果定义多级电压转换器ch1-chn构成某个链路则不同的多个链路并联连接在母线la和lb之间。光伏组件阵列提供的总的电能由直流母线输送给能源/能量收集装置，能源收集装置的类型有多种选择，至少包括图1中可将直流电逆变成交流电的逆变器invt或包括为蓄电池充电的充电器等。实质上图1中的光伏组件仅仅是作为直流电源也即被优化对象的特定范例，电压转换器不但兼容晶硅电池板，还可以匹配到部分薄膜电池中，光伏组件也可以被替换成化学电池或电瓶或蓄电池等，电压转换器更广泛的意义是对不同类型的直流电源实施功率优化，如风能和燃料电池等。现有技术中针对直流电源的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的电压转换器，最常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等，惯用的开路电压法和短路电流法等属于相对较为简单的方案，但是追踪精度相对较低。

参见图1，电压转换器归属于电力电子设备，主要目的是实现个体光伏组件的最大功率点跟踪的功能。降压buck电路、升压boost电路、升降压buck-boost电路和另外丘克变换器cuk电路等，是适用于光伏电压转换器的主电路拓扑。该等主电路拓扑本质上还是属于开关电源smps系统的范畴，开关电源系统通常是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源实现的功率变换是其核心部分，为了满足高功率密度要求，变换器需要工作在高频状态并且开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的功率开关，譬如功率晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘型双极型晶体管等。开关变换器的主要控制方式分为脉冲宽度调制、脉冲频率调制等多种，常用脉宽调制方案。本申请的开关电源转换器所体现出的是一个直流电到直流电的降压或升压的电压变换器，电压转换器对单组件进行最大功率优化后，能量被传输给逆变器进行直流到交流电的处理后，供本地使用或并网。逆变器invt通常可以是无最大功率追踪的纯逆变设备或配有二级最大功率追踪的逆变设备。

参见图1，以数量为n的多个光伏组件pv1-pvn和相应的数量为n的串联的电压转换器ch1-chn以及配套的逆变器invt作为范例来阐释整个发电系统。电压转换器有耦合到光伏组件的输入端和提供输出功率的输出端。譬如第一级电压转换器ch1输入侧的第一输入端耦合到第一级光伏组件pv1的正极，第一级电压转换器ch1输入侧的第二输入端耦合到第一级光伏组件pv1的负极，输入侧接收到的电能被转换成在第一级电压转换器ch1输出侧的第一输出端和第二输出端处的输出功率。光伏组件pv2-pvn和电压转换器ch2-chn的对应关系已经展示在图中。要求电压转换器ch1-chn按照如下规律串联连接：串联的多级电压转换器ch1-chn提供的总的串级电压等于它们各自的输出电压的叠加值。从而：在第一级电压转换器ch1耦合到的母线la和在第n级的电压转换器chn耦合到的母线lb之间可以提供总的串级电压vbus＝vo1+vo2+…von。功率优化器的最主要的核心意义在于：某个电压转换器需要将与之配对某个直流电源的输出电流和输出电压设置成该直流电源的最大功率点，换言之，电压转换器需要将自身的输出电流设置成与其配对的直流电源的输出电流无直接关联性，电压转换器需要将自身的输出电压设置成与其配对的直流电源的输出电压无直接关联性。

参见图1，数量为n＝10的电压转换器ch1-ch10按照如下规律串联连接：认为任意前一级电压转换器的第二输出端通过电力线等耦合到相邻后一级电压转换器的第一输出端。以实际的连接关系为例：第一级电压转换器ch1的第二输出端连到第二级电压转换器ch2的第一输出端，及第二级电压转换器ch2的第二输出端连到相邻的第三级电压转换器ch3的第一输出端，依此类推，直至第九级电压转换器ch9的第二输出端被直接连接到第十级电压转换器ch10的第一输出端。因此还可以认为：串联连接的多级电压转换器ch1-ch10提供的串级电压等于它们各自的输出电压的叠加值；从而：在耦合到第一级电压转换器ch1第一输出端的母线la和在耦合到第十级电压转换器ch10第二输出端的母线lb之间可以提供总的串级电压vbus＝vo1+vo2+…vo10。

参见图1，传统串联型的功率优化器采用的是固定电压的设计理念。逆变器根据交流端电压确认一个稳定的直流母线的电压，汇总串联的功率优化器收集的最大功率，进而计算出母线电流并通过无线或电力载波信号传输给功率优化器。功率优化器输出端的电压等于收集的组件最大功率的功率除以母线电流。如多级电压转换器ch1-chn收集的最大功率被输送给逆变器invt，光伏组件pv1-pvn提供的总功率除逆变器invt的直流母线的固定电压就能计算出母线电流。组件出现被遮挡的情况后，被遮挡的电池所对应的功率优化器根据伏安曲线重新确定最大输出功率值，通过通信手段传输给逆变器。在维持直流母线电压不变的前提下，重新计算母线电流如变小并反馈给各电压转换器。此时被遮挡的光伏组件的功率降低，它对应的电压转换器也会降压来确认输出电流达标。其他未被遮挡的光伏组件的电压转换器则会升压来达标输出电流，这个动态的调节程序其实是电压补足的过程，从而提供给逆变器的直流端母线电压被稳定。固定电压的设计理念，存在的疑虑是极易导致未被遮挡的光伏组件对应的电压转换器的输出电压可能超过电压转换器自身的电压耐受范围，部分组件遮挡越严重时这一问题愈发突出，因此直流母线的直流电压也可以适当的进行弹性浮动，这些设计理念均适用于被申请。

参见图1，多级电压转换器ch1-chn均配置有处理器，除了执行mppt是由处理器输出的脉冲宽度调制信号pwm实现的，处理器和它配置的外设硬件还可以采集直流电源或电压转换器的各类目标参数，相当于数据采集器，因为数据采集设备能撷取这些目标参数数据是十分有意义的，如基于每个电池组串的总功率来计算母线电流和调节母线电压以及将各类数据传送到云端服务器作为备份或供调用等。在可选的实施例中外设硬件可以将光伏组件的电压和电流、功率以及温度和发电量等等一系列的相关指定目标参数信息进行采集，例如电压参数由电压传感器、电流参数由电流传感器、温度参数由温度感应器等外设硬件采集、光照辐射强度有光照传感器采集。很容易理解，外设硬件的种类越多处理器能够得到的和光伏组件相关的参数种类也就越多，但成本会增加所以需要折衷。在更简单的实施例中，各类目标参数还可以包括通过环境监测仪来侦测到的光伏组件所处的周边环境因素数据：环境温度及湿度、风速、光照强度和气压等，可见环境监测仪是一种高集成度的数据采集器。电压转换器彼此之间通过无线通信或载波通信可以互传数据或者电压转换器和逆变器invt之间通过无线通信或载波通信互传数据。

参见图1，太阳能这种能源被有效利用的实现方法，包括提供数量为n的电压转换器和数量为n的光伏组件，电压转换器ch1-chn与光伏组件pv1-pvn以一对一的方式进行功率转换，自然数n＞1。提供一个用于对电压转换器ch1-chn的输出功率进行汇聚的逆变器invt，其中，为逆变器invt供电的母线电压vbus等于多个电压转换器各自的输出电压vo1+vo2+…von的叠加值，逆变器是直流电到交流电的转换设备。逆变器的逆变电路通常在处理器输出的驱动信号的驱动之下而执行直流电到交流电的逆变，与处理器具有相同功能的等同器件如：逻辑器件、控制装置、状态机、控制器、芯片、软件驱动或复数的微处理器、门阵列。逆变器带有控制单元或处理单元或处理器。逆变器产生的交流电可并网到电网grid或者供给交流负载而本地使用。

参见图2，在本申请的一个实施例中，提供的集成储能功能的光伏发电系统主要是试图在直流母线la-lb之间进行电能的吸收和电能的反向推送，使得光伏发电系统具备功率调节功能从而应对光伏组件的功率不稳定性。前文已经提及过：阴影遮挡和组件老化以及光照强度和环境温度等外部因素，都会造成光伏组件的功率不稳定。光伏组件的实时功率和最大功率点的对应电压跟随着外部因素的变化而变化，进一步引起光伏发电系统提供的交流电不符合安全规范，负面影响是，造成对电网grid的功率波动冲击，可能会超出电网能够耐受的电压波动范围。因此本申请需要解决的最基本问题就在于，使传统的光伏发电系统增加储能部分，应对光伏组件的功率间歇性波动。储能装置除了可用的铅酸电池以及锂电池、钠硫电池和钒液流电池等，任何蓄电电池bat均适应于本申请。蓄电电池耦合到直流母线上以将储存的电能作为能量供应源而向直流母线上馈送电能，或蓄电电池耦合到直流母线上以在母线上吸取电能并储存在蓄电电池中。蓄电电池bat的应用中铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂电池、超级电容，它们分别应用于不同场合或产品中，当前应用最广是铅酸蓄电池，其衍生出来很多改造型蓄电电池种类，如富液铅酸电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池，铅-碳电池等。目前发展最快的是锂电池系统，尤其以磷酸铁锂电池和三元锂电池即镍钴锰酸锂电池(li-ni-co-mn)作为典型代表。

参见图3，在本申请的一个实施例中，集成储能功能的光伏发电系统当中具有多级光伏组件pv1-pvn以及串联连接的多级电压转换器ch1-chn，其中每一级电压转换器均将从与之对应的一个光伏组件撷取到的电能转换成输出功率，譬如电压转换器chn将从与之对应的光伏组件pvn撷取到的电能转换成电压转换器chn自身的输出功率。集成储能功能的光伏发电系统当中具有对多级电压转换器ch1-chn提供的输出功率执行功率转换并产生交流电的逆变器invt。根据前文所述，多级电压转换器ch1-chn各自的输出电压也即vo1至von叠加到直流母线la-lb上并藉此作为母线电压，实际上母线电压近乎等于串级电压vbus＝vo1+vo2+…von。在某个实施例中母线电容cbus连接在两个直流母线la-lb之间，母线电容cbus的大电容容量能有效减小母线电压的波动并实现输入的恒定功率和输出的波动功率之间的解耦。如图3所示，集成储能功能的光伏发电系统当中具有动态平衡直流母线上电能的储能部分，储能部分包括双向直流变换器80和蓄电电池bat。储能部分动态平衡直流母线上电能的设计方案主要体现在：储能部分以蓄电电池bat储存的电能作为能量供应源而向直流母线la-lb上馈送电能，或储能部分将从直流母线上吸取的电能储存在蓄电电池bat内。所以双向直流变换器80的意义就在于要么将能量储存到蓄电电池bat中，要么将能量输送到直流母线上，能量或功率在双向直流变换器80的输入侧和输出侧是双向流动的。双向直流变换器80本质上也属于高频开关电源smps的范畴，降压buck电路、升压boost电路、升降压buck-boost电路和另外丘克变换器cuk电路等也适用于双向直流变换器80，不过双向直流变换器和功率优化器也即前述的电压转换器ch1-chn相比，它们的运作机制不一致，电压转换器的作用是实现最大功率点跟踪而双向直流变换器的作用则是实现功率双向流动。

参见图4，逆变器输入的功率大体上要求保持恒定但它输出的功率因为电网电压和电流都是低频交流电，导致逆变级的瞬时功率中含有两倍频脉动量，低频脉动功率使逆变级输入电流含有较大的两倍输出电压频率交流分量，以至于前级电压转换器的输出电流出现低频脉动，脉动功率由电压转换器滤波电感及中间母线电容共同承担。如果试图更优化的实现逆变级输入的恒定功率和输出的波动功率之间的解耦，有必要使用储能方案。在本申请的某个实施例中，动态平衡直流母线上电能的储能部分的工作机制体现在：在统计各级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率的基础上，譬如采集第一级光伏组件pv1提供的对外功率p1，采集第二级光伏组件pv2提供的对外功率p2，依此类推直至采集第n级的光伏组件pvn提供的对外功率pn。毫无疑虑，多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和等于p1+p2+p3+…pn＝pt，粗略计算大体上多级电压转换器ch1-chn各自提供的输出功率相加也约等于pt，实际上略微有部分功率损耗。基于外部因素引起光伏组件功率波动的现实情况，总体而言所述的对外功率之和pt并不一定总是能够完美的匹配电网所要求的逆变器的输入功率，应对措施大体上设计为：在多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt低于交流电所需要的预定功率值pg时储能部分向直流母线la-lb上馈送电能，这里交流电所需要的预定功率值pg主要取决于电网或交流负载的需求，如果交流电被确定了则预定功率值基本上就可以被确定；在多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt高于交流电所需要的预定功率值pg时储能部分从直流母线la-lb上吸取电能并保存到蓄电电池。考虑到光伏电站中光伏发电的不稳定性，光伏组件pv1-pvn的实时功率发生突变或瞬态跳变时，云朵、树影以及建筑物遮挡等都是光伏组件输出功率发生波动性和随机性的诱引因素，储能部分起到实时补偿的作用和平衡系统功率，努力保障和维系逆变级的输入功率接近交流电所需要的预定功率值。

参见图4，在本申请的一个实施例中，揭示了适用于和双向直流变换器80配合使用的微处理器100当中至少包括的各个功能模块：蓄电电池bat的给定参考功率除以蓄电电池的电池电压vb所计算得到的值定义为双向直流变换器80的跟踪电流值ir，因此给定参考功率通过除法器div除以电池电压vb等于跟踪电流值ir。这里计算出跟踪电流值的意义在于我们需要主动的控制双向直流变换器80也即控制双向dc/dc变换器的实际输出电流ia趋于等于跟踪电流值ir。实际输出电流ia可以通过电流传感器进行检测而且绝大部分时候是检测dc/dc变换器的电感电流，当然电流传感器检测出的电流模拟量需要被微处理器进行数字化处理也即a/d转换。在本申请的一个实施例中，蓄电电池的给定参考功率实质上等于多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt与交流电所需要的预定功率值pg之间的差值，前文已经介绍过多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和等于p1+p2+p3+…pn＝pt，给定参考功率等于pt减去pg，必须留意到对外功率之和并非持续大于或小于预定功率值，意味着pt减去pg的计算结果应当带有正负符号也即表征pt和pg的大小关系。微处理器100控制双向直流变换器80的实际的输出电流ia趋于等于跟踪电流值ir的模式包括：为了减小ia和ir之间的误差并竭力提高响应功率波动的动态反应能力，主要的方案是基于双向直流变换器80的被监测到实际输出电流ia和跟踪电流值ir所建立的电流pi控制器所产生的脉冲宽度调制信号用来驱动双向直流变换器80，单环负反馈的电流pi控制器将跟踪电流值ir设为给定指令值以及还同步调节双向直流变换器80的实际输出电流ia对跟踪电流值ir的偏差，实际输出电流大部分时候可认为是电感电流，并根据该偏差所产生的脉冲宽度调制信号pwm在驱动双向直流变换器80的阶段用以减少该偏差。在业界pi控制器/调节器根据给定指令值与实际输出值构成控制偏差，在控制过程中将偏差的比例和积分通过线性组合而构成所谓的控制量，对被控对象譬如所述实际输出电流ia进行控制。其中比例调节作用：按比例反应控制对象的偏差，被控对象一旦出现了偏差，比例调节快速反应立即产生调节作用用以减少偏差。采用较大的比例作用可以加快调节减少误差，但是过大的比例关系会使双向直流变换器的稳定性下降乃至造成变流器的不稳定。其中积分调节作用：使双向直流变换器系统消除稳态误差并提高无误差度。在业界所谓的比例、积分和微分作用常常被视为具有较佳的调节规律而结合使用，并组成pi调节器或pid调节器。pi调节器或pid调节器的输出量输送给pwm产生模块可产生期望的目标pwm信号，pwm信号再反过来用于控制功率级的执行机构譬如双向直流变换器80的功率开关管。本申请中电流pi控制器先根据前述偏差而产生输出量d，输出量d传递给pwm产生模块所产生的脉冲宽度调制信号用于驱动双向直流变换器80，根据该偏差产生的脉冲宽度调制信号pwm在驱动双向直流变换器80的阶段用以减少ia-ir间的偏差。

参见图4，正如前述内容所言，描述了pt减去pg的计算结果应当带有正负符号也即用于表征pt和pg的大小关系，在某个实施例中，多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt与预定功率值pg之间的差值的正号或负号乘以跟踪电流值ir的大小值来定义跟踪电流值的方向；也可以认为pt减去pg的计算结果除以蓄电电池bat的电池电压vb所计算得到的值定义为双向直流变换器80的跟踪电流值ir，那么跟踪电流值自然带有pt和pg间差值的正号或负号。总而言之，pt/pg差值的正号或负号乘以跟踪电流值的绝对值大小来定义跟踪电流值的方向：跟踪电流值ir为负值时意味着双向直流变换器80中电流的方向为从蓄电电池bat流向直流母线la-lb，反映出能量从蓄电电池流向直流母线；跟踪电流值ir为正值时意味双向直流变换器80中电流的方向为从直流母线la-lb流向蓄电电池bat，反映能量从直流母线流向蓄电电池。

参见图5，双向直流变换器80即dc/dc变换器虽然属于高频开关电源smps的范畴但它的可选拓扑结构并不限制于特定的种类。双向直流变换器80较佳同时带有升压电路和降压电路。在可选的实施例中：功率开关q1和功率开关q2串联连接在双向直流变换器的第一输入节点和第二输入节点之间，其中第一输入节点耦合到直流母线la以及相应的第二输入节点耦合到直流母线lb，还设定双向直流变换器的第一输出节点耦合到蓄电电池bat的正极而双向直流变换器的第二输出节点耦合到蓄电电池bat的负极。注意功率开关q1和功率开关q2两者相连于第一互连节点x1，电感器件l则连接在双向直流变换器的第一互连节点x1和第一输出节点之间，而且第二输入节点和第二输出节点则直接耦合在一起。在可选但非必须的某个实施例中：第一输入节点和第二输入节点之间连接有输入电容c1，第一输出节点和第二输出节点之间连接有输出电容c2。功率开关典型的有绝缘栅双极晶体管或半导体场效应晶体管等。双向直流变换器80较佳同时带有降压电路和升压电路譬如：能量从变换器输入侧的第一输入节点和第二输入节点流向变换器输出侧的第一输出节点和第二输出节点，则降压电路起到主导作用，功率开关q1-q2两者构成降压电路buck的降压单臂，前述pwm产生模块提供的pwm信号可用于驱动降压电路的互补开关q1-q2两者高频切换但它们不允许同时接通，通常pwm信号针对降压电路的占空比是指功率开关q1的占空比，功率开关q2是同步续流开关，此实施例中能量从直流母线流向蓄电电池。在作为对比的其他实施例中，双向直流变换器80较佳同时带有升压电路和降压电路：能量从变换器输出侧的第一输出节点和第二输出节点处流向变换器输入侧的第一输入节点和第二输入节点处，则升压电路起到主导作用，而且前述功率开关q1-q2两者构成升压电路boost的升压单臂，前述pwm产生模块提供的脉冲宽度调制信号可用于驱动升压电路的互补开关q1-q2，开关q1-q2两者高频切换但它们不允许同时接通，通常pwm信号针对升压电路的占空比是指功率开关q2的占空比而该功率开关q1则是同步续流开关，此实施例中能量从蓄电电池流向直流母线。功率开关在自身的半导体结构中会包含寄生的反向并联二极管，在某些实施例中可直接将外部的二极管并联到功率开关的两端作为等效的反向并联二极管，反向并联的二极管通常也可以作为续流元件而提供流经电感器件中的电流的续流路径。

参见图5，在本申请的一个实施例中，跟踪电流值ir为负值时设定双向直流变换器处于升压工作状态也即功率开关q2作为主开关而功率开关q1作为续流开关。在本申请的另外一个实施例中，跟踪电流值ir为正值设定双向直流变换器处于降压工作状态也即功率开关q1作为主开关而功率开关q2作为续流开关。在某个实施例中，双向直流变换器同时带有升压电路和降压电路，如图5的dc/dc变换器，升压boost电路在双向直流变换器80处于升压工作状态时的占空比和降压buck电路在双向直流变换器80处于降压工作状态时的占空比彼此之间设为互补，譬如升压工作状态条件下的功率开关q2的占空比和降压工作状态条件下的功率开关q1的占空比设为互补，换而言之，也即能量从蓄电电池流向直流母线条件下的功率开关q2的占空比和能量从直流母线流向蓄电电池条件下的功率开关q1的占空比设为互补。必须注意的是，升压条件下的功率开关q2的占空比和降压条件下的功率开关q1的占空比设为互补仅仅是一个可选的实施例，但并非是必须采用的实施例，譬如升压条件下的功率开关q2的占空比如果为0.7而降压条件下的功率开关q1的占空比设为0.6，显而易见的是，升压条件下的功率开关q2的占空比和降压条件下的功率开关q1的占空比并不存在着互补关系。

参见图5，如果dc/dc变换器满足升压工作条件下的功率开关q2的占空比和降压工作状态条件下的功率开关q1的占空比存在着互补关系，在本申请的一个可选实施例中则可以实施如下方案：双向直流变换器80耦合到直流母线la-lb的输入侧的压降高于双向直流变换器80耦合到蓄电电池bat的输出侧的压降时，立即自动触发双向直流变换器启用降压电路将电能存储到蓄电电池bat；当双向直流变换器80耦合到直流母线的输入侧的压降低于双向直流变换器80耦合到蓄电电池bat的输出侧的压降时，则立即自动触发双向直流变换器80启用升压电路将电能馈送到直流母线。这对于调节直流母线上的能量有非常敏捷的动态响应速度和能够实现近乎无时间延迟的能量补偿。双向直流变换器耦合到直流母线la-lb的输入侧的压降实质就是等于输入侧的第一和第二输入节点间的电压压降水准，与此同时，双向直流变换器耦合到蓄电电池bat的输出侧的压降实质就是等于输出侧的第一和第二输出节点间的电压压降水准。

参见图6，能量双向流动/双向功率变换的可选dc/dc变换器中是以基于图5而做出的电路改造：功率开关q1和q2串联在第一输入节点和第二输入节点之间，采用功率管的功率开关q3和q4则串联在第一输出节点和第二输出节点之间，其中第一输入节点耦合到直流母线la以及相应的第二输入节点耦合到直流母线lb，仍然还设定双向直流变换器的第一输出节点耦合到蓄电电池bat的正极而双向直流变换器的第二输出节点耦合到蓄电电池bat的负极，第二输入节点和第二输出节点则直接耦合在一起。双向直流变换器中的功率开关q1和q2两者相连于互连节点x1以及功率开关q3和q4两者相连于另外的互连节点x2，还在dc/dc变换器第一互连节点x1和第二互连节点x2之间连接主电感器件l。在可选的实施例中：能量从变换器输入侧的第一输入节点和第二输入节点处流向变换器输出侧的第一输出节点和第二输出节点处，藉此作为前级的buck降压的单臂的开关q1-q2和作为后级boost的升压单臂的开关q3-q4组成正极性的升降压型电路也即buck-boost电路，和图5相比，能量从母线流向蓄电电池的条件下电路同时具备了降压和升压的功率转换能力而且是h桥式的。如果变换器工作在buck状态可以直接持续接通开关q4而持续关断开关q3，仅仅驱动功率开关q1和q2高频交替切换接通，意味着功率转换buck电路可独立运作；如果变换器工作在boost状态可以直接持续接通开关q1而持续关断开关q2，仅仅驱动功率开关q3和q4高频交替切换接通，意味着功率转换的boost电路可独立运作。

参见图6，在可选的实施例中：能量从变换器输出侧的第一输出节点和第二输出节点处流向变换器输入侧的第一输入节点和第二输入节点处，藉此作为前级的buck降压的单臂的开关q3-q4和作为后级boost的升压单臂的开关q1-q2组成正极性的升降压型电路也即buck-boost电路，和图5相比，能量从蓄电电池流向母线的条件下电路同时具备了降压和升压的功率转换能力而且是h桥式的。如果变换器工作在buck状态可以直接持续接通开关q1而持续关断开关q2，仅仅驱动功率开关q4和q3高频交替切换接通，意味着功率转换buck电路可独立运作；如果变换器工作在boost状态可以直接持续接通开关q4而持续关断开关q3，仅仅驱动功率开关q2和q1高频交替切换接通，意味着功率转换的boost电路可独立运作。前文记载的针对图3-5的各项技术特征或技术方案同样也适用于图6的双向直流变换器。

参见图6，结合前述图3-5的实施例，在可选的实施例中：需要同时检测双向直流变换器输入侧的压降和输出侧的压降的大小，同时确定跟踪电流值ir的正负号，只有满足双向直流变换器80耦合到直流母线la-lb的输入侧的压降高于双向直流变换器80耦合到蓄电电池bat的输出侧的压降时，还满足跟踪电流值ir为正数时，才触发双向直流变换器启用降压电路将电能存储到蓄电电池；或是当只有满足双向直流变换器80耦合到直流母线la-lb的输入侧的压降低于双向直流变换器80耦合到蓄电电池bat的输出侧的压降时，还满足跟踪电流值ir为负数时，才触发双向直流变换器启用升压电路将电能馈送到直流母线；以上情况可选择让升压电路在双向直流变换器处于升压工作状态时的占空比和降压电路在双向直流变换器处于降压工作状态时的占空比彼此之间设为互补。这样的优势是在确保快速响应直流母线上功率变化的前提下，避免功率的错误流向，直流母线上错误的功率补偿方向可能会加剧并网的交流电对市电电网的冲击。作为基于图3-6的实施例而进一步采取平缓直流母线的措施，各级电压转换器ch1-chn是正极性(也即输出电压和输入电压的极性相同)的类似于图6的升降压型buck-boost电路。作为应付光伏组件输出的实时功率具有较大的波动性和随机性的方案，必须执行优先级高的措施也即先监测电压转换器ch1-chn的工作状态，当电压转换器ch1-chn中的任意一个或多个转换器进入buck降压模式时则立即先行触发储能部分向直流母线上馈送电能，此刻忽略多级光伏组件提供的对外功率之和与交流电需要的预定功率值之间的关系，随后再实施以下方案：在多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt低于交流电所需要的预定功率值pg时储能部分向直流母线上馈送电能，或在多级光伏组件pv1-pvn提供的对外功率之和pt高于交流电所需要的预定功率值pg时储能部分从母线上吸取电能。作为应付光伏组件输出的实时功率具有较大的波动性和随机性的方案，仍然是执行优先级高的措施也即监测电压转换器ch1-chn的工作状态，当所有的电压转换器ch1-chn都被检测到进入boost升压模式时则立即先行触发储能部分从直流母线上吸取电能，此刻忽略多级光伏组件提供的对外功率之pt和与交流电所需要的预定功率值pg之间的关系，随后再实施以下方案：在多级光伏组件ch1-chn提供的对外功率之和pt低于交流电所需要的预定功率值pg时储能部分向直流母线上馈送电能，或在多级光伏组件ch1-chn提供的对外功率之和pt高于预定功率值pg时储能部分从直流母线上吸取电能。以上方案可被应用到图3-6的实施例中并藉此进一步地平缓直流母线的功率波动。

参见图6，本申请解决的问题在于克服光辐照资源的间歇性和不确定特点，竭力为负载提供持续稳定的电力供应，采用储能系统来存储或释放电能，降低天气或组件自身品质以及光伏组件的位置朝向分布等因素对该光伏发电系统的负面影响，为电力用户稳定供电并保证供电的可靠性和电能质量，提高光伏发电系统的能量管理效率。由于光伏组件输出的最大功率是由日照强度所决定，其输出的功率具有随机性和剧烈的波动性，而这种随机的不可控的特性，有很高的几率对电网造成较大的冲击，也可能对一些重要负荷运行造成负面的影响。储能装置则能够弥补光伏发电系统的这一缺点，运作在对该光伏电源输出功率进行削峰填谷、平波抑制的工作机制下，使储能具有一定范围的功率调节作用，当发电量大于用电量时，剩余的电能向储能装置充电，储存起来；当发电量不够用时再调用储能装置并可以将存储的电能释放出来，补充发电的不足。当光伏发电发生突变时，储能装置也能起到实时补偿的作用，平衡系统输出功率。

以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容都应认为仍属本发明的意图和范围内。