一种风光储变流器及其控制方法与流程

1.本发明属于输变电技术领域，具体涉及一种风光储变流器及其控制方法。


背景技术：

2.目前的系能源变流器功能均比较单一，即专门的光伏逆变器、专门的储能变流器、专门的风电变流器。在小功率场合，目前灵活度最高的即光储一体机，但是目前的光储一体机均无法实现光伏功率和储能功率灵活调节的功能，比如一台设备设计完成后，设备的光伏额定功率和储能额定功率就不能够再发生变化。这就使得在工程应用中设备灵活调整能力较差，针对不同的应用场景需要设计不同的变流器规格，或者在工程设计时，需要根据现有变流器的参数来进行光伏板敷设、电池配置、风机选择等工作，对工程实施带来一定的不便性。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种风光储变流器及其控制方法，提高设备容量配置灵活度，提高工程设计灵活度，降低工程设计难度。
4.为达到上述目的，本发明所述一种风光储变流器，包括dc/dc i型半砖模块、dc/dc ii型半砖模块、dc/ac半砖模块；所述dc/dc i型半砖模块的输入端用于和光伏板和/或风机连接，所述dc/dc ii型半砖模块的输入端用于和储能电池连接，所有的dc/dc i型半砖模块与dc/dc ii型半砖模块的直流端进行并联，形成直流母线，所述dc/ac半砖模块的输入端与直流母线连接，输出端连接至电网母线；所述dc/dc i型半砖模块包括依次连接的第一移相全桥电路、变压器t1和同步整流电路；所述dc/dc ii型半砖模块包括依次连接的前级移相全桥电路、变压器t2和后级移相全桥电路。
5.进一步的，dc/ac半砖模块包括半桥电路、平面变电感l4和滤波电容，半桥电路包括开关管s3和开关管s4，滤波电容c31第一端与开关管s3的漏极连接，第二端和滤波电容c32的第一端以及滤波电容c33的第二端连接，滤波电容c32的第二端和开关管s4的源极连接，开关管s3的源极和关管s4的漏极以及电感l4第一端连接，电感l4第二端与滤波电容c33的第一端连接。
6.进一步的，变压器t1和变压器t2均为平面变压器。
7.进一步的，同步整流电路和后级移相全桥电路输出端连接有平面电感。
8.进一步的，还包括监控模块，所述监控模块通过通讯线与所有的dc/dc i型半砖模块、dc/dc ii型半砖模块以及dc/ac半砖模块连接。
9.进一步的，第一移相全桥电路、同步整流电路、前级移相全桥电路和后级移相全桥电路中的开关管均为mos管。
10.上述的一种风光储变流器的控制方法，所述dc/dc i型半砖模块中的第一移相全桥电路采用mppt控制策略；当需要dc/dc ii型半砖模块输出端口恒功率输出时，根据第二端口的功率，和第二端口功率输出给定值进行功率闭环控制，第一端口的全前级移相全桥
电路工作在同步整流状态；当需要dc/dc ii型半砖模块输入端口需要恒功率输出时，根据第一端口的功率p1和第一端口功率输出给定值进行功率闭环控制，输出端口的后级移相全桥电路工作在同步整流状态；当需要dc/dc ii型半砖模块输出端口恒压输出时，根据输出端口的电压，进行电压闭环控制，输入端口的全桥电路工作在同步整流状态；
11.dc/ac半砖模块通过采集直流侧电压，对电压进行闭环控制，控制输出作为后级输出电流给定量，实现直流侧恒压控制与交流测电流源控制。
12.进一步的，dc/dc ii型半砖模块的控制过程为：
13.当需要dc/dc ii型半砖模块第二端口恒功率输出时，采集第二端口的电压及第二端口电流，根据第二端口的电压及第二端口电流计算出第二端口的功率，并根据ii型半砖模块第二端口功率输出给定值和第二端口的功率进行功率闭环控制，产生第二端口的电流控制信号，进行第二端口的功率闭环控制，此时第一端口的全前级移相全桥电路工作在同步整流状态；
14.当需要dc/dc ii型半砖模块1端口恒功率输出时，采集第一端口电压及第一端口电流，根据第一端口电压及第一端口电流计算出第一端口的功率，根据ii型半砖模块第一端口功率输出给定值和第一端口的功率进行功率闭环控制，产生第一端口的电流控制信号，从而进行第一端口的功率闭环控制，此时第二端口的后级移相全桥电路工作在同步整流状态；
15.当需要dc/dc ii型半砖模块第二端口恒压输出时，采集第二端口的电压，进行电压闭环控制，产生第二端口的电流控制信号，从而进行第一端口的电压闭环控制，此时第一端口的全前级移相全桥电路工作在同步整流状态。
16.进一步的，dc/ac半砖模块的控制过程为：
17.采集交流侧电网电压，对采集到的电网电压进行二阶广义积分sogi计算，产生同频正交分量，从而通过park/clack变换将单相交流电压转换为dq坐标系下的d轴直流电压和q轴直流电压，通过对q轴电压进行目标为0的pi控制，并加入100π的角频率补偿，对补偿结果进行2π倍取余，最终得到电网当前相角，从而实现软件锁相。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
19.本发明提供的一种风光储变流器，包括i型dc/dc半砖模块、ii型dc/dc半砖模块和dc/ac半砖模块，i型dc/dc半砖模块连接风机和/或光伏板，将风机和/或光伏板发出的不稳定的直流电能变换为恒定电压输出的直流电，ii型dc/dc半砖模块连接电池，可以实现电功率的正、反向传输，所述dc/ac半砖模块连接直流母线与电网母线，将直流电变换为交流电传输至电网母线，同时采用多个dc/ac半砖模块并联的方式，实现等效大功率输出。i型dc/dc半砖模块、ii型dc/dc半砖模块和dc/ac半砖模块所采用的模块均为标准尺寸和接口的半砖，每个半砖的设计功率相同半砖模块的数量及类型可以根据现场风机容量、光伏电池容量、储能电池容量进行灵活配置。
20.i型dc/dc半砖设计紧凑，功率密度高，扁平化设计，利于系统集成。控制精度高，具备mppt功能，保证，模块效率高于96％。
21.ii型dc/dc半砖设计紧凑，功率密度高，扁平化设计，利于系统集成。控制精度高，具备功率双向运行功能，具备三段充电逻辑，充电纹波小，模块效率高于96％。
22.dc/ac半砖设计紧凑，功率密度高，扁平化设计，利于系统集成。控制精度高，具备
功率双向运行功能，具备三相、单相电网兼容使用能力，模块效率高于96％。
23.进一步的，变压器t1和变压器t2均为平面变压器，可缩小半砖模块的体积，进而缩小整体变流器的体积。
24.本发明所述的控制方法，通过采集各半砖模块的电压和/电流，对半砖模块进行控制，稳定半砖模块的输入直流电压和输出电流。具体的，i型dc/dc半砖采用移相控制技术，通过最大功率点跟踪(mppt)算法保证最大限度利用输入能量，电压环、电流环的双闭环控制保证输入电压的稳定性以及输出快速的负载相应速度。ii型dc/dc半砖控制方法采用移相控制技术，通过电压环、电流环的双闭环控制保证输出的准确性以及快速的负载相应速度。dc/ac半砖控制方法通过电压环、电流环的闭环控制，可实现功率的双向流动，并可以根据需求调整控制目标，实现输出恒功率、恒电流控制，并保证直流母线恒电压控制。
附图说明
25.图1为高度模块化风光储变流器系统框图；
26.图2a为dc/dc 500w i型半砖拓扑；
27.图2b为dc/dc 500w i型半砖控制环路示意图；
28.图3a为dc/dc 500w ii型半砖拓扑；
29.图3b为dc/dc 500w ii型半砖控制环路示意图；
30.图4a为dc/ac 500w半砖拓扑；
31.图4b为dc/ac 500w半砖控制环路示意图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.该变流器采用半砖模块进行组合，针对光伏、风电、储能的混合微网系统，可以根据光伏、风电、储能的不同配比在线进行模块调整。本实施例以500w半砖模块为例进行说明。
35.一、整体系统介绍
36.参照图1，一种风光储变流器，包括三种单模块和系统监控模块，单模块以500w作为基本单元，基本单元分为三类：dc/dc 500w i型半砖模块、dc/dc 500w ii型半砖模块、dc/ac 500w半砖模块。
37.光伏输入每个光伏板输出端与一个dc/dc 500w i型半砖模块的输入端连接。
38.根据风机输出功率的不同，风机输出端并接若干个dc/dc 500w i型半砖模块的输入端连接。
39.储能系统每块48v电池接入一个dc/dc 500w ii型半砖模块的输入端连接。
40.所有的dc/dc 500w i型半砖模块与dc/dc 500w ii型半砖模块的直流端进行并联，形成650v直流母线。
41.根据系统功率大小，将若干块dc/ac 500w半砖模块进行并接，其直流侧与650v直流母线连接，并将其交流侧并接形成电网母线后接入电网。
42.系统监控模块，和直流母线、交流母线、所有的dc/dc 500w i型半砖模块、所有的dc/dc500w ii型半砖模块，以及所有的dc/ac 500w半砖模块通过通讯线连接。通过对直流母线电压、电流，交流母线电压、电流的监控来对系统中所有模块进行控制。
43.二、dc/dc 500w i型半砖模块
44.参照图2a，dc/dc 500w i型半砖模块由半砖、i型拓扑、第一采样电路、第一mcu、第一pwm电路和第一通讯电路组成，i型拓扑、第一采样电路、第一mcu、第一pwm电路和第一通讯电路组成均设置在半砖中，i型拓扑包括移相全桥电路、平面变压器t1、同步整流电路、平面电感l1、电容c
11
和电容c
12
。移相全桥电路的输入端与电容c
11
两端连接，移相全桥电路的输出端与平面变压器的原边绕组连接，平面变压器的第一副边绕组一端与同步整流电路的开关管s1的漏极以及第二副边绕组一端连接，另一端与平面电感l1第一端连接，第二副边绕组另一端与开关管s2的漏极连接，开关管s1的源极与开关管s2的源极以及输出电容c
12
连接。平面电感l1用于对电流进行滤波，以满足输出纹波要求。
45.第一采样电路的输出端与第一mcu的输入端连接，第一mcu的输出端与第一pwm电路的输入端以及第一通讯电路的输入端连接，第一通讯电路的输出端通过通讯总线与系统监控模块的输入端连接。
46.第一采样电路用于采集输入电流iin、输入电压uin、输出电流iout、输出电压uout，并传递至第一mcu，第一mcu根据接收到的信息，计算出第一pwm控制信号，通过第一pwm电路对i型拓扑进行控制。
47.因为光伏电池的输出电压受到光照、温度的影响，该输出电压是一个变化值，并且该输出电压会受到负载的影响，从而导致电池板无法输出当前的最大功率，为了将电池板的输出电压在一定时间内稳定在一个固定值，并且输出当前的最大功率，采用i型半砖模块对其进行变换。
48.i型半砖模块采用移相全桥拓扑，通过板上控制器中的mppt控制算法可以对当前输入到i型半砖模块的光伏电池进行最大功率最终，并将根据追踪结果作为半砖模块的直流电压控制换给定，对i型半砖模块的直流电压进行闭环控制，从而稳定当前的输入直流电压。再将直流电压环的控制输出作为输出电流环给定，从而稳定i型半砖模块的输出电流。i型半砖的输出电压由后级dc/ac半砖钳位。
49.dc/dc 500w i型半砖模块可以将风电风机、光伏板发出的不稳定的直流电能变换为恒定电压输出的直流电，由于采用平面变压器设计方案，整体变流器可进行小体积设计。
50.dc/dc 500w i型半砖模块主功率拓扑采用前级移相全桥，后级同步整流的方案，控制系统通过采集电路对主功率回路的输入电流iin、输入电压uin、输出电流iout、输出电压uout进行采集，由mcu完成控制算法计算后发出pwm控制信号，i型半砖模块中移相全桥开关管和同步整流电路中的开关管。
51.dc/dc 500w i型半砖模块前级采用移相全桥技术，并通过对移相全桥加入mppt控制策略，在追踪最大功率的同时保证最小开关损耗。
52.dc/dc 500w i型半砖模块控制系统通过采集移相全桥输出电流，并结合mppt计算出的移相全桥输出电流给定值i
out_set
，可对移相全桥输出电流进行闭环控制。
53.参照图2b，具体控制方法为：dc/dc 500w i型半砖模块的控制系统通过采集模块输入电压uin和模块输入电流iin，计算出当前输入功率pin，根据当前输入功率pin进行mppt计算，得到移相全桥输出电流给定值iout_set，iout_set与i型半砖模块当前输出电流iout做差，得到的差值作为pi控制的输入，进行pi控制，pi控制器的输出经pwm调制后得到控制信号，该控制信号作用于移相全桥。通过此闭环可完成对输入源的最大功率跟踪。
54.三、dc/dc 500w ii型半砖模块
55.参照图3a，dc/dc 500w ii型半砖模块由半砖、ii型拓扑、第二采样电路、第二mcu、第二pwm电路和第二通讯电路组成，ii型拓扑、第二采样电路、第二mcu、第二pwm电路和第二通讯电路组成均设置在半砖中，ii型拓扑包括前级全桥电路、平面变压器t2、后级全桥电路、电感l2、电感l3、电容c
21
和电容c
22
。
56.电容c
21
第一端与电感l2第一端连接，电感l2第二端与前级全桥电路第一输入端子连接，电容c
21
第一端与前级全桥电路第二输入端子连接，前级全桥电路输出端与变压器t2的原边绕组连接，变压器t2的副边绕组与后级全桥电路的输入端连接，后级全桥电路的第一输出端子与电感l3第一端连接，电感l3第二端与电容c
22
第一端连接，电容c
22
第二端与后级全桥电路的第二输出端子连接。
57.电感l2、电感l3均为平面电感，用于对电流进行滤波，以满足输出纹波要求。
58.dc/dc 500w ii型半砖模块采用平面变压器设计方案，整体变流器可进行小体积设计。
59.dc/dc 500w ii型半砖模块前级、后级均采用全控式全桥电路，可实现功率的双向流动,可对电池的充放电进行控制。
60.第二采样电路的输出端与第二mcu的输入端连接，第二mcu的输出端与第二pwm电路的输入端以及第二通讯电路的输入端连接，第二通讯电路的输出端通过通讯总线与系统监控模块的输入端连接。
61.第二采样电路用于采集第一端口电压u1、第一端口电流i1、第二端口的电压u2及第二端口电流i2，并传递至第二mcu，第二mcu根据接收到的信息，计算出第二pwm控制信号，通过第二pwm电路对ii型拓扑进行控制。
62.参照图3b，具体控制方法如下：
63.当dc/dc 500w ii型半砖模块第二端口恒功率输出时，需要对第二端口功率进行控制，可通过内部控制器mcu采集第二端口的电压u2及第二端口电流i2，mcu根据第二端口
的电压u2及第二端口电流i2计算出第二端口的功率p2，并根据ii型半砖模块第二端口功率输出给定值p2set和第二端口的功率p2进行功率闭环控制，产生第二端口的电流控制信号i2_set，从而进行第二端口的功率闭环控制。此时第一端口的全桥电路工作在同步整流状态。dc/dc 500wii型半砖模块第一端口恒功率输出时，对第一端口功率进行控制，可通过采集第一端口电压u1及第一端口电流i1，mcu根据第一端口电压u1及第一端口电流i1计算出第一端口的功率p1，根据ii型半砖模块第一端口功率输出给定值p1set和第一端口的功率p1进行功率闭环控制，产生第一端口的电流控制信号i1，从而进行第一端口的功率闭环控制。此时第二端口的全桥电路工作在同步整流状态。dc/dc 500w ii型半砖模块第二端口需要恒压输出时，可通过采集第二端口的电压u2，mcu进行电压闭环控制，产生第二端口的电流控制信号i2_set，从而进行第一端口的电压闭环控制。此时第一端口的全桥电路工作在同步整流状态。
64.四、dc/ac 500w半砖模块
65.参照图4a，dc/ac 500w半砖模块由半砖、dc/ac拓扑、第三采样电路、第三mcu、第三pwm电路和第三通讯电路组成，dc/ac拓扑、第三采样电路、第三mcu、第三pwm电路和第三通讯电路均设置在半砖中，dc/ac拓扑包括半桥电路、电感l4、滤波电容c
31
、滤波电容c
32
和滤波电容c
33
组成。
66.半桥电路包括开关管s3和开关管s4，滤波电容c
31
第一端与开关管s3的漏极连接，第二端和滤波电容c
32
的第一端以及滤波电容c
33
的第二端连接，滤波电容c
32
的第二端和开关管s4的源极连接，开关管s3的源极和关管s4的漏极以及电感l4第一端连接，电感l4第二端与滤波电容c
33
的第一端连接。电感l4为平面电感，于对电流进行滤波，以满足输出纹波要求。
67.dc/ac 500w半砖模块采用平面电感设计方案，整体变流器可进行小体积设计。
68.dc/ac 500w半砖模块采用全控式半桥电路，可实现功率的双向流动,可实现电网能量对系统的充放电功能。
69.第三采样电路的输出端与第三mcu的输入端连接，第三mcu的输出端与第三pwm电路的输入端以及第三通讯电路的输入端连接，第三通讯电路的输出端通过通讯总线与系统监控模块的输入端连接。
70.第三采样电路用于采集直流侧电压u1、直流侧电流，交流侧电压u2和交流侧电网电流i2，并传递至第三mcu，第三mcu根据直流侧电压u1和交流侧电压u2，计算出第三pwm控制信号，通过第三pwm电路对ii型拓扑进行控制。
71.参照图4a，具体控制方法如下：
72.dc/ac 500w半砖模块通过采集直流侧电压u1，对电压进行闭环控制，控制输出i
2_set
可作为后级输出电流给定量，从而实现直流侧恒压控制与交流测电流源控制。
73.dc/ac 500w半砖模块通过采集交流侧电网电压u2，内部mcu对采集到的电网电压进行二阶广义积分sogi计算，产生同频正交分量，从而通过park/clack变换将单相交流电压转换为dq坐标系下的d轴直流电压和q轴直流电压，通过对q轴电压进行目标为0的pi控制，并加入100π的角频率补偿，对补偿结果进行2π倍取余，最终得到电网当前相角u2d，从而实现软件锁相。
74.五、系统监控模块
75.系统监控模块对整个系统进行监控，收集系统内部电压、电流信息，汇集系统内各
个模块的通讯信息，负责系统对外通讯，通讯信息包括：系统故障信息，系统电压、电流、功率信息，系统模块在线数量，系统开关机指令，系统保护阈值指令，系统运行模式指令等。
76.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。