太阳能光伏与市电联合供电系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种太阳能光伏与市电联合供电系统及其控制方法，属于新能源供电系统领域。该系统的结构包括光伏阵列、市电电源、DC/DC变换器、PFC变换器和DC/AC逆变器，光伏阵列通过DC/DC变换器、市电电源通过PFC变换器，两者一起并在直流母线上，然后经过DC/AC逆变器给交流负载供电。本发明系统为了能够充分地利用太阳能，DC/DC变换器可以工作在光伏电池最大功率点处，同时加入市电作为辅助电源，实现三种供电模式，保证负载在各种情况下稳定地工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种供电系统，尤其涉及一种太阳能光伏阵列与市电联合的供电系统及其供电控制方法，属于新能源供电系统领域。

背景技术

随着人类生活水平的不断提高，对能源的需求大幅度增加。化石能源作为不可再生能源正日益枯竭，而且它所造成的环境污染日益严重。太阳能光伏供电作为绿色新能源供电方式，其得到了越来越多的应用。它最大的优点是可以再生，对环境没有污染。

太阳能光伏电池的最大特性是外特性曲线随光强和温度的变化而变化，为了能够最大限度地利用太阳能，要求直流变换器能时刻控制太阳能光伏电池的输出，使其工作在最大功率点附近。

目前提出的太阳能供电系统无法保证负载能持续稳定地工作，因此为了能够充分地使用太阳能，同时又需要保证负载能够时刻正常稳定地工作，所以必须加入一辅助电源，以在太阳能光伏无法满足负载供电需要时作为备用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种以太阳能光伏为主供电电源、市电电源为辅助电源的联合供电系统及其联合供电控制方法。

本发明供电系统包括光伏阵列、市电电源、DC/DC变换器、PFC变换器和DC/AC逆变器，其中：光伏阵列的输出通过DC/DC变换器接入直流母线，市电电源的输出通过PFC变换器接入直流母线，DC/AC逆变器的输入端连入直流母线，DC/AC逆变器的输出连接负载。

所述DC/DC变换器是由Boost电路、全桥变换器和整流滤波电路依次串接组成，Boost电路的输入连接光伏阵列的输出，整流滤波电路的输出接入直流母线。

所述PFC变换器是由PFC整流电路连接Boost PFC电路组成，PFC整流电路的输入连接市电电源的输出，Boost PFC电路的输出接入直流母线。

基于本发明供电系统的供电控制方法，该控制方法所采用的控制电路分为两路，具体为：

光伏阵列输出电流、电压采样接入MPPT控制器，MPPT控制器的输出接入加法器，加法器的输出与光伏阵列输出电流采样接入第一减法器，第一减法器的输出依次通过第一电流调节器、第一PWM电路和第一门极驱动电路后连接Boost开关管；电压比较器参考值与直流母线输出电压采样接入第二减法器，第二减法器的输出接入电压调节器，电压调节器的一路输出与正弦馒头波接入乘法器，另一路输出通过阻断二极管接入加法器，乘法器的输出与PFC变换器电感电流采样接入第三减法器，第三减法器的输出依次通过第二电流调节器、第二PWM电路和第二门极驱动电路后连接Boost PFC开关管；

该控制方法包括如下内容：

当光伏阵列的最大输出功率大于负载所需功率时，由光伏阵列单独向负载供电，直流母线电压升高，使电压调节器的输出为负，Boost PFC开关管的占空比为0，同时使阻断二极管导通，电压调节器的输出作为调整信号使MPPT控制器中电压给定参考值减小，此时电压调节器与第一电流调节器组成双闭环，使直流母线稳压，处于稳压状态；

当光伏阵列的最大输出功率小于负载所需功率时，由光伏阵列和市电电源同时向负载供电，此时电压调节器调节Boost PFC开关管的占空比控制直流母线电压，阻断二极管阻断，两路控制电路独立工作，MPPT控制器计算得到的光伏阵列最大功率点电压值作为第一电流调节器的基准给定，使光伏阵列输出最大功率，不足功率由市电电源提供；

当光伏阵列无法工作时，关闭DC/DC变换器，由市电电源向负载供电，电压调节器调节Boost PFC开关管的占空比控制直流母线电压，使直流母线电压恒定。

本发明供电系统以光伏阵列为主要供电电源，根据太阳能光伏电池输出功率的多少，来控制本系统在三种模式下平稳切换，即太阳能单路独立工作、市电单路独立工作、太阳能/市电两路联合工作模式，实现尽可能地利用太阳能，在太阳能不足的情况下以市电辅助供电，保证负载能持续稳定地工作。

附图说明

图1为本发明供电系统的结构框图。

图2为本发明供电系统的电路原理图。

图3～图5分别为本发明供电系统的三种工作模态能量流动示意图。

图6为本发明供电系统的控制电路结构示意图。

图7～图9分别为本发明供电系统控制电路的三种工作模态示意图。

上述附图中的主要标号名称：PV为光伏阵列；V_g为电网电压(市电输入电压)；C_in1为输入滤波电容；L_f1、L_f2、L_f3、L_f4均为滤波电感；Q₁为Boost开关管；Q₂为Boost PFC开关管；T_r为隔离变压器；R_ld为负载；V_o为系统输出电压；i_{pv_f}为光伏阵列输出电流采样；v_{pv_f}为光伏阵列输出电压采样；v_{o_f}为直流母线输出电压采样；i_{in2_f}为PFC变换器电感电流采样；i_{in1_ref}、i_{in2_ref}分别为第一、第二电流比较器参考值；Q_D1为Boost开关管(Q₁)的驱动信号；Q_D2为Boost PFC(Q₂)的驱动信号。

具体实施方式

本发明供电系统的结构如图1所示，包括光伏阵列、市电电源、DC/DC变换器、PFC(功率因数校正)变换器和DC/AC逆变器，其中：光伏阵列的输出通过DC/DC变换器接入直流母线，市电电源的输出通过PFC变换器接入直流母线，DC/AC逆变器的输入端连入直流母线，DC/AC逆变器的输出给交流负载供电。

本发明供电系统的具体电路如图2所示。DC/DC变换器是由Boost电路1、全桥变换器2和整流滤波电路3依次串接组成；PFC变换器是由PFC整流电路4连接Boost PFC电路5组成；DC/AC逆变器是由逆变电路6连接滤波输出电路7组成。其中：Boost电路1并联在光伏阵列PV的正负输出端上；全桥变换器2由开关管Q_R1、Q_R3串联组成的超前桥臂与开关管Q_R2、Q_R4串联组成的滞后桥臂并联组成，隔离变压器T_r的原边两端分别与超前和滞后两桥臂的开关管的串联结点相连接，其副边的同名端与整流滤波电路3的两个二极管D_B1、D_B3的串联结点相连接，异名端与另两个二极管D_B2、D_B4的串联结点相连接；整流滤波电路3的结构为：两个二极管D_B1、D_B3串联组成的串联支路与另两个二极管D_B2、D_B4串联组成的串联支路并联，滤波电感L_f3与滤波电容C_f3串联后与二极管串联支路并联；PFC整流电路4的结构为：两个二极管D_B5、D_B7串联组成的串联支路与另两个二极管D_B6、D_B8串联组成的串联支路并联；Boost PFC电路5由滤波电感L_f2、Boost PFC开关管Q₂、续流二极管D₂、滤波电容C_f2组成；逆变电路6由开关管Q_R5、Q_R7串联组成的超前桥臂与开关管Q_R6、Q_R8串联组成的滞后桥臂并联组成；滤波输出电路7是由滤波电感L_f4、滤波电容C_f4及负载R_ld组成。上述开关管Q_R1～Q_R8我们采用MOSFET，其均带有寄生体二极管。

为了充分利用太阳能、最大限度发挥光伏阵列的效用，必须使光伏阵列时刻工作在最大功率点处，即需要采用最大功率点跟踪技术。目前的太阳能电池最大功率点跟踪技术控制算法有很多种，本发明采用扰动观察法(Perturbation & Observation，P&O)。

下面根据光伏阵列的输出功率及负载大小，并结合图3～图5叙述本发明供电系统的三种工作模态能量流动情况。

系统工作模式1[如图3所示]：光伏阵列的最大输出功率大于负载所需功率，控制DC/DC变换器工作在输入为恒压状态，光伏阵列单独提供负载所需功率，PFC变换器不工作。

系统工作模式2[如图4所示]：光伏阵列的最大输出功率小于负载所需功率，控制DC/DC变换器工作在MPPT(Maximum Power Point Tracking，MPPT，最大功率点跟踪)状态，同时PFC变换器工作，市电电源提供负载所需剩余功率。

系统工作模式3[如图5所示]：光伏阵列无法正常工作，关闭DC/DC变换器，PFC变换器独立工作，由市电单独提供负载所需功率。

本发明的目的是在保证负载时刻正常工作的情况下最大限度地使用太阳能，这就需要对整个系统的能量进行管理。本发明供电系统的控制电路结构如图6所示，具体结构如下：

光伏阵列输出电流、电压采样i_{pv_f}、v_{pv_f}接入MPPT控制器，MPPT控制器的输出(光伏阵列最大功率点电流i_{pv_m})接入加法器，加法器的输出与光伏阵列输出电流采样i_{pv_f}接入第一减法器，第一减法器依次通过第一电流调节器、第一PWM电路和第一门极驱动电路后输出Boost开关管Q₁的驱动信号Q_D1；电压比较器参考值v_{o_ref}与直流母线输出电压采样v_{o_f}接入第二减法器，第二减法器的输出接入电压调节器，电压调节器的一路输出与正弦馒头波接入乘法器，另一路输出通过阻断二极管D_c接入加法器并接地，乘法器的输出与PFC变换器电感电流采样i_{in2_f}接入第三减法器，第三减法器依次通过第二电流调节器、第二PWM电路和第二门极驱动电路后输出Boost PFC开关管Q₂的驱动信号Q_D2。

下面根据本发明供电系统的工作模态，并结合图7～图9对本系统的能量控制方法进行详细说明。

系统工作在模式1[如图7所示]，即光伏阵列的最大输出功率大于负载所需功率，由光伏阵列单独向负载供电。如果保持MPPT控制器中电压给定参考值v_{in1_ref}＝v_{pv_m}，则光伏阵列工作在最大功率点，其输出功率大于负载所需功率，导致直流母线电压升高。这时电压调节器的输出为负值，使Boost PFC开关管Q₂的占空比为0，同时使D_c导通，电压调节器的输出作为调整信号使v_{in1_ref}减小，即减小太阳能电池的输出电流，此时电压调节器与第一电流调节器组成双闭环，电流环为内环，电压环为外环，调节DC/DC变换器中Boost开关管Q₁的占空比使直流母线电压稳定。

系统工作在模式2[如图8所示]，即光伏阵列的最大输出功率小于负载所需功率，由光伏阵列和市电同时向负载供电。此时电压调节器调节Boost PFC开关管Q₂的占空比控制直流母线电压，D_c阻断，两路控制电路独立工作。其中MPPT控制器计算得到光伏阵列最大功率点电压值v_{pv_m}作为第一电流调节器的基准给定，使光伏阵列输出最大功率，不足功率由市电提供。

系统工作在模式3[如图9所示]，即在夜晚或阴雨天气的情况下，光伏阵列无法工作时，关闭DC/DC变换器，由市电提供负载所需功率。电压调节器调节Boost PFC开关管Q₂的占空比，保证直流母线电压恒定。

本发明的一个具体实施例数据如下：光伏阵列输入电压V_PV＝28～37V；市电输入直流电压V_g＝220VAC±20％；输出直流母线电压V_bus＝380V；系统输出电流(负载电流)I_o＝5.3A；滤波电感L_f1＝90uH、L_f2＝300uH、L_f3＝290uH；变压器T_r原副边变比：0.231；输出滤波电容C_f1＝220uF、C_f2＝560uF×3；MOSFET开关管Q₁采用IPP111N15N3，Q₂采用SPW47N60C3，Q_R1、Q_R2、Q_R3、Q_R4采用FADP42AN15A；续流二极管D₁采用V60200PG，D₂采用DSEI30-06A；变压器副边整流二极管D_B1、D_B2、D_B3、D_B4采用STPSC806D；PFC整流二极管D_B5、D_B6、D_B7、D_B8采用KBPC3508；开关频率f_s＝100kHz。