光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法

摘要

本发明公开了光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统和方法，实现对光伏并网逆变器的MPPT控制与直流母线电压调节的统一控制，提高光伏并网效率，降低光伏微电网系统的运行成本。可实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控 制系统和方法。

背景技术

光伏微电网因其能源的可再生性、清洁性及能量可调度性等优点， 受到世界各国越来越广泛的重视。在目前多数采用直流母线拓扑结构 的光伏微电网中，为了实现直流母线电压调节与MPPT(Maximum  Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制的解耦，通常会在光伏 组件与直流母线之间串入DC/DC变换器，通过DC/DC环节实现对光 伏组件的MPPT控制，再通过DC/AC环节实现对直流母线电压的调节 与控制，但这将使得光伏并网效率降低，由于光伏微电网的单位投资 成本较高(与无储能环节的光伏电站相比)，就会进一步导致光伏微 电网系统的运行经济性欠佳。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种光伏微电网直流母线电压调节与 MPPT的统一控制系统和方法，实现对光伏并网逆变器的MPPT控制 与直流母线电压调节的统一控制，提高光伏并网效率，降低光伏微电 网系统的运行成本。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术 方案实现：

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，其特征 在于，包括分别与直流母线相连的光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC 模块，所述双向DC/DC模块通过第一开关向直流母线传输电能，所 述光伏组件与DC/AC模块之间顺次连接有MPPT控制器和交流电流环， 所述交流电流环的输入端还连接有无功电流的参考信号所述双向 DC/DC模块分别与第一储能电池和直流电流环相连，所述DC/AC模块 通过第二开关向交流母线馈送电能，所述交流母线通过双向储能变流 器与第二储能电池相连，所述交流母线还用于为本地负荷提供电能， 所述光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC模块、直流电流环和本地负 荷分别与能量管理系统相连。

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制方法，其特征 在于，包括如下步骤：

S01：MPPT控制器采集光伏组件的输出直流电压U_pv和直流电流 I_pv，计算得到有功电流参考信号

S02：交流电流环根据有功电流参考信号无功电流参考信号(单位功率因数运行时)和DC/AC模块输出的有功电流和无功 电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}计算得到调制信号d₂；

S03：DC/AC模块根据调制信号d₂，通过控制功率器件的通断， 向交流母线馈送电能；

S04：能量管理系统根据DC/AC模块的输出功率与本地负荷的功 率之间的大小关系，调整双向DC/DC模块对第一储能电池充电/放电 电流的参考信号

S05：直流电流环根据参考信号和双向DC/DC模块的电流反 馈值计算得到调制信号d₁；

S06：双向DC/DC模块根据调制信号d₁，通过控制功率器件的通 断，与直流母线进行电能的双向传输。

本发明的有益效果是：通过MPPT控制器计算得到有功参考电流 信号结合无功电流参考信号有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、 I_{q_FB}，对DC/AC模块的输出电流进行闭环控制，从而控制直流母线电 压工作于U_mpp附近，能量管理系统通过对DC/AC模块的当前输出功 率P_inv与系统负荷的功率P_load大小的判断，更新双向DC/DC模块的电 流参考信号并通过对双向DC/DC环节采用含直流电压前馈的 电流环闭环控制，实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC 环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的 统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

附图说明

图1是本发明光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制 系统的结构示意图；

图2是本发明直流电流环的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详 细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施， 但所举实施例不作为对本发明的限定。

光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一控制系统，如图1 所示，包括分别与直流母线相连的光伏组件、DC/AC模块、双向DC/DC 模块，所述双向DC/DC模块通过第一开关向直流母线传输电能，所 述光伏组件与DC/AC模块之间顺次连接有MPPT控制器和交流电流环， 所述交流电流环的输入端还连接有无功电流参考信号(单位功率因 数运行时)，所述双向DC/DC模块分别与第一储能电池和直流 电流环相连，所述DC/AC模块通过第二开关向交流母线馈送电能，所 述交流母线通过双向储能变流器(即PCS)与第二储能电池相连，所 述交流母线还用于为本地负荷提供电能，所述光伏组件、DC/AC模块、 双向DC/DC模块、直流电流环和本地负荷分别与能量管理系统相连。

其中，所述第一开关和第二开关可以是功率器件。

下面详细介绍一下光伏微电网直流母线电压调节与MPPT的统一 控制方法：

S01：MPPT控制器采集光伏组件的输出直流电压U_pv和直流电流 I_pv，计算得到有功电流参考信号

S02：交流电流环根据有功电流参考信号无功电流参考信号(单位功率因数运行时)和DC/AC模块输出的有功电流和无功 电流反馈值I_{d_FB}、I_{q_FB}计算得到调制信号d₂；

S03：DC/AC模块采集调制信号d₂，通过控制功率器件的通断， 向交流母线馈送电能；

S04：能量管理系统根据DC/AC模块的输出功率与本地负荷的功 率之间的大小关系，调整双向DC/DC模块对第一储能电池充电/放电 电流的参考信号

具体为：

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与本地负荷的功率P_load满足 以下关系时：

P_inv＝P_pv+P_dc/dc＝P_load  (1)

即直流母线电压|U_dc-U_mpp|＜ε，其中，ε为设定的波动范围， 即U_dc≈U_mpp，U_mpp为光伏组件最大功率点对应的电压值，P_pv是光 伏组件的输出功率，P_dc/dc是双向DC/DC模块的功率；

则能量管理系统无需对双向DC/DC模块的充电/放电电流的参考 信号的大小进行调整。

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足 以下关系时：

P_inv＞P_load  (2)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的放电电流，若放电电流 降至0时，仍满足式(2)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为充 电，直至满足式(1)，以控制直流母线电压U_dc工作于U_mpp点附近；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参 考信号

$I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}\left(n\right)=I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{dc}}^{*}(n-1)+\frac{P_{\mathrm{load}}\left(n\right)-P_{\mathrm{inv}}\left(n\right)}{U_{\mathrm{dc}}\left(n\right)}---\left(3\right)$

式中，n＝1,2…表示时刻，U_dc表示直流母线电压。

当DC/AC模块的当前输出功率P_inv与系统负荷的功率P_load满足 以下关系时：

P_inv＜P_load  (4)

则能量管理系统降低双向DC/DC模块的充电电流，若充电电流 降至0时，仍满足式(4)，则改变双向DC/DC模块的电流方向为放 电，直至满足式(1)；

其中，能量管理系统根据式(3)更新双向DC/DC模块的电流参 考信号以使得U_dc工作于U_mpp点附近。

S05：直流电流环根据参考信号和双向DC/DC模块的电流反 馈值计算得到调制信号d₁；

S06：双向DC/DC模块根据调制信号d₁，通过控制功率器件的通 断，与直流母线进行电能的双向传输。

进一步地，为了将双向DC/DC模块的输出对直流母线电压的影 响尽可能地降低，将双向DC/DC模块视为并入直流母线的电流源， 并引入直流母线电压前馈信号以消除直流母线电压对直流电流环的 影响，双向DC/DC模块的控制框图如图2所示。

直流电流参考信号与经过反馈环节5得到的直流电流反馈 信号I_{dc/dc_FB}进行比较后得到误差信号Δe，该误差信号Δe经PI调节器 1校正后，与直流母线电压信号U_dc经过前馈环节4校正后的输出信 号叠加，输送至双向DC/DC等效环节2，经过滤波处理3后得到输出 电流I_dc/dc，其中，直流电流反馈信号I_{dc/dc_FB}由信号I_dc/dc经反馈环 节5得到，直流电压前馈环节4的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{1}{K_{\mathrm{pwm}}}---\left(5\right)$

直流电流环的开环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{s}s+1)(T_{f}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(6\right)$

式中，K_pwm为双向DC/DC环节PWM变换的等效增益，T_s为双 向DC/DC模块的开关周期，T_f为反馈和滤波延时，K_p为PI调节器的 比例系数，K_i为PI调节器的积分系数，L为双向DC/DC变换器输出滤 波电抗器的电感值，R为双向DC/DC变换器的输出线路等效电阻，由 于T_s和T_f都很小，因此将两个小惯性环节合并，令T_c＝T_s+T_f，则式 (6)可化简为：

$G\left(s\right)=\frac{(K_{p}s+K_i)K_{\mathrm{pwm}}}{s(T_{c}s+1)(\mathrm{Ls}+R)}---\left(7\right).$

可见，该系统包含一个位于原点的极点，为一型系统，可按一型 系统的设计方法对K_p和K_i的参数进行设计。

本发明的有益效果是：通过MPPT控制器计算得到有功参考电流 信号结合无功电流参考信号有功电流和无功电流反馈值I_{d_FB}、 I_{q_FB}，对DC/AC模块的输出电流进行闭环控制，从而控制直流母线电 压工作于U_mpp附近，能量管理系统通过对DC/AC模块的当前输出功 率P_inv与系统负荷的功率P_load大小的判断，更新双向DC/DC模块的电 流参考信号并通过对双向DC/DC环节采用含直流电压前馈的 电流环闭环控制，实现无DC/DC环节的光伏并网逆变器与含DC/DC 环节的储能装置在共直流母线条件下的直流母线电压调节与MPPT的 统一控制，提高光伏逆变器的并网效率，适用于光伏微电网领域。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变 换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发 明的专利保护范围内。