光储一体化并网逆变器的功率控制方法、装置及系统与流程

1.本发明属于电力电子变换器的控制技术领域，具体涉及一种光储一体化并网逆变器的功率控制方法、装置及系统。


背景技术：

2.近年来，随着资源短缺、环境污染等问题日益严重，诸如太阳能、风能等可再生能源得到广泛关注。受天气和环境的影响，光伏输出功率呈现波动性。为平抑光伏功率波动，往往会在光伏发电系统中配置相应的储能装置，形成光储一体化系统。
3.典型的光储一体化系统结构主要有两种，一种是光伏、储能分别经各自的dc/ac变换器连接至交流电网，另一种是光储、储能分别经dc/dc变换器连接至公共直流母线，再经一个集中的dc/ac变换器连接至交流电网。这些传统的光储一体化系统需要多个电力电子变换器，成本高且效率低。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种光储一体化并网逆变器的功率控制方法、装置及系统，通过直流侧光伏功率控制器输出控制参数用以修正交流侧功率控制器输出的三相调制波，修正后的调制波信号与非对称三角载波比较产生pwm驱动信号，该控制方法中的非对称三角载波可适应光伏、储能的电压变化，交直流侧的功率控制器通过实时修正调制波信号实现功率控制。
5.为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种光储一体化并网逆变器的功率控制方法，包括：
7.获取三相电网电压、三相电网电流、光伏电压、光伏电流和储能电压；
8.将所述三相电网电压和三相电网电流输入至交流侧功率控制器，经处理后输出三相初始调制波信号；
9.将所述光伏电压和光伏电流输入至直流侧光伏功率控制器，经处理后输出控制参数；
10.基于光伏电压和储能电压计算出非对称三角载波；
11.将所述三相初始调制波信号、控制参数和非对称三角载波输入到非对称载波脉宽调制器，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管。
12.可选地，所述方法还包括：
13.当判断出三相电网电压过压和/或三相电网电流是否过流，则pwm信号全部置为低电平，使得并网逆变器关机。
14.可选地，所述控制参数通过以下处理方法获得：
15.基于所述光伏电压和光伏电流，计算出光伏功率；
16.所述光伏功率经mppt算法输出后，再经限幅单元输出控制参数k，其中k的范围为0≤k≤1，该控制参数用于修正交流侧功率控制器输出的初始调制波。
17.可选地，所述非对称载波脉宽调制器包括相连的调制波修正计算单元和与非对称载波的比较单元。
18.可选地，所述调制波修正计算单元执行以下步骤：
19.求取三相初始调制波信号的最小值和最大值；
20.结合所述输出参数，计算出调制波的修正量；
21.将修正量叠加到三相初始调制波信号，计算出修正后的三相调制波信号。
22.可选地，所述三相初始调制波信号的最小值通过以下公式计算：
23.u
min
＝min(ua,ub,uc)
[0024][0025]
所述三相初始调制波信号的最大值通过以下公式计算：
[0026]umax
＝max(ua,ub,uc)；
[0027]
所述调制波的修正量通过以下公式计算：
[0028]
u0＝(u
max-u
min-2)
·
k 1-u
max
[0029]
所述修正后的三相调制波信号通过以下公式计算：
[0030][0031]
其中，m和θ分别为调制比和相位，k为控制参数。
[0032]
可选地，所述与非对称载波的比较单元执行以下步骤：
[0033]
利用修正后的三相调制波信号与非对称三角载波比较，产生pwm驱动信号，其中，三角载波频率、相位相同，幅值不等，层叠于纵坐标为-1到1的区间内，自上而下依次为第1、2个载波，记为u
tri1
、u
tri2
。
[0034]
可选地，所述载波的幅值表达式为：
[0035][0036]
其中：u
pv
为光伏电压，u
ess
为储能电压。
[0037]
第二方面，本发明提供了一种光储一体化并网逆变器的功率控制装置，包括：
[0038]
获取模块，用于获取三相电网电压、三相电网电流、光伏电压、光伏电流和储能电压；
[0039]
第一处理模块，用于将所述三相电网电压和三相电网电流输入至交流侧功率控制器，经处理后输出三相初始调制波信号；
[0040]
第二处理模块，用于将所述光伏电压和光伏电流输入至直流侧光伏功率控制器，经处理后输出控制参数；
[0041]
计算模块，用于基于光伏电压和储能电压计算出非对称三角载波；
[0042]
控制模块，用于将所述三相初始调制波信号、控制参数和非对称三角载波输入到非对称载波脉宽调制器，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管。
[0043]
第三方面，本发发明提供了一种光储一体化并网逆变器的功率控制装置，包括：交流侧功率控制器、直流侧光伏功率控制器和非对称载波脉宽调制器；
[0044]
所述交流侧功率控制器接收三相电网电压和三相电网电流，经处理后输出三相初始调制波信号；
[0045]
所述直流侧光伏功率控制器接收光伏电压和光伏电流，经处理后输出控制参数；
[0046]
所述非对称载波脉宽调制器基于所述三相初始调制波信号和控制参数，以及非对称三角载波，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管，所述非对称三角载波是基于光伏电压和储能电压计算获得。
[0047]
可选地，所述交流侧功率控制器包括顺次相连的dq变换模块、有功电流环调节器、dq反变换模块，还包括锁相环，所述锁相环的输入端接入三相电网电压，其输出端分别与所述dq变换模块和dq反变换模块相连；三相电网电流i
ga
,i
gb
,i
gc
经过所述dq变换模块生成dq坐标系下的d轴电流信号i
gd
和q轴电流信号i
gq
；d轴电流参考信号i
gdref
与d轴电流信号i
gd
相减，经有功电流环调节器后，输出d轴调制信号ud；q轴电流参考信号i
gqref
与q轴电流信号i
gq
相减，经无功电流环调节器后，输出q轴调制信号uq；dq坐标系下的调制信号ud和uq经过所述dq反变换模块后，生成三相初使调制波信号ua,ub,uc。
[0048]
可选地，所述直流侧光伏功率控制器包括顺次相连的mppt控制器和限幅单元；所述mppt控制器基于所述光伏电压u
pv
、光伏电流i
pv
，计算出光伏功率，并利用mppt算法处理所述光伏功率，再经限幅单元输出控制参数k，其中k的范围为0≤k≤1，该控制参数用于修正交流侧功率控制器输出的初始调制波，以实现功率调节。
[0049]
可选地，所述非对称载波脉宽调制器包括相连的调制波修正计算单元和与非对称载波的比较单元；所述调制波修正计算单元执行以下步骤：
[0050]
求取三相初始调制波信号的最小值和最大值；
[0051]
结合所述输出参数，计算出调制波的修正量；
[0052]
将修正量叠加到三相初始调制波信号，计算出修正后的三相调制波信号；
[0053]
所述与非对称载波的比较单元执行以下步骤：
[0054]
利用修正后的三相调制波信号与非对称三角载波比较，产生pwm驱动信号，其中，三角载波频率、相位相同，幅值不等，层叠于纵坐标为-1到1的区间内，自上而下依次为第1、2个载波，记为u
tri1
、u
tri2
。
[0055]
可选地，所述三相初始调制波信号的最小值通过以下公式计算：
[0056]umin
＝min(ua,ub,uc)
[0057][0058]
所述三相初始调制波信号的最大值通过以下公式计算：
[0059]umax
＝max(ua,ub,uc)；
[0060]
所述调制波的修正量通过以下公式计算：
[0061]
u0＝(u
max-u
min-2)
·
k 1-u
max
[0062]
所述修正后的三相调制波信号通过以下公式计算：
[0063][0064]
其中，m和θ分别为调制比和相位，k为控制参数。
[0065]
可选地，所述载波的幅值表达式为：
[0066][0067]
其中：u
pv
为光伏电压，u
ess
为储能电压。
[0068]
第四方面，本发明提供了一种光储一体化并网逆变器的功率控制系统，包括存储介质和处理器；
[0069]
所述存储介质用于存储指令；
[0070]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述方法的步骤。
[0071]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0072]
本发明通过直流侧光伏功率控制器输出控制参数用以修正交流侧功率控制器输出的三相调制波，修正后的调制波信号与非对称三角载波比较产生pwm驱动信号，该控制方法中的非对称三角载波可适应光伏、储能的电压变化，交直流侧的功率控制器通过实时修正调制波信号实现功率控制。
[0073]
本发明可实现光伏、储能和交流电网之间的平滑功率调节，且控制算法简单，易于实现。
附图说明
[0074]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
[0075]
图1为一种典型光储一体化并网逆变器拓扑图；
[0076]
图2为本发明一种实施例中所提供的控制方法的流程图；
[0077]
图3为本发明一种实施例中所提供的控制装置的原理图；
[0078]
图4为采用本发明一种实施例中所提供的控制方法的仿真波形。
具体实施方式
[0079]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
[0080]
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0081]
由于光储一体化并网逆变器采用一个集成的dc/ac变换器同时连接光伏、储能和交流电网，具有结构简单、集成度高、效率高等优点。基于三电平结构的光储一体化并网逆变器是一种典型的电路拓扑，如图1所示。其直流侧分别连接光伏和储能，交流侧连接交流电网。光伏和储能电压分别记为u
pv
和u
ess
，交流电网电压记为u
ga
,u
gb
,u
gc
。逆变器的主功率电路包括12个开关管(s
a1
～s
a4
、s
b1
～s
b4
、s
c1
～s
c4
)，6个二极管(d
a1
～d
a2
、d
b1
～d
b2
、d
c1
～d
c2
)和3个滤波电感(la、lb、lc)。
[0082]
实施例1
[0083]
本发明实施例中提供了一种光储一体化并网逆变器的功率控制方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
[0084]
采集三相电网电压u
ga
,u
gb
,u
gc
、三相电网电流i
ga
,i
gb
,i
gc
、光伏电压u
pv
、光伏电流i
pv
和储能电压u
ess
；
[0085]
将所述三相电网电压u
ga
,u
gb
,u
gc
和三相电网电流i
ga
,i
gb
,i
gc
输入至交流侧功率控制器，交流侧功率控制通过dq轴下的有功、无功电流环实现，继而输出三相初始调制波信号ua,ub,uc；
[0086]
将所述光伏电压u
pv
、光伏电流i
pv
输入至直流侧光伏功率控制器，经处理后输出控制参数k，其中k的范围为0≤k≤1；
[0087]
基于光伏电压和储能电压计算出非对称三角载波；
[0088]
将所述三相初始调制波信号ua,ub,uc、控制参数k和非对称三角载波输入到非对称载波脉宽调制器，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管；
[0089]
当判断出三相电网电压过压和/或三相电网电流是否过流，则pwm信号全部置为低电平，使得并网逆变器关机，否则等待下一个周期信号返回初始步骤开始执行。
[0090]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述控制参数通过以下处理方法获得：
[0091]
基于所述光伏电压u
pv
、光伏电流i
pv
，计算出光伏功率；
[0092]
所述光伏功率经mppt算法输出后，再经限幅单元输出控制参数k，其中k的范围为0≤k≤1，该控制参数用于修正交流侧功率控制器输出的初始调制波。
[0093]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述非对称载波脉宽调制器包括相连的调制波修正计算单元和与非对称载波的比较单元。
[0094]
其中，所述调制波修正计算单元执行以下步骤：
[0095]
求取三相初始调制波信号的最小值和最大值；所述三相初始调制波信号的最小值通过以下公式计算：
[0096]umin
＝min(ua,ub,uc)
[0097][0098]
所述三相初始调制波信号的最大值通过以下公式计算：
[0099]umax
＝max(ua,ub,uc)；
[0100]
结合所述输出参数，计算出调制波的修正量；所述调制波的修正量通过以下公式计算：
[0101]
u0＝(u
max-u
min-2)
·
k 1-u
max
[0102]
将修正量叠加到三相初始调制波信号，计算出修正后的三相调制波信号；所述修正后的三相调制波信号通过以下公式计算：
[0103][0104]
其中，m和θ分别为调制比和相位，k为控制参数。
[0105]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述与非对称载波的比较单元执行以下步骤：
[0106]
利用修正后的三相调制波信号与非对称三角载波比较，产生pwm驱动信号，其中，三角载波频率、相位相同，幅值不等，层叠于纵坐标为-1到1的区间内，自上而下依次为第1，2个载波，记为u
tri1
、u
tri2
。
[0107]
其中，所述载波的幅值表达式为：
[0108][0109]
其中：u
pv
为光伏电压，u
ess
为储能电压。
[0110]
为验证本发明功率控制方法的有效性，本发明给出一个具体实例，其主要参数如下：
[0111]
光伏电压u
pv
＝800v；
[0112]
储能电压u
ess
＝360v；
[0113]
交流电网线电压有效值u
ac(rms)
＝380v；
[0114]
交流侧额定功率p
ac
＝30kw；
[0115]
开关频率fs＝10khz；
[0116]
滤波电感la＝lb＝lc＝3mh；
[0117]
采用图2所示本发明提供的控制方法的仿真波形如图4所示。由图可知，当交流侧额定功率30kw，光伏mppt功率17kw时，储能提供了剩余所需的功率13kw，实现了光伏、储能和交流电网之间的功率调节，验证了本发明控制方法的有效性。
[0118]
实施例2
[0119]
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种适用于光储一体化并网逆变器的功率控制装置，包括：
[0120]
获取模块，用于获取三相电网电压、三相电网电流、光伏电压和光伏电流；
[0121]
第一处理模块，用于将所述三相电网电压和三相电网电流输入至交流侧功率控制器，经处理后输出三相初始调制波信号；
[0122]
第二处理模块，用于将所述光伏电压和光伏电流输入至直流侧光伏功率控制器，经处理后输出控制参数；
[0123]
计算模块，用于基于光伏电压和储能电压计算出非对称三角载波；
[0124]
控制模块，用于将所述三相初始调制波信号、控制参数和非对称三角载波输入到
非对称载波脉宽调制器，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管。
[0125]
实施例3
[0126]
基于与实施例1相同的发明构思，如图3所示，本发明实施例中提供了一种适用于光储一体化并网逆变器的功率控制装置，包括：交流侧功率控制器、直流侧光伏功率控制器和非对称载波脉宽调制器；
[0127]
所述交流侧功率控制器接收三相电网电压u
ga
,u
gb
,u
gc
和三相电网电流i
ga
,i
gb
,i
gc
，经处理后输出三相初始调制波信号ua,ub,uc；
[0128]
所述直流侧光伏功率控制器接收光伏电压u
pv
和光伏电流i
pv
，经处理后输出控制参数k；
[0129]
所述非对称载波脉宽调制器基于接收到的三相初始调制波信号ua,ub,uc、控制参数k，，以及非对称三角载波，产生pwm信号，所述pwm信号用于控制并网逆变器中逆变桥的开关管；所述非对称三角载波是基于光伏电压和储能电压计算获得。
[0130]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述交流侧功率控制器包括顺次相连的dq变换模块、有功电流环调节器、dq反变换模块，还包括锁相环，所述锁相环的输入端接入三相电网电压，其输出端分别与所述dq变换模块和dq反变换模块相连。三相电网电流i
ga
,i
gb
,i
gc
经过所述dq变换模块生成dq坐标系下的d轴电流信号i
gd
和q轴电流信号i
gq
。d轴电流参考信号i
gdref
与d轴电流信号i
gd
相减，经有功电流环调节器后，输出d轴调制信号ud；q轴电流参考信号i
gqref
与q轴电流信号i
gq
相减，经无功电流环调节器后，输出q轴调制信号uq。dq坐标系下的调制信号ud和uq经过所述dq反变换模块后，生成三相初使调制波信号ua,ub,uc。
[0131]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述直流侧光伏功率控制器包括顺次相连的mppt控制器和限幅单元；所述mppt控制器基于所述光伏电压u
pv
、光伏电流i
pv
，计算出光伏功率，并利用mppt算法处理所述光伏功率，再经限幅单元输出控制参数k，其中k的范围为0≤k≤1，该控制参数用于修正交流侧功率控制器输出的初始调制波，以实现功率调节。
[0132]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述非对称载波脉宽调制器包括相连的调制波修正计算单元和与非对称载波的比较单元。
[0133]
其中，所述调制波修正计算单元执行以下步骤：
[0134]
求取三相初始调制波信号的最小值和最大值；所述三相初始调制波信号的最小值通过以下公式计算：
[0135]umin
＝min(ua,ub,uc)
[0136][0137]
所述三相初始调制波信号的最大值通过以下公式计算：
[0138]umax
＝max(ua,ub,uc)；
[0139]
结合所述输出参数，计算出调制波的修正量；所述调制波的修正量通过以下公式计算：
[0140]
u0＝(u
max-u
min-2)
·
k 1-u
max
[0141]
将修正量叠加到三相初始调制波信号，计算出修正后的三相调制波信号；所述修
正后的三相调制波信号通过以下公式计算：
[0142][0143]
其中，m和θ分别为调制比和相位，k为控制参数。
[0144]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述与非对称载波的比较单元执行以下步骤：
[0145]
利用修正后的三相调制波信号与非对称三角载波比较，产生pwm驱动信号，其中，所述非对称三角载波基于光伏电压和储能电压计算获得，三角载波频率、相位相同，幅值不等，层叠于纵坐标为-1到1的区间内，自上而下依次为第1，2个载波，记为u
tri1
、u
tri2
。
[0146]
其中，所述载波的幅值表达式为：
[0147][0148]
其中：u
pv
为光伏电压，u
ess
为储能电压。
[0149]
实施例4
[0150]
本发明实施例中提供了一种适用于光储一体化并网逆变器的功率控制系统，包括存储介质和处理器；
[0151]
所述存储介质用于存储指令；
[0152]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0153]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。