CN106602999B - 一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制方法。包括：超级电容，光伏电池，普通滤波电容，H桥；超级电容、多个光伏电池及其并联的普通滤波电容分别与H桥的直流侧连接，然后各H桥在交流侧进行串联形成较高的电压输出，用于在光伏电池发电高峰期吸收光伏电池的功率以及在光伏电池发电低谷期补偿输出功率的不足，从而减小光伏发电的功率波动。超级电容具有一定的存储容量，又有充放电速度快的优势，因而在平抑功率波动和克服电网电压跌落方面具有先天的优势。

Description

一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制 方法

技术领域

本发明的研究成果适用于分布式光伏发电系统，也可推广至大型集中式的光伏发电系统，特别涉及一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制方法。

背景技术

带有储能环节的分布式光伏发电系统，常规的结构是将光伏电池通过直流-直流(DC/DC)变换器和储能元件在直流母线上并联，或者两者分别通过直流交流(DC/AC)逆变器在交流侧并联。现有的一种带储能分布式光伏发电系统结构如附图2所示。

这种已有结构是将多个光伏电池直接串联起来，然后经过统一的直流变换电路进行整体的最大功率控制，接着和超级电容直接并连在逆变器的直流侧进行统一逆变输出。这种已有结构相对于本发明提出的新型级联型结构而言，整体结构更为简单，控制策略也相对容易，但也存在着相当多的问题，具体有下面几点：

(1)将数个光伏电池串联起来，这种方式虽然简单，但是不利于整体发电效率的提高。因为当日照不均或者电池特性不均或有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏电池板时，光伏电池组的整体输出功率就会降低，无法达到单个电池板的最大功率。并且，如果串联中的任何一个电池发生故障，那么整个电池组将会失效。

(2)由于光伏系统经过单一的逆变器并网或者向负载供电，逆变器直流侧电压比较高，相应的各功率器件的电压应力也高。

(3)对于超级电容而言，其单体电压比较低，通常只有几伏，所以应用于光伏系统需要串联。当直流母线电压比较高时就需要串联更多级数，这样就减少了等效电容量，或者需要附加直流-直流(DC/DC)变换电路。

(4)单个两电平或三电平逆变器的输出电平数少，谐波含量高，需要相对较大体积的输出滤波器。

总体来说，这种现有的带储能光伏发电系统结构所存在的问题，都可以归结为光伏电池和储能元件的低电压和高市电电压之间的不匹配所产生的问题。如果光伏发电系统独立的向低电压的负载或电网供电，这个矛盾就容易缓解一些，这就要改变多个光伏电池板串联后经单一逆变器输出的结构。

发明内容

从提高光伏发电效率、减少发电系统体积、降低成本等方面考虑，本发明提出一种新的混合级联型的光伏逆变器结构，将光伏电池和超级电容采用H桥级联的方式构成光伏发电系统。这种结构可以单相使用，也可以构成三相结构。这种结构所使用的低压器件成本低廉，且体积小，应用成熟，而且能够显著减少输出滤波器的体积，增大单个光伏电池的发电效率，可靠性高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置，其特征在于，包括一个超级电容C_s和若干个直流母线电容，分别为直流母线电容C₁、直流母线电容C₂……直流母线电容C_n；以及逆变桥H₀、逆变桥H₁……逆变桥H_n；所述逆变桥H₁到H_n分别与对应的直流母线电容C₁、直流母线电容C₂……直流母线电容C_n直接相连；n+1个逆变桥之间依次串联，还包括一个超级电容C_s与逆变桥H₀直接相连，所述；n+1个逆变桥依次串联后再与1个超级电容和n个直流母线电容直接相连后与分散的光伏电池构成的H桥级联方式的光伏逆变器。

在上述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置，构成H桥的开关管有多种选择，采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或缘栅双极型晶体管(IGBT)。

一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变器控制方法，其特征在于：

步骤1，光伏电池控制：采用最大功率跟踪(MPPT)控制方法电导增量法来确定直流母线电容C₁到C_n的电压目标值，通过对逆变桥H₁到H_n的控制使得直流母线电容C₁到C_n的电压达到目标值，使光伏电池保持最大功率输出，其中电导增量法原理是在比较光伏电池瞬时电压与输出功率的电导与电导的变化量的基础上来判别光伏电池当前工作点所处的位置，从而调整工作点电压来实现最大功率的控制。

步骤2，超级电容C_s控制：由于光照强度的波动，超级电容应该在光伏电池输出功率低于额定输出功率时增大有功输出，在光伏电池输出功率高于额定输出功率时吸收有功，减小逆变器有功输出，从而减小光伏逆变器输出功率的波动；超级电容同时能够根据需要调节无功功率，一方面可以提供与电网相连的电感所消耗的无功功率，另一方面也能吸收从电网发出的无功功率或向电网提供无功功率。

其中，与超级电容C_s相连的H₀桥的输出电压的相位、幅值，和与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的相位、幅值均不同，通过控制二者的差别来控制超级电容C_s的充电和放电状态的切换，以保持超级电容C_s的电压稳定。

在上述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变控制方法，所有与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的相位相同，而输出电压的幅值随直流母线电容的电压变化，幅值可变。

在上述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变控制方法，与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的幅值、相位的确定方法是：

步骤1，检测电网电压的幅值Vs和相位，使H₁到H_n的输出电压的相位与电网电压相位相同，而H₁到H_n的输出电压的幅值总和Vp2与电网电压的幅值Vs相同，即

V_p2＝V_s (1)

步骤2，根据电导增量法确定第k个光伏电池与其直接相连的直流母线电容C_k的电压目标值Vdck，k＝1,2,……n。Vdck与n个直流母线电容电压之和的比值为幅值分配系数Mk，即

步骤3，H₁到H_n的输出电压的幅值分别定义为U1到Un，则第k个H桥的输出电压的幅值Uk由下式确定：

U_k＝V_p2×M_k (3)

6.根据权利要求3所述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变方法，其特征在于，所述与超级电容C_s相连的逆变桥H₀的输出电压的相位、幅值的具体确定方法是：

步骤1，利用锁相环检测电网电压的相位，使H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位90度；如果超级电容C_s的直流电压低于额定值，则H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位为(90+α)度；如果超级电容C_s的直流电压高于额定值，则H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位为(90-α)度；α为大于零且大小可调的角度值。

步骤2，测量每个光伏电池的直流输出电流值Idck，k＝1,2,……n。根据下式计算n个光伏电池输出功率总和为

则H₀的输出电压的幅值Vp1由下式确定，其中L为逆变器与电网之间的滤波电感的电感量，f为电网的频率：

因此，本发明具有如下优点：超级电容经H桥与光伏电池的H桥在交流侧级联的结构，相比光伏电池H桥级联的光伏逆变器而言，进一步增加了交流侧级联的H桥的数量，因而增加了合成输出电压的电平数量，比光伏电池H桥级联的光伏逆变器进一步降低了输出谐波。普通滤波电容与光伏电池进行并联，起滤波作用的同时与H桥相连。本发明采用H桥级联型逆变器并网，其优势是可以省掉输出变压器，直接合成高电压输出，而且这种结构所使用的低压器件成本低廉，且体积小，应用成熟，加之能够显著减小输出滤波器体积，增大单个光伏电池的发电效率，提高可靠性，因此应用前景很好。

附图说明

图1为本发明的系统单相结构图。

图2光伏电池与超级电容在直流母线并联的系统结构框图。

图3为混合单元级联结构的单相等效电路图。

图4为光伏发电系统输出有功功率的相量图。

图5为光伏发电系统输出有功功率、吸收无功功率的相量图。

图6为光伏发电系统输出有功功率、输出无功功率的相量图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的可行性，所述示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面是通过参考附图描述示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图中：1-Cs-超级电容，2-PV-光伏电池，3-普通电容，4-H桥，5-L-电感，Vp1-超级电容单元输出电压，Vp2-光伏电池输出电压，Isp-流过电感电流，Vs-电网相电压，Vsl-电感上电压，Zl-等效负载，Vp-超级电容单元输出电压和光伏电池输出电压的和。

一、首先介绍一下本发明的电路拓扑以及基本的控制原理。

一种带超级电容储能的混合级联逆变器结构，包括光伏电池(2)与其串联的超级电容(1)，还有与每单元光伏电池(2)和超级电容(1)直接相连的H桥(4)，其特征在于：将超级电容(1)与分散的光伏电池(2)采用H桥级联的方式构成光伏逆变器。

(1)对于光伏电池控制，采用经典的最大功率跟踪(MPPT)控制方法，如电导增量法，使光伏电池保持最大功率输出，其中电导增量法原理是在比较光伏电池瞬时电压与输出功率的电导与电导的变化量的基础上来判别光伏电池当前工作点所处的位置，从而调整工作点电压来实现最大功率的控制。作为优选，相比其它方法电导增量法具有更高精度的同时操作方便。作为优选，本结构实现每单元光伏电池能够做到独立控制，提高系统整体发电效率。

(2)对于超级电容，其能量密度小、功率密度大、充放电效率高、速度快以及使用寿命长。作为优选，对于超级电容及与其相连的H桥的控制，通过对光伏电池(组)及与其相连的H桥的输出电压、超级电容及与其相连的H桥的输出电压、电网电压这三者相位关系以及幅值大小的控制，可实现通过超级电容快速充放电的来弥补光伏电池输出功率的快速下跌或者吸收光伏电池输出功率多余的部分，减小光伏电池发电功率波动的幅度。作为优选，本结构中在控制超级电容充电、放电的同时，可以通过控制与其相连H桥和与光伏电池相连的H桥的输出电压的相位差，实现吸收或补偿电网无功功率的目的，而光伏电池及其相连的H桥只是输出有功功率。

对于光伏电池与超级电容分别与H桥相连之后在交流侧级联的结构，由于受光照、温度以及光伏电池之间不匹配的影响，级联多电平光伏并网逆变器中各级电池的输出特性不同，其最大输出功率也不同。当光伏电池按照MPPT控制的要求而运行在各自的最大功率点处时，各级直流母线电压会由于光伏发电功率不均衡而发生电压偏移，而不再保持一致。由于本发明要保证各级光伏电池的最大功率输出，因此，对于光伏电池与超级电容分别与H桥级联的结构，本发明的控制策略应在传统直流母线电压总和控制、电网电流双闭环控制的基础之上，依据各光伏电池的MPPT控制的要求确定各H桥的直流母线电压值，而不是像已有的级联型光伏逆变器那样迫使各H桥的直流母线电压尽量保持一致。

对于光伏电池与超级电容分别与H桥相连之后在交流侧级联的结构，由于光伏电池与H桥之间也有一个直流并联电容，因而各个H桥都可以输出无功功率和有功功率。其控制方式灵活，可以适应不同的需求。比如，(1)光伏电池的H桥输出有功功率，超级电容的H桥输出与电网连接的电感所需要的无功功率，此时超级电容既不充电、也不放电，整个逆变器向电网只输送有功功率；(2)光伏电池的H桥输出有功功率，超级电容的H桥输出有功功率和无功功率，此时超级电容放电，整个逆变器向电网输送有功功率和无功功率；(3)光伏电池的H桥输出有功功率，超级电容的H桥输出有功功率、吸收无功功率，此时超级电容放电，整个逆变器向电网输送有功功率、吸收无功功率；(4)光伏电池的H桥、超级电容的H桥都输出数量不等的有功功率和无功功率，此时超级电容放电，整个逆变器向电网输送有功功率和无功功率；(5)光伏电池的H桥输出有功功率和无功功率，超级电容的H桥吸收有功功率、输出无功功率，此时超级电容充电，整个逆变器向电网输送有功功率和无功功率。

二、下面结合附图阐述具体的控制案例。

图1所示，本发明超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置，包括：光伏电池(2)、滤波电容(3)、超级电容(1)、H桥(4)和电感(5)。

图2所示，这是一种已经提出的光伏发电系统结构。

图3所示，为混合单元级联结构的单相等效电路图，超级电容输出电压V_p1和光伏电池输出电压V_p2串联后与电网或负载相连，V_sl是电感L上的电压降，电感L的电流I_sp，其矢量分析如图4所示。

图4是本发明超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置仅仅发出有功功率的矢量图。由于超级电容输出电压V_p1和光伏电池输出电压V_p2之和V_p超前于电网电压V_s，有功功率从逆变器流向电网。假设光伏单元只输出有功，光伏单元的输出电压V_p2(图4中线段AO)方向与电网电压V_s同相位，幅值大小与V_s相同。超级电容单元输出电压V_pl(图4中线段DA)相位超前于电网电压V_s 90度，幅值与电感L上电压V_sl大小相同。此时电感L的电流I_sp方向与电网电压V_s相差180度。可知，超级电容单元此时只输出电感L消耗的无功功率。若光伏单元输出电压幅值下降(如图4中线段CO)，则超级电容单元输出电压V_p1超前于电网电压V_s的相角小于90度(如图4中线段DC)，而其幅值增大，此时超级电容放电；反之若光伏单元输出电压幅值升高(如图4中线段BO)，则超级电容单元输出电压V_p1超前于电网电压V_s的相角大于90度且小于180度(如图4中线段DB)，而其幅值增大，此时超级电容充电。同时，通过控制V_p与V_s之间的相位关系以及幅值，就可以同时控制光伏发电系统向电网输送的有功功率和无功功率。

图5是光伏系统发出有功的同时吸收无功功率的矢量图。由于V_p超前于电网电压Vs，有功功率从逆变器流向电网。V_p幅值小于电网电压V_s的幅值，此时电感电流I_sp的方向滞后于电网电压V_s的角度大于90度且小于180度。假设光伏单元只输出有功，光伏单元的输出电压V_p2(如图5的线段OA)与I_sp的夹角为180度，则超级电容单元输出电压V_p1滞后于V_p2 90度(如图5的线段AD)。超级电容单元此时从电网吸收无功功率。若光伏单元输出电压幅值下降(如图5的线段OC)，则超级电容单元输出电压V_p1滞后于V_p2的角度小于90度(如图5的线段CD)，此时超级电容放电；反之若光伏单元输出电压幅值升高(如图5的线段OB)，则超级电容单元输出电压V_p1滞后于V_p2的角度大于90度且小于180度(如图5的线段BD)，此时超级电容充电。

图6是光伏系统发出有功功率的同时发出无功功率的矢量图。逆变器输出电压V_p超前于电网电压V_s，且V_p幅值高于电网电压V_s，此时电感电流I_sp的方向超前于电网电压V_s的角度大于90度且小于180度，有功功率和无功功率从逆变器流向电网。假设光伏单元既输出有功功率，又发出无功功率，光伏单元的输出电压V_p2超前于电网电压V_s的角度小于90度，同时滞后于V_p(如图6中线段OA)，则超级电容单元输出电压V_p1超前于电网电压V_s的角度小于180度且超前于I_sp的相角90度(如图6中线段AD)。此时超级电容单元输出无功功率。若光伏单元输出电压幅值下降(如图6中线段OC)，则超级电容单元输出电压V_p1超前于电网电压V_s的角度减小(如图6中线段CD)，幅值加大，此时超级电容放电；反之若光伏单元输出电压幅值升高(如图6中线段OB)，则超级电容单元输出电压V_p1超前于电网电压V_s的角度加大(如图6中线段BD)，此时超级电容充电。

通过以上相量分析可知，这种混合级联系统是可以同时完成发电电流控制和超级电容的充放电控制的。

已经有一些研究提出了在大型集中式地面光伏电站中采用H桥级联型逆变器并网，其优势是可以省掉输出变压器，直接合成高电压输出并网。在分布式光伏系统中，由于现有功率器件可以达到市电电压等级，因而采用单一逆变器看起来更为简单直接，采用级联式结构显得结构复杂、元器件多。但是对于本发明而言，这种结构所使用的低压器件其成本很低廉，且体积小，应用成熟，加之能够显著减小输出滤波器的体积，增大单个光伏电池的发电效率，提高可靠性，因此本发明的结构及其控制方法具有明显优点，是值得推广的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变器控制方法，基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置，包括一个超级电容C_s和若干个直流母线电容，分别为直流母线电容C₁、直流母线电容C₂……直流母线电容C_n；以及逆变桥H₀、逆变桥H₁……逆变桥H_n；所述逆变桥H₁到H_n分别与对应的直流母线电容C₁、直流母线电容C₂……直流母线电容C_n直接相连；n+1个逆变桥之间依次串联，还包括一个超级电容C_s与逆变桥H₀直接相连，所述；n+1个逆变桥依次串联后再与1个超级电容和n个直流母线电容直接相连后与分散的光伏电池构成的H桥级联方式的光伏逆变器；构成H桥的开关管有多种选择，采用金属-氧化物半导体场效应晶体管、或缘栅双极型晶体管。其特征在于：

步骤1，光伏电池控制：采用最大功率跟踪控制方法电导增量法来确定直流母线电容C₁到C_n的电压目标值，通过对逆变桥H₁到H_n的控制使得直流母线电容C₁到C_n的电压达到目标值，使光伏电池保持最大功率输出，其中电导增量法原理是在比较光伏电池瞬时电压与输出功率的电导与电导的变化量的基础上来判别光伏电池当前工作点所处的位置，从而调整工作点电压来实现最大功率的控制；

步骤2，超级电容C_s控制：由于光照强度的波动，超级电容应该在光伏电池输出功率低于额定输出功率时增大有功输出，在光伏电池输出功率高于额定输出功率时吸收有功，减小逆变器有功输出，从而减小光伏逆变器输出功率的波动；超级电容同时能够根据需要调节无功功率，一方面可以提供与电网相连的电感所消耗的无功功率，另一方面也能吸收从电网发出的无功功率或向电网提供无功功率；

其中，与超级电容C_s相连的H₀桥的输出电压的相位、幅值，和与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的相位、幅值均不同，通过控制二者的差别来控制超级电容C_s的充电和放电状态的切换，以保持超级电容C_s的电压稳定。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变器控制方法，其特征在于，所有与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的相位相同，而输出电压的幅值随直流母线电容的电压变化，幅值可变。

3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变器控制方法，其特征在于，与光伏电池相连的逆变桥H₁到H_n的输出电压的幅值、相位的确定方法是：

步骤1，检测电网电压的幅值V_s和相位，使H₁到H_n的输出电压的相位与电网电压相位相同，而H₁到H_n的输出电压的幅值总和V_p2与电网电压的幅值V_s相同，即

V_p2＝V_s (1)

步骤2，根据电导增量法确定第k个光伏电池与其直接相连的直流母线电容C_k的电压目标值V_dck，k＝1,2,……n；V_dck与n个直流母线电容电压之和的比值为幅值分配系数M_k，即

步骤3，H₁到H_n的输出电压的幅值分别定义为U₁到U_n，则第k个H桥的输出电压的幅值U_k由下式确定：

U_k＝V_p2×M_k (3)。

4.根据权利要求3所述的一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变器控制方法，其特征在于，所述与超级电容C_s相连的逆变桥H₀的输出电压的相位、幅值的具体确定方法是：

步骤1，利用锁相环检测电网电压的相位，使H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位90度；如果超级电容C_s的直流电压低于额定值，则H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位为(90+α)度；如果超级电容C_s的直流电压高于额定值，则H₀的输出电压相位超前于电网电压的相位为(90-α)度；α为大于零且大小可调的角度值；

步骤2，测量每个光伏电池的直流输出电流值I_dck，k＝1,2,……n；根据下式计算n个光伏电池输出功率总和为

则H₀的输出电压的幅值V_p1由下式确定，其中L为逆变器与电网之间的滤波电感的电感量，f为电网的频率：