一种基于可控电源的光伏直流直馈式发电方法及装置与流程

[0001]
本发明涉及一种基于可控电源的光伏直流直馈式发电方法及装置，属于电力电子自动控制领域。


背景技术：

[0002]
随着化石能源的耗竭，光伏等可再生能源的广泛利用是解决能源危机的重要举措。过去几年，国家出台了光伏电价补贴等一系列强有效的措施，分布式光伏在配网中的接入比例呈爆发式增长。然而，随着光伏电价补贴红利的消失，分布式光伏增长的动力减弱。而影响新增分布式光伏接入的主要因素为设备的体积、成本和发电效率。分布式光伏的接口变换器体积较大，影响部分对体积因素敏感的用户选择安装分布式光伏；分布式光伏接口变换器安装成本、发电效率影响用户的成本回收，而伴随着电价补贴红利的消失，光伏接口变换器的成本和效率关系着了分布式光伏的增长形势。


技术实现要素：

[0003]
发明目的：本发明提出一种基于可控电源的光伏直流直馈式发电方法及装置，提升分布式光伏的转换效率。
[0004]
技术方案：本发明采用的技术方案为一种基于可控电源的光伏直流直馈式发电方法，包括以下步骤：
[0005]
1)测量可控电源的输出电压和输出电流，并计算可控电源的输出功率；
[0006]
2)按照最大功率追踪控制模式控制发电装置；
[0007]
3)将可控电源在最大功率追踪控制模式和电压控制模式之间循环切换。
[0008]
所述步骤1)中按照下式计算k时刻可控电源的输出功率p
cd
(k)：
[0009]
p
cd
(k)＝v
bus
(k)i
cd
(k)
[0010]
其中v
bus
(k)和i
cd
(k)分别是k时刻可控电源的输出电压和输出电流。
[0011]
所述步骤2)中首先判断下式是否成立
[0012][0013]
其中p
cd
(k+1)和p
cd
(k)分别为k+1时刻和k时刻可控电源输出功率，δv为直流母线电压变化量，r
l
为直流微网负载总功率；
[0014]
若上式成立则进一步判断下式是否成立：
[0015]
v
bus
(k+1)>v
bus
(k)
[0016]
其中v
bus
(k+1)和v
bus
(k)分别为k+1时刻和k时刻可控电源输出电压，若该式成立则可控电源输出电压增加一个步长，反之若该式不成立则可控电源输出电压减少一个步长。
[0017]
所述步骤2)中首先判断下式是否成立
[0018][0019]
其中p
cd
(k+1)和p
cd
(k)分别为k+1时刻和k时刻可控电源输出功率，δv为直流母线电压变化量，r
l
为直流微网负载总功率；
[0020]
若上式不成立则进一步判断下式是否成立：
[0021]
v
bus
(k+1)>v
bus
(k)
[0022]
其中v
bus
(k+1)和v
bus
(k)分别为k+1时刻和k时刻可控电源输出电压，若该式成立则可控电源输出电压减少一个步长，反之若该式不成立则可控电源输出电压增加一个步长。
[0023]
所述步骤3)中可控电源在最大功率追踪控制模式运行δt时间后切换至电压控制模式，接着在电压控制模式运行t时间后切换回最大功率追踪控制模式，如此循环。
[0024]
一种基于可控电源的光伏直流直馈式发电装置，包括连接着直流负载的直流母线，光伏电池直接接入直流母线，可控电源通过接口变换器接入直流母线。
[0025]
所述可控电源为输出有功功率连续可调的电源。
[0026]
有益效果：本发明中光伏电池直接接入直流微网，通过直流微网中的可控电源灵活调控直流母线电压进而实现光伏电池最大功率运行，因此省去了光伏电池接入直流母线时所需的直流接口变换器，降低了分布式光伏发电系统的成本和体积。
附图说明
[0027]
图1为本发明光伏直流直馈式发电装置；
[0028]
图2为本发明可控电源电压控制模式图；
[0029]
图3为本发明最大功率追踪算法流程图；
[0030]
图4为本发明可控电源mppt控制模式图。
具体实施方式
[0031]
如图1所示本实施例光伏直流直馈式发电装置的结构框图，其中光伏电池直接接入直流微网中的直流母线，直流微网保持离网运行，与传统交流电网不连接。除了光伏电池外，直流微网中包含容量较大的可控电源、直流负载。可控电源定义为输出有功功率连续可调的电源，如储能电源。本实施例提出的基于可控电源的光伏直流直馈式发电方法，正常情况下，可控电源通过dc/dc接口或ac/dc接口变换器与直流母线连接，可控电源工作模式为电压控制模式。
[0032]
由于本实施例省去了光伏电池接入直流母线所需的直流接口变换器，所以需要利用可控电源来调整直流母线电压。可控电源的电压控制模式如图2所示，整体控制框图包括电压外环、电流内环两层控制；其中电压外环母线电压参考值 v
dcref
与直流母线电压实测值v
dc
作差后，经pi调节器，产生可控电源输出电流参考值i
dcref
；进一步，电流参考值i
dcref
与实测电流i
dc
作差后经pi调节器输出ac/dc接口变换器的调制信号pwm。
[0033]
直流微网中的直流负载包括恒功率负载和恒电阻负载，恒功率负载的输出功率p
cp
为恒定值，与直流母线电压无关。
[0034]
而恒电阻负载输出功率p
cr
为：
[0035][0036]
直流微网负载总功率p
tl
为：
[0037][0038]
因此直流微网的功率平衡表达式为：
[0039]
p
tl
＝p
tp
+p
cd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
上式中p
cd
为可控电源输出功率，p
tp
为光伏输出功率，光伏输出功率p
tp
还可以表达为
[0041]
p
tp
＝v
pv
i
pv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0042]
上式中v
pv
，i
pv
分别为光伏电池输出电压、电流。由于光伏电池是直接接入直流母线，因此光伏电池输出电压等于直流母线电压v
bus
。光伏电池是一种受控电流源，当光照不变时，光伏电池输出电流i
pv
的大小与光伏电池输出电压v
pv
相关，也就是与直流母线电压v
bus
相关。由此可见，通过可控电源控制直流母线电压v
bus
，能够按照最大功率追踪控制模式(mppt)实现光伏电池最大功率的追踪。
[0043]
令k时刻光伏电池输出电压、电流分别为v
pv
(k)、i
pv
(k)，则k时刻光伏输出功率p
tp
(k)为：
[0044]
p
tp
(k)＝v
pv
(k)i
pv
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0045]
可控电源的输出电压和输出电流分别为v
bus
(k)、i
cd
(k)，v
bus
(k)和i
cd
(k)通过测量获得，k时刻可控电源输出功率p
cd
(k)为：
[0046]
p
cd
(k)＝v
bus
(k)i
cd
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0047]
则k时刻系统功率平衡方程为：
[0048]
p
tl
(k)＝p
tp
(k)+p
cd
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0049]
若k+1时刻直流母线电压变化量为δv，即:
[0050]
v
bus
(k+1)＝v
bus
(k)+δv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0051]
上式中v
bus
(k+1)是k+1时刻可控电源的输出电压，则k+1时刻直流微网负载总功率p
tl
(k+1)为：
[0052][0053]
同理，k+1时刻系统的功率平衡方程为：
[0054]
p
tl
(k+1)＝p
tp
(k+1)+p
cd
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0055]
联立公式(7)-(9)可推导出：
[0056][0057]
若p
tp
(k+1)>p
tp
(k)则有:
[0058]
[0059]
基于可控电源的光伏直流直馈式系统的最大功率追踪控制法的算法流程如图3所示。若不等式(12)成立，则p
tp
(k+1)>p
tp
(k)。
[0060]
进一步若v
bus
(k+1)>v
bus
(k)成立，则：
[0061]
v
bus
(k+2)＝v
bus
(k+1)+v
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0062]
即在k+1时刻可控电源的输出电压v
bus
(k+1)基础上增加一个固定步长v
bc
后结束。
[0063]
若v
bus
(k+1)>v
bus
(k)不成立，则
[0064]
v
bus
(k+2)＝v
bus
(k+1)-v
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0065]
即在k+1时刻可控电源的输出电压v
bus
(k+1)基础上减少一个固定步长v
bc
后结束。
[0066]
若不等式(12)不成立，则p
tp
(k+1)<p
tp
(k)。同样进一步判断v
bus
(k+1)>v
bus
(k) 是否成立。
[0067]
若v
bus
(k+1)>v
bus
(k)成立，则：
[0068]
v
bus
(k+2)＝v
bus
(k+1)-v
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0069]
即在k+1时刻可控电源的输出电压v
bus
(k+1)基础上减少一个固定步长v
bc
后结束。
[0070]
若v
bus
(k+1)>v
bus
(k)不成立，则
[0071]
v
bus
(k+2)＝v
bus
(k+1)+v
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0072]
即在k+1时刻可控电源的输出电压v
bus
(k+1)基础上增加一个固定步长v
bc
后结束。
[0073]
若可控电源一直运行在mppt模式，则直流母线电压v
bus
含有高频谐波分量。此时本实施例采用如图4所示的控制方法。在初始时刻t0可控电源运行在mppt 控制模式，并保持该运行模式δt时间后切换至电压控制模式。在电压控制模式下运行t时间后，再切换回mppt控制模式，如此循环。