光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构及其控制方法

本发明属于电力电子变换器，更具体地，涉及一种四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构及其控制方法。

背景技术：

1、新能源发电常以分布式电源的形式接入电网，其具有波动性和间歇性的特点，加上以新能源汽车为首的新型用电负荷，使得新能源发电出力与用电负荷变化趋势差异显著，功率预测难度较大，配电网潮流分布呈现波动性，传统配电网控制手段不再适用，因此构建以直流微电网为基本单元结构的智能互联型电力网将是大量可再生能源、分布式储能系统以及相应变流装置接入电网的未来发展趋势。构建直流微电网的核心在于隔离型双向直流变换器的设计，而三相双有源桥电路因其单位功率密度高，输入输出电流脉动小等优势在隔离型双向直流变换器的设计中逐渐占据主导地位。为了平抑新能源发电带来的功率波动、保障供电可靠、运行安全，需要配合储能装置实现并网装置自身调峰、调频和调压等能力。因此，采用多端口ac/dc/dc变流器结构及其控制方法，灵活调控光伏、储能与电网的功率流动，将有效提升系统运行稳定性。

2、现有技术中，光伏与储能同时接入电网需要引入多个电力电子变流器模块，带来体积大、成本高的问题；同时现有控制方法难以稳定储能装置输出电压电流以及并网电流，容易导致直流电压过高，威胁装置安全；在控制植入方面，储能装置控制难以复合进已有的并网变流器控制中，导致复合储能控制难以推广。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构及其控制方法，旨在解决当前光储并网变流器难以稳定储能装置输出电压电流以及并网电流，以及储能装置控制难以复合进已有的并网变流器控制的问题。

2、为实现上述目的，一种四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构，该拓扑结构包括一个三相双有源桥电路，一个dc/ac逆变电路与一组dc/dc斩波电路；

3、所述四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构包括四个端口：直流端口1，直流端口2，直流端口3以及交流端口；

4、所述四个端口中，直流端口1可外接光伏矩阵或超级电容，直流端口2可外接光伏矩阵，直流端口3可外接蓄电池，交流端口接入电网；

5、所述四个端口，直流端口1通过由三相桥式电路c1构成的dc/ac逆变电路以及llcl型滤波器与交流端口相连；直流端口1通过带有曲折接法的三相五绕组变压器的三相双有源桥电路与直流端口2相连；直流端口2通过由三相桥式电路c2构成的一组dc/dc斩波电路、曲折变压器副边绕组以及滤波电感lb和滤波电容cb与直流端口3相连；

6、进一步，三相双有源桥电路包括：

7、三相桥式电路c1和三相桥式电路c2，配置于不同的直流端口；

8、一个曲折接法的三相五绕组变压器，连接三相桥式电路c1和c2的输出；

9、直流端口1和直流端口2，其中直流端口1连接有光伏阵列或超级电容器，并包括滤波电容cdc1；直流端口2连接有光伏阵列，并包括滤波电容cdc2；

10、三相桥式电路c1和c2分别由六个mosfet开关管组成，配置于变压器的原边和副边，以实现电流的变换和调制。

11、进一步，所述三相桥式电路c1和c2的每个mosfet开关管通过相应的滤波电感和滤波电容与变压器的相应绕组连接，以优化电流的品质和降低谐波。

12、进一步，dc/ac逆变电路包括：

13、三相桥式电路c1，连接至直流端口1；

14、llcl型滤波器，连接三相桥式电路c1的输出，用于进一步滤波和稳定输出电流至电网；

15、三相h桥，包含六个mosfet开关管，配置于三相桥式电路c1中，以控制电流的逆变；

16、直流端口1通过三相h桥连接至llcl型滤波器，以实现高效率的电流转换和输出。

17、进一步，dc/dc斩波电路包括：

18、通过三个buck电路或boost电路实现直流端口2与直流端口3之间的电压转换；

19、每个buck或boost电路包含一个mosfet开关管、二极管、曲折变压器副边绕组、一个滤波电感和一个滤波电容，以实现有效的电压降低或提升；

20、通过控制mosfet开关管的开闭，调节通过曲折变压器副边绕组的电流，从而调节直流端口3的输出电压和电流，实现能量的有效转换和管理。

21、本发明还提供了一种控制四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器的方法，包括以下步骤：

22、(a)使用光伏最大功率跟踪器，通过电导增量法，确保光伏阵列工作在最大功率点处，同时将最大功率点的电压设置为直流端口2的电压参考值v2ref；

23、(b)利用第一减法器计算直流端口2的电压参考值v2ref与实际电压v2之间的差值；

24、(c)通过第一比例积分控制器处理上述差值，得到移相比d3的参考偏差；

25、(d)使用第二减法器计算移相比参考值d3*与参考偏差及变压器原副边相位差的和，得到移相比d3；

26、(e)通过传输功率生成器计算直流端口2的输出功率po；

27、(f)利用电压变比生成器计算变压器原副边的电压变比m；

28、(g)使用全局最优调制策略控制器，基于传输功率po和电压变比m，以最小化全局电流应力为目标，确定开关器件的占空比dc*和移相比d3*；

29、(h)将上述控制信号转换为pwm信号，以控制三相桥式电路c1和c2中的开关器件。

30、进一步，包括利用第三减法器计算开关器件的占空比参考值dc*与实际占空比dc之间的差值，并通过第二比例积分控制器处理此差值以调整开关器件的实际占空比。

31、进一步，包括使用第一加法器和第二加法器分别计算三相桥式电路c1和c2的开关器件占空比dc1和dc2，基于开关器件占空比dc和各自的电压参考值urefp和urefs。

32、进一步，包括使用同步脉宽调制器将移相比d3、三相桥式电路c1的开关器件占空比dc1、三相桥式电路c2的开关器件占空比dc2转换为所有开关器件的pwm信号。

33、进一步，包括利用锁相环控制器同步电网侧三相电压以计算电网角频率wt，并通过余弦发生器生成与此频率相关的三相余弦信号，用于三相电流参考值的生成和调整。

34、通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

35、第一，本发明提供了一种四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构及其控制方法，利用多绕组高频变压器结构，在实现了电气隔离的基础上具有器件数量少、开关纹波小的显著优势。在实现dc/dc变换同时，一桥实现三相交流并网另一桥实现直流端口复合。拓扑在实现光储联合接入同时，具有主动支撑、高效和低成本等优势。

36、本发明提供了一种四端口高频隔离型光伏储能复合并网变流器装置拓扑结构及其控制方法，通过开关器件的复用，将光伏阵列输出最大功率，并通过ac/dc逆变电路输送给电网，同时控制储能装置输出功率，能够实现装置在一段时间输出或吸收稳定的交流功率。

37、本发明具有良好的经济性，同时储能控制输出的调制电流能够推广至任何采用电流环控制的并网变流器上，体现了本发明具有良好的推广性与普遍性。

38、本发明能保持无偏差的储能装置电压控制，精准控制输出交流电压电流，同时避免高压直流端口发生过压，提高控制系统可靠性、稳定性。

39、第二，本发明主要针对以下现有技术中的技术问题：

40、1.电能质量问题：现有技术中，光伏发电系统和其他可再生能源系统在并网操作中常常面临电能质量问题，如电压波动和频率不稳定等，这会影响电网的稳定性和电能的有效利用。

41、2.能源利用效率：传统的并网系统往往没有有效地利用各种能源，尤其是在光伏和储能设备共同作用的场景下，缺乏有效的管理和优化策略，导致能源浪费。

42、3.系统复杂性和成本：现有的解决方案往往需要多个独立的系统来处理电能质量和能源管理，这不仅增加了系统的复杂性，也提高了成本。

43、4.响应速度和控制精度：现有技术在快速响应电网需求和精确控制方面存在局限，特别是在高负载和高变动的电网环境中。

44、获得的显著技术进步：

45、针对上述问题，本发明提供了一种四端口高频隔离型光伏-储能复合并网变流器装置，并通过创新的控制策略实现了以下技术进步：

46、1.提高电能质量：通过整合光伏最大功率跟踪与高级的电压和功率控制策略，本发明显著改善了并网操作中的电能质量，包括稳定电压和减少电网波动。

47、2.优化能源管理：本发明的四端口设计使得光伏发电与储能设备之间的能量转换更加高效，通过智能控制策略优化了能源分配，提高了能源利用效率，并降低了能源损耗。

48、3.系统集成与成本效益：通过将多种功能集成在单一的设备中，本发明简化了系统架构，降低了额外设备的需求和总体安装成本，同时也减少了运维复杂性。

49、4.提升响应速度和控制精度：本发明采用的同步脉宽调制技术和比例积分控制策略，提高了对电网变化的响应速度和控制的精度，特别是在电网负载快速变动时，能够快速稳定输出。

50、本发明不仅解决了现有技术中的多个技术问题，而且通过创新的技术方案实现了显著的技术进步，使得并网操作更加高效、稳定，同时也为未来智能电网技术的发展提供了坚实的基础。

51、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

52、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明提供了一种四端口高频隔离型光伏-储能复合并网变流器装置，对现有的光伏并网变流器拓扑进行了优化。该拓扑利用多绕组高频变压器结构，实现dc/dc变换同时，一桥实现三相交流并网另一桥实现直流端口复合。其四端口分别连接光伏电池板、能量型储能元件、功率型储能元件以及电网，并具备最大功率跟踪、充放电控制、入网功率波动平抑等能力。拓扑实现光-储联合接入同时，具有主动支撑、高效和低成本等优势，特别适合中小功率的分布式光伏并网场景。