專利名稱：太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種供電系統(tǒng)，尤其涉及一種太陽(yáng)能光伏陣列與市電聯(lián)合的供電系統(tǒng) 及其供電控制方法，屬于新能源供電系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類生活水平的不斷提高，對(duì)能源的需求大幅度增加?；茉醋鳛椴豢稍?生能源正日益枯竭，而且它所造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。太陽(yáng)能光伏供電作為綠色新能源 供電方式，其得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以再生，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。太陽(yáng)能光伏電池的最大特性是外特性曲線隨光強(qiáng)和溫度的變化而變化，為了能夠 最大限度地利用太陽(yáng)能，要求直流變換器能時(shí)刻控制太陽(yáng)能光伏電池的輸出，使其工作在 最大功率點(diǎn)附近。目前提出的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)無(wú)法保證負(fù)載能持續(xù)穩(wěn)定地工作，因此為了能夠充分 地使用太陽(yáng)能，同時(shí)又需要保證負(fù)載能夠時(shí)刻正常穩(wěn)定地工作，所以必須加入一輔助電源， 以在太陽(yáng)能光伏無(wú)法滿足負(fù)載供電需要時(shí)作為備用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種以太陽(yáng)能光伏為主供電電源、市電電源為輔助電源 的聯(lián)合供電系統(tǒng)及其聯(lián)合供電控制方法。本發(fā)明供電系統(tǒng)包括光伏陣列、市電電源、DC/DC變換器、PFC變換器和DC/AC逆變 器，其中光伏陣列的輸出通過(guò)DC/DC變換器接入直流母線，市電電源的輸出通過(guò)PFC變換 器接入直流母線，DC/AC逆變器的輸入端連入直流母線，DC/AC逆變器的輸出連接負(fù)載。所述DC/DC變換器是由Boost電路、全橋變換器和整流濾波電路依次串接組成， Boost電路的輸入連接光伏陣列的輸出，整流濾波電路的輸出接入直流母線。所述PFC變換器是由PFC整流電路連接Boost PFC電路組成，PFC整流電路的輸 入連接市電電源的輸出，Boost PFC電路的輸出接入直流母線?；诒景l(fā)明供電系統(tǒng)的供電控制方法，該控制方法所采用的控制電路分為兩路， 具體為光伏陣列輸出電流、電壓采樣接入MPPT控制器，MPPT控制器的輸出接入加法器， 加法器的輸出與光伏陣列輸出電流采樣接入第一減法器，第一減法器的輸出依次通過(guò)第一 電流調(diào)節(jié)器、第一 PWM電路和第一門極驅(qū)動(dòng)電路后連接Boost開(kāi)關(guān)管；電壓比較器參考值與 直流母線輸出電壓采樣接入第二減法器，第二減法器的輸出接入電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器 的一路輸出與正弦饅頭波接入乘法器，另一路輸出通過(guò)阻斷二極管接入加法器，乘法器的 輸出與PFC變換器電感電流采樣接入第三減法器，第三減法器的輸出依次通過(guò)第二電流調(diào) 節(jié)器、第二 PWM電路和第二門極驅(qū)動(dòng)電路后連接Boost PFC開(kāi)關(guān)管；該控制方法包括如下內(nèi)容當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，由光伏陣列單獨(dú)向負(fù)載供電，直流母線電壓升高，使電壓調(diào)節(jié)器的輸出為負(fù)，Boost PFC開(kāi)關(guān)管的占空比為0，同時(shí)使阻斷 二極管導(dǎo)通，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)整信號(hào)使MPPT控制器中電壓給定參考值減小，此時(shí) 電壓調(diào)節(jié)器與第一電流調(diào)節(jié)器組成雙閉環(huán)，使直流母線穩(wěn)壓，處于穩(wěn)壓狀態(tài)；當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率小于負(fù)載所需功率時(shí)，由光伏陣列和市電電源同時(shí)向 負(fù)載供電，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Boost PFC開(kāi)關(guān)管的占空比控制直流母線電壓，阻斷二極管 阻斷，兩路控制電路獨(dú)立工作，MPPT控制器計(jì)算得到的光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓值作為第 一電流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)給定，使光伏陣列輸出最大功率，不足功率由市電電源提供；當(dāng)光伏陣列無(wú)法工作時(shí)，關(guān)閉DC/DC變換器，由市電電源向負(fù)載供電，電壓調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)Boost PFC開(kāi)關(guān)管的占空比控制直流母線電壓，使直流母線電壓恒定。本發(fā)明供電系統(tǒng)以光伏陣列為主要供電電源，根據(jù)太陽(yáng)能光伏電池輸出功率的多 少，來(lái)控制本系統(tǒng)在三種模式下平穩(wěn)切換，即太陽(yáng)能單路獨(dú)立工作、市電單路獨(dú)立工作、太 陽(yáng)能/市電兩路聯(lián)合工作模式，實(shí)現(xiàn)盡可能地利用太陽(yáng)能，在太陽(yáng)能不足的情況下以市電 輔助供電，保證負(fù)載能持續(xù)穩(wěn)定地工作。


圖1為本發(fā)明供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明供電系統(tǒng)的電路原理圖。圖3 圖5分別為本發(fā)明供電系統(tǒng)的三種工作模態(tài)能量流動(dòng)示意圖。圖6為本發(fā)明供電系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖7 圖9分別為本發(fā)明供電系統(tǒng)控制電路的三種工作模態(tài)示意圖。上述附圖中的主要標(biāo)號(hào)名稱PV為光伏陣列；Vg為電網(wǎng)電壓(市電輸入電壓)； Cinl為輸入濾波電容；Lfl、Lf2、Lf3、Lf4均為濾波電感誶為Boost開(kāi)關(guān)管；Q2為Boost PFC開(kāi) 關(guān)管； ；為隔離變壓器；Rld為負(fù)載-X為系統(tǒng)輸出電壓；ipv—f為光伏陣列輸出電流采樣；vpv— f為光伏陣列輸出電壓采樣；ν?！猣為直流母線輸出電壓采樣；iin2—f為PFC變換器電感電流采 樣；iinl—&、iin2—分別為第一、第二電流比較器參考值；Qdi為Boost開(kāi)關(guān)管(Q1)的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)；Qd2為Boost PFC(Q2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光伏陣列、市電電源、DC/DC變換器、 PFC(功率因數(shù)校正)變換器和DC/AC逆變器，其中光伏陣列的輸出通過(guò)DC/DC變換器接 入直流母線，市電電源的輸出通過(guò)PFC變換器接入直流母線，DC/AC逆變器的輸入端連入直 流母線，DC/AC逆變器的輸出給交流負(fù)載供電。本發(fā)明供電系統(tǒng)的具體電路如圖2所示。DC/DC變換器是由Boost電路1、全橋變 換器2和整流濾波電路3依次串接組成；PFC變換器是由PFC整流電路4連接Boost PFC電 路5組成；DC/AC逆變器是由逆變電路6連接濾波輸出電路7組成。其中=Boost電路1并 聯(lián)在光伏陣列PV的正負(fù)輸出端上；全橋變換器2由開(kāi)關(guān)管QK1、Qe3串聯(lián)組成的超前橋臂與 開(kāi)關(guān)管QK2、QK4串聯(lián)組成的滯后橋臂并聯(lián)組成，隔離變壓器 ；的原邊兩端分別與超前和滯后 兩橋臂的開(kāi)關(guān)管的串聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接，其副邊的同名端與整流濾波電路3的兩個(gè)二極管DB1、 Db3的串聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接，異名端與另兩個(gè)二極管DB2、Db4的串聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接；整流濾波電路3
4的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)二極管DB1、DB3串聯(lián)組成的串聯(lián)支路與另兩個(gè)二極管DB2、DB4串聯(lián)組成的串聯(lián) 支路并聯(lián)，濾波電感Lf3與濾波電容Cf3串聯(lián)后與二極管串聯(lián)支路并聯(lián)；PFC整流電路4的結(jié) 構(gòu)為兩個(gè)二極管DB5、DB7串聯(lián)組成的串聯(lián)支路與另兩個(gè)二極管DB6、DB8串聯(lián)組成的串聯(lián)支路 并聯(lián)；Boost PFC電路5由濾波電感Lf2、Boost PFC開(kāi)關(guān)管Q2、續(xù)流二極管D2、濾波電容Cf2 組成；逆變電路6由開(kāi)關(guān)管QK5、QK7串聯(lián)組成的超前橋臂與開(kāi)關(guān)管QK6、QK8串聯(lián)組成的滯后橋 臂并聯(lián)組成；濾波輸出電路7是由濾波電感Lf4、濾波電容Cf4及負(fù)載Rld組成。上述開(kāi)關(guān)管 Qei Qk8我們采用M0SFET，其均帶有寄生體二極管。為了充分利用太陽(yáng)能、最大限度發(fā)揮光伏陣列的效用，必須使光伏陣列時(shí)刻工作 在最大功率點(diǎn)處，即需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。目前的太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤技 術(shù)控制算法有很多種，本發(fā)明采用擾動(dòng)觀察法(Perturbation & Observation，P&0)。下面根據(jù)光伏陣列的輸出功率及負(fù)載大小，并結(jié)合圖3 圖5敘述本發(fā)明供電系 統(tǒng)的三種工作模態(tài)能量流動(dòng)情況。系統(tǒng)工作模式1 [如圖3所示]光伏陣列的最大輸出功率大于負(fù)載所需功率，控 制DC/DC變換器工作在輸入為恒壓狀態(tài)，光伏陣列單獨(dú)提供負(fù)載所需功率，PFC變換器不工作。系統(tǒng)工作模式2[如圖4所示]光伏陣列的最大輸出功率小于負(fù)載所需功率，控 制DC/DC變換器工作在MPPT (Maximum Power Point Tracking，MPPT，最大功率點(diǎn)跟蹤)狀 態(tài)，同時(shí)PFC變換器工作，市電電源提供負(fù)載所需剩余功率。系統(tǒng)工作模式3[如圖5所示]光伏陣列無(wú)法正常工作，關(guān)閉DC/DC變換器，PFC 變換器獨(dú)立工作，由市電單獨(dú)提供負(fù)載所需功率。本發(fā)明的目的是在保證負(fù)載時(shí)刻正常工作的情況下最大限度地使用太陽(yáng)能，這就 需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量進(jìn)行管理。本發(fā)明供電系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體結(jié)構(gòu) 如下光伏陣列輸出電流、電壓采樣ipv f、vpv f接入MPPT控制器，MPPT控制器的輸出(光 伏陣列最大功率點(diǎn)電流ipv—m)接入加法器，加法器的輸出與光伏陣列輸出電流采樣ipv—f接 入第一減法器，第一減法器依次通過(guò)第一電流調(diào)節(jié)器、第一 PWM電路和第一門極驅(qū)動(dòng)電路 后輸出Boost開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Qdi ；電壓比較器參考值ν。&與直流母線輸出電壓采樣 ν。f接入第二減法器，第二減法器的輸出接入電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的一路輸出與正弦饅 頭波接入乘法器，另一路輸出通過(guò)阻斷二極管D。接入加法器并接地，乘法器的輸出與PFC 變換器電感電流采樣iin2—f接入第三減法器，第三減法器依次通過(guò)第二電流調(diào)節(jié)器、第二 PWM電路和第二門極驅(qū)動(dòng)電路后輸出Boost PFC開(kāi)關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)QD2。下面根據(jù)本發(fā)明供電系統(tǒng)的工作模態(tài)，并結(jié)合圖7 圖9對(duì)本系統(tǒng)的能量控制方 法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。系統(tǒng)工作在模式1 [如圖7所示]，即光伏陣列的最大輸出功率大于負(fù)載所需功率， 由光伏陣列單獨(dú)向負(fù)載供電。如果保持MPPT控制器中電壓給定參考值Vinl = Vpv ffl,則光 伏陣列工作在最大功率點(diǎn)，其輸出功率大于負(fù)載所需功率，導(dǎo)致直流母線電壓升高。這時(shí)電 壓調(diào)節(jié)器的輸出為負(fù)值，使Boost PFC開(kāi)關(guān)管Q2的占空比為0，同時(shí)使D。導(dǎo)通，電壓調(diào)節(jié)器 的輸出作為調(diào)整信號(hào)使vinl—ref減小，即減小太陽(yáng)能電池的輸出電流，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器與第 一電流調(diào)節(jié)器組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，調(diào)節(jié)DC/DC變換器中Boost開(kāi)關(guān)
5管仏的占空比使直流母線電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)工作在模式2 [如圖8所示]，即光伏陣列的最大輸出功率小于負(fù)載所需功率， 由光伏陣列和市電同時(shí)向負(fù)載供電。此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Boost PFC開(kāi)關(guān)管Q2的占空比 控制直流母線電壓，Dc阻斷，兩路控制電路獨(dú)立工作。其中MPPT控制器計(jì)算得到光伏陣列 最大功率點(diǎn)電壓值vpv—m作為第一電流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)給定，使光伏陣列輸出最大功率，不足 功率由市電提供。系統(tǒng)工作在模式3 [如圖9所示]，即在夜晚或陰雨天氣的情況下，光伏陣列無(wú)法工 作時(shí)，關(guān)閉DC/DC變換器，由市電提供負(fù)載所需功率。電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Boost PFC開(kāi)關(guān)管Q2 的占空比，保證直流母線電壓恒定。本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例數(shù)據(jù)如下光伏陣列輸入電壓Vpv = 28 37V ；市電輸 入直流電壓Vg = 220VAC士20% ；輸出直流母線電壓Vbus = 380V;系統(tǒng)輸出電流(負(fù)載電 流)1。= 5. 3A ；濾波電感 Lfl = 90uH、Lf2 = 300uH、Lf3 = 290uH ；變壓器 Tr 原副邊變比 0. 231 ；輸出濾波電容 Cfl = 220uF、Cf2 = 560uFX3 ；MOSFET 開(kāi)關(guān)管 Q1 采用 IPP111N15N3,Q2 采用 SPW47N60C3，Qei > Qe2 > Qe3> Qe4 采用 FADP42AN15A ；續(xù)流二極管 D1 采用 V60200PG，D2 采用 DSEI30-06A ；變壓器副邊整流二極管DB1、Db2, Db3> Db4采用STPSC806D ；PFC整流二極管DB5、 Db6> DB7、Db8 采用 KBPC3508 ；開(kāi)關(guān)頻率 fs = IOOkHz。
權(quán)利要求
一種太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)，其特征在于包括光伏陣列、市電電源、DC/DC變換器、PFC變換器和DC/AC逆變器，其中光伏陣列的輸出通過(guò)DC/DC變換器接入直流母線，市電電源的輸出通過(guò)PFC變換器接入直流母線，DC/AC逆變器的輸入端連入直流母線，DC/AC逆變器的輸出連接負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)，其特征在于所述DC/DC 變換器是由Boost電路(1)、全橋變換器(2)和整流濾波電路(3)依次串接組成，Boost電 路⑴的輸入連接光伏陣列的輸出，整流濾波電路⑶的輸出接入直流母線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)，其特征在于所述PFC變 換器是由PFC整流電路(4)連接Boost PFC電路(5)組成，PFC整流電路(4)的輸入連接 市電電源的輸出，Boost PFC電路(5)的輸出接入直流母線。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于該控制方法所采用的控制電路分為兩路，具體為光伏陣列輸出電流、電壓采樣(ipv—f、vpv f)接入MPPT控制器，MPPT控制器的輸出接入 加法器，加法器的輸出與光伏陣列輸出電流采樣(ipv—f)接入第一減法器，第一減法器的輸 出依次通過(guò)第一電流調(diào)節(jié)器、第一 PWM電路和第一門極驅(qū)動(dòng)電路后連接Boost開(kāi)關(guān)管(Q1)； 電壓比較器參考值(v。m)與直流母線輸出電壓采樣(ν?！猣)接入第二減法器，第二減法器的 輸出接入電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的一路輸出與正弦饅頭波接入乘法器，另一路輸出通過(guò) 阻斷二極管(D。)接入加法器，乘法器的輸出與PFC變換器電感電流采樣(iin2 f)接入第三減 法器，第三減法器的輸出依次通過(guò)第二電流調(diào)節(jié)器、第二 PWM電路和第二門極驅(qū)動(dòng)電路后 連接Boost PFC開(kāi)關(guān)管(Q2)；該控制方法包括如下內(nèi)容當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，由光伏陣列單獨(dú)向負(fù)載供電，直流 母線電壓升高，使電壓調(diào)節(jié)器的輸出為負(fù)，Boost PFC開(kāi)關(guān)管(Q2)的占空比為0，同時(shí)使 阻斷二極管(D。)導(dǎo)通，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)整信號(hào)使MPPT控制器中電壓給定參考值 (vinLref)減小，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器與第一電流調(diào)節(jié)器組成雙閉環(huán)，使直流母線穩(wěn)壓，處于穩(wěn)壓 狀態(tài)；當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率小于負(fù)載所需功率時(shí)，由光伏陣列和市電電源同時(shí)向負(fù)載 供電，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Boost PFC開(kāi)關(guān)管(Q2)的占空比控制直流母線電壓，阻斷二極 管(D。)阻斷，兩路控制電路獨(dú)立工作，MPPT控制器計(jì)算得到的光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓值 (Vpvffl)作為第一電流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)給定，使光伏陣列輸出最大功率，不足功率由市電電源 提供；當(dāng)光伏陣列無(wú)法工作時(shí)，關(guān)閉DC/DC變換器，由市電電源向負(fù)載供電，電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié) BoostPFC開(kāi)關(guān)管(Q2)的占空比控制直流母線電壓，使直流母線電壓恒定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能光伏與市電聯(lián)合供電系統(tǒng)及其控制方法，屬于新能源供電系統(tǒng)領(lǐng)域。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括光伏陣列、市電電源、DC/DC變換器、PFC變換器和DC/AC逆變器，光伏陣列通過(guò)DC/DC變換器、市電電源通過(guò)PFC變換器，兩者一起并在直流母線上，然后經(jīng)過(guò)DC/AC逆變器給交流負(fù)載供電。本發(fā)明系統(tǒng)為了能夠充分地利用太陽(yáng)能，DC/DC變換器可以工作在光伏電池最大功率點(diǎn)處，同時(shí)加入市電作為輔助電源，實(shí)現(xiàn)三種供電模式，保證負(fù)載在各種情況下穩(wěn)定地工作。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101951011SQ20101026303
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者王偉, 金科 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)