本實(shí)用新型涉及直流微電網(wǎng)領(lǐng)域，具體是一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路。

背景技術(shù)：

開發(fā)利用可再生資源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，對(duì)緩解能源短缺和保護(hù)地球環(huán)境具有重要的作用。家用微電網(wǎng)是根據(jù)房屋的地理位置和氣候特點(diǎn)，因地制宜搭建的，可包含風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)發(fā)電等分布式電源，同時(shí)配備儲(chǔ)能電池。它作為配電網(wǎng)供電的重要輔助方式，對(duì)提高家庭用電的穩(wěn)定性和可靠性效果顯著。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)的研究頗為廣泛，主要包含交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)，相比而言，后者具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便且成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低負(fù)荷容量的家用場(chǎng)合。

直流微電網(wǎng)建設(shè)一般涉及分布式發(fā)電、電力變換、母線電壓控制及并網(wǎng)技術(shù)等問(wèn)題，而對(duì)于家用場(chǎng)合，其關(guān)鍵在于直流母線電壓的控制。一方面，風(fēng)/光發(fā)電單元的輸出功率具有不穩(wěn)定和不確定性，且晝夜負(fù)荷的差異較大，這是導(dǎo)致母線電壓不穩(wěn)定的主要原因之一；另一方面，控制器的能量管理能力滯后于供電單元出力的不確定性改變，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，一般需要并聯(lián)大電容或提高開關(guān)的控制頻率，前者增大了投資成本，后者增大了開關(guān)損耗并產(chǎn)生高頻噪聲，缺點(diǎn)均比較明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)當(dāng)前技術(shù)方法的不足，本實(shí)用新型提出了一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路，不僅有利于減少設(shè)備成本，還有利于降低設(shè)備損耗和噪聲。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路，包括單相交流電網(wǎng)單元、風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、電池儲(chǔ)能單元、穩(wěn)壓控制電路、直流負(fù)載。

所述單相交流電網(wǎng)單元連接第一不可控整流器，所述風(fēng)力發(fā)電單元連接第二不可控整流器。

第一不可控整流器的正極與第一開關(guān)1#的一端連接，第一開關(guān)1#的另一端接直流母線L0的正極，第一不可控整流器的負(fù)極與直流母線L0的負(fù)極相連；

第二不可控整流器的正極、負(fù)極分別與直流母線L0的正極、負(fù)極相連；

光伏發(fā)電單元的正極與二極管D0的陽(yáng)極相連，二極管D0的陰極連接直流母線L0的正極，光伏發(fā)電單元的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

電池儲(chǔ)能單元的正極與第二開關(guān)2#的一端連接，第二開關(guān)2#的另一端連接直流母線L0正極，電池儲(chǔ)能單元的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

直流負(fù)載的正極與第三開關(guān)3#的一端連接，第三開關(guān)3#的另一端連接直流母線L0的正極，直流負(fù)載的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

直流母線L0上的陽(yáng)極共節(jié)點(diǎn)A與第一電抗器L1一端相連，第一電抗器L1另一端連接第二電抗器L2一端，第二電抗器L2另一端與共陽(yáng)極節(jié)點(diǎn)B相連；

第一電抗器L1、第二電抗器L2的連接點(diǎn)與穩(wěn)壓控制電路的a端相連，穩(wěn)壓控制電路的b端連接直流母線L0的負(fù)極。

所述單相交流電網(wǎng)單元、風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元的正極和負(fù)極分別共節(jié)點(diǎn)，且陽(yáng)極的共節(jié)點(diǎn)為A；電池儲(chǔ)能單元、直流負(fù)載的正極和負(fù)極分別共節(jié)點(diǎn)，且陽(yáng)極的共節(jié)點(diǎn)為B，共節(jié)點(diǎn)電極的電勢(shì)相同。

所述穩(wěn)壓控制電路包括碳化硅材料的第一絕緣柵雙極晶體管T1、第二絕緣柵雙極晶體管T2；

二極管D₁的陽(yáng)極接第二絕緣柵雙極晶體管T2的集電極，節(jié)點(diǎn)為穩(wěn)壓控制電路的a端點(diǎn)；

二極管D₃的陰極接第一絕緣柵雙極晶體管T₁的發(fā)射極，節(jié)點(diǎn)為穩(wěn)壓控制電路的b端點(diǎn)；

二極管D₁的陰極連接第一絕緣柵雙極晶體管T₁的集電極，且與直流電容C的正極相連；

二極管D₃的陽(yáng)極連接第二絕緣柵雙極晶體管T2的發(fā)射極，且與直流電容C的負(fù)極相連。

一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓控制方法，分別工作在：高功率因數(shù)穩(wěn)壓供電模式M₁、風(fēng)/光發(fā)電穩(wěn)壓供電或電池充電模式M₂、電池供電模式M₃三種模式下，U₁和U₂表示直流母線端電壓，電路的工作模式由負(fù)載大小決定，假設(shè)負(fù)載功率為P_load、風(fēng)電功率為P_wind、光伏發(fā)電功率為P_PV、電池供電功率為P_EB，具體工作過(guò)程如下：

(1)、當(dāng)P_load>P_wind+P_PV+P_EB時(shí)，負(fù)載由配電網(wǎng)、風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)供電，此時(shí)S₁～S₃均閉合，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓U₂的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和配電網(wǎng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行，為高功率因數(shù)穩(wěn)壓供電模式；

(2)當(dāng)P_load<P_wind+P_PV時(shí)，風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)為負(fù)載供電，并給電池單元充電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)壓供電和電池單元的充電運(yùn)行，為穩(wěn)壓供電或電池充電模式；

(3)、當(dāng)[P_load–(P_wind+P_PV)]<P_EB時(shí)，風(fēng)電單元、光伏發(fā)電單元和電池單元同時(shí)為負(fù)載供電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，穩(wěn)壓電路主要調(diào)節(jié)風(fēng)電單元和光伏單元的輸出電壓，以提供少部分的負(fù)載功率，大部分的負(fù)載功率由電池單元供給，為電池供電模式。

一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓控制方法，當(dāng)系統(tǒng)工作模式為M₁時(shí)，穩(wěn)壓控制電路實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單位功率因數(shù)運(yùn)行的控制方法應(yīng)受到重點(diǎn)保護(hù)，具體為：首先采樣交流電網(wǎng)電壓u_grid，通過(guò)相位檢測(cè)單元鎖定電網(wǎng)相位θ；采樣端電壓U₂并設(shè)置其參考值U_2REF，將θ、U₂和U_2REF輸入占空比計(jì)算單元，并輸出占空比D；根據(jù)D值產(chǎn)生門極控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓控制方法，穩(wěn)壓控制電路分別包括：電容充電、電容放電、電容旁路和電路直通四種工作模式；

電流流經(jīng)L₁-D₁-C-D₃，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容充電回路；

電流流經(jīng)L₁-T₂-C-T₁，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容放電回路；

電流分別流經(jīng)L₁-D₁-T₁或L₁-T₂-D₃，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容旁路回路；

電流流經(jīng)L₁和L₂，到達(dá)負(fù)載端，穩(wěn)壓電路被旁路。

一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓控制方法，當(dāng)P_load>P_wind+P_PV+P_EB時(shí)，負(fù)載由配電網(wǎng)、風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)供電，此時(shí)S₁～S₃均閉合，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓U₂的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和配電網(wǎng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行；當(dāng)P_load<P_wind+P_PV時(shí)，風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)為負(fù)載供電，并給電池單元充電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)壓供電和電池單元的充電運(yùn)行；當(dāng)[P_load–(P_wind+P_PV)]<P_EB時(shí)，風(fēng)電單元、光伏發(fā)電單元和電池單元同時(shí)為負(fù)載供電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，穩(wěn)壓電路主要調(diào)節(jié)風(fēng)電單元和光伏單元的輸出電壓，以提供少部分的負(fù)載功率，大部分的負(fù)載功率由電池單元供給。

本實(shí)用新型一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路，優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、穩(wěn)壓電路由較小的直流電容、兩只IGBT開關(guān)和兩只二極管組成，限流電抗器也比較小，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本低，特別適用于低功率容量的家用場(chǎng)合；

(2)、該穩(wěn)壓電路具有可變電容特性，通過(guò)控制電容器的充放電過(guò)程，可將其等效電容量放大，因此具有良好的直流端電壓穩(wěn)定控制效果；開關(guān)控制靈活，可調(diào)節(jié)配電網(wǎng)的功率因數(shù)；

(3)、穩(wěn)壓電路系統(tǒng)中帶限流電抗器和電容，有利于避免電壓和電流沖擊，且開關(guān)過(guò)程具有軟開關(guān)效果，其開關(guān)損耗較低。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2(a)為本實(shí)用新型高功率因數(shù)穩(wěn)壓供電模式-M1圖。

圖2(b)為本實(shí)用新型穩(wěn)壓供電或電池充電模式-M2圖。

圖2(c)為本實(shí)用新型電池供電模式-M3圖。

圖3為本實(shí)用新型穩(wěn)壓電路工作原理與電流路徑圖；

其中圖3(a)為電容充電電流路徑圖；

其中圖3(b)為電容放電電流路徑圖；

其中圖3(c)為電容旁路電流路徑圖；

其中圖3(d)為電路直通電流路徑圖。

圖4(a)為本實(shí)用新型直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路模式M1控制框圖。

圖4(b)為本實(shí)用新型直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路模式M2和M3控制框圖。

圖5為本實(shí)用新型控制程序流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路，包括單相交流電網(wǎng)單元1、風(fēng)力發(fā)電單元2、光伏發(fā)電單元3、電池儲(chǔ)能單元4、穩(wěn)壓控制電路5、直流負(fù)載6。

所述單相交流電網(wǎng)單元1連接第一不可控整流器①，風(fēng)力發(fā)電單元2包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接第二不可控整流器②。

光伏發(fā)電單元3包括光伏電池板。

電池儲(chǔ)能單元4采用電池組。

第一不可控整流器①的正極與第一開關(guān)1#的一端連接，第一開關(guān)1#的另一端接直流母線L0的正極，第一不可控整流器①的負(fù)極與直流母線L0的負(fù)極相連；

第二不可控整流器②的正極、負(fù)極分別與直流母線L0的正極、負(fù)極相連；

光伏發(fā)電單元3的正極與二極管D0的陽(yáng)極相連，二極管D0的陰極連接直流母線L0的正極，光伏發(fā)電單元3的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

電池儲(chǔ)能單元4的正極與第二開關(guān)2#的一端連接，第二開關(guān)2#的另一端連接直流母線L0正極，電池儲(chǔ)能單元4的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

直流負(fù)載6的正極與第三開關(guān)3#的一端連接，第三開關(guān)3#的另一端連接直流母線L0的正極，直流負(fù)載6的負(fù)極連接直流母線L0的負(fù)極；

直流母線L0上的陽(yáng)極共節(jié)點(diǎn)A與第一電抗器L1一端相連，第一電抗器L1另一端連接第二電抗器L2一端，第二電抗器L2另一端與共陽(yáng)極節(jié)點(diǎn)B相連；

第一電抗器L1、第二電抗器L2的連接點(diǎn)與穩(wěn)壓控制電路5的a端相連，穩(wěn)壓控制電路5的b端連接直流母線L0的負(fù)極。

所述單相交流電網(wǎng)單元1、風(fēng)力發(fā)電單元2、光伏發(fā)電單元3的正極和負(fù)極分別共節(jié)點(diǎn)，且陽(yáng)極的共節(jié)點(diǎn)為A；電池儲(chǔ)能單元4、直流負(fù)載6的正極和負(fù)極分別共節(jié)點(diǎn)，且陽(yáng)極的共節(jié)點(diǎn)為B，共節(jié)點(diǎn)電極的電勢(shì)相同。

所述穩(wěn)壓控制電路5包括碳化硅材料的第一絕緣柵雙極晶體管T1、第二絕緣柵雙極晶體管T2；

二極管D₁的陽(yáng)極接第二絕緣柵雙極晶體管T2的集電極(或反并聯(lián)二極管D1的陰極)，節(jié)點(diǎn)為穩(wěn)壓控制電路5的a端點(diǎn)；

二極管D₃的陰極接第一絕緣柵雙極晶體管T₁的發(fā)射極(或反并聯(lián)二極管D2的陽(yáng)極)，節(jié)點(diǎn)為穩(wěn)壓控制電路5的b端點(diǎn)；

二極管D₁的陰極連接第一絕緣柵雙極晶體管T₁的集電極(或反并聯(lián)二極管D2的陰極)，且與直流電容C的正極相連；

二極管D₃的陽(yáng)極連接第二絕緣柵雙極晶體管T2的發(fā)射極(或反并聯(lián)二極管D4的陽(yáng)極)，且與直流電容C的負(fù)極相連。最終構(gòu)成如圖1所示的單相橋式結(jié)構(gòu)。

工作原理：

本實(shí)用新型提出的家用直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路，分別工作在：高功率因數(shù)穩(wěn)壓供電模式M₁、風(fēng)/光發(fā)電穩(wěn)壓供電或電池充電模式M₂和電池供電模式M₃三種模式下，不同工作模式下的簡(jiǎn)化電路如圖2所示，圖中的寬箭頭代表功率傳輸方向，U₁和U₂表示直流母線端電壓。電路的工作模式由負(fù)載大小決定，假設(shè)負(fù)載功率為P_load、風(fēng)電功率為P_wind、光伏發(fā)電功率為P_PV、電池供電功率為P_EB，電路的具體工作原理闡述如下：

(1)當(dāng)P_load>P_wind+P_PV+P_EB時(shí)，負(fù)載由配電網(wǎng)、風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)供電，此時(shí)S₁～S₃均閉合，如圖2(a)所示，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓U₂的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和配電網(wǎng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此命名為高功率因數(shù)穩(wěn)壓供電模式。

(2)當(dāng)P_load<P_wind+P_PV時(shí)，風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)為負(fù)載供電，并給電池單元充電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，如圖2(b)所示，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)壓供電和電池單元的充電運(yùn)行，因此命名為穩(wěn)壓供電或電池充電模式。

(3)當(dāng)[P_load–(P_wind+P_PV)]<P_EB時(shí)，風(fēng)電單元、光伏發(fā)電單元和電池單元同時(shí)為負(fù)載供電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，如圖2(c)所示，穩(wěn)壓電路主要調(diào)節(jié)風(fēng)電單元和光伏單元的輸出電壓，以提供少部分的負(fù)載功率，大部分的負(fù)載功率由電池單元供給，因此命名為電池供電模式。

(4)穩(wěn)壓控制電路的工作原理如圖3所示，分別包括：電容充電、電容放電、電容旁路和電路直通四種工作模式，圖中的L₁和L₂為限流電抗器。圖3(a)為電容充電模式，電流流經(jīng)L₁-D₁-C-D₃，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容充電回路；圖3(b)為電容放電模式，電流流經(jīng)L₁-T₂-C-T₁，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容放電回路；圖3(c)為電容旁路模式，電流分別流經(jīng)L₁-D₁-T₁或L₁-T₂-D₃，到達(dá)直流母線負(fù)極，構(gòu)成電容旁路回路；圖3(d)為電路直通模式，電流流經(jīng)L₁和L₂，到達(dá)負(fù)載端，穩(wěn)壓電路被旁路。

(5)當(dāng)端電壓U₁與端電壓U₂相差較小時(shí)，開關(guān)T₁和T₂保持關(guān)斷狀態(tài)，穩(wěn)壓控制電路工作在電路直通模式；當(dāng)端電壓U₁與端電壓U₂相差較大時(shí)，控制開關(guān)T₁和T₂按一定占空比D導(dǎo)通，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的不同，穩(wěn)壓控制電路的工作模式分別在電容充電模式、電容放電模式和電容旁路模式之間不斷切換；當(dāng)端電壓U₁不斷變化時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變占空比D的值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)端電壓U₂的穩(wěn)定控制。

當(dāng)直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路工作在M₁模式時(shí)，其控制框圖如圖4(a)所示，具體過(guò)程為：首先采樣交流電網(wǎng)電壓u_grid，通過(guò)相位檢測(cè)單元鎖定電網(wǎng)相位θ；采樣端電壓U₂并設(shè)置其參考值U_2REF，將θ、U₂和U_2REF輸入占空比計(jì)算單元，并輸出占空比D；根據(jù)D值產(chǎn)生門極控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。當(dāng)直流微電網(wǎng)穩(wěn)壓電路工作在M₂模式(M₃模式)時(shí)，其控制框圖如圖4(b)所示，僅需采樣端電壓U₂并設(shè)置其參考值U_2REF，將U₂和U_2REF輸入占空比計(jì)算單元，并輸出占空比D；根據(jù)D值產(chǎn)生門極控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。

圖5為穩(wěn)壓電路的控制程序流程圖，程序運(yùn)行開始后，首先根據(jù)P_load與P_wind、P_PV和P_EB的大小關(guān)系，選擇工作模式。若滿足P_load>P_wind+P_PV+P_EB時(shí)，工作模式為M₁，閉合開關(guān)S₁、S₂和S₃，通過(guò)信號(hào)采樣，讀取電源電壓、直流電壓信號(hào)和電壓參考信號(hào)，計(jì)算滿足高功率因數(shù)整流條件的占空比D值，并驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作；若滿足P_load<P_wind+P_PV時(shí)，工作模式為M₂，僅閉合開關(guān)S₂和S₃，通過(guò)信號(hào)采樣，讀取直流電壓信號(hào)和電壓參考信號(hào)，計(jì)算滿足穩(wěn)壓供電條件的占空比D值，并驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作；若滿足[P_load–(P_wind+P_PV)]<P_EB時(shí)，工作模式為M₃，僅閉合開關(guān)S₂和S₃，通過(guò)信號(hào)采樣，讀取負(fù)載電壓信號(hào)和電壓參考信號(hào)，計(jì)算滿足穩(wěn)壓供電條件的占空比D值，并驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。另外，通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、電池儲(chǔ)能單元和直流負(fù)載單元的功率變化，實(shí)時(shí)反饋和改變穩(wěn)壓控制電路的工作模式，如果各單元的供電功率不變，則繼續(xù)檢測(cè)信號(hào)，使系統(tǒng)按當(dāng)前模式運(yùn)行；如果各單元的供電功率發(fā)生改變，則切換工作模式，改變開關(guān)S₁、S₂和S₃的狀態(tài)，再通過(guò)信號(hào)采樣，使系統(tǒng)按相應(yīng)的模式運(yùn)行。

系統(tǒng)的工作模式：當(dāng)P_load>P_wind+P_PV+P_EB時(shí)，負(fù)載由配電網(wǎng)、風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)供電，此時(shí)S₁～S₃均閉合，如圖2(a)所示，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓U₂的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和配電網(wǎng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行；當(dāng)P_load<P_wind+P_PV時(shí)，風(fēng)電單元和光伏發(fā)電單元同時(shí)為負(fù)載供電，并給電池單元充電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，如圖2(b)所示，系統(tǒng)通過(guò)控制穩(wěn)壓電路開關(guān)T₁和T₂，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)壓供電和電池單元的充電運(yùn)行；當(dāng)[P_load–(P_wind+P_PV)]<P_EB時(shí)，風(fēng)電單元、光伏發(fā)電單元和電池單元同時(shí)為負(fù)載供電，此時(shí)S₁斷開，S₂和S₃均閉合，如圖2(c)所示，穩(wěn)壓電路主要調(diào)節(jié)風(fēng)電單元和光伏單元的輸出電壓，以提供少部分的負(fù)載功率，大部分的負(fù)載功率由電池單元供給。