一種即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種即插即用的太陽 能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響國家安全的重要因素。傳 統(tǒng)的石化能源屬于不可再生能源，面臨著枯竭的危險(xiǎn)，同時(shí)，由于燃燒石化燃料，給大氣造 成了重度污染。
[0003] 為了解決能源供應(yīng)這一重大問題，全世界的各個(gè)國家都加快了對(duì)新能源的開發(fā)。 太陽能作為一種清潔能源，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，取之不盡；第二，易于獲取，普遍存 在；第三，清潔，無污染。
[0004] 太陽能的開發(fā)利用是解決傳統(tǒng)石化能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等 問題的有效途徑，是人類發(fā)展的理想替代能源。在國家一系列優(yōu)惠政策的刺激下，我國太 陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2012年年底我國太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到700萬千瓦， 2013年年底達(dá)到1716萬千瓦，2014年達(dá)到了 2805萬千瓦。
[0005] 其中，分布式發(fā)電由于直接在用戶端安裝，易于就地消納，越來越受到市場的關(guān) 注，截止2014年底分布式太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量已到500萬千瓦，但是，用戶端安裝過程 帶來的停電干擾給用戶帶來了不便；用電負(fù)荷峰谷差大，對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。有些 用戶沒有電網(wǎng)，需要獨(dú)立運(yùn)行，單獨(dú)配置儲(chǔ)能所帶來的成本問題，給分布式太陽能光伏發(fā)電 控制器的推廣造成障礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì) 分布式太陽能光電進(jìn)行轉(zhuǎn)化供電網(wǎng)和本地負(fù)載使用，并且既可以并網(wǎng)運(yùn)行，又可以獨(dú)立運(yùn) 行，做到即插即用；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可在夜晚低電價(jià)時(shí)進(jìn)行充電，在白天高電價(jià)時(shí)進(jìn)行放電，利 用電網(wǎng)電價(jià)的峰谷差提高經(jīng)濟(jì)性。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制方法，該方法 可基于上述系統(tǒng)達(dá)到上述效果。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)， 用于與太陽能光伏電池板連接，以對(duì)太陽能光電進(jìn)行轉(zhuǎn)化供電網(wǎng)和本地負(fù)載使用；其中，所 述控制系統(tǒng)包括控制單元，逆變單元，儲(chǔ)能單元，并網(wǎng)開關(guān)，直流電壓檢測裝置，交流電流檢 測裝置和交流電壓檢測裝置，其中：
[0009] 所述逆變單元的直流輸入端用于與所述太陽能光伏電池板的輸出端連接，所述逆 變單元的交流輸出端與所述并網(wǎng)開關(guān)的一端連接，該并網(wǎng)開關(guān)的一端還用于連接本地負(fù) 載，所述并網(wǎng)開關(guān)的另一端具有與電源插座適配的插頭，以用于與所述電網(wǎng)連接，所述逆變 單元的控制端與所述控制單元的逆變單元PWM信號(hào)輸出端連接；
[0010] 所述儲(chǔ)能單元的直流端與所述逆變單元的直流輸入端連接，所述儲(chǔ)能單元的控制 端與所述控制單元的儲(chǔ)能單元控制信號(hào)輸出端連接；
[0011] 所述直流電壓檢測裝置，其與逆變單元的直流母線連接，以檢測逆變單元的直流 電壓uDe，所述直流電壓檢測裝置還與控制單元的直流信號(hào)輸入端連接；
[0012] 所述交流電流檢測裝置串接于所述逆變單元和并網(wǎng)開關(guān)之間，以檢測逆變單元輸 出的交流電流i s，所述交流電流檢測裝置還與控制單元的交流電流信號(hào)輸入端連接；
[0013] 所述交流電壓檢測裝置與逆變單元的交流輸出端連接，以檢測逆變單元輸出的交 流電壓U s，所述交流電壓檢測裝置還與控制單元的交流電壓信號(hào)輸入端連接；
[0014] 所述控制單元包括第一比例積分控制器和第二比例積分控制器；所述控制單元根 據(jù)下述模型獲得逆變單元無功功率控制量U q和逆變單元有功功率控制量U d:
[0017] 式中，kpl為第一比例積分控制器的比例系數(shù)；k u為第一比例積分控制器的積分系 數(shù)；Qraf為通過第一下垂控制Qraf= kq*(Un-Us)得到的無功功率給定值，其中kq為第一下垂 控制系數(shù)，U n為設(shè)定的交流電壓額定值，Us是由接收自交流電壓檢測裝置的交流電壓u 3得 到的交流電壓幅值；(^表示所述控制系統(tǒng)輸出的無功功率，
其中Is 是由接收自交流電流檢測裝置的交流電流is得到的交流電流幅值，妒表示交流電壓與交流 電流的夾角；kp2為第二比例積分控制器的比例系數(shù)，k 12為第二比例積分控制器的積分系 數(shù)；Praf為通過第二下垂控制Praf= kf*(fN-fs)得到的有功功率給定值，其中kf為第二下垂 控制系數(shù)，f N為設(shè)定的頻率額定值，fs為由交流電壓us得到的頻率；Ps表示所述控制系統(tǒng) 輸出的有功功率，
[0018] 所述控制單元通過下述模型合成與交流三相分別對(duì)應(yīng)的逆變單元PffM信號(hào)PWMa、 PffMb、PffMc:
[0022] Uciut為交流電壓幅值控制量，U _= U N_uq
[0023] f _為頻率控制量，f _ = f N-Ud
[0024] 控制單元通過其逆變單元PffM信號(hào)輸出端將與交流三相分別對(duì)應(yīng)的逆變單元PffM 信號(hào)PWMa、PWMb、PWM。傳輸給逆變單元的控制端，以控制逆變單元的輸出電壓和頻率，消除無 功功率不平衡引起的電壓偏差以及有功功率不平衡引起的頻率偏差；
[0025] 所述控制單元的并網(wǎng)開關(guān)控制輸出端還與所述并網(wǎng)開關(guān)的控制端連接，所述控制 單元還通過其電網(wǎng)電壓信號(hào)輸入端獲取電網(wǎng)電壓信號(hào)，以根據(jù)電網(wǎng)電壓是否正?？刂扑?并網(wǎng)開關(guān)的通斷，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)導(dǎo)通，控制系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，當(dāng)電網(wǎng) 電壓故障時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)關(guān)斷，控制系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行模式；所述控制單元通過其儲(chǔ)能單元控 制信號(hào)輸出端將儲(chǔ)能單元控制信號(hào)傳輸給儲(chǔ)能單元的控制端，以對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電或放 電控制；在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，低電價(jià)時(shí)（例如夜晚時(shí)段）對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電控制，高電價(jià) 時(shí)（例如白天時(shí)段）對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行放電控制；在獨(dú)立運(yùn)行模式下，太陽能光電大于本地負(fù) 荷（即多余）時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電控制，太陽能光電小于本地負(fù)荷（即不足）時(shí)對(duì)儲(chǔ)能 單元進(jìn)行放電控制。
[0026] 本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)，通過對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)是否 正常的判斷自動(dòng)切換并網(wǎng)運(yùn)行模式和獨(dú)立運(yùn)行模式，同時(shí)，自動(dòng)量測輸出的電壓與頻率，根 據(jù)電網(wǎng)電壓與頻率的反饋，通過下垂控制，主動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率不平衡引起的頻率偏差，主動(dòng) 調(diào)節(jié)無功功率不平衡引起的電壓偏差，因此控制系統(tǒng)可通過并網(wǎng)開關(guān)的與電源插座適配的 插頭直接插入電源插座，具有即插即用的功能；在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，太陽能光電、儲(chǔ)能以及 電網(wǎng)均可為本地負(fù)載提供電能，還可通過夜晚低電價(jià)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電控制，將儲(chǔ)能 充滿電，白天高電價(jià)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行放電控制，儲(chǔ)能售電給電網(wǎng)，利用電網(wǎng)電價(jià)的峰谷差 提高經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)儲(chǔ)能單元輸出功率滿足P ess= Ps-Ppv，其中，Pess為儲(chǔ)能單元輸出功率，Ppv 為太陽能光伏電池板的輸出功率，Pess為負(fù)值時(shí)，儲(chǔ)能單元吸收功率，其狀態(tài)為充電，反之 為放電，所述夜晚低電價(jià)和白天高電價(jià)時(shí)間段可由控制系統(tǒng)通過獲取外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判 斷；在獨(dú)立運(yùn)行模式下，太陽能光電和儲(chǔ)能均可為本地負(fù)載提供電能，還可通過太陽能光電 大于本地負(fù)荷（即多余）時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電控制，太陽能光電小于本地負(fù)荷（即不足） 時(shí)對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行放電控制，為本地負(fù)載提供穩(wěn)定電能，當(dāng)儲(chǔ)能單元輸出功率滿足P ess = P1-PJt，其中，P1S本地負(fù)載功率，其狀態(tài)為放電；反之為充電，此時(shí)儲(chǔ)能單元輸出功率滿 足P ess= Ppv-P1^述太陽能光電大于本地負(fù)荷（即多余）是指太陽能光伏電池板的輸出功 率P pv大于本地負(fù)載功率P1，所述太陽能光電小于本地負(fù)荷（即不足）是指太陽能光伏電池 板的輸出功率Pp/j、于本地負(fù)載功率P 所述太陽能光伏電池板的輸出功率P PV可由控制系 統(tǒng)從太陽能光伏電池板的功率數(shù)據(jù)端口獲得，本地負(fù)載功率P1可由控制系統(tǒng)根據(jù)逆變單元 輸出的交流電流1交流電壓U 3計(jì)算得到。本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控 制系統(tǒng)將太陽能光電與儲(chǔ)能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)、大大降低了成本。
[0027] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述第一下垂 控制系數(shù)k q的范圍取l〈kq〈10,所述第二下垂控制系數(shù)kf的范圍取l〈kf〈10。
[0028] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述第一下 垂控制系數(shù)滿足下式
其中kq。為第一下垂控制系數(shù)預(yù)設(shè)初值， l<kq〇<10〇
[0030] 上述方案中，為了控制效果最佳，所述第一下垂控制采取自適應(yīng)控制，第一下垂控 制系數(shù)kq隨交流電壓幅值U 3的變化而變化。
[0031] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述第二下 垂控制系數(shù)滿足下式
其中kf。為第二下垂控制系數(shù)預(yù)設(shè)初值， l<kf〇<10〇
[0033] 上述方案中，為了控制效果最佳，所述第二下垂控制采取自適應(yīng)控制，第二下垂控 制系數(shù)kf隨頻率f 5的變化而變化。
[0034] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述控制單 元為數(shù)字信號(hào)處理器。
[0035] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述直流電 壓檢測裝置包括直流電壓傳感器。
[0036] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述交流電 壓檢測裝置包括交流電壓互感器。
[0037] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的即插即用的太陽能光儲(chǔ)一體化控制系統(tǒng)中，所述交流電 流