本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计,光伏电池模块选取,准-Z源网络电感、电容参数设计,H桥逆变器电压、电流等级设计,Z-源网络二极管设计,准-Z源逆变器损耗计算等。该设计方法基于用户电压和功率要求,光伏发电系统用途,及当地气候特点。所设计的储能型准-Z源单相光伏发电系统能够满足光伏电池电压1:2宽范围变化,无论其电压如何变化,系统都输出负载需求电压,而且适合单级功率变换完成升/降压、逆变和储能要求。本发明为储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计、实现提供了简便、有效、快捷的方法。
1.一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,储能型准-Z源单相光伏发电系统包括:储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容、第二电解电容、第一电感、第二电感、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载;所述LC滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容组成;并且,所述第二电解电容的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连,所述第二电解电容的正极和所述H桥逆变器的正极连;所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容正极和所述第二电感相连;所述第二电感的另一端连接于所述H桥逆变器正极;所述第一电解电容的负极与所述H桥逆变器的负极相连;所述第一电感的一端与所述光伏电池的正极相连;所述第一电感的另一端与所述第二电解电容的负极相连;所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网,或供电当地负载;所述储能电池跨接于所述第一电解电容两端,且所述储能电池的正极连接于第一电解电容的正极;其特征在于,基于用户电压和功率要求,光伏发电系统用途,及当地气候特点,该方法包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计,光伏电池模块选取,准-Z源网络电感、电容参数设计,H桥逆变器电压、电流等级设计,Z-源网络二极管设计,准-Z源逆变器损耗计算;其中,H桥逆变器电压、电流等级设计包括如下步骤:步骤1,根据负载电压或并网处电网电压,计算单相逆变器输出的电压幅值v_al;步骤2,设定光伏电池工作电压变化范围为1:2,且最大光伏电池电压为V_in=v_al,最小为V_in=v_al/2,对应地,光伏电池电压最大时,逆变器调制指数M=1,直通占空比D=0,直流母线电压峰值为V_PN=v_al,光伏电池电压最小时,直通占空比D=1/3,逆变器调制指数M=2/3,直流母线电压峰值为V_PN=1.5*v_al。
2.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述电容、电感参数设计包括:步骤3,计算第一电解电容C1电压和并联储能电池电压V_C1=V_B=v_al;步骤4,计算直流母线电压峰值最大为V_PN=1.5×v_al;步骤5,计算第二电解电容C₂电压最大值为V_C2=0.5×v_al;步骤6,最大直通占空比D=1/3。
3.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述光伏电池模块选取包括:步骤7,根据负载或并网功率P_o,考虑到最大功率发生在最大电压处,光伏电池电流为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="321"/>步骤8,储能电池放电发生在光伏功率不足时,根据上述设计,光伏电池最低工作电压为v_al/2,设定允许工作的最低光照强度时光伏电池最低功率时提供电流为最大功率时的k分之一;则要输出P_o功率时,储能电池需要提供功率为P_B=P_o
-0.5×v_al×i_L1/k,则储能电池电流为I_B=P_B/V_B;则第二电感L₂的电流为i_L2=i_L1+i_B。
4.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述储能电池电压和容量参数设计包括:步骤9,确定储能电池的容量,应用统计数据,根据当地气候特点,结合所设计系统的用途,确定储能电池的容量;如果要求所设计的光伏系统在某地日照条件下,除了供电给当地负载/电网外,每天还平均以P_x的功率给电池充电x小时,以供夜晚无日照时使用,且储能电池每次放电深度为y%,则需要储能电池容量为[P_x×x/v_al]/(1-y%)(Ah)。
5.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述光伏电池模块选取包括:步骤10,确定光伏电池模块及其数量,选定光伏电池模块,根据当地气候特点,确定该模块最大功率点中的最大工作电压v_pv和最大工作电流i_pv,则光伏电池数量可计算为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="87"/>取整数得n,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="76"/>取整数得m,光伏电池模块数量为m*n。
6.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述电容电感参数设计包括:步骤11,第二电解电容C₂设计,系统采用恒定直通零矢量调制方法,则准-Z源网络上第二电解电容电压的脉动频率为2f_s;稳态时,一个周期内第二电解电容电压的初值和终值相等;以直通时,准-Z源网络第二电解电容C₂电压的纹波ΔV_C2为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="322"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="205"/>-i_L1=i_C2,f_s为载波频率,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="426"/>若给定第二电解电容电压的纹波为ΔV_C2≤αV_C2,则有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="384"/>为抑制两倍频电压脉动,需要的第二电解电容为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="354"/>式中,ε为两倍频电压脉动占V_PN的比例,f为负载或电网电压频率,则由于需求的第二电解电容C大于ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="307"/>且第一电解电容C₁与储能电池并联,所以第二电解电容C₂设计为 C 2 = P o 4 πf V PN 2 ϵ ; ]]>步骤12,第一电解电容C₁设计,系统采用恒定直通零矢量调制方法,则准-Z源网络上第一电解电容电压的脉动频率为2f_s;稳态时,一个周期内第一电解电容电压的初值和终值相等,以直通时,准-Z源网络第一电解电容C₁电压的纹波ΔV_C1为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="366"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="232"/>i_C1=i_B-i_L2,f_s为载波频率,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="526"/>若给定第一电解电容电压的纹波为ΔV_C1≤αV_C1,则有 C 1 ≥ ( i B - i L 2 ) D 2 f s α V C 1 ; ]]>步骤13,第二电感L₂的设计,稳态时,一个周期内第二电感电流的初值和终值相等,在直通时,准-Z源网络第二电感电流的纹波Δi_L2为 Δ i L 2 = v L 2 Δt L 2 , ]]>其中, Δt = D 2 f s , ]]>v_L2=V_C1,于是有 L 2 = V C 1 D 2 f s Δ i L 2 , ]]>若给定第二电感电流的纹波为Δi_L2≤bi_L2,则有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="401"/>步骤14,第一电感L₁的设计,稳态时,一个周期内第一电感电流的初值和终值相等,在直通时,准-Z源网络第一电感电流的纹波ΔiL1为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="323"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="218"/>V_in+V_C2=v_L1,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="515"/>若给定第一电感电流的纹波为Δi_L1≤bi_L1,则有 L 1 ≥ ( V in + V C 2 ) D 2 f s b i L 1 ; ]]>步骤15,准-Z源网络二极管的参数,准-Z源网络二极管在直通状态下承受反压关断,在非直通状态下导通,因此,可根据直通状态下其两端的电压和非直通状态下其流过的电流来设计该二极管;直通状态下准-Z源网络二极管承受反压为VPN,非直通状态下通过准-Z源网络二极管的电流为i_D≤i_L1+i_C2=i_L1+i_L2-i_d,在传统零矢量时间内,i_d=0时,此时准-Z源网络二极管流过最大电流为i_D=i_L1+i_L2;步骤16,逆变器功率器件的参数,根据负载或并网功率P_o,和负载或并网处电网电压,计算负载电流有效值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="251"/>根据步骤4计算得的直流母线电压峰值V_PN和上述计算得的负载电流有效值,作为逆变器功率器件的选取的电压和电流参数。
7.如权利要求1所述一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,其特征在于,所述准-Z源逆变器损耗计算包括:步骤17,储能型准-Z源单相光伏逆变器损耗估算,有4个IGBT及其反并联二极管,一个准-Z源网络二极管,其损耗按照器件予以分别计算;1)4个IGBT及其反并联二极管的损耗估算,这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗,传统意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗,且开关损耗为 P SW = 4 π f s · ( E ON , I + E OFF , I + E OFF , D ) · V PN V ref · i L i ref , ]]>式中,E_ON,I、E_off,I、E_OFF,D分别为功率器件在电压V_ref和电流i_ref时的开通损耗、关断损耗和二极管反向恢复损耗能量,可从器件手册获得;i_L为负载电流峰值,i_L=1.414*i_a,f_s为开关频率;对于传统意义下每个IGBT的导通损耗,按照下列公式计算 P CV , I = V CE , 0 i L 2 π ( 1 + πM 4 - D ) + r CE i L 2 2 π ( π 4 + 2 M 3 - πD 4 ) ]]> P CV , D = V F , 0 i L 2 π ( 1 + πM 4 - D ) + r F i L 2 2 π ( π 4 - 2 M 3 - πD 4 ) , ]]>式中,V_CE0、V_F,0为IGBT和二极管的饱和压降和导通压降;rCE、rF为IGBT和二极管的导通电阻;M和D分别为调制指数和直通占空比,则4个IGBT及其二极管的导通损耗为P_CV=4*(P_CV,I+P_CV,D),对于直通导致的损耗,只需计算来自IGBT的开关损耗和导通损耗,即开关损耗为 P SW , SH = 4 π f s · ( E ON , I + E OFF , I + E OFF , D ) · V PN V ref · i L i ref , ]]>导通损耗为 P CV , SH = 4 * ( V CE , 0 i L 1 D + r CE i L 1 2 D + r CE i L 2 D 8 ) ]]>2)准-Z源网络二极管的损耗,每个模块的准-Z源网络二极管导通损耗为 P CV , D = V DF , 0 [ 2 i L 1 ( 1 - D ) - Mi L 2 ) + r DF 1 - D 2 [ 8 i L 1 2 + i L 2 ] - r DF 8 ( 1 - D ) π i L i L 1 , ]]>式中,V_DF,0为准-Z源网络二极管的导通压降;r_DF为准-Z源网络二极管的导通电阻,其反向恢复损耗为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>式中,E_rec为准-Z源网络二极管在I_FM和V_R时的反向恢复损耗能量;总损耗为P_SW+P_CV+P_SW,SH+P_CV,SH+P_CV,D+P_CV,DR,通过估算损耗,可以比较备选器件,作为优化器件选者的条件。技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域,尤其涉及一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法。
背景技术
光伏发电是理想的可持续能源,对其开发利用过程中,功率变换器/逆变器必不可少。但是,一般而言,光伏电池输出电压的变化幅度可达2倍,使用传统的单级逆变器结构,将导致逆变器设计容量倍增。若采用双级结构,引入的DC/DC变换器,将增加费用,降低效率。为此,研究人员开始研究新技术,采用Z-源和准-Z源逆变器克服这些问题,因为它以单级功率变换的形式,实现传统由DC/DC和逆变器组成的双级变换功能,不会增大逆变器容量,且在光伏发电领域与传统系统兼容。另一方面,光伏发电功率对光照和温度依赖性很强,由于光照和温度变化无常,光伏电池输出的电压和功率宽范围变化,直接并网或独立供电会对电网或负载造成负面影响。所以,除了传统独立光伏发电系统应用储能电池的方案外,近年在并网型太阳能发电系统中也采用储能电池技术,以缓存能量,平抑并网功率。一般常用的方法,是通过双向DC/DC变换器将储能电池联接到直流侧,实现并网功率平抑功能,但是额外增加了一套DC/DC变换器,增加了系统的成本。为了克服这个问题,发明专利[申请号201010234868.X,单级升降压储能型光伏并网发电控制系统]将储能电池与其中一直电容并联,实现了单级功率变换完成升/降压、逆变和储能。在该系统中,储能电池直接并联在电容上,无需增加额外的设备,经济实用。但是,目前为止,尚未有文献介绍如何设计系统中各量参数,比如,储能电池电压、容量,光伏电池电压等级,调制指数,各电容、电感、功率开关器件损耗分析等。对于一个储能型光伏并网发电控制系统而言,这些参数的确定至关重要。
发明内容
为了解决以上问题,本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,所述储能型准-Z源单相光伏发电系统包括:储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容、第二电解电容、第一电感、第二电感、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载;所述LC滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容组成;并且,所述第二电解电容的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连,所述第二电解电容的正极和所述H桥逆变器的正极连;所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容正极和所述第二电感相连;所述第二电感的另一端连接于所述H桥逆变器正极;所述第一电解电容的负极与所述H桥逆变器的负极相连;所述第一电感的一端与所述光伏电池的正极相连;所述第一电感的另一端与所述第二电解电容的负极相连;所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网,或供电当地负载;所述储能电池跨接于所述第一电解电容两端,且所述储能电池的正极连接于第一电解电容的正极;基于用户电压和功率要求,光伏发电系统用途,及当地气候特点,该方法包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计,光伏电池模块选取,准-Z源网络电感、电容参数设计,H桥逆变器电压、电流等级设计,Z-源网络二极管设计,准-Z源逆变器损耗计算等。进一步,作为一种优选,所述H桥逆变器电压、电流等级设计包括如下步骤:步骤1,根据负载电压或并网处电网电压,计算单相逆变器输出的电压幅值v_al;步骤2,设定光伏电池工作电压变化范围为1:2,且最大光伏电池电压为V_in=v_al,最小为V_in=v_al/2,对应地,光伏电池电压最大时,逆变器调制指数M=1,直通占空比D=0,直流母线电压峰值为V_PN=v_al,光伏电池电压最小时,直通占空比D=1/3,逆变器调制指数M=2/3,直流母线电压峰值为V_PN=1.5*v_al。进一步,作为一种优选,所述电容、电感参数设计包括:步骤3,计算电容C₁电压和并联电池电压V_C1=V_B=v_al;步骤4,计算直流母线电压峰值最大为V_PN=1.5×v_al;步骤5,计算电容C₂电压最大值为V_C2=0.5×v_al;步骤6,最大直通占空比D=1/3。进一步,作为一种优选,所述光伏电池模块选取包括:步骤7,根据负载或并网功率P_o,考虑到最大功率发生在最大电压处,光伏电池电流为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="291"/>步骤8,储能电池放电发生在光伏功率不足时,根据上述设计,光伏电池最低工作电压为v_al/2,设定允许工作的最低光照强度时光伏电池最低功率时提供电流为最大功率时的k分之一;则要输出P_o功率时,电池需要提供功率为P_B=P_o-0.5×v_al×iL₁/k,则电池电流为I_B=P_B/V_B;则电感L₂的电流为i_L2=i_L1+i_B。进一步,作为一种优选,所述储能电池电压和容量参数设计包括:步骤9,确定蓄电池的容量,应用统计数据,根据当地气候特点,结合所设计系统的用途,确定蓄电池的容量;如果要求所设计的光伏系统在某地日照条件下,除了供电给当地负载/电网外,每天还平均以P_x的功率给电池充电x小时,以供夜晚无日照时使用,且电池每次放电深度为y%,则需要电池容量为[P_x×x/v_al]/(1-y%)(Ah)。进一步,作为一种优选,所述光伏电池模块选取包括:步骤10,确定光伏电池模块及其数量,选定光伏电池模块,根据当地气候特点,确定该模块最大功率点中的最大工作电压v_pv和最大工作电流i_pv,则光伏电池数量可计算为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="80"/>取整数得n,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="68"/>取整数得m,光伏电池模块数量为m*n。进一步,作为一种优选,所述电容、电感参数设计包括:步骤11,电容C₂设计,系统采用恒定直通零矢量调制方法,则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2f_s;稳态时,一个周期内电容电压的初值和终值相等;以直通时为例,Quasi-Z网络电容C₂电压的纹波ΔV_C2为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="308"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="191"/>-i_L1=i_C2,f_s为载波频率,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="419"/>若给定电容电压的纹波为ΔV_C2≤αV_C2,则有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="365"/>为抑制两倍频电压脉动,需要的电容为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="334"/>式中,ε为两倍频电压脉动占V_PN的比例,f为负载或电网电压频率,则由于电容C大于ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="287"/>且电容C₁与电池并联,所以电容C₂设计为 C 2 = P o 4 πf V PN 2 ϵ ; ]]>步骤12,电容C₁设计,系统采用恒定直通零矢量调制方法,则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2f_s;稳态时,一个周期内电容电压的初值和终值相等,以直通时为例,Quasi-Z网络电容C₁电压的纹波ΔV_C1为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="351"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="191"/>i_C1=i_B-i_L2,f_s为载波频率,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="486"/>若给定电容电压的纹波为ΔV_C1≤αV_C1,则有 C 1 ≥ ( i B - i L 2 ) D 2 f s α V C 1 ; ]]>步骤13,电感L₂的设计,稳态时,一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通时为例,Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L2为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="293"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="189"/>v_L2=V_C1,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="385"/>若给定电感电流的纹波为Δi_L2≤bi_L2,则有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="359"/>步骤14,电感L1的设计,稳态时,一个周期内电感电流的初值和终值相等,以直通时为例,Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L1为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="293"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="189"/>V_in+V_C2=v_L1,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="495"/>若给定电感电流的纹波为Δi_L1≤bi_L1,则有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="467"/>步骤15,Quasi-Z网络中二极管的参数,Quasi-Z网络中的二极管在直通状态下承受反压关断,在非直通状态下导通,因此,可根据直通状态下其两端的电压和非直通状态下其流过的电流来设计该二极管;直通状态下二极管承受反压为V_PN,非直通状态下通过二极管的电流为i_D≤i_L1+i_C2=i_L1+i_L2-i_d,在传统零矢量时间内,i_d=0时,此时二极管流过最大电流为i_D=i_L1+i_L2;步骤16,逆变器功率器件的参数,根据负载或并网功率P_o,和负载或并网处电网电压,计算负载电流有效值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="235"/>根据步骤4计算得的直流母线电压峰值V_PN和上述计算得的负载电流有效值,作为逆变器功率器件的选取的电压和电流参数。进一步,作为一种优选,所述准-Z源逆变器损耗计算包括:步骤17,储能型准-Z源单相光伏逆变器损耗估算,有4个IGBT及其反并联二极管,一个Z-源网络二极管,其损耗可以按照器件予以分别计算;1)4个IGBT及其反并联二极管的损耗估算,这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗,传统意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗,且开关损耗为 P SW = 4 π f s · ( E ON , I + E OFF , I + E OFF , D ) · V PN V ref · i L i ref , ]]>式中,E_ON,I、E_off,I、E_OFF,D分别为功率器件在电压V_ref和电流i_ref时的开通损耗、关断损耗和二极管反向恢复损耗能量,可从器件手册获得;i_L为负载电流峰值,i_L=1.414*i_a,f_s为开关频率;对于传统意义下每个IGBT的导通损耗,按照下列公式计算 P CV , I = V CE , 0 i L 2 π ( 1 + πM 4 - D ) + r CE i L 2 2 π ( π 4 + 2 M 3 - πD 4 ) ]]> P CV , D = V F , 0 · i L 2 π ( 1 - πM 4 - D ) + r F · i L 2 2 π ( π 4 - 2 M 3 - πD 4 ) , ]]>式中,V_CE0、V_F,0为IGBT和二极管的饱和压降和导通压降;r_CE、r_F为IGBT和二极管的导通电阻;M和D分别为调制指数和直通占空比,则4个IGBT及其二极管的导通损耗为P_CV=4*(P_CV,I+P_CV,D),对于直通导致的损耗,只需计算来自IGBT的开关损耗和导通损耗,即开关损耗为 P SW , SH = 4 f s · ( E ON , I + E OFF , I ) · V PN V ref · i L 1 i ref , ]]>导通损耗为 P CV , SH = 4 * ( V CE , 0 i L 1 D + r CE i L 1 2 D + r CE i L 2 D 8 ) ]]>2)Z-源网络二极管的损耗,每个模块的Z-Source网络二极管导通损耗为 P CV , D = V DF , 0 [ 2 i L 1 ( 1 - D ) - Mi L 2 ) + r DF 1 - D 2 [ 8 i L 1 2 + i L 2 ] - r DF 8 ( 1 - D ) π i L i L 1 , ]]>式中,V_DF,0为Z-源网络二极管的导通压降;r_DF为Z-源网络二极管的导通电阻,其反向恢复损耗为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="686"/>式中,E_rec为Z-源网络二极管在I_FM和V_R时的反向恢复损耗能量;总损耗为P_SW+P_CV+P_SW,SH+P_CV,SH+P_CV,D+P_CV,DR,通过估算损耗,可以比较备选器件,作为优化器件选者的条件。通过本发明方法,可简便、有效、快捷地设计储能型准-Z源单相光伏发电系统。
附图说明
当结合附图考虑时,通过参照下面的详细描述,能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点,但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定,其中:图1为储能型准-Z源单相光伏发电逆变器的结构示意图;图2为本储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法。
具体实施方式
以下参照图1-2对本发明的实施例进行说明。为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。储能型准-Z源单相光伏发电控制系统的设计方法实施例。如图1所示,本发明所涉及的储能型准-Z源单相光伏发电逆变器包括:储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容Cxa01、第二电解电容C2、第一电感L1、第二电感L2、LC滤波器、光伏电池、电网及局部负载;所述LC滤波器包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f组成;并且,所述第二电解电容C2的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连,所述第二电解电容C2的正极和所述H桥逆变器的正极连;所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容C1正极和所述第二电感L2相连;所述第二电感L2的另一端连接于所述H桥逆变器正极;所述第一电解电容C1的负极与所述H桥逆变器的负极相连;所述第一电感L1的一端与所述光伏电池的正极相连;所述第一电感L1的另一端与所述第二电解电容C2的负极相连;所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网,或供电当地负载;所述储能电池跨接于所述第一电解电容Cxa01两端,且所述储能电池的正极连接于第一电解电容C1的正极。如图2所示,一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法,包括:S1、获知用户电压和功率要求,光伏发电系统用途,及当地气候特点;S2、储能电池电压和容量参数设计;S3、光伏电池模块选取;S4、准-Z源网络电感、电容参数设计;S5、H桥逆变器电压、电流等级设计;S6、Z-源网络二极管设计;S7、准-Z源逆变器损耗计算。实施例目的是设计一个储能型准-Z源单相光伏发电控制系统,负载/电网的相电压为120V,功率为1700W。则可依步骤确定:步骤1,计算单相电压幅值v_al=120×1.414=170V;步骤2,设定光伏电池工作电压变化范围1:2,且最大光伏电池电压为170V,最小为85V。对应地,光伏电池电压最大时,逆变器调制指数M=1,直通占空比D=0,直流母线电压峰值为V_PN=170光伏电池电压最小时,V_in=85V,直通占空比D=1/3,逆变器调制指数M=2/3,直流母线电压峰值为V_PN=85*3=255V步骤3,设计电容C₁电压和并联电池电压V_C1=V_B=v_al=170xa0xa0xa0V步骤4,计算直流母线电压峰值最大为V_PN=170+85=255xa0xa0V步骤5,计算电容C₂电压最大值为V_C2=85xa0xa0xa0V步骤6,最大直通占空比D=1/3;步骤7,根据负载或并网功率P_O,考虑到最大功率发生在最大电压处,光伏电池组件电流为 i L 1 = P o V in = P o v al = 1700 170 = 10 A ]]>步骤8,储能电池放电发生在光伏功率不足时,根据上述设计,光伏电池最低工作电压为85V,设定最低光伏功率时提供电流为最大功率时的三分之一(比如最大时光照1000W/m²,最小时200W/m²)。则要输出1700W功率时,电池需要提供功率为P_B=1700-85×10/3=1416.7W则电池电流为i_B=P_B/V_B=8.3A则电感L₂的电流i_L2=i_L1+i_B=8.3+3.3=11.6xa0xa0xa0xa0A步骤9,确定蓄电池的容量应用统计数据,根据当地气候特点,结合所设计系统的用途,确定蓄电池的容量。比如,要求所设计的光伏系统在某地日照条件下,除了供电给当地负载/电网外,每天还平均以1000W的功率给电池充电4小时,以供夜晚无日照时使用,且电池每次放电深度为y%。则需要电池容量为[1000*4/170]/(1-y%)=23.5/(1-y%)Ah步骤10,确定光伏电池模块及其数量假定某光伏电池板在S=1000W/m²、T=25°时,最大功率点电压v_pv=42.4V,最大功率点电流i_pv=5A。随着电池板温度上升,其最大功率点电压下降,考虑1:2的工作范围,则最低为v_pv=21.2V。则,光伏电池数量可计算为 n = v al v pv = 170 42.4 = 4 , ]]> m = 10 5 = 2 ]]>该光伏电池模块数量为m×n=8。步骤11,电容C₂设计系统采用恒定直通零矢量调制方法,则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2f_s。稳态时,一个周期内电容电压的初值和终值相等。以直通时为例,Quasi-Z网络电容C₂电压的纹波ΔV_C2为 ΔV C 2 = i C 2 Δt C 2 ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="188"/>-i_L1=i_C2,f_s为载波频率,于是有 C 2 = i L 1 D 2 f s Δ V C 2 ]]>若给定电容电压的纹波为ΔV_C2≤αV_C2则有 C 2 ≥ i L 1 D 2 f s α V C 2 ]]>如果设定α=1%,载波频率f_s=10kHz,则 C 2 ≥ 10 × 1 / 3 2 × 10000 × 0.01 × 85 = 196 μF ]]>对于单相系统,存在两倍频脉动。对于图1系统,电容C₁和储能电池并联,然后再与电容C₂串联。为抑制两倍频脉动,需要的总电容为 C = P o 4 πf V PN Δ V PN = P 0 4 πf V PN 2 ϵ ]]>式中,ε为两倍频电压脉动占V_PN的比例,ΔV_PN=εV_PN,f为负载或电网电压频率。设定两倍频电压脉动比为ε=1%,f=50Hz,V_PN=255V,P_PV=1700W,则 C = 1700 4 π × 50 × 255 2 × 1 % = 4.16 mF ]]>由于电容C₁与储能电池并联,设计时可将其视为无穷大电容。所以,电容C₂为4.16mF。步骤12,电容C₁设计系统采用恒定直通零矢量调制方法,则Quasi-Z网络上电容电压的脉动频率为2f_s。稳态时,一个周期内电容电压的初值和终值相等。以直通时为例,Quasi-Z网络电容C₁电压的纹波ΔV_C1为 Δ V C 1 = i C 1 Δt C 1 ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="188"/>i_C1=i_B-i_L2,f_s为载波频率,于是有 C 1 = ( i B - i L 2 ) D 2 f s Δ V C 1 ]]>若给定电容电压的纹波为ΔV_C1≤αV_C1,则有 C 1 ≥ ( i B - i L 2 ) D 2 f s α V C 1 ]]>设定其他参数如上,且I_B-I_L2=-I_L1=-10A,则 C 1 × 10 × 1 / 3 2 × 10000 × 0.01 × 170 = 98 μF ]]>步骤13,电感L₂的设计稳态时,一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通时为例,Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L2为 Δ i L 2 = v L 2 Δt L 2 ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="188"/>v_L2=V_C1,于是有 L 2 = V C 1 D 2 f s Δ i L 2 ]]>若给定电感电流的纹波为Δi_L2≤bi_L2则有 L 2 ≥ V C 1 D 2 f s b i L 2 ]]>设定b=20%,i_L2=11.6A则 L 1 ≥ 170 × 1 / 3 2 × 10000 × 0.2 × 11.6 = 1.22 mH ]]>步骤14,电感L₁的设计稳态时,一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通时为例,Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L1为 Δi L 1 = v L 1 Δt L 1 ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="188"/>V_in+V_C2=v_L1,于是有 L 1 = ( V in + V C 2 ) D 2 f s Δ i L 1 ]]>若给定电感电流的纹波为Δi_L1≤bi_L1则有 L 1 ≥ ( V in + V C 2 ) D 2 f s b i L 1 ]]>V_in=85V,电流i_L1=10A,则 L 1 ≥ ( 85 + 85 ) × 1 / 3 2 × 10000 × 0.2 × 10 = 1.42 mH ]]>步骤15,Quasi-Z网络中二极管的参数Quasi-Z网络中的二极管在直通状态下承受反压关断,在非直通状态下导通。因此,可根据直通状态下其两端的电压和非直通状态下其流过的电流来设计该二极管。直通状态下二极管承受反压最大为V_PN=255V。非直通状态下通过二极管的电流为i_D≤i_L1+i_C2=i_L1+i_L2-i_d在传统零矢量时间内,i_d=0时,此时二极管流过最大电流为i_D=i_L1+i_L2=20xa0xa0xa0A步骤16,逆变器功率器件的参数根据负载或并网功率P_o,和负载或并网处电网电压,计算负载电流有效值 i a = 2 P o v al = 2 × 1700 170 = 14.1 A ]]>根据步骤4计算得的直流母线电压峰值V_PN和上述计算得的负载电流有效值,作为逆变器功率器件的选取的电压和电流参数。步骤17,储能型准-Z源光伏逆变器损耗估算对于图1所示电路,有4个IGBT(及其反并联二极管),一个Z-源网络二极管,其损耗可以按照器件予以分别计算。1)4个IGBT(及其反并联二极管)的损耗估算这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗。传统意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗,且开关损耗为 P SW = 4 π f s · ( E ON , I + E OFF , I + E OFF , D ) · V PN V ref · i L i ref ]]>式中,E_ON,I、E_off,I、E_OFF,D分别为功率器件在电压V_ref和电流i_ref时的开通损耗、关断损耗和二极管反向恢复损耗能量;i_L为负载电流峰值,i_L=i_a*1.414A,f_s为开关频率。根据步骤4和16计算得的电压、电流参数,选取IGBT模块SGH30N60RUFD为逆变器功率开关,计算其损耗。根据器件提供数据,在V_ref=300V,i_ref=30A时,导通时的开关损耗能量为E_ON,I=0.919mJ/P,关断时的开关损耗能量为E_off,I=0.814mJ/P,反向恢复开关损耗能量为E_OFF,D=0.067mJ/P。i_L=14.1*1.414=19.94A,V_PN=255V,f_s=10kHz,则计算得P_SW=12.9W。对于传统意义下每个IGBT的导通损耗,按照下列公式计算 P CV , I = V CE , 0 i L 2 π · ∫ 0 π sin ωt · ( 1 + M ( t ) 2 - D 2 ) · dωt + r CE i L 2 2 π · ∫ 0 π sin 2 ωt · ( 1 + M ( t ) 2 - D 2 ) · dωt ]]> = V CE , 0 i L 2 π ( 1 + πM 4 - D ) + r CE i L 2 2 π ( π 4 + 2 M 3 - πD 4 ) ]]> P CV , D = V F , 0 · i L 2 π · ∫ 0 π sin ωt · ( 1 - M ( t ) 2 - D 2 ) · dωt + r F · i L 2 2 π · ∫ 0 π sin 2 ωt · ( 1 - M ( t ) 2 - D 2 ) · dωt ]]> = V F , 0 · i L 2 π ( 1 - πM 4 - D ) + r F · i L 2 2 π ( π 4 - 2 M 3 - πD 4 ) ]]>式中,V_CE0、V_F,0为IGBT和二极管的饱和压降和导通压降;r_CE、r_F分别为IGBT和二极管的导通电阻;M和D分别为调制指数和直通占空比。由于V_CE0=2.2V,V_F,0=1.3V,r_CE=0.02Ω,r_F=0.01Ω,M=2/3,D=1/3,则4个IGBT及其二极管的导通损耗为P_CV=4*(P_CV,I+P_CV,D)=45.8W对于直通导致的损耗,只需计算来自IGBT的开关损耗和导通损耗,即开关损耗为 P SW , SH = 4 f s · ( E ON , I + E OFF , I ) · V PN V ref · i L 1 i ref = 19.6 W ]]>导通损耗为 P CV , SH = 4 * ( V CE , 0 i L 1 D + r CE i L 1 2 D + r CE i L 2 D 8 ) = 6.2 W ]]>2)Z-源网络二极管的损耗每个模块的Z-Source网络二极管导通损耗为 P CV , D = V DF , 0 [ 2 i L 1 ( 1 - D ) - Mi L 2 ) + r DF 1 - D 2 [ 8 i L 1 2 + i L 2 ] - r DF 8 ( 1 - D ) π i L i L 1 ]]>其反向恢复损耗为 P CV , DR = 2 E rec V PN ( πi L 1 - i L ) π I FM V R 2 f s ]]>根据步骤15计算得的二极管参数,选取APT40DQ60B为Z-源网络二极管,在I_FM=30A,V_R=600V时反向恢复损耗能量E_rec=0.06mJ/P,V_PN=255V,V_DF0=1.7V。则P_CV,D=14.7W,P_CV,DR=0.124W。总损耗为P_SW+P_CV+P_SW,SH+P_CV,SH+P_CV,D+P_CV,DR=118.2W。通过估算损耗,可以比较备选器件,作为优化器件选择的条件之一。从上述实施例中可以看出,根据本发明可以有效地设计储能型准-Z源光伏发电系统的主要参数。所设计的系统在光伏电池电压较低时,电路进行升压,满足负载要求;在光伏电池电压较高时,不需要升压,即可满足要求;在夜间,储能电池可直接提供能量给负载。整个系统以单级功率电路实现,具有最简的结构,较低的费用。而且系统适用于独立光伏发电,也适用于并网光伏发电。如上所述,对本发明的实施例进行了详细地说明,但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形,这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此,这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。