專利名稱：一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)電是理想的可持續(xù)能源，對(duì)其開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，功率變換器/逆變器必不可少。但是，一般而言，光伏電池輸出電壓的變化幅度可達(dá)2倍，使用傳統(tǒng)的單級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致逆變器設(shè)計(jì)容量倍增。若采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)，引入的DC/DC變換器，將增加費(fèi)用，降低效率。為此，研究人員開(kāi)始研究新技術(shù)，采用Z-源和準(zhǔn)-Z源逆變器克服這些問(wèn)題，因?yàn)樗詥渭?jí)功率變換的形式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)由DC/DC和逆變器組成的雙級(jí)變換功能，不會(huì)增大逆變 器容量，且在光伏發(fā)電領(lǐng)域與傳統(tǒng)系統(tǒng)兼容。另一方面，光伏發(fā)電功率對(duì)光照和溫度依賴性很強(qiáng)，由于光照和溫度變化無(wú)常，光伏電池輸出的電壓和功率寬范圍變化，直接并網(wǎng)或獨(dú)立供電會(huì)對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載造成負(fù)面影響。所以，除了傳統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用儲(chǔ)能電池的方案外，近年在并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中也采用儲(chǔ)能電池技術(shù)，以緩存能量，平抑并網(wǎng)功率。一般常用的方法，是通過(guò)雙向DC/DC變換器將儲(chǔ)能電池聯(lián)接到直流側(cè)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率平抑功能，但是額外增加了一套DC/DC變換器，增加了系統(tǒng)的成本。為了克服這個(gè)問(wèn)題，發(fā)明專利[申請(qǐng)?zhí)?01010234868. X，單級(jí)升降壓儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)]將儲(chǔ)能電池與其中一直電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了單級(jí)功率變換完成升/降壓、逆變和儲(chǔ)能。在該系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池直接并聯(lián)在電容上，無(wú)需增加額外的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。但是，目前為止，尚未有文獻(xiàn)介紹如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各量參數(shù)，比如，儲(chǔ)能電池電壓、容量，光伏電池電壓等級(jí)，調(diào)制指數(shù)，各電容、電感、功率開(kāi)關(guān)器件損耗分析等。對(duì)于一個(gè)儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)而言，這些參數(shù)的確定至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，所述儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)包括儲(chǔ)能電池、H橋逆變器、準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管、第一電解電容、第二電解電容、第一電感、第二電感、LC濾波器、光伏電池、電網(wǎng)及局部負(fù)載；所述LC濾波器包括輸出濾波電感和輸出濾波電容組成；并且，所述第二電解電容的負(fù)極與所述準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管的陽(yáng)極相連，所述第二電解電容的正極和所述H橋逆變器的正極連；所述準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管的陰極同時(shí)與所述第一電解電容正極和所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于所述H橋逆變器正極；所述第一電解電容的負(fù)極與所述H橋逆變器的負(fù)極相連；所述第一電感的一端與所述光伏電池的正極相連；所述第一電感的另一端與所述第二電解電容的負(fù)極相連；所述H橋逆變器的輸出經(jīng)過(guò)LC濾波器后并入電網(wǎng)，或供電當(dāng)?shù)刎?fù)載；所述儲(chǔ)能電池跨接于所述第一電解電容兩端，且所述儲(chǔ)能電池的正極連接于第一電解電容的正極；基于用戶電壓和功率要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)用途，及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，該方法包括系統(tǒng)所需要的儲(chǔ)能電池電壓和容量參數(shù)設(shè)計(jì)，光伏電池模塊選取，準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)電感、電容參數(shù)設(shè)計(jì)，H橋逆變器電壓、電流等級(jí)設(shè)計(jì)，Z-源網(wǎng)絡(luò)二極管設(shè)計(jì)，準(zhǔn)-Z源逆變器損耗計(jì)算等。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述H橋逆變器電壓、電流等級(jí)設(shè)計(jì)包括如下步驟步驟I，根據(jù)負(fù) 載電壓或并網(wǎng)處電網(wǎng)電壓，計(jì)算單相逆變器輸出的電壓幅值Val ；步驟2，設(shè)定光伏電池工作電壓變化范圍為I :2，且最大光伏電池電壓為Vin=Val，最小為Vin = val/2,對(duì)應(yīng)地，光伏電池電壓最大時(shí)，逆變器調(diào)制指數(shù)M= I，直通占空比D=O，直流母線電壓峰值為VPN=val，光伏電池電壓最小時(shí)，直通占空比D=l/3，逆變器調(diào)制指數(shù)M=2/3，直流母線電壓峰值為Vpn=L 5*val。進(jìn)一步,作為一種優(yōu)選,所述電容、電感參數(shù)設(shè)計(jì)包括步驟3,計(jì)算電容C1電壓和并聯(lián)電池電壓Va=VB=val ；步驟4,計(jì)算直流母線電壓峰值最大為Vpn=L 5 X Val ；步驟5，計(jì)算電容C2電壓最大值為Vc2=O. 5 X Val ;步驟6，最大直通占空比D=l/3。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述光伏電池模塊選取包括步驟7，根據(jù)負(fù)載或并網(wǎng)功率P。，考慮到最大功率發(fā)生在最大電壓處，光伏電池電
(in Val，步驟8，儲(chǔ)能電池放電發(fā)生在光伏功率不足時(shí)，根據(jù)上述設(shè)計(jì)，光伏電池最低工作電壓為val/2，設(shè)定允許工作的最低光照強(qiáng)度時(shí)光伏電池最低功率時(shí)提供電流為最大功率時(shí)的k分之一；則要輸出P。功率時(shí)，電池需要提供功率為PfPJ. 5XvalXiIVk，則電池電流為Ib=Pb/Vb ;則電感L2的電流為i^iu+iB。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述儲(chǔ)能電池電壓和容量參數(shù)設(shè)計(jì)包括步驟9，確定蓄電池的容量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，結(jié)合所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用途，確定蓄電池的容量；如果要求所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)在某地日照條件下，除了供電給當(dāng)?shù)刎?fù)載/電網(wǎng)外，每天還平均以Px的功率給電池充電X小時(shí)，以供夜晚無(wú)日照時(shí)使用，且電池每次放電深度為y%，則需要電池容量為[PxXx/val]/(l-y%) (Ah)。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述光伏電池模塊選取包括步驟10，確定光伏電池模塊及其數(shù)量，選定光伏電池模塊，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，確定該模塊最大功率點(diǎn)中的最大工作電壓Vpv和最大工作電流ipv，則光伏電池?cái)?shù)量可計(jì)算為
valh\
「取整數(shù)得11，^取整數(shù)得m，光伏電池模塊數(shù)量為m*n。
pvlpV進(jìn)一步,作為一種優(yōu)選,所述電容、電感參數(shù)設(shè)計(jì)包括步驟11，電容C2設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用恒定直通零矢量調(diào)制方法，則Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)上電容電壓的脈動(dòng)頻率為2fs ;穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電容電壓的初值和終值相等；以直通時(shí)
為例，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)電容C2電壓的紋波其中，-iL1 = iC2,
2 4/s
P .I)
fs為載波頻率，于是有= lLl 2fsAfc 若給定電容電壓的紋波為aK a Ve2，則有P0
C2>iLl_為抑制兩倍頻電壓脈動(dòng)，需要的電容為^"= 4j2 s式中，e為兩倍頻
2fsaVC2，PN ,
. D
電壓脈動(dòng)占Vpn的比例，f 為負(fù)載或電網(wǎng)電壓頻率，則由于電容C大于zU 2fsaVcl且電容
Pn
C1與電池并聯(lián)，所以電各C2設(shè)計(jì)為G步驟12，電容C1設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用恒定直通零矢量調(diào)制方法，則Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)上電 容電壓的脈動(dòng)頻率為2fs ;穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電容電壓的初值和終值相等，以直通時(shí)為例，
* T, - A/D
Quasi-Z 網(wǎng)絡(luò)電容 C1 電壓的紋波 AVci 為AVci = In —其中，icl = iB-iL2, fs
Il 2/g 5
D
為載波頻率，于是有G = (lB ~1^) 2 /jAFa若給定電容電壓的紋波為AVaS aVa，則有 D
L IfsCtVcx .步驟13，電感L2的設(shè)計(jì)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感電流的初值和終值相等。以直通
A. _ A/D
時(shí)為例，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)電感電流的紋波A iL2為A,L2=VL2[^其中，A/=f \2=Va，于是有
2 2Js >
U- = rCi 2/sA/z,若給定電感電流的紋波為A iL2 ( biL2,則有A ^pCI 2d .
5^ 步驟14，電感LI的設(shè)計(jì)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感電流的初值和終值相等，
A. _ Aff)
以直通時(shí)為例，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)電感電流的紋波A iu為tsiIA =vIiT-其中，At=^T
Ll， 2/s，
Vin+Vra = vL1,于是有1I = + vCi) 2 若給定電感電流的紋波為Aiu Sbiu，則有I1 > (Fin+Fc2)-^-步驟15，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)中二極管的參數(shù)，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)中的二極管在直通狀態(tài)下承受反壓關(guān)斷，在非直通狀態(tài)下導(dǎo)通，因此，可根據(jù)直通狀態(tài)下其兩端的電壓和非直通狀態(tài)下其流過(guò)的電流來(lái)設(shè)計(jì)該二極管；直通狀態(tài)下二極管承受反壓為Vpn，非直通狀態(tài)下通過(guò)二極管的電流為iD ( iu+ic2=iLi+iL；rid，在傳統(tǒng)零矢量時(shí)間內(nèi)，id=0時(shí)，此時(shí)二極管流過(guò)最大電流為 iD=iu+iL2 ；步驟16，逆變器功率器件的參數(shù)，根據(jù)負(fù)載或并網(wǎng)功率P。，和負(fù)載或并網(wǎng)處電網(wǎng)電壓，計(jì)算負(fù)載電流有效值4 =^l根據(jù)步驟4計(jì)算得的直流母線電壓峰值Vpn和上述計(jì)算
va/
得的負(fù)載電流有效值，作為逆變器功率器件的選取的電壓和電流參數(shù)。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述準(zhǔn)-Z源逆變器損耗計(jì)算包括步驟17，儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏逆變器損耗估算，有4個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管，一個(gè)Z-源網(wǎng)絡(luò)二極管，其損耗可以按照器件予以分別計(jì)算；1)4個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管的損耗估算，這部分損耗可以分傳統(tǒng)意義下的損耗和直通導(dǎo)致的損耗，傳統(tǒng)意義下的損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，且開(kāi)關(guān)損耗為
權(quán)利要求
1.一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，儲(chǔ)能型準(zhǔn)-z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)包括儲(chǔ)能電池、H橋逆變器、準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管、第一電解電容、第二電解電容、第一電感、第二電感、LC濾波器、光伏電池、電網(wǎng)及局部負(fù)載；所述LC濾波器包括輸出濾波電感和輸出濾波電容組成；并且，所述第二電解電容的負(fù)極與所述準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管的陽(yáng)極相連，所述第二電解電容的正極和所述H橋逆變器的正極連；所述準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)二極管的陰極同時(shí)與所述第一電解電容正極和所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于所述H橋逆變器正極；所述第一電解電容的負(fù)極與所述H橋逆變器的負(fù)極相連；所述第一電感的一端與所述光伏電池的正極相連；所述第一電感的另一端與所述第二電解電容的負(fù)極相連；所述H橋逆變器的輸出經(jīng)過(guò)LC濾波器后并入電網(wǎng)，或供電當(dāng)?shù)刎?fù)載；所述儲(chǔ)能電池跨接于所述第一電解電容兩端，且所述儲(chǔ)能電池的正極連接于第一電解電容的正極； 其特征在于，基于用戶電壓和功率要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)用途，及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，該方法包括系統(tǒng)所需要的儲(chǔ)能電池電壓和容量參數(shù)設(shè)計(jì)，光伏電池模塊選取，準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)電感、 電容參數(shù)設(shè)計(jì)，H橋逆變器電壓、電流等級(jí)設(shè)計(jì)，Z-源網(wǎng)絡(luò)二極管設(shè)計(jì)，準(zhǔn)-Z源逆變器損耗計(jì)算。
2.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述H橋逆變器電壓、電流等級(jí)設(shè)計(jì)包括如下步驟 步驟I，根據(jù)負(fù)載電壓或并網(wǎng)處電網(wǎng)電壓，計(jì)算單相逆變器輸出的電壓幅值Val ； 步驟2，設(shè)定光伏電池工作電壓變化范圍為I : 2，且最大光伏電池電壓為Vin=Val，最小為Vin=val/2，對(duì)應(yīng)地，光伏電池電壓最大時(shí)，逆變器調(diào)制指數(shù)M= I，直通占空比D=O，直流母線電壓峰值為VPN=val，光伏電池電壓最小時(shí)，直通占空比D=l/3，逆變器調(diào)制指數(shù)M=2/3，直流母線電壓峰值為Vpn=L 5*val。
3.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電容電感參數(shù)設(shè)計(jì)包括 步驟3,計(jì)算電容C1電壓和并聯(lián)電池電壓Va=VB=val ； 步驟4，計(jì)算直流母線電壓峰值最大為Vpn=L 5 X Val ; 步驟5，計(jì)算電容C2電壓最大值為Ve2=O. 5 X Val ; 步驟6，最大直通占空比D=l/3。
4.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述光伏電池模塊選取包括 步驟7，根據(jù)負(fù)載或并網(wǎng)功率P。，考慮到最大功率發(fā)生在最大電壓處，光伏電池電流為,-P0- PolLi - 7T"-—.lin Val， 步驟8，儲(chǔ)能電池放電發(fā)生在光伏功率不足時(shí)，根據(jù)上述設(shè)計(jì)，光伏電池最低工作電壓為Val/2，設(shè)定允許工作的最低光照強(qiáng)度時(shí)光伏電池最低功率時(shí)提供電流為最大功率時(shí)的k分之一；則要輸出P。功率時(shí)，電池需要提供功率為Pb=P^O. 5 X ValX iu/k，則電池電流為1B=PbAb ;則電感L2的電流為iL2=iu+iB。
5.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述儲(chǔ)能電池電壓和容量參數(shù)設(shè)計(jì)包括 步驟9，確定蓄電池的容量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，結(jié)合所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用途，確定蓄電池的容量；如果要求所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)在某地日照條件下，除了供電給當(dāng)?shù)刎?fù)載/電網(wǎng)外，每天還平均以Px的功率給電池充電X小時(shí)，以供夜晚無(wú)日照時(shí)使用，且電池每次放電深度為y%，則需要電池容量為[PxXx/val]/(l-y%) (Ah)。
6.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述光伏電池模塊選取包括 步驟10，確定光伏電池模塊及其數(shù)量，選定光伏電池模塊，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，確定該模塊最大功率點(diǎn)中的最大工作電壓Vpv和最大工作電流ipv，則光伏電池?cái)?shù)量可計(jì)算為^取 pv整數(shù)得n，，取整
7.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電容電感參數(shù)設(shè)計(jì)包括 步驟11，電容C2設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用恒定直通零矢量調(diào)制方法，則Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)上電容電壓的脈動(dòng)頻率為2fs ;穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電容電壓的初值和終值相等；以直通時(shí)為
8.如權(quán)利要求I所述一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述準(zhǔn)-Z源逆變器損耗計(jì)算包括 步驟17，儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏逆變器損耗估算，有4個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管，一個(gè)Z-源網(wǎng)絡(luò)二極管，其損耗可以按照器件予以分別計(jì)算； I)4個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管的損耗估算，這部分損耗可以分傳統(tǒng)意義下的損耗和直通導(dǎo)致的損耗，傳統(tǒng)意義下的損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，且開(kāi)關(guān)損耗為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括系統(tǒng)所需要的儲(chǔ)能電池電壓和容量參數(shù)設(shè)計(jì)，光伏電池模塊選取，準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)電感、電容參數(shù)設(shè)計(jì)，H橋逆變器電壓、電流等級(jí)設(shè)計(jì)，Z-源網(wǎng)絡(luò)二極管設(shè)計(jì)，準(zhǔn)-Z源逆變器損耗計(jì)算等。該設(shè)計(jì)方法基于用戶電壓和功率要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)用途，及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)。所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠滿足光伏電池電壓1∶2寬范圍變化，無(wú)論其電壓如何變化，系統(tǒng)都輸出負(fù)載需求電壓，而且適合單級(jí)功率變換完成升/降壓、逆變和儲(chǔ)能要求。本發(fā)明為儲(chǔ)能型準(zhǔn)-Z源單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)提供了簡(jiǎn)便、有效、快捷的方法。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102709940SQ20121016071
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者孫東森, 葛寶明 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)