基于公共母线的电力调节系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于公共母线的电力调节系统及方法，属于电力调节领域，本发明包括光伏组件、锂电池、Boost升压电路、Buck-Boost变换电路、全桥逆变电路、市电网络和负载，光伏组件通过Boost升压电路形成公共直流母线，锂电池通过Buck-Boost变换电路挂接到公共直流母线上，直流母线通过全桥逆变电路并入市电网络，在全桥逆变电路和市电网络之间串接并网开关；直流母线通过全桥逆变电路连接负载。本发明为家庭用电系统提供孤岛运行，光伏发电；并网运行，网侧变换器逆变；孤岛运行，电池供电；并网运行，网侧变换器整流四种用电模式，可在光伏发电和市电间自由切换，结构造价成本低。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力调节系统，具体涉及基于公共母线的电力调节系统及方法。 基于公共母线的电力调节系统及方法
【背景技术】
[0002] 国内应用比较普遍的家庭式绿色能源系统一般是光伏发电系统，主要包括太阳能 光伏板、控制器、蓄电池、逆变器。系统结构一般是太阳能光伏板通过充电控制器接到蓄电 池，再由蓄电池接到逆变器，逆变器输出端挂负载。
[0003] 此种结构能量利用率低，工况条件简单，无法对整个系统进行有效的调度。在太阳 光不充足的时候，不能并接到市电网络中，限制了家庭用电，带来很大的不便。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于公共母线的电力调节系统及方 法，使家庭能源网络可在有太阳时工作在离网光伏发电状态，没有光伏能源时工作在电池 供电或并网状态，实现一种能在不同工况间自由切换、且能保障用电安全、不对公共电网造 成污染的电气系统结构。
[0005] 本发明的技术方案是：一种基于公共母线的电力调节系统，包括光伏组件、锂电 池、Boost升压电路、Buck-Boost变换电路、全桥逆变电路、市电网络和负载，光伏组件通过 Boost升压电路形成公共直流母线，锂电池通过Buck-Boost变换电路挂接到公共直流母线 上，直流母线通过全桥逆变电路并入市电网络，在全桥逆变电路和市电网络之间串接并网 开关；直流母线通过全桥逆变电路连接负载。所述Buck-Boost变换电路包括两个开关管 (S 2、S3)和一个电感（L2)和电容，电感（L2)和电容串联后并接于其中一个开关管（S 3)上，所 述锂电池并联在电容上。一种基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤一：光伏组件将太阳能转换成电能，通过Boost升压电路、Buck-Boost变换电路将电能 储存在锂电池中，或者通过全桥逆变电路给负载供电；步骤二：光伏组件所转换而来的电 能不足以驱动负载时，锂电池通过全桥逆变电路向负载供电；步骤三：光伏组件和锂电池 电量不足以驱动负载时，接通市电网络向负载供电。光伏侧Boost升压电路工作在MPPT模 式或者CV模式。锂电池侧双向Buck-Boost变换电路可工作在Buck模式或者Boost模式。 所述Buck-Boost变换电路的控制方式为独立PWM控制方式。所述全桥逆变电路采用单极 性调制或者单极性调制。
[0006] 本发明有如下积极效果：此电气设计模式可以使系统工作在：孤岛运行，光伏发 电；并网运行，网侧变换器逆变；孤岛运行，电池供电；并网运行，网侧变换器整流。四种工 况模式。结合合适的能量管理策略可以根据光伏组件输出功率、锂电池 S0C、负载情况以及 直流母线电压变化情况合理切换系统工况，保证整个系统稳定运行。Buck-Boost变换电路、 Boost升压电路、全桥逆变电路构成T型结构，电气结构简单，可根据能量管理策略在几种 工况之间灵活切换，结构造价成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为本发明【具体实施方式】电力调节系统结构图；
[0008] 图2为本发明【具体实施方式】Boost升压电路拓扑结构图；
[0009] 图3为本发明【具体实施方式】Buck-Boost变换电路工作在Boost模式时的等效电 路图；
[0010] 图4为本发明【具体实施方式】Buck-Boost变换电路工作在Buck模式时的等效电路 图；
[0011] 图5为本发明【具体实施方式】全桥逆变电路拓扑结构图；
[0012] 图6(a)为本发明【具体实施方式】全桥逆变电路单极性调制方式；
[0013] 图6(b)为本发明【具体实施方式】全桥逆变电路双极性调制方式；
[0014] 图中，1.市电网络、2.负载、3.光伏组件、4.锂电池、5. Boost升压电路、6.全桥逆 变电路、7. Buck-Boost变换电路。
【具体实施方式】
[0015] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0016] 本发明提供的基于公共母线的电力调节系统如图1所示。整个系统由光伏组件3、 锂电池4、市电网络1、负载2以及功率变换器组成，光伏组件3通过Boost升压电路5形成 公共直流母线，锂电池4通过Buck-Boost变换电路7挂接到公共直流母线上，直流母线通 过全桥逆变电路6并入市电网络1或者独立逆变成交流电压给负载2供电。从图中可以 看出，三个变换器都连接到公共直流母线上，从而组成一个典型的直流微网。通过控制直流 母线电压可以很容易控制直流微网内的功率流动。
[0017] Buck-Boost变换电路7包括两个开关管S2、S3和一个电感L2和电容，电感L 2和电 容串联后并接于开关管S3上，锂电池4并联在电容上。
[0018] Boost升压电路5工作原理分析：光伏侧单相DC/DC变换器在电路拓扑上有很多 种选择，其中Boost升压电路5由于以下优点适合作为光伏侧单相DC/DC变换器 ：
[0019] (1)输入电流连续；
[0020] (2)自身二极管可阻止电流流入光伏组件3 ;
[0021] (3)驱动与输入共地，驱动电路设计简单。
[0022] 对于光伏侧Boost升压电路5而言，光伏组件3相当于电压源Vpv，直流母线后面 的部分用电阻负载2R代替，故光伏侧Boost升压电路5等效电路图如图2所示。
[0023] Buck-Boost变换电路7工作原理分析：Buck-Boost变换电路7可以工作在Buck 模式和Boost模式。当其工作在Buck模式时，控制低压侧电压；当其工作在Boost模式时， 控制高压侧电压。Buck-Boost变换电路7在控制方式上可以分为以下两种控制方式 ：
[0024] (1)独立PWM控制方式
[0025] (2)互补PWM控制方式
[0026] 在独立PWM控制时，上下两个开关管不同时工作，即在一个开关管工作时，另外 一个封锁驱动，只是利用反并联二极管续流。就图3中的电路而言，当双向DC/DC工作在 Boost模式时，S2驱动封锁；当工作在Buck模式时，S3驱动封锁。因此在这种控制方式下， Buck-Boost变换电路7在电路结构上相当于单向Buck电路和单向Boost电路的反并联组 合。其优点在于控制上比较简单，只需要控制一个开关管。但是在需要频繁切换工作模式 的场合，可能会在切换瞬间产生冲击。
[0027] 在互补PWM控制时，上下两个开关管同时互补工作。互补PWM控制方式其实仍然 可以细分为两种类型。在互补PWM控制方式下，Buck-Boost变换电路7的工作模式由功 率流向决定，并随着功率流向变化而变化。即功率从低压侧流向高压侧时，高压侧电压作为 被控对象；当功率从高压侧流向低压侧时，被控对象就变成低压侧电压。实际上这种控制方 式在电感电流连续模式下与独立PWM控制方式并无本质上的区别，但是在电感电流断续模 式（Discontinuous Current Mode，DCM)下可以获得软开关条件。
[0028] 本发明中，Buck-Boost变换电路7用于控制电池充放电。可以通过设置一定的充 放电限制阀值，确保Buck-Boost变换电路7不会频繁地在充放电状态之间切换。综上所述， 本文中的Buck-Boost双向DC-DC变换器在控制方式上选择独立PWM控制方式。
[0029] 图3给出了电池侧Buck-Boost变换电路7工作在Boost模式时的等效电路图。此 时锂电池 4放电以维持直流母线电压恒定，给负载2供电。锂电池 4相当于电压源Ubat。 直流母线后面的部分用电阻代替。开关管S2的脉冲始终封锁，只单独控制开关管S3。此时 的Buck-Boost变换电路7相当于单向Boost升压电路5。
[0030] 假设D3为开关管S3的导通占空比，则当Buck-Boost变换电路7工作在Boost模 式时的稳态输入输出关系为：
【权利要求】
1. 一种基于公共母线的电力调节系统，其特征在于：包括光伏组件（3)、锂电池（4)、 Boost升压电路（5)、Buck-Boost变换电路（7)、全桥逆变电路（6)、市电网络（1)和负载 (2)，光伏组件（3)通过Boost升压电路（5)形成公共直流母线，锂电池（4)通过Buck-Boost 变换电路（7)挂接到公共直流母线上，直流母线通过全桥逆变电路（6)并入市电网络（1)， 在全桥逆变电路（6)和市电网络（1)之间串接并网开关；直流母线通过全桥逆变电路（6) 连接负载（2)。
2. 根据权利要求1所述的基于公共母线的电力调节系统，其特征在于：所述 Buck-Boost变换电路（7)包括两个开关管（S2、S3)和一个电感（L2)和电容，电感（L 2)和电 容串联后并接于其中一个开关管（S3)上，所述锂电池（4)并联在电容上。
3. 根据权利要求1-2任意一项所述的基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：包 括如下步骤： 步骤一：光伏组件（3)将太阳能转换成电能，通过Buck-Boost变换电路（7)将电能储 存在锂电池（4)中，或者通过全桥逆变电路（6)给负载（2)供电； 步骤二：光伏组件（3)所转换而来的电能不足以驱动负载（2)时，锂电池（4)通过全桥 逆变电路（6)向负载⑵供电； 步骤三：光伏组件（3)和锂电池（4)电量不足以驱动负载（2)时，接通市电网络（1)给 负载⑵供电。
4. 根据权利要求3所述的基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：光伏侧Boost 升压电路（5)工作在MPPT模式或者CV模式。
5. 根据权利要求3所述的基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：锂电池（4)侧 双向Buck-Boost变换电路可工作在Buck模式或者Boost模式。
6. 根据权利要求3所述的基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：所述 Buck-Boost变换电路（7)的控制方式为独立PWM控制方式。
7. 根据权利要求3所述的基于公共母线的电力调节方法，其特征在于：所述全桥逆变 电路（6)采用单极性调制或者单极性调制。
【文档编号】H02S40/30GK104092243SQ201410338750
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】王 琦, 蔡旭, 姜广宇, 王海松, 丁卓禹, 郑琴 申请人:安徽启光能源科技研究院有限公司