Introducing an improved bidirectional charger concept for modern residential standalone PV systems
Abstract The increasing electrical energy price worldwide and generally the libera- tion of Electrical Energy Markets, has highlighted the standalone residential PV sys- tems as a potentially viable commercial product, especially for remote areas (islands, rural territories etc). Critical values for the success of these systems are the initial required capital for such an investment, the payback period and the compatibility with national and international directives on the low voltage electrical installations and on the power quality. To this direction, an improved standalone bidirectional bat- tery charging system for residential applications is introduced in this paper. Extended Matlab/Simulink results are validating the advantages of the proposed configuration, especially in cases of three phase short circuit faults.
Keywords Bidirectional chargers · Standalone PV systems ·
Residential applications · Inverters · Short circuit analysis
1.Introduction
Residential photovoltaic (PV) systems (either grid-tied or standalone) are a very impor- tant renewable energy (RES) component, for the achievement of high RES penetration levels to the global energy equilibrium; the unique installation flexibility that PV sys- tems present, makes them suitable for producing significant electric energy amounts directly to the place of consumption (buildings). Thus costs and complexity which are inherent to energy distribution, are decreasing, as well as distribution energy losses [1–4].
The case of autonomous residential PV systems was—until nowadays—of lower importance, mainly due to the high initial capital required and the moderate pay- back period. However this situation tends to change; the high electric energy price globally—as a result of the decreasing fossil fuelsrsquo; capacity—and the recent nuclear drama in Japan, have raised the interest for all kinds of RES alternatives. Additionally the microgrid and virtual grid concepts (which include autonomous PV systems) are remarkably proliferating worldwide, as an optimum solution for RES exploitation and sophisticated energy management.
Finally, it is worth mentioning a “local” advantage (Greece and Mediterranean countries) for autonomous residential PV systems; the fact that these countries have many islands, the electric networks of which are rather weak and difficult to reinforce, while the majority of their residents are active consumers only during the summer season (when PV generation is adequate for covering the total consumption).
For these reasons, Renewable Energy Sources and Energy Saving (RE2S2) research group has initiated the study and development of improved power electronics convert- ers for autonomous residential PV systems. The term “improved” emanates from the following criteria that these converters have to meet:
- Power level; the power level of these systems must be higher than 10 kW, in order to cover the true electric energy needs of a resident.
2.Protection selectivity—reliability; users and electric devices must be protected as in ompatible (grid-connected) residential installations, according to the national low voltage electrical installations directives. This means that the protection settings must be the same, including the selectivity settings (each short circuit is hierarchi- cally dealt, starting from the automatic switch of the defaulted line). So the supply should not be interrupted in cases of faults within the residential installation, unless the primary protection fails to clear the incident.
3.Power quality; RMS voltage and its frequency, as well as all other power qual-ity indexes (asymmetry, harmonic distortion, flicker etc) must be compatible with national limits, as in the case of connection to the public grid. Power quality also includes the annual availability of the system which must be at least 99 % (e.g. according to the Greek distribution network directives).
4.Extendibility; the system must be easily upgraded for higher power levels, by adding other PV generator units or even other types of RES generators (e.g. small wind- generators, small cogeneration units).
The first outcomes of this work are presented in this paper. More specifically, the analysis of a novel low-cost bidirectional charger for autonomous PV systems and its affection on system response during three phase short circuit (3psc) will take place in the following paragraphs. In more details, a short review on the existing bidirectional chargers for standalone PV systems is presented in Sect. 2. The structure and the control concept of the proposed bidirectional charger are presented in Sect. 3. Matlab/Simulink simulation results that highlight the system response under 3psc are presented in Sect. 4.
2.Review on existing bidirectional chargers for standalone PV systems
Figure 1a, b shows the block diagrams of a series connected and of a bidirectional charger respectively, for standalone residential PV systems . Regarding the series connection, it is a very famous topology for small scale autonomous loads—usually no more than 5 kW. In series connection the charger produces a constant charging current for the battery system, the value of which depends on PV generation capability and battery state of charge (SOC). It is worth mentioning that maximum power point tracking (MPPT) is not the main objective in standalone applications, rather than the maximization of the in service hours. Thus, it is a usual practice for the construction companies to provide the same charger for battery systems of different capacity and/or for PV systems of different nominal power.
Although it is a simple and reliable topology, the main disadvantage of a series connection is it
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附录A 译文
关于改良后使用双向充电的当代独置光伏发电系统的理念介绍
摘要 在电能交易市场的变革中，世界范围内的电能的价格普遍上升，更加强调了独置光伏发电系统是一种符合实际的有巨大潜力的商业产品，特别是在偏远地区（岛屿以及农村地区）。最关键的是一些投资商能不能在这些系统中收回最初的资本，它的投资回报期符合国家与国际在用低电压装置获得高品质的能量的调配。在上述原因下，本篇论文将会介绍一个改良的双向充电的独置光伏发电系统应用，特别是万一出现三相位短路的情况下，提出利用Matlab或Simulink的可延伸的优势来验证这个装置。
关键词：双向充电 独立的光伏系统 独置的应用 逆变器 故障分析
1．简介
可放置的光伏发电系统（或并网，或独立）是可再生能源利用的一个非常重要的部分，更多能使用的资源让全世界的能量平衡达到一个更高的水平。现在的光伏系统具有独一无二的安置灵活性，这可以使得它更适合制造地方所直接使用的电能。因此它的花费和复杂性因能量的固定分配而减少，也减少了不必要的电能损耗。
自主独置的光伏系统在当下依旧处于不是很受重视的状态，主要是由于它的前期需要很高的投资但是它的回报周期却很漫长。然而这个情况已经有转变的趋势；全球范围内很高的电能价值是以减少石油燃料储备所带来的结果，且最近在日本产生了核污染，这些逐渐使得人们开始对燃料的可替代物产生了想法。此外微电网技术和虚拟输电网技术（包含了自主光伏系统）的概念随着开发技术与复杂的电能管理的解决在世界上以非常快的速度传播。
最后，值得一说的是对于独置太阳能光伏发电系统的设立，某些地方（如希腊，位于地中海的国家）有着天然的“地理”优势；实际上这些国家有着很多岛屿，使得他们的输电网络质量的提升更加疲软和困难，他们当地大部份居民消费只有在夏天（当光伏系统能产生足够的电量去满足当地所有的的电能消费的时候）。
在这季节期间，可再生能源充足，电能保护小组开始研究如何改良电能转化器用以在独置光伏系统中，“提高”这一词是转换器标准不得不面对的。
- 功率标准；光伏发电系统的标准是必须要超过10千瓦，为了能超过所有的居民的用电量；
- 选择可信赖的保护；在电力设备（并网电路）的安置地点必须要按照国家低电压的标准进行安置，能与当地兼容，使用户和电力设备受到保护。这也意味着包括选择设置（每个短路回路分层次的处理，在不符合规定的线路开始设置自动开关）的标准必须相同，因此在设备安置中万一发生故障，供电不能断，除非是主要保护措施未能解决故障的情况下；
- 电能质量；每平方的电压及其频率也要和其他能量质量标准（不对称的谐波失真或者波动）一样必须符合国家的限制，如同在连接公共电网一样，电能质量也包括系统每年电量可用率至少达到99%（按照希腊的电网标准）；
- 可扩展性；系统为了提升电力水平必须要能容易增加各种发电机组直到不需要增加（例如微热单位的风力发电机）。
他们首先把结果写在论文中，更具体的来说，这个新的关于双向充电自动化光伏系统和系统在3个发生短路阶段的响应的分析也在这文段中。这个双向充电的独置光伏系统的更多细节请看文段2。这个提出的双向充电结构和控制概念在文段3中提出。文中最重要的关于系统响应的Matlab/Simulink仿真结果在低4段的3幅图中。
2.回顾当前的双向充电独置光伏系统
图1a,b分别向我们展示了一系列双线充电用于独置光伏发电系统的连接部分。至于这些关系，是一种非常著名的拓扑结构用于通常不超过5千瓦的小规模自动化负载。这一系列的连接结构能让光伏系统用它产生电的能力为电池系统提供源源不断的能量。值得一提的是，检测出最大功率的值并不是使用独置主要目的，而是最大化的延长使用时间。因此，最通常的做法是建立公司为不同电池系统功率提供光伏系统或者为不同容积的电池系统提供相同的充电系统。
尽管这是非常简单且值得信赖的拓扑结构，但它的主要缺点是拓展性受到限制，特别是其它软件的产生且这个连接是电池系统能量的主要来源的情况下。
图1 a
图1 b
图1 独置光伏发电系统的结构；一个充电；一个双向充电
在光伏发电对这个系统（等价于网络分析的松弛节点）起提供恒定电流来源的作用以来。结果是电池组在没有光伏系统有效的帮助的情况下有出故障的趋势，一个事实是由于如此，可能迅速减少了电池组的寿命甚至摧毁了它。这个情况一定得与今天的常规错误比如在一种连接系统一旦停止运行之下在负载端就会出现错误的情况区分。它不符合低电压系统的安置命令因此这种行为不被模拟独置系统所接受。
从图1b中看出这个双向充电构造从另一方面好像解决了这个故障。当电池组要增加一个增加负载或减小负载的工具时，主要能量来源于光伏发电机组，这个取决于负载大小和光伏系统的发电水平也就是其芯片的能力。这主要的控制回路因此也是一个稳定的直流母电路（名字叫门静脉流速），使得电池组合与光伏发电机的操作有不断地直流电压。
其主要的优势是双向结构使得电池组不再作为主要电力来源，但是它的作用时间呗限制在需要它的时候（为了保证预定的能量储备和在光伏发电系统生产间隔的时候帮助其增加负载）。至于它的可扩展性可以通过两种可供选择的方法实现，一个是通过直流转化器增加软件单元，如图2a所示，或者用多端口的双向转换器，如图2b所示。
这个通过直流连接转换器连接多重互联软件单元的构思被广泛用于微电网使用和证明模块化设计概念。然而，对于自主独置系统，严格来说这个想法是相当昂贵且难以实施的。更明确地说，成品比如所有软件发电机的主要控制单元必须要考虑到实现的复杂性，在实现下垂控制（微电网的通常控制方法）时会有两个主要缺点。
- 缺失主要（通常为柴油）发电机；通常微电网为柴油发电，因此在发生故障时它的行为可以通过发电机来控制。因此其他的软件在故障发生时都能立即分离，不接受按照以前的命令来行动，独立微电网的基础只取决于软件来源（或电池组）在错误条件下发生相同的行为，从它们的直流下降曲线中可以看出为了降低高电压而限制电流（因此万一发生短路就会分离）。
- 实现下垂；这也是实现独置的问题，因此在电路里面小的软件单元会出现很大的分离状态。此外，万一扩充系统时很难重新估计下降曲线（例如增加软件单元，特别是与以往实用过的软件不同时）。
在另一方面，多端口的电流转换器（如图2b）用一般的多重耦合线圈为多重能量来源提供地方。因此它们最初设计的时候扩展性受到了线圈圈数的限制。但是得担心它们的电量水平，它只能达到1.0千瓦，所以不适合用于独置系统的实施。
图二 a
图二 b
图2 多端口双向充电系统的构造；a.直流-直流变换器;b.多重转换器组合
双向转换器的拓扑结构的研究结论在文献中已经被提出，但是得出的结论通常是很复杂的拓扑结构。因为它们包含了很多半导体开关和被不同的脉冲控制和它们在系统操作中的充电操作（开关/续流二极管）。
最后，在关于放置时的使用控制转换器产生交流电压（这个在图1,2）。在串联一些小软件（最高1.0千瓦）开路时通常用脉宽调制构造正弦曲线（幅度比例不断变化），为了使其他更高水平的能量情况出现控制幅度比例，因此在负载边实现了恒定的均方根电流值。
需要特别回顾一下在独置系统中的简单（包括结构和控制）且值得信赖的转换器，给它以前的定义标准是有效的保护，改进电能品质和有足够可利用的软件单元。双向充电独置系统的结构和下一个部分的合适的控制战略被提出将会趋势。
3.被提出的独置双向充电系统
这个被提出额独置双向充电系统在图3，它与图2a总体结构的主要不同点在于感应器对于短路回路的判定水平。下面的数学公式能用来挑选所有设计它需要用的操作参数。更详细地说，它是在光伏系统中很著名的在少于一分钟的时间内使得额定电流达到280%。因此假如在变压器初级端3psc处使用时通过逆变器所需要的值的大小来定义感应系数。
(1)
(2)
I3psc处的均方根电流值是检测在变压器初级端使用的值。Vin,N是逆变器两线之间的均方根电压，omega;=2pi;ｆ,是这个线路的角频率，Ｌf是每个在初端的感应系数，ma是正脉宽调制中的振幅比，Vdc是直流逆变器端的直流电压。
值得一提的是这个感应器被用来和Y连接型的电容器相结合，所以在正脉宽调制过程中设立低通滤波器用来滤掉高谐波。此外由于感应器有相当大的阻抗，Vinv,N必须高于书面上的电压，这是为了让压降能通过感应器。因此在定态的稳定条件下，下一个关系式就能从电路图3和方程式2中得到：
图3 被提出的双向充电组合
（3）
ＶAC,N是名称上的第二阶段变压器两线之间的均方根电压
Iload是负载两端的电流，Sload=3VAC，Niload,]是这个负载的外在功率，n，是这个变压器的转换率（包括两个不同的阶段，首先和第二阶段），theta;°，是V和nV的相位角，phi;°是负载角。
等式（1）-（3）能够被用来定义迭代计划以下几步的系统参数值。
第一步：决定VDC。这个通常要考虑到实际光伏系统发电机的值来设定。
第二步：决定n。这个通常要考虑到实际变压器的特点。此外，n的选择值必须要明显低于90°（电压稳定性的限制），这个被公式（3）证实。
第三步：用等式（2）估算ma的值；如果估算的ma的值高于原来值，则VDC必须设定一个更高的值。
第四步：短路电路的定义（超过包装上电压的280%）。
第五步：按照等式（1）估算Lf。如果Lf的值过高，则步骤1-3就必须得重新设定一个低的n的值。
这个被提出的双向充电和它的控制概念在图4中展示。它的构造基于逐渐廉价的变流器并且使得双向电流的配置成为可能。详细地说，这个半导体开关（场效应晶体管或者隔离栅两级晶体管和自由组成的二级管）都被相同的脉宽调制所产生的脉冲所控制。考虑到脉冲有恒定的周期（和频率），电流大小取决于在电池组（VB）与直流母线（Vdc）间不同的电压。如果VB高于Vdc，那么电池组就会放电。实际电路如图5所示。因此，当S2通过自由二极管D2绕道时S1的开关打开。输出滤波器的输出在开关断路时通过自由二极管DF1放电。相同的，如果VB低于VDC，那么电池组就会充电，如图6所示。因此当S1通过自由二极管D2绕路时S2的开关将会打开。输出滤波器的输出在开关断路时通过自由二极管DF2放电。
以上所述的操作分析只能是一个感应器有需要的双向操作，因此没有过多的很吸引人的原理（只比较了比较简单的降压变换器），仅仅只是部件（再一次使用了简单的降压变换器）多了额外的半导体开关和自由二极管。无论如何脉宽调制的脉冲都是控制双向开关。这些结论很明显的证实了双向变流器是简单且结构成本低，因此它对于当代双向独置系统应用具有很大的吸引力，代替了一系列连接充电的结构。
就提出的双向充电的概念而言，在供选择的回路越来越多和实际的学习下已经通过软件单元的合作和有效的保护方案有了可扩展系统的参数。这个基础的控制回路已被很多人学习，它有效地改进了在3psc出现错误时保护电池组的措施，
如图4所示；它的工作周期是由脉宽调制开关所控制，用积分调整在电池组的实际电压与逆变器的直流实际电压中出现的错误。这个回路一引起电压超出以前设定的界限（存在盲区），就意味着电压差充分的小进而保持不变。在这些条件下充电或电值都只取者放决于电压差；因此如果这个条件保持充足的时间电流最终就会变成零（两个提及的电压将会相等），这个零电位电流将会在积分电路控制回路中重置。
图4 提出的双向充电和控制概念
图5 放电操作回路
图6 充电操作回路
图7 升压变换器
另外关于提出的系统的一些重要问题就是直流电压值的设定。根据前面的分析，光伏发电单元的标准电压应该与电池组几乎相等。这个意思就是，例如用400Vdc适用于光伏电路，那么构造电池组也因该用400V左右。尽管这样的电池组并不经常用于电路工具。如果这个设计不能被可供选择的方案所接受，如图7所示，它被用于较小标准电压的光伏发电单元和在开路模式下改良电池组变流器（固定周期），为了给逆变器提供充足的电能。如果这个逆变器与提高了频率的变压器串联，那么它就不需要额外变流
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