一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括n個DC-DC變換器模塊和一個MMC集中式逆變器，所述每一個DC-DC變換器模塊連接有獨立的控制回路和最大功率跟蹤控制功能，保證每一個DC-DC變換器相連的光伏電池組都工作在輸出功率最高點。本發(fā)明通過多個DC-DC變換器模塊輸出端串聯(lián)構(gòu)建直流母線，通過集中式的MMC逆變裝置實現(xiàn)大功率的并網(wǎng)發(fā)電功能。本發(fā)明中的直流母線可以有效的降低整個系統(tǒng)的運行損耗，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面提高運行效率。
【專利說明】一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)及其控制方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電研究領(lǐng)域，特別涉及一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)及其 控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 隨著光伏發(fā)電規(guī)模的日益增大，光伏產(chǎn)能不再局限于作為補充能源，而是朝著可 替代能源的方向邁進(jìn)，關(guān)于大規(guī)模光伏發(fā)電的研究也引起了廣泛的關(guān)注。
[0003] 現(xiàn)行光伏發(fā)電的概念、光伏電場的結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)發(fā)電裝置以及相應(yīng)的運行技術(shù)在應(yīng) 對逐漸增大規(guī)模的可再生新能源的消納方面越來越力不從心。目前主流的光伏電場的結(jié)構(gòu) 如圖1所示，太陽能板通過串、并聯(lián)的方式根據(jù)所需的輸出直流電壓和額定功率等級組成 的不同的光伏陣列（100kW-500kW)，多個陣列在輸出端通過匯流箱連接至光伏并網(wǎng)逆變器 的直流側(cè)，并網(wǎng)逆變器在輸入端通過最大功率跟蹤算法（Maximum Power Point Tracking, MPPT)使得光伏陣列輸出最大功率，在逆變器的輸出側(cè)通過同步控制將能量以電流源形式 向電網(wǎng)饋送能量，逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻率的電流源的形式將電能饋送至低壓交流電 網(wǎng)（220-380V)，再通過工頻變壓器逐級升壓至高壓（超高壓）交流電網(wǎng)。實現(xiàn)能源的長距 尚輸送。
[0004] 該集中式的光伏發(fā)電、輸電運行模式具有技術(shù)成熟、成本低廉等優(yōu)勢，然而隨著新 能源發(fā)電容量的不斷增加，輸電、配電技術(shù)的日益進(jìn)步，該方案存在低壓線路長、線路損耗 大等問題，并且隨著光伏發(fā)電規(guī)模的不斷增大，該問題會進(jìn)一步凸顯。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明從整個光伏發(fā)電場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度著眼，提出一種模塊化全直流光伏發(fā)電 系統(tǒng)及其控制方法，尤其適用于大規(guī)模光伏發(fā)電應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，包括光伏電池組、η個DC-DC變換器模塊，以及模塊 化級聯(lián)多電平逆變器，所述每一個光伏電池為一個光伏陣列，每一個光伏陣列與一個DC-DC 變換器模塊的輸入端相連，所述DC-DC變換器的輸出端依次串聯(lián)，所述多個DC-DC變換器輸 出端串聯(lián)構(gòu)建直流母線，所述模塊化級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)為直流母線，通過開關(guān)控制 將能量從直流形式逆變?yōu)榻涣餍问健?br>
[0008] 所述的η個DC-DC變換器模塊之間無信號線互聯(lián)，η個DC-DC變換器模塊與模塊 化級聯(lián)多電平逆變器之間無信號線互連。
[0009] 所以各個DC-DC變換器模塊的輸出端口電流值完全相同，其端口電壓值的比例關(guān) 系等于流過各個DC-DC變換器模塊的功率值的比值。
[0010] 所述的DC-DC變換器模塊的輸出電壓值取決于母線電壓值和端口電壓值的比例。
[0011] 所述的每一個DC-DC變換器連接有各自的控制回路，以控制光伏陣列的輸入，保 證DC-DC輸入端工作在光伏陣列當(dāng)前的最大功率點。
[0012] 一種基于所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)的控制方法，所述模塊化級聯(lián)多電平 逆變器對直流母線的給定信號Vref的平方求工頻周期平均，然后與直流母線的實際電壓 信號的平方的工頻周期平均值作差后反相經(jīng)PI調(diào)節(jié)后除以網(wǎng)側(cè)電壓的D軸前饋信號，最后 對齊限幅后作為網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號I dMf，以控制模塊化級聯(lián)多電平逆變器輸出有功功 率。
[0013] 所述網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號和模塊化級聯(lián)多電平逆變器無功功率的網(wǎng)側(cè)電流Q軸 給定信號分別于網(wǎng)側(cè)電流D軸和Q軸的反饋信號最差后經(jīng)PI調(diào)節(jié)生成模塊化級聯(lián)多電平 逆變器輸出電壓D軸和Q軸給定信號，最后經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并限幅后得到模塊化級聯(lián)多電平逆 變器三相控制信號。
[0014] 所述DC-DC變換器檢測到光伏陣列的輸出電壓和輸出電流后，經(jīng)DC-DC變換器自 身的MPPT計算單元調(diào)節(jié)后得到最大功率點處的電壓信號值，通過閉環(huán)控制，保證DC-DC輸 入端工作在光伏陣列當(dāng)前的最大功率點。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 1)整個光伏電廠通過多個DC-DC變換器模塊串聯(lián)構(gòu)建高壓小電流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，替代 了傳統(tǒng)的低壓大電流并聯(lián)連接方式，可以有效降低線路損耗，提高整體系統(tǒng)效率。
[0017] 2)每個DC-DC變換器裝置承受1/n的直流母線電壓（η為串聯(lián)DC-DC模塊數(shù)），所 以可以用低耐壓的器件實現(xiàn)高壓大功率輸出，通過高頻化的方法降低了 DC-DC裝置模塊的 成本，提高了功率密度；此外，該模塊化DC-DC變換器正常工作于單位電壓增益工作點，轉(zhuǎn) 換效率高。
[0018] 3)在系統(tǒng)擴(kuò)容、減容情況下，新的光伏陣列或者儲能裝置僅需一級DC-DC變換電 路，即可實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和能量管理。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，省去了逆變環(huán)節(jié)，有助于效率優(yōu)化；同 時直流母線接入方式無需追蹤電網(wǎng)電壓的相位，因此控制也得以簡化。
[0019] 4)整個系統(tǒng)無論是MMC部分還是DC-DC部分，均采用高度模塊化的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu) 便于系統(tǒng)擴(kuò)容，有利于縮短工程設(shè)計和加工周期，降低成本。模塊化的功率單元采用相同容 量的功率開關(guān)和無源器件，具有很強(qiáng)的可替代性，便于系統(tǒng)維護(hù)和冗余設(shè)計。
[0020] 5)該方案基于DC-DC變換器模塊對光伏陣列進(jìn)行最大功率跟蹤，具有很好的分布 式最大功率跟蹤效果，對于云彩遮擋、周圍障礙物陰影造成的光伏系統(tǒng)失配問題具有更好 的適應(yīng)性。 【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0021] 圖1為傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。多個光伏陣列通過匯流箱并接到光伏逆 變器的直流側(cè)，通過逆變器裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。多個逆變器交流輸出端通過 變壓器并入低壓交流母線，再通過大容量的變壓器升壓至中、高壓交流母線。
[0022] 圖2為本發(fā)明模塊化全直流光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為單個DC-DC變換器模塊的最大功率控制方法結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖4為MMC逆變裝置的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖5為MMC逆變裝置的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明實施的電路結(jié)構(gòu)圖。 【【具體實施方式】】
[0027] 本發(fā)明的模塊化全直流光伏發(fā)電系統(tǒng)包括η個太陽能光伏陣列，η個DC-DC變換 器模塊，η為大于1的自然數(shù)，其中每個DC-DC模塊的輸入端分別與一個光伏陣列連接，η個 DC-DC變換器輸出端通過串聯(lián)的方式搭建直流母線，直流母線再通過一個MMC并網(wǎng)逆變器 裝置實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
[0028] 所述的η個DC-DC變換器模塊之間無控制信號互連線，所述的η個DC-DC變換器 模塊和MMC逆變器之間也無信號互連線。
[0029] 請參閱圖3所示，本發(fā)明中單個DC-DC變換器模塊連接有各自的控制回路，該控制 回路包括有最大功率跟蹤單元。DC-DC變換器模塊的輸入端（即與光伏陣列連接端）實時 檢測光伏陣列的輸出電壓Vpv和輸出電流Ιρν，經(jīng)過DC-DC變換器模塊自身的ΜΡΡΤ計算單 元調(diào)節(jié)后得到最大功率點處的電壓信號指令值V Mf，以該電壓信號指令值VMf調(diào)整光伏板的 工作電壓，保證DC-DC變換器模塊輸入端工作在光伏陣列當(dāng)前的最大功率點處。
[0030] 每個光伏陣列的輸出側(cè)匯流箱級聯(lián)一個DC-DC變換器模塊用于實現(xiàn)光伏陣列的 最大功率跟蹤。DC-DC變換器的輸出側(cè)通過串聯(lián)的級聯(lián)方式搭建中、高壓直流母線，考慮到 絕緣和耐壓，通過中點接地的方式構(gòu)造正負(fù)對稱的直流母線結(jié)構(gòu)。最終通過一個集中式的 MMC逆變器裝置將直流能量饋送至中、高壓交流母線。
[0031] 請參閱圖4所示，本發(fā)明中MMC逆變器對直流母線電壓的給定信號Vref的平方求 工頻周期平均，然后與直流母線的實際電壓信號V d。的平方的工頻周期平均值作差，得到誤 差信號，該誤差信號反相經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后除以網(wǎng)側(cè)電壓的D軸前饋信號，并對其限幅作為網(wǎng) 偵_流D軸給定信號I dMf，以控制MMC輸出有功功率；所述網(wǎng)側(cè)電壓的D軸前饋信號指對網(wǎng) 側(cè)三相交流電壓信號Vgab。經(jīng)過abc/dq變換為V gd后提取的D軸信號，該D軸信號即MMC逆 變器的電壓外環(huán)生成的網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號IdMf。
[0032] 請參閱圖5所示，所述MMC逆變器的電壓外環(huán)生成的網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號IdMf 與網(wǎng)側(cè)電流D軸反饋信號做差然后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，生成MMC輸出電壓D軸給定信號VdMf， 同時控制MMC無功功率的網(wǎng)側(cè)電流Q軸給定信號I_ f與網(wǎng)側(cè)電流Q軸反饋信號做差然后經(jīng) PI調(diào)節(jié)器后生成MMC輸出電壓Q軸給定信號V_f，生成的MMC輸出電壓D軸給定信號VdMf 與MMC輸出電壓Q軸給定信號-起經(jīng)dq/abc坐標(biāo)變換后，通過限幅器分別生成MMC三 相控制信號，以控制網(wǎng)側(cè)三相交流電。
[0033] 本發(fā)明中將三相控制信號作為下橋臂統(tǒng)一調(diào)制信號，其反相信號作為上橋臂統(tǒng)一 調(diào)制信號。
[0034] 所述MMC包括有三支串聯(lián)電路，每一支串聯(lián)電路由多個子模塊連接而成，三一支 串聯(lián)電路分別與交流電的三相相連。本發(fā)明將所述子模塊電容電壓統(tǒng)一給定值與各個子 模塊反饋值作差，經(jīng)比例調(diào)節(jié)器后，與相應(yīng)的子模塊所屬橋臂流過電流信號的符號函數(shù)相 乘，作為該子模塊電容電壓均衡調(diào)制信號；本發(fā)明中每相上下橋臂各有N個子模塊，將三角 載波信號上下橋臂依次交錯移相2 π /2N作為該相子模塊的載波信號；將某子模塊所屬橋 臂的統(tǒng)一調(diào)制信號與該子模塊電容電壓均衡調(diào)制信號相加后，與該子模塊載波信號進(jìn)行調(diào) 制，生成該子模塊的驅(qū)動信號。
[0035] 本發(fā)明所述的DC-DC變換器模塊的工作原理：
[0036] DC-DC變換器模塊的輸入端（即與光伏陣列連接端）實時檢測光伏陣列的輸出電 壓Vpv和輸出電流Ipv，經(jīng)過DC-DC變換器模塊自身的MPPT計算單元調(diào)節(jié)后得到最大功率 點處的電壓信號值，通過閉環(huán)控制，保證DC-DC變換器模塊輸入端工作在光伏陣列當(dāng)前的 最大功率點處。
[0037] DC-DC變換器模塊的輸出端電壓值根據(jù)直流母線電壓在每個DC-DC變換器模塊的 端口分壓決定。因為DC-DC變換器模塊輸出端為串聯(lián)連接，所以多個DC-DC模塊輸出端的 電流完全相同。所有DC-DC變換器模塊輸出端口的電壓值的總和為直流母線電壓值，多個 DC-DC變換器模塊輸出電壓值之間的比值等于與其各自所連接的光伏陣列的最大功率值之 比。
[0038] MMC逆變器單元的工作原理
[0039] 直流母線電壓由MMC逆變器的電壓閉環(huán)控制，MMC逆變器的控制分為直流母線的 電壓閉環(huán)控制和輸出并網(wǎng)電流的電流閉環(huán)控制兩部分。直流母線電壓指令信號Vref與實 時檢測的直流母線電壓反饋信號Vbus進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)后，對電壓調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅控 制，實現(xiàn)對逆變器裝置輸出功率的控制。
【權(quán)利要求】
1. 一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，其特征在于：包括光伏電池組、η個DC-DC變換器模 塊，以及模塊化級聯(lián)多電平逆變器，所述每一個光伏電池為一個光伏陣列，每一個光伏陣列 與一個DC-DC變換器模塊的輸入端相連，所述DC-DC變換器的輸出端依次串聯(lián)，所述多個 DC-DC變換器輸出端串聯(lián)構(gòu)建直流母線，所述模塊化級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)為直流母線， 通過開關(guān)控制將能量從直流形式逆變?yōu)榻涣餍问健?br>
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，其特征在于：所述的η個DC-DC 變換器模塊之間無信號線互聯(lián)，η個DC-DC變換器模塊與模塊化級聯(lián)多電平逆變器之間無 信號線互連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，其特征在于：所以各個DC-DC 變換器模塊的輸出端口電流值完全相同，其端口電壓值的比例關(guān)系等于流過各個DC-DC變 換器模塊的功率值的比值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，其特征在于：所述的DC-DC變 換器模塊的輸出電壓值取決于母線電壓值和端口電壓值的比例。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)，其特征在于：所述的每一個 DC-DC變換器連接有各自的控制回路，以控制光伏陣列的輸入，保證DC-DC輸入端工作在光 伏陣列當(dāng)前的最大功率點。
6. -種基于權(quán)利要求1所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)的控制方法，其特征在于： 所述模塊化級聯(lián)多電平逆變器對直流母線的給定信號Vref的平方求工頻周期平均，然后 與直流母線的實際電壓信號的平方的工頻周期平均值作差后反相經(jīng)PI調(diào)節(jié)后除以網(wǎng)側(cè)電 壓的D軸前饋信號，最后對齊限幅后作為網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號I dMf，以控制模塊化級聯(lián)多 電平逆變器輸出有功功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述 網(wǎng)側(cè)電流D軸給定信號和模塊化級聯(lián)多電平逆變器無功功率的網(wǎng)側(cè)電流Q軸給定信號分別 于網(wǎng)側(cè)電流D軸和Q軸的反饋信號最差后經(jīng)PI調(diào)節(jié)生成模塊化級聯(lián)多電平逆變器輸出電 壓D軸和Q軸給定信號，最后經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并限幅后得到模塊化級聯(lián)多電平逆變器三相控制 信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種模塊化全直流光伏系統(tǒng)的控制方法，其特征在于： 所述DC-DC變換器檢測到光伏陣列的輸出電壓和輸出電流后，經(jīng)DC-DC變換器自身的MPPT 計算單元調(diào)節(jié)后得到最大功率點處的電壓信號值，通過閉環(huán)控制，保證DC-DC輸入端工作 在光伏陣列當(dāng)前的最大功率點。
【文檔編號】H02J3/38GK104113082SQ201410341498
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】王豐, 卓放, 易皓, 劉偉增 申請人:西安交通大學(xué)