集散式光伏并网发电系统的协同控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种共直流母线的集散式光伏并网发电系统的控制装置及其控制方法，特别涉及一台集中型并网逆变器与多台具有最大功率跟踪功能的汇流箱之间协同运行的任务调度控制装置和控制方法。

背景技术：

与常规集中式光伏并网发电系统相比，现有的由一台集中型并网逆变器102和多台具备最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能的汇流箱101组成的集散式光伏并网发电系统，具有更高的系统发电效率、更好的系统经济性，逐渐受到业界重视。如图1所示，在该集散式光伏并网发电系统中，多台具有最大功率跟踪功能的汇流箱101的直流输出端与一台集中型并网逆变器102的直流输入端连接，组成集散式光伏并网发电系统公共直流母线103，实现远距离直流能量的传输。集中型并网逆变器102的控制目标是稳定公共直流母线103电压，多台具有最大功率跟踪功能的汇流箱101负责按光照条件进行MPPT，并将功率传送至公共直流母线103，集中型并网逆变器102为稳定公共直流母线103电压，将自动完成电能向公共电网106的输送。

但由于设备间物理距离104的限制，导致汇流箱与逆变器之间的协同控制成为集散式光伏并网发电系统性能提升的关键，依靠传统的远程通信线路105无法保证数据传输的快速性。目前集散式光伏并网发电系统产品和文献大多采用基于远程通信的协同控制方式，其单次信息传递周期均在百毫秒级以上，难以达到控制闭环所需的响应速度，不能实现理想的系统控制策略。尤其在公共电力系统向集散式光伏并网发电系统下达限制有功输出功率调度指令后，难以达到传统集中型并网发电系统快速、准确的响应效果。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术控制信息传达缓慢，难以实现闭环式协同控制的缺点，提出一种集散式光伏并网发电系统的协同控制方法。

本发明集散式光伏并网发电系统的协同控制装置为单台集中型并网逆变器与多台MPPT汇流箱共直流母线组成的集散式光伏并网发电系统，采用直流母线电压作为任务调度系统的信息传递链路。

本发明在集中型并网逆变器中加入的电压编码模块，所述的电压编码模块位于单台集中型并网逆变器侧的公共直流母线上，一端连接直流母线，另一端分别连接多台MPPT汇流箱。电压编码模块根据输入的集中型并网逆变器的当前指令状态，向单台集中型并网逆变器CPU输出调节该逆变器侧的公共直流母线电压给定值，控制公共直流母线电压变化，并将调节公共直流母线电压给定值的指令以电压的形式传达至每一台MPPT汇流箱。

本发明在每一台MPPT汇流箱中加入电压译码模块。所述的电压译码模块位于汇流箱侧的直流母线上。多个电压译码模块对应连接一个电压编码模块，根据MPPT汇流箱直流母线电压识别出集中型并网逆变器所下发调度指令，以此调度指令作为MPPT汇流箱的输入，输出控制指令使MPPT汇流箱根据此调度指令运行，包括汇流箱启停机、限功率、低电压穿越、休眠等。因而本发明能够通过集中型并网逆变器对直流母线电压进行编码控制，协同控制多台具有最大功率跟踪(MPPT)功能的汇流箱的实时信息下达和任务调度。

公共直流母线电压的信息传递具有快速性、实时性及连续性，同时，基于大功率能量流动所构建的信息传递系统相较串行通信等方式具有高度的抗扰性，不需考虑电磁兼容等因素。此外由于无需架设专用互联线，降低了设备成本。

应用本发明的集散式光伏并网发电系统中，多台MPPT汇流箱同时根据各自连接的光伏组件环境进行MPPT跟踪，向公共直流母线提供光伏组件的最大功率，同时根据电压译码模块的指令进行动作。集中型并网逆变器将公共直流母线中的能量逆变输送到电网，控制直流母线电压稳定在电压编码模块输出的给定值上。电压编码模块根据逆变器所需下发调度信息，给出公共直流母线电压给定值。电压译码模块根据公共直流母线电压值，向MPPT汇流箱给出所下发的调度指令。

本发明对集中型并网逆变器的控制对象为直流母线电压，对MPPT汇流箱的控制对象为光伏输出功率，两者之间通过电压编码模块和电压译码模块实现协同控制，使集中型并网逆变器能够间接地控制MPPT汇流箱所连接的光伏组件的输出功率。

本发明在集散式光伏并网发电系统加入电压编码模块和电压译码模块，将MPPT汇流箱纳入集中型并网逆变器的控制对象中，采用公共直流母线作为集中型并网逆变器向汇流箱传递任务调度信息的链路，通过简单的编解码的方式控制公共直流母线电压值的变化，使汇流箱通过对公共直流母线电压的识别，执行相应的调度任务。调度任务包括汇流箱的启停机等逻辑指令和输出功率限幅等线性连续变化指令。

本发明控制方法步骤如下：

1、确定控制目标

首先，确定对集散式光伏并网发电系统的控制目标为集散式光伏并网发电系统总输出功率。为此，集中型并网逆变器的控制目标是公共直流母线电压；电压编码模块的控制目标是公共直流母线电压给定值；电压译码模块的控制目标是根据公共直流母线电压值，给出MPPT汇流箱所需指令；MPPT汇流箱的控制目标是进行光伏组件最大功率跟踪，并执行“限功率”、“启动”、“停机”、“低电压穿越”、“系统休眠”等指令。

2、划分公共直流母线电压的编码区域

其次，将公共直流母线电压划分为线性编码区和非线性编码区。线性编码区和非线性编码区均处于集散式光伏并网发电系统安全运行范围内。所述的线性编码区位于公共直流母线电压额定值的±5％范围内，为该集散式光伏并网发电系统正常运行的电压区域；所述的非线性编码区为额定电压的90％-95％范围和105％-110％范围内，为设备短时运行的允许电压区域。线性编码区用于传递光伏输出功率限幅指令，该指令为一个连续变化的数字量，通过控制公共直流母线电压的连续变化来传递。非线性编码区用于传递“启动”、“停机”、“低电压穿越”、“系统休眠”等逻辑动作，指令传递形式为短时间阶跃式变化的公共直流母线电压。

3、设计编码规则

为统一集中型逆变器下达信息时操作公共直流母线电压的动作，以及MPPT汇流箱识别公共直流母线电压后所执行的动作，需要设计编码规则。该编码规则分别由电压编码模块和电压译码模块实现，电压编码模块通过控制直流母线电压编码，电压译码模块根据公共直流母线电压的情况发出汇流箱动作指令，即实现译码。表1所示为所设计的集散式系统公共直流母线电压控制编码表，规定了对各指令及公共直流母线电压动作方式。

表1集散式系统公共直流母线电压控制编码表

4、控制集中型并网逆变器

在集散式光伏并网发电系统运行过程中，集中型并网逆变器将接收的电力系统经后台监控下达的“限制有功功率输出”、“远程启/停机”等指令，以及集中型并网逆变器本地软硬件自检故障、逆变器总输出功率等信息，汇总至集中型并网逆变器中的电压编码模块，由电压编码模块输出直流母线电压给定值，再经常规的直流电压、交流电流双闭环控制，实现并网输出。

当集散式光伏并网发电系统正常运行时，电压编码模块输出的直流母线电压给定值处于线性编码区，所下达信息为线性变化的控制信息，如输出功率限幅。此时电压编码模块可识别集中型并网逆变器向电网输送的功率，从而判断输出功率是否过高，若输出功率过高，则控制公共直流母线电压降低，MPPT汇流箱通过电压译码模块识别公共直流母线电压降低后，相应下调输出功率。

本发明将MPPT汇流箱作为执行机构纳入到集中型并网逆变器自身的控制系统中，在传统集散式并网发电系统的集中型并网逆变器控制环路中加入电压编码模块，电压编码模块采用带有抗饱和功能的比例-积分(PI)调节器，反馈量为系统输出功率，输出量为直流母线电压给定值。电压编码模块的加入使集中型并网逆变器直接控制集散式光伏并网发电系统的输出功率，达到完整的闭环控制效果。这种线性连续闭环控制的方法可避免多台汇流箱个体差异、光伏组件个体差异、设备识别差异等误差，并提高控制信息的下达速度，从而快速、准确地控制集散式光伏并网发电系统输出功率。

当电压编码模块识别整个集散式光伏并网发电系统出现故障、低电压穿越、启停机等逻辑状态时，控制公共直流母线电压进入非线性编码区，通过对直流母线电压的阶跃式控制使MPPT汇流箱执行相应指令：控制公共直流母线电压高于107％pu或低于93％pu，MPPT汇流箱立即停机；控制公共直流母线电压在106％-108％pu范围内连续两次上升，则MPPT汇流箱进入低电压穿越状态，立即停止功率输出，待公共直流母线电压恢复后快速恢复至之前的输出功率；集中型并网逆变器控制公共直流母线电压在92％-94％pu范围内连续两次下降，MPPT汇流箱进入休眠状态，经过一段延时后若集散式光伏并网发电系统仍不启动则停机。此外，当集中型并网逆变器控制公共直流母线电压进入95％-105％pu的线性编码区后，MPPT汇流箱首先执行启动命令，再执行相应的输出功率调节动作。这种逻辑指令的下达方式，优点是保证了快速性，避免了大功率电力电子系统中的通信干扰问题，使控制指令的通信可靠性提升了一个等级。

因而，本发明所述的电压编码模块，包含了集散式光伏并网发电系统输出功率线性闭环控制和非线性逻辑控制的功能，对应集散式光伏并网发电系统公共直流母线电压运行于线性编码区与非线性编码区，即电压编码模块根据输入的各种上位监控系统指令和逆变器本机状态，输出对应情况下的逆变器总输出功率指令，分别进行线性或非线性闭环控制。

5、制订MPPT汇流箱具体控制方法

在集散式光伏并网发电系统运行过程中，首先由MPPT汇流箱中的电压译码模块识别公共直流母线电压，从而给出启/停机和功率调度等指令，由MPPT模块在进行最大功率跟踪的同时相应执行，再经传统MPPT汇流箱常用的PV电压闭环控制，实现汇流箱的整体运行。

上述集散式光伏并网发电系统总输出功率线性连续闭环控制的方法可避免多台汇流箱个体差异、光伏组件个体差异、设备识别差异等误差，并提高控制信息的下达速度，从而快速、准确地控制集散式光伏并网发电系统输出功率。同时，上述逻辑指令的下达方式，优点是保证了快速性，避免了大功率电力电子系统中的通信干扰问题，使控制指令的通信可靠性提升了一个等级。

应用本发明的集散式光伏并网发电系统运行过程如下：

1、启动集中型并网逆变器

在集中型并网逆变器和MPPT汇流箱均停机的状态下，多台MPPT汇流箱所连接的光伏组件的输出电压不经升压直接并联传输至公共直流母线，由集中型并网逆变器识别该电压大于集散式光伏并网发电系统启动电压后，判定此时光照条件可进行逆变输出，此时启动集中型并网逆变器，由电压编码模块在线性编码区输出直流母线电压给定值，再由公共电网取能，将公共直流母线电压控制于该电压给定值。

2、启动MPPT汇流箱

MPPT汇流箱中的电压译码模块检测公共直流母线电压在95％-105％pu范围内，延时自检后使能MPPT模块进行跟踪，将光伏组件功率进行升压，并输送至公共直流母线。此时为稳定直流母线电压，集中型并网逆变器由控制环路调节后自动向公共电网逆变，转入逆变状态。

3、有功调度运行

集中型并网逆变器中的电压编码模块检测到MPPT汇流箱有输出功率，已开始正常工作后，根据电力系统调度指令在95％-105％pu范围内调节公共直流母线电压，使集散式光伏并网发电系统输出功率不大于电力系统所下达限值。MPPT汇流箱中的电压译码模块自动识别公共直流母线电压，限制MPPT汇流箱的MPPT模块的光伏输出功率。

4、逆变器故障

若集中型并网逆变器检测到发生故障，则电压编码模块将公共直流母线电压调节至93％pu以下，直到MPPT汇流箱全部停机，逆变器不再有输出功率；若集中型并网逆变器失控，则公共直流母线电压会被MPPT汇流箱的能量充高，MPPT汇流箱中的电压译码模块检测电压高于107％pu后自动停机；若集中型并网逆变器短路，则公共直流母线电压会被直接拉低至93％pu以下，MPPT汇流箱中的电压译码模块检测后自动使MPPT汇流箱的MPPT模块停机，不使故障扩大。

5、汇流箱故障

集中型并网逆变器的指令下达为广播方式，若个别MPPT汇流箱故障，则其他MPPT汇流箱正常工作，且在光照充足的情况下其他MPPT汇流箱将分担故障汇流箱的输出功率，使集散式光伏并网发电系统总输出功率仍达到电力系统限值。

6、低电压穿越

若集中型并网逆变器检测到低电压穿越，则电压编码模块在106％-108％pu范围内连续两次上调公共直流母线电压，MPPT汇流箱中的电压译码模块检测到该指令后自动使MPPT模块休眠，待公共直流母线电压小于105％后快速恢复输出功率。

7、逆变器休眠

若集中型并网逆变器检测到集散式光伏并网发电系统输出功率过低，则电压编码模块将公共直流母线在92％-94％范围内连续两次降低，MPPT汇流箱中的电压译码模块检测到后使MPPT模块进入休眠状态，停止功率输出，延时一段时间后若公共直流母线电压恢复至线性编码区则启动输出，反之延时后停机。

8、系统停机

若集中型并网逆变器收到远程停机指令，则电压编码模块将公共直流母线电压下调至93％pu以下，MPPT汇流箱中的电压译码模块识别后自动使MPPT汇流箱的MPPT模块停止工作。

本发明所提出的技术方案可推广应用于其他具有公共直流母线系统的调度、控制信息传递，其线性编码区所传递信息可设为其他连续变化的调度指令，非线性编码区所传递信息可设为其他逻辑控制信息。

附图说明

图1是集散式光伏并网发电系统拓扑图；

图2是多任务调度协议编码分区示意图；

图3是逆变器运行控制框图；

图4是逆变器与汇流箱在线性编码区运行时的整体闭环控制框图；

图5是汇流箱控制框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明实施例为1MW集散式光伏并网发电系统，系统总容量1MW，由1台额定功率为1MW的集中型并网逆变器102和20台额定功率为50kW的MPPT汇流箱101组成，公共直流母线103额定电压为850V，所匹配光伏组件开路电压约为750V。

如图3所示，电压编码模块108连接在集中型并网逆变器102和MPPT汇流箱101之间，位于集中型逆变器侧的公共直流母线上，一端连接直流母线，另一端分别连接多台MPPT汇流箱。

如图5所示，电压编码模块根据输入的集中型并网逆变器102当前指令状态，向逆变器CPU输出调节逆变器的公共直流母线电压给定值，控制公共直流母线电压变化，将指令以电压的形式传达至每一台MPPT汇流箱电压译码模块115位于MPPT汇流箱侧的直流母线上，多个电压译码模块对应连接一个电压编码模块，根据汇流箱直流母线电压识别出集中型并网逆变器所下发的调度指令，MPPT汇流箱根据此调度指令运行，包括汇流箱启停机、限功率、低电压穿越、休眠等。

以下以实施例说明本发明控制方法：

1、确定控制目标

在此实施例中，确定对集散式光伏并网发电系统的控制目标为集散式光伏并网发电系统总输出功率，集中型并网逆变器的控制目标是公共直流母线电压；电压编码模块的控制目标是公共直流母线电压给定值；MPPT汇流箱的控制目标是进行光伏组件最大功率跟踪，并执行“限功率”、“启动”、“停机”、“低电压穿越”、“系统休眠”等指令；电压译码模块的控制目标是根据公共直流母线电压值，给出MPPT汇流箱所需指令。

2、划分编码区域

根据前述编码区域划分方法，将807.5-892.5V设为线性编码区106，用于传递0-100％输出有功功率限值；将765-807.5V和892.5-935V设为非线性编码区107，用于传递逻辑指令。

3、设计编码规则

表2所示为1MW集散式光伏并网发电系统公共直流母线103电压控制编码表。

表2 1MW集散式光伏并网发电系统公共直流母线电压控制编码表

表2对各指令及公共直流母线电压动作方式作出了规定。由电压编码模块108根据该编码规则对公共直流母线电压进行调度，由电压译码模块115识别公共直流母线电压，从而将调度信息传达至MPPT汇流箱101内部控制环路。

4、制订集中型并网逆变器控制方法

图3所示为集中型逆变器102控制框图。集中型逆变器102在常规的直流电压、交流电流双闭环控制环路之外，加入电压编码模块108，实现输出功率闭环和逻辑指令下达等功能。

5、制订MPPT汇流箱的具体控制方法

图5所示为MPPT汇流箱101控制框图，MPPT汇流箱在常规的MPPT模块114和光伏组件电压环113之外，加入电压译码模块115用于识别公共直流母线电压所编码下达的调度指令。

1MW集散式光伏并网发电系统实施例具体运行过程如下：

1、启动逆变器

在集散式光伏并网发电系统停机状态下，集中型并网逆变器102中的电压编码模块108检测公共直流母线103电压高于300V并稳定5分钟后，启动逆变器并将公共直流母线103电压控制于850V。

2、启动汇流箱

MPPT汇流箱101中的电压译码模块115检测公共直流母线103电压在线性编码区106范围内，延时3min自检故障后启动MPPT汇流箱升压，并进行MPPT跟踪。由于此时公共直流母线103电压为850V，MPPT汇流箱101最大输出功率为25kW。

3、有功调度运行

电压编码模块108检测集散式光伏并网发电系统总输出功率大于10kW后，投入输出功率闭环控制，根据电力系统调度指令在线性编码区106内调节公共直流母线电压。20台MPPT汇流箱101中的电压译码模块115自动识别公共直流母线103电压，在0-50kW范围内分别调节输出功率。

4、逆变器故障

若电压编码模块108检测到逆变器102发生故障，则将公共直流母线103电压调节至790.5V以下，直到检测集散式光伏并网发电系统总输出功率小于0再行停机；若逆变器102失控，则汇流箱101中的电压译码模块115检测到公共直流母线103电压高于909.5V或低于790.5V后，自动使汇流箱101停机。

5、汇流箱101故障

举例说明，若电力系统下达总输出功率限值为400kW指令至逆变器102，各MPPT汇流箱101所连接光伏组件当前最大功率为40kW。则经集散式光伏并网发电系统自动调节后，公共直流母线103电压约为841.5V，各MPPT汇流箱101所发功率约为20kW。当单台MPPT汇流箱101发生故障后自动停止运行，经集散式光伏并网发电系统自动调节后，公共直流母线103电压约为843.3V，其余19台MPPT汇流箱101所发功率约为21.05kW。

6、低电压穿越

若1MW并网逆变器102中的电压编码模块108检测到电网发生低电压穿越，则立即将公共直流母线103电压控制到901V，20ms后控制到918V，汇流箱101中的电压译码模块115检测到该指令后自动使汇流箱101休眠，待公共直流母线103电压小于892V后快速恢复输出功率。

7、逆变器休眠

若电压编码模块108检测到集散式光伏并网发电系统输出功率低于3kW，则将公共直流母线103电压调至799V，20ms后调节至782V。电压译码模块115检测到该信息后使汇流箱101进入休眠状态，停止功率输出，若10min内逆变器102将公共直流母线103电压调节至线性编码区106则快速启动，反之延时后停机。电压编码模块115待检测总输出功率小于0后再使逆变器102停机。

8、系统停机

若集中型并网逆变器102收到集散式光伏并网发电系统停机指令，则电压编码模块108将公共直流母线103电压下调至790.5以下，电压译码模块115识别后自动使汇流箱101停机。电压编码模块115待检测总输出功率小于0后再使逆变器102停机。

本发明在1MW集散式光伏并网发电系统中可以解决功率调度不及时、系统运行不可靠的问题。