一种模块化全直流光伏系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化全直流光伏系统及其控制方法，该系统包括n个DC-DC变换器模块和一个MMC集中式逆变器，所述每一个DC-DC变换器模块连接有独立的控制回路和最大功率跟踪控制功能，保证每一个DC-DC变换器相连的光伏电池组都工作在输出功率最高点。本发明通过多个DC-DC变换器模块输出端串联构建直流母线，通过集中式的MMC逆变装置实现大功率的并网发电功能。本发明中的直流母线可以有效的降低整个系统的运行损耗，从系统结构层面提高运行效率。
【专利说明】一种模块化全直流光伏系统及其控制方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明属于太阳能光伏发电研究领域，特别涉及一种模块化全直流光伏系统及其 控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 随着光伏发电规模的日益增大，光伏产能不再局限于作为补充能源，而是朝着可 替代能源的方向迈进，关于大规模光伏发电的研究也引起了广泛的关注。
[0003] 现行光伏发电的概念、光伏电场的结构、并网发电装置以及相应的运行技术在应 对逐渐增大规模的可再生新能源的消纳方面越来越力不从心。目前主流的光伏电场的结构 如图1所示，太阳能板通过串、并联的方式根据所需的输出直流电压和额定功率等级组成 的不同的光伏阵列（100kW-500kW)，多个阵列在输出端通过汇流箱连接至光伏并网逆变器 的直流侧，并网逆变器在输入端通过最大功率跟踪算法（Maximum Power Point Tracking, MPPT)使得光伏阵列输出最大功率，在逆变器的输出侧通过同步控制将能量以电流源形式 向电网馈送能量，逆变器输出与电网电压同频率的电流源的形式将电能馈送至低压交流电 网（220-380V)，再通过工频变压器逐级升压至高压（超高压）交流电网。实现能源的长距 尚输送。
[0004] 该集中式的光伏发电、输电运行模式具有技术成熟、成本低廉等优势，然而随着新 能源发电容量的不断增加，输电、配电技术的日益进步，该方案存在低压线路长、线路损耗 大等问题，并且随着光伏发电规模的不断增大，该问题会进一步凸显。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明从整个光伏发电场系统结构的角度着眼，提出一种模块化全直流光伏发电 系统及其控制方法，尤其适用于大规模光伏发电应用。
[0006] 本发明采用以下技术方案：
[0007] -种模块化全直流光伏系统，包括光伏电池组、η个DC-DC变换器模块，以及模块 化级联多电平逆变器，所述每一个光伏电池为一个光伏阵列，每一个光伏阵列与一个DC-DC 变换器模块的输入端相连，所述DC-DC变换器的输出端依次串联，所述多个DC-DC变换器输 出端串联构建直流母线，所述模块化级联多电平逆变器直流侧为直流母线，通过开关控制 将能量从直流形式逆变为交流形式。
[0008] 所述的η个DC-DC变换器模块之间无信号线互联，η个DC-DC变换器模块与模块 化级联多电平逆变器之间无信号线互连。
[0009] 所以各个DC-DC变换器模块的输出端口电流值完全相同，其端口电压值的比例关 系等于流过各个DC-DC变换器模块的功率值的比值。
[0010] 所述的DC-DC变换器模块的输出电压值取决于母线电压值和端口电压值的比例。
[0011] 所述的每一个DC-DC变换器连接有各自的控制回路，以控制光伏阵列的输入，保 证DC-DC输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点。
[0012] 一种基于所述的一种模块化全直流光伏系统的控制方法，所述模块化级联多电平 逆变器对直流母线的给定信号Vref的平方求工频周期平均，然后与直流母线的实际电压 信号的平方的工频周期平均值作差后反相经PI调节后除以网侧电压的D轴前馈信号，最后 对齐限幅后作为网侧电流D轴给定信号I dMf，以控制模块化级联多电平逆变器输出有功功 率。
[0013] 所述网侧电流D轴给定信号和模块化级联多电平逆变器无功功率的网侧电流Q轴 给定信号分别于网侧电流D轴和Q轴的反馈信号最差后经PI调节生成模块化级联多电平 逆变器输出电压D轴和Q轴给定信号，最后经坐标转换并限幅后得到模块化级联多电平逆 变器三相控制信号。
[0014] 所述DC-DC变换器检测到光伏阵列的输出电压和输出电流后，经DC-DC变换器自 身的MPPT计算单元调节后得到最大功率点处的电压信号值，通过闭环控制，保证DC-DC输 入端工作在光伏阵列当前的最大功率点。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0016] 1)整个光伏电厂通过多个DC-DC变换器模块串联构建高压小电流系统结构，替代 了传统的低压大电流并联连接方式，可以有效降低线路损耗，提高整体系统效率。
[0017] 2)每个DC-DC变换器装置承受1/n的直流母线电压（η为串联DC-DC模块数），所 以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，通过高频化的方法降低了 DC-DC装置模块的 成本，提高了功率密度；此外，该模块化DC-DC变换器正常工作于单位电压增益工作点，转 换效率高。
[0018] 3)在系统扩容、减容情况下，新的光伏阵列或者储能装置仅需一级DC-DC变换电 路，即可实现并网发电和能量管理。与传统结构相比，省去了逆变环节，有助于效率优化；同 时直流母线接入方式无需追踪电网电压的相位，因此控制也得以简化。
[0019] 4)整个系统无论是MMC部分还是DC-DC部分，均采用高度模块化的结构。该结构 便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期，降低成本。模块化的功率单元采用相同容 量的功率开关和无源器件，具有很强的可替代性，便于系统维护和冗余设计。
[0020] 5)该方案基于DC-DC变换器模块对光伏阵列进行最大功率跟踪，具有很好的分布 式最大功率跟踪效果，对于云彩遮挡、周围障碍物阴影造成的光伏系统失配问题具有更好 的适应性。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0021] 图1为传统光伏发电系统的结构示意图。多个光伏阵列通过汇流箱并接到光伏逆 变器的直流侧，通过逆变器装置将直流电能转换为交流电能。多个逆变器交流输出端通过 变压器并入低压交流母线，再通过大容量的变压器升压至中、高压交流母线。
[0022] 图2为本发明模块化全直流光伏系统的结构示意图。
[0023] 图3为单个DC-DC变换器模块的最大功率控制方法结构图。
[0024] 图4为MMC逆变装置的电压外环控制结构图。
[0025] 图5为MMC逆变装置的电流内环控制结构图。
[0026] 图6为本发明实施的电路结构图。 【【具体实施方式】】
[0027] 本发明的模块化全直流光伏发电系统包括η个太阳能光伏阵列，η个DC-DC变换 器模块，η为大于1的自然数，其中每个DC-DC模块的输入端分别与一个光伏阵列连接，η个 DC-DC变换器输出端通过串联的方式搭建直流母线，直流母线再通过一个MMC并网逆变器 装置实现并网发电。
[0028] 所述的η个DC-DC变换器模块之间无控制信号互连线，所述的η个DC-DC变换器 模块和MMC逆变器之间也无信号互连线。
[0029] 请参阅图3所示，本发明中单个DC-DC变换器模块连接有各自的控制回路，该控制 回路包括有最大功率跟踪单元。DC-DC变换器模块的输入端（即与光伏阵列连接端）实时 检测光伏阵列的输出电压Vpv和输出电流Ιρν，经过DC-DC变换器模块自身的ΜΡΡΤ计算单 元调节后得到最大功率点处的电压信号指令值V Mf，以该电压信号指令值VMf调整光伏板的 工作电压，保证DC-DC变换器模块输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点处。
[0030] 每个光伏阵列的输出侧汇流箱级联一个DC-DC变换器模块用于实现光伏阵列的 最大功率跟踪。DC-DC变换器的输出侧通过串联的级联方式搭建中、高压直流母线，考虑到 绝缘和耐压，通过中点接地的方式构造正负对称的直流母线结构。最终通过一个集中式的 MMC逆变器装置将直流能量馈送至中、高压交流母线。
[0031] 请参阅图4所示，本发明中MMC逆变器对直流母线电压的给定信号Vref的平方求 工频周期平均，然后与直流母线的实际电压信号V d。的平方的工频周期平均值作差，得到误 差信号，该误差信号反相经PI调节器后除以网侧电压的D轴前馈信号，并对其限幅作为网 侦_流D轴给定信号I dMf，以控制MMC输出有功功率；所述网侧电压的D轴前馈信号指对网 侧三相交流电压信号Vgab。经过abc/dq变换为V gd后提取的D轴信号，该D轴信号即MMC逆 变器的电压外环生成的网侧电流D轴给定信号IdMf。
[0032] 请参阅图5所示，所述MMC逆变器的电压外环生成的网侧电流D轴给定信号IdMf 与网侧电流D轴反馈信号做差然后经PI调节器后，生成MMC输出电压D轴给定信号VdMf， 同时控制MMC无功功率的网侧电流Q轴给定信号I_ f与网侧电流Q轴反馈信号做差然后经 PI调节器后生成MMC输出电压Q轴给定信号V_f，生成的MMC输出电压D轴给定信号VdMf 与MMC输出电压Q轴给定信号-起经dq/abc坐标变换后，通过限幅器分别生成MMC三 相控制信号，以控制网侧三相交流电。
[0033] 本发明中将三相控制信号作为下桥臂统一调制信号，其反相信号作为上桥臂统一 调制信号。
[0034] 所述MMC包括有三支串联电路，每一支串联电路由多个子模块连接而成，三一支 串联电路分别与交流电的三相相连。本发明将所述子模块电容电压统一给定值与各个子 模块反馈值作差，经比例调节器后，与相应的子模块所属桥臂流过电流信号的符号函数相 乘，作为该子模块电容电压均衡调制信号；本发明中每相上下桥臂各有N个子模块，将三角 载波信号上下桥臂依次交错移相2 π /2N作为该相子模块的载波信号；将某子模块所属桥 臂的统一调制信号与该子模块电容电压均衡调制信号相加后，与该子模块载波信号进行调 制，生成该子模块的驱动信号。
[0035] 本发明所述的DC-DC变换器模块的工作原理：
[0036] DC-DC变换器模块的输入端（即与光伏阵列连接端）实时检测光伏阵列的输出电 压Vpv和输出电流Ipv，经过DC-DC变换器模块自身的MPPT计算单元调节后得到最大功率 点处的电压信号值，通过闭环控制，保证DC-DC变换器模块输入端工作在光伏阵列当前的 最大功率点处。
[0037] DC-DC变换器模块的输出端电压值根据直流母线电压在每个DC-DC变换器模块的 端口分压决定。因为DC-DC变换器模块输出端为串联连接，所以多个DC-DC模块输出端的 电流完全相同。所有DC-DC变换器模块输出端口的电压值的总和为直流母线电压值，多个 DC-DC变换器模块输出电压值之间的比值等于与其各自所连接的光伏阵列的最大功率值之 比。
[0038] MMC逆变器单元的工作原理
[0039] 直流母线电压由MMC逆变器的电压闭环控制，MMC逆变器的控制分为直流母线的 电压闭环控制和输出并网电流的电流闭环控制两部分。直流母线电压指令信号Vref与实 时检测的直流母线电压反馈信号Vbus进行电压调节后，对电压调节器的输出进行限幅控 制，实现对逆变器装置输出功率的控制。
【权利要求】
1. 一种模块化全直流光伏系统，其特征在于：包括光伏电池组、η个DC-DC变换器模 块，以及模块化级联多电平逆变器，所述每一个光伏电池为一个光伏阵列，每一个光伏阵列 与一个DC-DC变换器模块的输入端相连，所述DC-DC变换器的输出端依次串联，所述多个 DC-DC变换器输出端串联构建直流母线，所述模块化级联多电平逆变器直流侧为直流母线， 通过开关控制将能量从直流形式逆变为交流形式。
2. 根据权利要求1所述的一种模块化全直流光伏系统，其特征在于：所述的η个DC-DC 变换器模块之间无信号线互联，η个DC-DC变换器模块与模块化级联多电平逆变器之间无 信号线互连。
3. 根据权利要求1所述的一种模块化全直流光伏系统，其特征在于：所以各个DC-DC 变换器模块的输出端口电流值完全相同，其端口电压值的比例关系等于流过各个DC-DC变 换器模块的功率值的比值。
4. 根据权利要求1所述的一种模块化全直流光伏系统，其特征在于：所述的DC-DC变 换器模块的输出电压值取决于母线电压值和端口电压值的比例。
5. 根据权利要求1所述的一种模块化全直流光伏系统，其特征在于：所述的每一个 DC-DC变换器连接有各自的控制回路，以控制光伏阵列的输入，保证DC-DC输入端工作在光 伏阵列当前的最大功率点。
6. -种基于权利要求1所述的一种模块化全直流光伏系统的控制方法，其特征在于： 所述模块化级联多电平逆变器对直流母线的给定信号Vref的平方求工频周期平均，然后 与直流母线的实际电压信号的平方的工频周期平均值作差后反相经PI调节后除以网侧电 压的D轴前馈信号，最后对齐限幅后作为网侧电流D轴给定信号I dMf，以控制模块化级联多 电平逆变器输出有功功率。
7. 根据权利要求6所述的一种模块化全直流光伏系统的控制方法，其特征在于：所述 网侧电流D轴给定信号和模块化级联多电平逆变器无功功率的网侧电流Q轴给定信号分别 于网侧电流D轴和Q轴的反馈信号最差后经PI调节生成模块化级联多电平逆变器输出电 压D轴和Q轴给定信号，最后经坐标转换并限幅后得到模块化级联多电平逆变器三相控制 信号。
8. 根据权利要求6或7所述的一种模块化全直流光伏系统的控制方法，其特征在于： 所述DC-DC变换器检测到光伏阵列的输出电压和输出电流后，经DC-DC变换器自身的MPPT 计算单元调节后得到最大功率点处的电压信号值，通过闭环控制，保证DC-DC输入端工作 在光伏阵列当前的最大功率点。
【文档编号】H02J3/38GK104113082SQ201410341498
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】王丰, 卓放, 易皓, 刘伟增 申请人:西安交通大学