一种光伏发电高压直流输电装置的制作方法
本实用新型涉及光伏发电技术领域，特别是涉及一种光伏发电高压直流输电装置。
背景技术：
新能源是能源供应体系的重要组成部分。大规模开发新能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径。低压配电网对新能源的接纳能力有限，因此直接接入高压电网将成为大规模新能源并网发电的必然趋势。由于单个光伏单元的输出电压较低，为实现其高压并网，通常需要采用光伏单元串联的方式来提高光伏发电系统的电压等级。
目前多采用在光伏单元两端并接DC-DC变换器，参见图1所示，图1为现有技术提供的一种光伏发电系统的结构示意图。在光照均匀的情况下DC-DC变换器不工作，当发生局部阴影时，DC-DC模块只需保持流经各串联光伏单元的电流一致，便能将整个光伏系统产生的大部分功率传输到电网上，能够有效提高发电效率，同时避免输出功率特性的多峰值现象。
但是，这种方式下，由于DC-DC变换器直接连接高压直流母线，因此，所有的DC-DC变换器耐压等级都必须高于高压直流母线电压，导致光伏发电系统的成本大幅增加。由于成本过高，导致无法为每一个光伏单元配置一个并联DC-DC变换器，那么由同一个DC-DC变换器控制的若干个串联光伏单元电流相等，因此在局部阴影情况下，面临这些光伏单元之间无法均工作自最大功率点，发电效率低，以及产生热斑现象，对光伏单元造成损害等问题。
因此，如何提供一种成本低且发电效率高的光伏发电高压直流输电装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种光伏发电高压直流输电装置，DC-DC变换器并未直接连接高压直流母线，降低了成本，提高了发电效率，且尽可能避免了热斑现象的产生。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种光伏发电高压直流输电装置，包括：
若干个相互串联的光伏单元，所述光伏单元串联后的电路的正负端分别通过相应的高压直流输电线路连接高压并网逆变器的输入端；
所述高压并网逆变器，所述高压并网逆变器的输出端与交流电网连接；
输入端分别与各个所述光伏单元的输出端一一对应连接的若干个DC-DC变换器，以及分别与各个所述DC-DC变换器的输出端一一对应连接的若干个储能单元；所述DC-DC变换器用于控制与自身相连的储能单元为与自身相连的光伏单元提供补偿电流；
分别与各个所述DC-DC变换器的控制端一一对应连接的若干个第一局部控制器；所述第一局部控制器用于依据自身对应的光伏单元当前在最大功率点的电流以及预设高压母线电流产生脉冲驱动信号控制所述DC-DC变换器的输出，令各个所述光伏单元在所述预设高压母线电流下分别运行于各自的最大功率点；
与所述高压并网逆变器的控制端连接的第二局部控制器，用于生成驱动脉冲控制所述高压并网逆变器的输出；
中央控制器，所述中央控制器的输入端分别与各个所述第一局部控制器以及所述第二局部控制器的输出端连接，所述中央控制器的输出端与所述第二局部控制器的输入端连接；所述中央控制器用于计算未来n个时段所述高压并网逆变器的有功功率给定值并发送给所述第二局部控制器进行控制。
优选地，还包括分别与各个所述光伏单元一一对应连接的若干个电流检测装置，所述电流检测装置用于检测对应的光伏单元的电流并发送至相应的第一局部控制器，所述电流检测装置输出端与相应的第一局部控制器的输入端连接。
优选地，所述电流检测装置为电流表。
优选地，所述电流检测装置为电流互感器。
优选地，还包括电量检测装置，所述电量检测装置的输入端与所述储能单元连接，所述电量检测装置的输出端与所述中央控制器连接。
本实用新型提供了一种光伏发电高压直流输电装置，每个光伏单元两端并接有一个DC-DC变换器，每个DC-DC变换器两端又并接有储能单元。可见，本实用新型中DC-DC变换器为对应的光伏单元补偿的电流是输入给光伏单元后，由光伏单元的输出端将光电转换电流与补偿电流发送给高压并网逆变器，即本实用新型中DC-DC变换器并未直接连接高压直流母线，因此，DC-DC变换器的耐压等级只要高于光伏单元即可，由于光伏单元为串接，依据串联分压的原理，高压直流母线电压的耐压等级为光伏单元的耐压等级的N倍，N为光伏单元的个数，因此本实用新型大幅度降低了DC-DC变换器所需的耐压等级，从而降低了DC-DC变换器的成本，进而使得能够为每一个光伏单元配置一个并联DC-DC变换器，使各个光伏单元均能工作在自身的最大功率点，工作效率高，且能够避免局部阴影情况下产生的热斑现象，减小了对光伏单元造成的损害。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种光伏发电系统的结构示意图；
图2为本实用新型提供的一种光伏发电高压直流输电装置的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种光伏发电高压直流输电装置，DC-DC变换器并未直接连接高压直流母线，降低了成本，提高了发电效率，且尽可能避免了热斑现象的产生。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供了一种光伏发电高压直流输电装置，参见图2所示，图2为本实用新型提供的一种光伏发电高压直流输电装置的结构示意图；该装置包括：
若干个相互串联的光伏单元1，光伏单元1串联后的电路的正负端分别通过相应的高压直流输电线路连接高压并网逆变器5的输入端；
高压并网逆变器5，高压并网逆变器5的输出端与交流电网连接；
输入端分别与各个光伏单元1的输出端一一对应连接的若干个DC-DC变换器2，以及分别与各个DC-DC变换器2的输出端一一对应连接的若干个储能单元3；DC-DC变换器2用于控制与自身相连的储能单元3为与自身相连的光伏单元1提供补偿电流；
分别与各个DC-DC变换器2的控制端一一对应连接的若干个第一局部控制器4；第一局部控制器4用于依据自身对应的光伏单元1当前在最大功率点的电流以及预设高压母线电流产生脉冲驱动信号控制DC-DC变换器2的输出，令各个光伏单元1在预设高压母线电流下分别运行于各自的最大功率点；
与高压并网逆变器5的控制端连接的第二局部控制器6，用于生成驱动脉冲控制高压并网逆变器5的输出；
中央控制器7，中央控制器7的输入端分别与各个第一局部控制器4以及第二局部控制器6的输出端连接，中央控制器7的输出端与第二局部控制器6的输入端连接；中央控制器7用于计算未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值并发送给第二局部控制器6进行控制。
其中，上述光伏发电高压直流输电装置的工作过程为：
第一局部控制器4实时获取光伏单元1在最大功率点的电流；
第一局部控制器4依据最大功率点的电流以及预设高压母线电流产生第一脉冲驱动信号发送给DC-DC变换器2，令DC-DC变换器2控制储能单元3提供特定大小的补偿电流至光伏单元1，使光伏单元1运行于自身的最大功率点，且光伏单元1自身产生的电流与DC-DC变换器2提供的补偿电流之和等于预设高压母线电流；
将高压直流输电线路中的直流电输入高压并网逆变器5，第二局部控制器6产生第二驱动脉冲信号控制高压并网逆变器5将高压直流输电线路中的直流电转换为交流电并输入至交流电网。
其中，第一局部控制器4产生第一脉冲驱动信号的过程包括：
对预设补偿电流给定值与实时获取的相应光伏单元1在最大功率点的电流之间的偏差进行PI控制产生DC-DC变换器2的占空比；
对占空比进行脉冲宽度调制得到第一脉冲驱动信号发送给DC-DC变换器2进行控制。
可以理解的是，高压直流母线电流决定于高压并网逆变器5输入交流电网的有功功率，然而，在不均匀光照下各串联光伏单元1的最大功率点所对应的光电转换电流Impp不同，因此DC-DC变换器2的控制目标是，通过调节其补偿电流Icomp，使得各光伏单元1在同一高压直流母线电流下，能分别运行于各自的最大功率点。具体的，DC-DC变换器2采用电流闭环控制方法，控制其输出的补偿电流Icomp跟随预设补偿电流给定值变化。
进一步可知，上述预设补偿电流给定值由扰动观察法产生，其目的是使与自身对应的DC-DC变换器2并联的光伏单元1运行于最大功率点所对应的电流。具体实施方法为：通过调节输出预设补偿电流给定值来施加扰动，并检测与其并联光伏单元1的输出功率变化，若扰动后光伏单元1输出功率增加，则说明该扰动能够提高光伏单元1的输出功率，下一次继续往相同的方向调节输出预设补偿电流给定值；反之，若扰动后光伏单元1输出功率减小，则说明该扰动不利于提高光伏单元1的输出功率，下一次往相反的方向调节输出预设补偿电流给定值。
另外，第二局部控制器6产生第二脉冲驱动信号的方法包括：
对高压并网逆变器5输入交流电网有功功率的给定值与高压并网逆变器5输入交流电网有功功率实测值的偏差进行PI控制，产生d轴控制电压；
对高压并网逆变器5输入交流电网无功功率的给定值与高压并网逆变器5输入交流电网无功功率实测值的偏差进行PI控制，产生q轴控制电压；
将d轴控制电压和q轴控制电压进行旋转/静止变换和空间矢量脉宽调制(SVPWN，Space Vector Pulse Width Modulation)后，得到第二脉冲驱动信号发送给高压并网逆变器5进行控制。
可以理解的是，高压并网逆变器5采用基于电网电压定向的矢量控制方法，用于实现对输入交流电网的有功、无功功率的闭环控制，从而令输入交流电网的有功功率分时恒定。其中，高压并网逆变器5输入交流电网的有功功率给定值由一下方法计算产生，无功功率给定值设定为零。
其中，中央控制器7生成高压并网逆变器5输入交流电网有功功率的给定值的方法包括：
获取并根据各个储能单元3的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价，以及未来n个时段光照和温度预测结果所对应的光伏单元1的平均输出功率和平均输出电压，计算出未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值。
可以理解的是，需要说明的是，计算未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值采用的是粒子群优化算法，其目的是使整个光伏发电系统的经济效益最大化，整个光伏发电系统的经济收益可根据以下公式计算得到：
其中，定义i＝1,2,...,n为单位时间段的序号，j＝1,2,...,m为串联模块的序号，一个串联模块包括一个光伏单元1、一个DC-DC变换器2和一个储能单元3，P(i)为第i时段高压并网逆变器5的有功功率给定值，Pri(i)为第i时段的电价，Δt为单位时间段的时间长度。
进一步可知，中央控制器7生成高压并网逆变器5输入交流电网有功功率的给定值的方法具体包括：
步骤S1：在DC-DC变换器2和高压并网逆变器5的功率额定范围内，随机初始化粒子群的速度和位置，作为各个粒子第一周期的速度和位置；粒子群由z个粒子组成，每个粒子在多维空间中的位置均表示为以下形式的向量：
x(k)＝[P(1,k),P(2,k),…,P(n,k)]T，k＝1,2,…,z
P(i,k)为第k个粒子在第i时刻高压并网逆变器5的有功功率给定值；
步骤S2：计算各个粒子的初始化适应度值；适应度值等于未来n个时段总电费收益减去各个储能单元3剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将各个粒子的第一周期的位置作为各个粒子的初始历史最佳位置，从第一周期的粒子群中挑选适应度最大的粒子并将其作为粒子群的初始全局历史最佳位置；
需要说明的是，粒子群中各个粒子的适应度值按以下公式计算：
其中，K为罚函数的权重系数，PEN(i,j,k)为第k个粒子在第i单位时间段第j个储能单元3剩余电量超过允许范围所产生的罚函数，罚函数计算方式如下：
首先，令其中，Upv(i,j)为第i个时段中第j个光伏单元1的电压；Ppv(i,j)为第i时段、第j个光伏单元1的输出功率；
然后，令Es(i+1,j,k)＝Es(i,j,k)+Ps(i,j,k)Δt；
最后，令
其中，Es(i,j,k)为第k个粒子在第i单位时间段第j个储能单元3的剩余电量；Ps(i,j,k)为第k个粒子在第i单位时间段第j个储能单元3的输出功率；
步骤S3：根据各个粒子上一周期的速度、上一周期各个粒子的位置与自身的历史最佳位置的距离、上一周期各个粒子的位置与当前全局历史最佳位置之间的距离计算得到各个粒子本周期的速度，根据上一周期各个粒子的位置与本周期的各个粒子的速度计算得到各个粒子本周期的位置，计算公式如下：
vt+1(k)为粒子本周期的速度，vt(k)为粒子上一周期的速度，xt+1(k)为粒子本周期的位置，xt(k)为粒子上一周期的位置，Plb(k)为粒子上一周期的历史最佳位置，Pgb(k)为粒子群上一周期的全局历史最佳位置，c1、c2为常数，r1和r2为均匀随机分布rand；
步骤S4：对步骤S3得到的粒子进行校验，若DC-DC变换器2电流或高压并网逆变器5的功率超过相应的预设额定范围，则将其限定在各自的额定值；
步骤S5：计算本周期各个粒子的适应度值，适应度值等于未来n个时段总电费收益减去各个储能单元3剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将本周期各个粒子的适应度值与自身历史最佳位置的适应度值进行比较，选择适应度值较大的作为对应粒子的历史最佳位置；将本周期各个粒子的适应度值与全局历史最佳位置的适应度值比较，选择其中适应度值最大的位置作为全局历史最佳位置；
步骤S6：判断是否达到预设终止条件，若未到达预设终止条件，则返回步骤S3；若达到预设终止条件，则可获得全局历史最佳位置如下：
pgb＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
将获得的全局历史最佳位置中的P(1),P(2),…,P(n)作为未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值赋给第二局部控制器6。
作为优选地，预设终止条件为全局历史最佳位置的适应度值的增量小于预设阈值或者达到最大迭代次数。
需要说明的是，例如，当最大迭代次数达到10次后，就终止计算。当然，本实用新型不限定最大迭代次数的具体数值，也不限定预设终止条件的具体内容。
作为优选地，计算未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值的过程包含约束条件，约束条件包括：
任一储能单元3的剩余电量处于储能单元3的额定容量的预设百分比范围内；这里的预设百分比范围可以为20％至80％，当然，本实用新型对此不作限定。即：
20％EsN≤Es(i,j)+Ps(i,j)Δt≤80％EsN，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m
其中，EsN为储能单元3额定容量，Es(i,j)为第i时段、第j个储能单元3的剩余电量，Ps(i,j)为第i时段、第j个DC/DC变换器2的输出功率。
高压直流输电线路的电流等于任意一个光伏单元1自身产生的电流与相应的DC-DC变换器2提供的补偿电流之和；即：
其中，Ibus(i)表示第i个时段的母线电流。
任意一个DC-DC变换器2的输出功率不大于自身功率额定值；即：
其中，Icomp(i,j,k)为第k个粒子中第i时刻第j个DC-DC变换器2的输出电流。IsN为DC-DC变换器2的额定电流。
高压并网逆变器5的输出功率不能超过自身功率额定值，即：
|P(i)|≤PN，i＝1,2,...,n
其中，PN为高压并网逆变器5的额定功率。
需要说明的是，在使用粒子群优化算法计算出未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值之前，定义2个n*m维矩阵向量分别用于电价、高压并网逆变器5的有功功率。
Pri＝[Pri(1),Pri(2),…,Pri(n)]T，P＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
其中Pri表示未来n个时间段的电价，P表示高压并网逆变器5的有功功率。
定义4个n×m维矩阵，分别用于描述储能单元3剩余电量、储能单元3充放电功率、光伏单1元输出功率、光伏单元1输出电压如下
其中，Es表示储能单元3剩余电量；Ps表示储能单元3充放电功率；Ppv表示光伏单元1输出功率；Upv表示光伏单元1输出电压。
作为优选地，该装置还包括分别与各个光伏单元1一一对应连接的若干个电流检测装置，电流检测装置用于检测对应的光伏单元1的电流并发送至相应的第一局部控制器4，电流检测装置输出端与相应的第一局部控制器4的输入端连接。
需要说明的是，第一局部控制器4在接收到电流检测装置发送的光伏单元1电流实测值后，将实测值与预先储存在第一局部控制器4中的预设电流阈值进行比较，根据比较的差值生成相应的驱动脉冲信号发送给DC-DC变换器2控制对应的储能单元3充电或者放电，从而为光伏单元1提供相应大小的补偿电流。
其中，这里的电流检测装置可以为电流表或电流互感器，当然，也可以为其他装置，本实用新型对此不做限定。
作为优选地，该装置还包括电量检测装置，电量检测装置的输入端与储能单元3连接，电量检测装置的输出端与中央控制器7连接。
需要说明的是，中央控制器7在接收到电量检测装置发送的储能单元3的剩余电量后，根据整个装置中各个储能单元3的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段光照和温度预测结果所对应的光伏单元1平均输出功率、平均输出电压，以整个光伏发电系统的电费收益最大化为目标，计算出未来n个时段高压并网逆变器5的有功功率给定值。
本实用新型提供了一种光伏发电高压直流输电装置，每个光伏单元两端并接有一个DC-DC变换器，每个DC-DC变换器两端又并接有储能单元。可见，本实用新型中DC-DC变换器为对应的光伏单元补偿的电流是输入给光伏单元后，由光伏单元的输出端将光电转换电流与补偿电流发送给高压并网逆变器，即本实用新型中DC-DC变换器并未直接连接高压直流母线，因此，DC-DC变换器的耐压等级只要高于光伏单元即可，由于光伏单元为串接，依据串联分压的原理，高压直流母线电压的耐压等级为光伏单元的耐压等级的N倍，N为光伏单元的个数，因此本实用新型大幅度降低了DC-DC变换器所需的耐压等级，从而降低了DC-DC变换器的成本，进而使得能够为每一个光伏单元配置一个并联DC-DC变换器，使各个光伏单元均能工作在自身的最大功率点，工作效率高，且能够避免局部阴影情况下产生的热斑现象，减小了对光伏单元造成的损害。
以上的几种具体实施方式仅是本实用新型的优选实施方式，以上几种具体实施例可以任意组合，组合后得到的实施例也在本实用新型的保护范围之内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，相关专业技术人员在不脱离本实用新型精神和构思前提下推演出的其他改进和变化，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！