一种光伏直流变换器串联升压并网系统发电量提升控制方法与流程

本发明涉及一种光伏直流变换器串联升压并网系统发电量提升控制方法，应用于大型光伏电站光伏直流变换器串联升压并网系统。

背景技术：

光伏发电基地可以汇聚优势资源、发挥规模效应，极大降低发电成本，是世界光伏发电规模化发展应用的重要方向。然而，传统百万千瓦级光伏发电基地电站内部采用低压交流汇集方式，汇流线路多、距离远、线路损耗大，所需设备多，直接影响光伏电站的整体效率与成本；同时，交流汇集系统的容抗感抗大，传统交流接入系统的谐波谐振、无功传输问题非常突出，成为限制光伏电能远距离输送的技术瓶颈。光伏电站内部采用中高压直流方式汇集电能，可以减小汇集线路损耗、降低建设成本，节省转换设备，同时采用直流送出方式可以完全避免交流送出的谐波谐振、无功损耗等问题。全直流系统效率比集中交流系统可提高约2％～3％，全直流级联结构是未来光伏发电基地的重要发展方向之一，特别是针对边远弱电网地区，全直流级联系统结合中高压柔性直流系统可以实现大规模光伏基地电能远距离传输外送。

大规模光伏电站经中高压直流进行电能汇集，给大容量电力电子设备带来了一系列新的技术挑战。目前国内外对光伏中高压直流串联型升压汇集系统研究还处于起步阶段，对光伏直流串联型升压汇集系统的运行特性和控制策略的研究成果不多。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光伏直流变换器串联升压并网系统发电量提升控制方法，主要解决由于各台光伏直流变换器功率失配导致的变换器输出电压越限问题和功率损失问题，尽可能使各台光伏直流变换器工作在最大功率跟踪模式，从而提高系统发电量；为光伏直流变换器串联升压并网系统的实证应用和推广提供技术支撑，具有重要的理论研究意义和工程实用价值。

本发明技术解决方案：一种光伏直流变换器串联系统发电量提升控制方法，所述光伏直流变换器串联系统包括：n组光伏阵列和n台光伏直流变换器，每组光伏阵列的输出端与一台光伏直流变换器的输入端连接，串联系统中各台光伏直流变换器的输出端依次串联连接，n组光伏阵列与n台光伏直流变换器组成一套光伏直流变换器串联系统，然后接入高压直流电网，实现光伏电能直流升压、汇集、并网送出；

根据光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输入功率与其输出电压情况，光伏直流变换器串联升压并网系统包含以下几种运行工况：光伏直流变换器输入功率均衡情况、光伏直流变换器输入功率轻微不均衡情况、光伏直流变换器输入功率严重不均衡情况，分别对应不同的运行模式；

1)光伏直流变换器功率均衡情况

当串联系统中所有光伏直流变换器的输出功率一致，即满足下式时，则光伏直流变换器功率均衡。

pi＝pavg

式中：pi表示光伏直流变换器的输出功率，pavg表示串联系统中光伏直流变换器的平均输出功率。

由此可以得出串联系统中光伏直流变换器的出口电压为：

vi＝vavg

式中：vi表示光伏直流变换器的输出电压，vavg表示串联系统中光伏直流变换器的平均输出电压。

此时，串联系统中所有光伏直流变换器都工作在最大功率跟踪控制模式，可以实现全部光伏功率输出。

2)光伏直流变换器功率轻度不均衡情况

当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输入功率不一致时，则输入功率较大的光伏直流变换器输出电压也较大，而输出功率较小的光伏直流变换器输出电压也较小。当所有光伏直流变换器的输出电压满足下式时，则可认为光伏直流变换器输入功率轻度不均衡：

(1-β)vnom≤vi≤(1+α)vnom

式中：α和β分别代表光伏直流变换器的输出电压上限和下限，vnom表示光伏直流变换器的额定输出电压。

此时，串联系统中所有光伏直流变换器都可以工作在最大功率跟踪控制模式，可以实现全部光伏功率输出。

3)光伏直流变换器功率严重不均衡情况

当光伏直流变换器串联升压并网系统中有光伏直流变换器的输出电压满足下式时，则可认为串联系统中光伏直流变换器输入功率严重不均衡：

vi＞(1+α)vnom或vi＜(1-β)vnom

此时，输出电压达到上限的光伏直流变换器采用定输出电压上限控制模式，输出功率得到限制；输出电压达到下限的光伏直流变换器采用定输出电压下限控制模式，光伏功率可以全部输出；

本发明所述控制方法包括以下步骤：光伏直流变换器串联升压并网系统正常启动后，各台光伏直流变换器实时检测光伏直流变换器输出电压vi，并将输出电压vi分别与设定的光伏直流变换器输出电压上下限报警值及极限值vupper、vlower、vupper_max、vlower_min比较，根据比较结果执行以下对应的控制方案；

①当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足vlower≤vi≤vupper时，光伏直流变换器的输出电压处于正常范围内，光伏直流变换器继续保持最大功率跟踪运行模式；

②当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足vupper＜vi＜vupper_max时，光伏直流变换器输出电压达到上限报警值，光伏直流变换器检查该变换器内部的实时正常运行功率模块数量j是否小于可运行功率模块数量k，若j＜k，则说明光伏直流变换器还有可以投入运行的可运行功率模块，则该光伏直流变换器启动一个可运行功率模块，继续保持最大功率跟踪运行模式；若j＝k，则说明该光伏直流变换器内部可运行运行模块已全部投入使用，此时该光伏直流变换器采用限电压上限控制模式运行；

③当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压vlower_min≤vi＜vlower时，光伏直流变换器的输出电压达到下限报警值，光伏直流变换器检测该变换器内部实时正常运行功率模块数量j是否大于1，若j＞1，则该光伏直流变换器退出一台功率模块，继续执行最大功率跟踪；若j＝1，则该光伏直流变换器从光伏直流变换器串联升压并网系统中退出并停止运行；

所述电压上下限报警值及极限值vupper、vlower、vupper_max、vlower_min分别定义如下：

式中：vmodul,max与vmodul,min分别代表光伏直流变换器内部功率模块的最大输出电压与最小输出电压，j为光伏直流变换器内部实时正常运行功率模块数量，k为光伏直流变换器内部可运行功率模块数量，0＜j≤k≤n+m，其中n为光伏直流变换器内部配置的正常运行功率模块数量，m为光伏直流变换器配置的冗余备用功率模块数量。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明控制方法主要解决由于各台光伏直流变换器功率失配导致的变换器输出电压越限问题和功率损失问题，通过本发明方法，尽可能使各台光伏直流变换器工作在最大功率跟踪模式，提高串联系统发电量。当串联系统中光伏直流变换器输出功率不均衡时，输出功率较大的光伏直流变换器输出发生过电压，此时通过光伏直流变换器投入其内部的冗余备用功率模块，提高光伏直流变换器的输出电压上限值；串联系统中输出功率较小的光伏直流变换器可能发生欠电压，当欠电压发生时，光伏直流变换器切除其内部正常运行的功率模块，降低直流变换器的输出电压下限值，从而使串联系统中光伏直流变换器尽可能工作在最大功率跟踪模式。

附图说明

图1为光伏直流变换器串联系统拓扑图；

图中：101为光伏阵列，一共有n组；102为光伏直流变流器，一共有n台；103为高压直流线缆，分为正极电缆和负极电缆；104为直流电网或dc/ac+交流电网；

图2为光伏直流变换器的结构图；

图中：201为直流变换器连接的光伏阵列，202为光伏直流变换器内部功率模块，一共有n+m台功率模块，n台作为正常运行功率模块，m台作为冗余备用功率模块；203为由n+m台功率模块组成的光伏直流变换器；204为光伏直流变换器的输出端正极和负极，正极与上一台直流变换器的负极串联，而负极与下一台直流变换器的正极串联，最终由n台直流变换器输出端串联组成光伏直流变换器串联升压直流并网系统；

图3为光伏直流变换器串联升压并网系统中直流变换器的模式控制流程图；

图4为本发明所述的光伏直流变换器串联升压并网系统控制流程图。

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。

如图1所示，光伏直流变换器串联升压并网系统包括：n组光伏阵列101，共有n台光伏直流变换器分别是第一光伏直流变换器102-1，第二光伏直流变换器102-2，第三光伏直流变换器102-3，第n光伏直流变换器102-n，高压直流线缆103，直流电网或dc/ac+交流电网104。n组光伏阵列101分别与n台光伏直流变换器102输入端串联连接，n台光伏直流变换器102的输出端依次串联，这样就组成一套光伏直流变换器串联升压并网系统，通过高压直流线缆103接入直流电网或dc/ac+交流电网104，实现光伏电能的直流升压、汇集、并网送出。

如图2所示，光伏直流变换器203的输入端接入光伏阵列201，输出端正极204接上一台光伏直流变换器的负极，输出端205接下一台光伏直流变换器的正极，光伏直流变换器内部一共包括n+m台功率模块，其中n台功率模块作为正常运行功率模块，m台功率模块作为冗余备用功率模块，n+m台功率模块采用输入侧并联连接，输出侧依次串联连接的级联方式。

如图3所示，按照图3的流程对图3进行详细说明。

根据光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输入功率与其输出电压情况，光伏直流变换器串联升压并网系统包含以下几种运行工况：光伏直流变换器输入功率均衡情况、光伏直流变换器输入功率轻微不均衡情况、光伏直流变换器输入功率严重不均衡情况，分别对应不同的运行模式；

1)光伏直流变换器功率均衡情况

当串联系统中所有光伏直流变换器的输出功率一致，即满足下式时，则光伏直流变换器功率均衡。

pi＝pavg

式中：pi表示光伏直流变换器的输出功率，pavg表示串联系统中光伏直流变换器的平均输出功率。

由此可以得出串联系统中光伏直流变换器的出口电压为：

vi＝vavg

式中：vi表示光伏直流变换器的输出电压，vavg表示串联系统中光伏直流变换器的平均输出电压。

此时，串联系统中所有光伏直流变换器都工作在最大功率跟踪控制模式，可以实现全部光伏功率输出。

2)光伏直流变换器功率轻度不均衡情况

当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输入功率不一致时，则输入功率较大的光伏直流变换器输出电压也较大，而输出功率较小的光伏直流变换器输出电压也较小。当所有光伏直流变换器的输出电压满足下式时，则可认为光伏直流变换器输入功率轻度不均衡：

(1-β)vnom≤vi≤(1+α)vnom

式中：α和β分别代表光伏直流变换器的输出电压上限和下限，vnom表示光伏直流变换器的额定输出电压。

此时，串联系统中所有光伏直流变换器都可以工作在最大功率跟踪控制模式，可以实现全部光伏功率输出。

3)光伏直流变换器功率严重不均衡情况

当光伏直流变换器串联升压并网系统中有光伏直流变换器的输出电压满足下式时，则可认为串联系统中光伏直流变换器输入功率严重不均衡：

vi＞(1+α)vnom或vi＜(1-β)vnom

此时，输出电压达到上限的光伏直流变换器采用定输出电压上限控制模式，输出功率得到限制；输出电压达到下限的光伏直流变换器采用定输出电压下限控制模式，光伏功率可以全部输出；

光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器运行模式控制流程步骤如下：

光伏直流变换器串联升压并网系统中各台光伏直流变换器采样其各自的输出电压vi；

①光伏直流变换器实时判断其输出电压是否满足vi>(1+α)vnom，如果满足条件，则该光伏直流变换器采用限输出电压上限控制模式，并设定其输出电压上限值为vi^*＝(1+α)vnom，并实时判断该直流变换器的占空比d是否达到占空比上限duplimit，如果满足条件d＝duplimit，则该光伏直流变换器从限输出电压控制模式切换到mppt控制模式；如果不满足条件d＝duplimit，则该光伏直流变换器继续保持限输出电压控制模式；

②光伏直流变换器实时判断其输出电压是否满足vi＜(1-β)vnom，如果满足条件，则该光伏直流变换器采用限输出电压下限控制模式，并设定其输出电压下限值为vi^*＝(1-β)vnom，并实时判断该直流变换器的占空比d是否达到占空比上限duplimit，如果满足条件d＝duplimit，则该光伏直流变换器从限输出电压下限控制模式切换到mppt控制模式；如果不满足条件d＝duplimit，则该光伏直流变换器继续保持限输出电压下限控制模式；

③光伏直流变换器实时判断其输出电压是否满足(1-β)vnom＜vi(1+α)vnom，如果满足条件，则光伏直流变换器保持mppt运行模式。

如图4所示，图4是本发明所述控制方法的流程图，本发明所述控制方法包括以下步骤：

串联系统首先检查是否满足启动条件，当满足启动条件，首先对串联系统中光伏发电单元直流变换器输出侧电容进行预充电，预充电完成后，同步解锁光伏发电单元直流变换器；若系统不满足启动条件，则等待并重复检查是否满足启动条件；

光伏直流变换器串联升压并网系统正常启动后，各台光伏直流变换器实时检测光伏直流变换器输出电压vi，并将输出电压vi分别与设定的光伏直流变换器输出电压上下限报警值及极限值vupper、vlower、vupper_max、vlower_min比较，根据比较结果执行以下对应的控制方案；

①当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足vlower≤vi≤vupper时，光伏直流变换器的输出电压处于正常范围内，光伏直流变换器继续保持最大功率跟踪运行模式；

②当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足vupper＜vi＜vupper_max时，光伏直流变换器输出电压达到上限报警值，光伏直流变换器检查该变换器内部的实时正常运行功率模块数量j是否小于可运行功率模块数量k，若j＜k，则说明光伏直流变换器还有可以投入运行的可运行功率模块，则该光伏直流变换器启动一个可运行功率模块，继续保持最大功率跟踪运行模式；若j＝k，则说明该光伏直流变换器内部可运行运行模块已全部投入使用，此时该光伏直流变换器采用限电压上限控制模式运行；

③当光伏直流变换器串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压vlower_min≤vi＜vlower时，光伏直流变换器的输出电压达到下限报警值，光伏直流变换器检测该变换器内部实时正常运行功率模块数量j是否大于1，若j＞1，则该光伏直流变换器退出一台功率模块，继续执行最大功率跟踪；若j＝1，则该光伏直流变换器从光伏直流变换器串联升压并网系统中退出并停止运行；

所述电压上下限报警值及极限值vupper、vlower、vupper_max、vlower_min分别定义如下：

式中：vmodul,max与vmodul,min分别代表光伏直流变换器内部功率模块的最大输出电压与最小输出电压，j为光伏直流变换器内部实时正常运行功率模块数量，k为光伏直流变换器内部可运行功率模块数量，0＜j≤k≤n+m，其中n为光伏直流变换器内部配置的正常运行功率模块数量，m为光伏直流变换器配置的冗余备用功率模块数量。

总之，本发明解决了由于各台光伏发电单元直流变换器功率失配导致的直流变换器输出电压越限问题和功率损失问题，尽可能减小串联系统光伏直流变换器功率损失问题，提高整体系统发电量。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。