一种基于桥臂复用型MMC的光伏直流升压汇集并网系统

本发明涉及光伏发电系统，尤其涉及一种基于桥臂复用型模块化多电平换流器的光伏直流升压汇集并网系统。

背景技术：

1、随着新能源产业的快速发展，我国能源结构绿色低碳转型不断向纵深推进，生态环境友好性显著增强。近十年来，光伏新增装机容量年年攀升。光伏发电因出口电压低、功率密度小、随机性和差异性较强，须经过升压汇集后方可实现并网。光伏升压汇集技术可分为交流升压汇集和直流升压汇集。与交流升压汇集技术相比，直流升压汇集技术所需设备少、传输容量大且损耗低，已成为当前光伏并网的主流方案。直流升压汇集并网方案根据中间dc/dc变换器联结方式可分为全直流并联汇集并网和全直流级联汇集并网。相比较而言，全直流级联汇集并网方案通过dc/dc变换器功率模块输出串联实现电压抬升，满足高变比的同时具备明显的技术和经济优势。

2、光伏直流升压汇集并网系统主要由光伏发电单元、直流升压变换器和光伏逆变器组成。光伏发电单元根据有无低压直流母线可分为带直流母线型和不带直流母线型。为实现每级光伏阵列mppt独立控制，学术界多采用后者。但是当光照强度不均时，光照强度低的发电单元输出电压减小，为维持直流输出电压恒定，光照强度变化较小的发电模块需要承担减小的电压变化量，继而造成模块间电压严重不均的问题。对于直流升压变换器，功率模块常采用易于拓展的双有源桥型拓扑，其输入输出方式由光伏阵列和光伏逆变器的拓扑结构决定。对于光伏逆变器，主要有级联h型和电压源型换流器两种。然而目前大多采用的逆变器没有充分利用mmc模块化、多端口这一优势，功率密度小、不够紧凑化。限制了其在更高电压等级和功率等级中的应用。

3、另外，光伏直流升压汇集并网系统的平稳启动是系统稳定运行的关键。光伏直流升压汇集并网系统的预充电方案可分为两种：一种是利用交流电网对mmc充电，同时经直流线路对dc/dc变换器充电，充电功率由网侧流向源侧，充电时间较长；另一种则是对mmc和dc/dc变换器分开充电，初始时刻，直流线路上的断路器处于断开状态，mmc由交流电网充电，dc/dc变换器由光伏电源充电，当充电完成后再闭合断路器，由于直流线路需安装直流断路器，成本较高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压汇集并网系统拓扑，该拓扑通过将高频隔离型dc/dc变换器直接接入mmc子模块，可以减小装置体积、提升并网变流器的功率密度。接着在此基础上设计了适用于该系统的协调运行控制策略，并针对该系统提出了一套能快速建立直流母线电压，使系统进入稳态运行的软启动方案，可以解决并网系统启动慢、成本高的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压汇集并网系统拓扑，包括带低压直流母线的光伏发电单元、dc/dc变换器和mmc光伏逆变器。光伏发电单元是由光伏阵列后接boost变换器构成，光伏阵列的等效模型可用一个光控电流源与一个理想的pn结并联表示；光伏直流升压汇集并网系统中采用了基于dab的ipos型dc/dc变换器，其功率模块是由两侧的全桥、高频隔离变压器t(变比为n)以及辅助电感l1构成；光伏并网逆变器采用了基于全桥子模块的桥臂复用型mmc。每相桥臂由子模块数目相等的三个子桥臂构成，分别为上桥臂、下桥臂和公共桥臂。首先每级光伏阵列产生的电能经mppt变换器实现最大功率点跟踪和初步升压后汇集至低压直流母线。接着光伏电能在控制器的作用下均匀分配至每一个dc/dc变换器功率模块，功率模块采用双有源桥型电路。然后每一个dab的输出作为mmc并网逆变器子模块的输入。最后经并网逆变器逆变为中高压交流并入电网，或通过mmc中高压直流母线送至直流电网或给负载供电。由于常规mmc子模块较多，正常运行时子模块利用率只有50％，为提高子模块的利用率，mmc并网逆变器采用了桥臂复用技术，子模块采用全桥型。该光伏并网系统具备多个端口，能够实现功率的多向流动以及光伏电能的大规模送出。

4、基于上述目的，基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压汇集并网系统的控制策略如下：

5、各级光伏阵列采用独立的mppt控制。光伏阵列输出电压和输出电流经过mppt算法后生成直流电压的参考信号，再与实际值作比较，差值经过pi调节器生成最大功率的参考信号，将其与实际汇集至低压直流母线处的功率对比作差，经pi调节器后生成占空比d，最后通过pwm调制生成boost变换器的触发脉冲。

6、光伏直流升压变换器采用经典的单移相控制策略。首先将低压直流母线电压参考值与实际值比较作差，然后经过pi控制得到移相比d1，再进行脉宽调制后产生相应的触发脉冲。通过调节移相比d1可调整传输功率的大小和方向，控制方式相对简单。

7、并网逆变器采用电流内环和电压外环的双环控制策略，用以实现有功和无功电流的解耦控制。有功类控制方式为定直流电压控制，无功类控制方式为定无功功率控制。本发明中光伏逆变器采用cps-nlm分段联合调制方法,并配合均压和环流抑制策略。

8、本发明还提供了一种光伏直流升压汇集系统软启动方案，包括如下步骤：

9、(1)首先，mmc和dc/dc变换器处于闭锁状态，光伏未投入。接入交流侧限流电阻，mmc进入不控整流阶段；

10、(2)接着当mmc直流侧电压接近网侧交流线电压峰值时，闭合交流断路器，将充电电阻旁路，mmc进入可控充电状态；

11、(3)判断直流电压是否稳定在20kv,若直流母线电压稳定在20kv且能够持续一定时间，则mmc启动完成；

12、(4)mmc进入定直流电压控制模式，投入光伏模块，各级光伏阵列前端boost以mppt模式启动，同时解锁dc/dc变换器实现功率送出，并建立低压直流母线电压；

13、(5)低压直流母线上升至额定电压，dc/dc变换器进入定直流电压控制。功率逐渐提高至最大功率点时，boost变换器进入mppt模式运行，光伏模块保持最大功率输出状态不变，系统启动完成。

14、与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：

15、采用网侧和源侧分别预充电的方式，无需直流断路器，成本更低；依靠光伏电源快速建立直流母线电压，实现了boost变换器mppt的直接启动，缩短了启动时间，使系统能够快速进入稳定运行状态。

16、由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法简单有效，易于模块化设计，能够显著减小装置体积、提升并网变流器的功率密度。可以解决光伏并网系统启动慢、成本高的问题。有助于实现大规模新能源接入直流输电网络。

技术特征：

1.一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压系统，其特征在于：包括带低压直流母线的光伏发电单元、dc/dc变换器和mmc光伏逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压系统，其特征在于：所述各级光伏阵列采用独立的mppt控制。光伏阵列输出电压和输出电流经过mppt算法后生成直流电压的参考信号，再与实际值作比较，差值经过pi调节器生成最大功率的参考信号，将其与实际汇集至低压直流母线处的功率对比作差，经pi调节器后生成占空比d，最后通过pwm调制生成boost变换器的触发脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压系统，其特征在于：所述光伏直流升压变换器采用经典的单移相控制策略。首先将低压直流母线电压参考值与实际值比较作差，然后经过pi控制得到移相比d1，再进行脉宽调制后产生相应的触发脉冲。通过调节移相比d1可调整传输功率的大小和方向，控制方式相对简单。

4.根据权利要求1所述的一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压系统，其特征在于：所述并网逆变器采用电流内环和电压外环的双环控制策略，用以实现有功和无功电流的解耦控制。有功类控制方式为定直流电压控制，用来稳定mmc直流母线电压，无功类控制方式为定无功功率控制。考虑到公共桥臂复用模式切换需要一定的时间，而传统的载波移相pwm调制(carrier phase-shifted pulse width modulation，cps-pwm)下投入模块数目高频变化，无法为复用模式切换提供足够的时间，因此本发明中光伏逆变器采用cps-nlm分段联合调制方法,并配合均压和环流抑制策略。

5.根据权利要求1所述的一种基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压系统，其特征在于：所述公共桥臂复用模式的具体切换策略为：以上桥臂为例，首先计算上桥臂参考电压urefup并进行最近电平逼近调制，当上桥臂需要投入的模块数目等于n/2时继续采用nlm调制，此时ka1和ka2均导通，公共桥臂为非复用模式。当上桥臂需要投入的子模块数nu大于n/2而下桥臂nd小于n/2时，则nu由上桥臂和公共桥臂共同提供，nd由下桥臂单独提供，此时开关ka2导通，反之开关ka1导通。在每个工频周期内nlm与cps调制方式需来回切换。在两调制方式切换的瞬间，通过改变两开关的导通状态，使切换瞬间公共桥臂两端电压为0，可避免切换过程中产生过电流。

6.一种适用于基于桥臂复用型mmc的光伏直流升压汇集系统的软启动方案，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明提出了一种基于桥臂复用型MMC的光伏直流升压汇集并网系统拓扑。系统包括带低压直流母线的光伏发电单元、DC/DC变换器和MMC光伏逆变器。光伏电能先在低压直流母线处汇集，然后经高频隔离型直流变换器升压后传输至桥臂复用型MMC，最后经逆变后并网或经直流母线送出。针对该拓扑分析了各模块的工作原理，设计了并网协调控制策略。在此基础上，提出了一套软启动方法，光伏发电单元能以MPPT运行模式直接启动，可以迅速建立直流电压后进入稳态运行。

技术研发人员：许建中,王凤,张少聪,赵成勇
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21