CN102624022A - 一种光伏并网发电系统及其直流母线电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏并网发电系统及其直流母线电压控制方法，所述光伏并网发电系统由N个光伏直流模块、N个二极管、直流母线电容及并网逆变器构成，所述光伏直流模块由光伏组件和直流变换器构成，且每个光伏直流模块输出与一个二极管并联、各个光伏直流模块彼此串联连接形成直流母线；所述直流母线电压控制方法是指并网逆变器根据系统输出功率的变化自动调节直流母线电压，使直流母线电压随系统输出功率的减小而减小。本发明所述光伏并网发电系统具有发电效率高、系统可靠性高、维修方便、支持光伏直流模块热插拔等优点，所述直流母线电压控制方法能够有效提高系统发电效率、提高系统冗余运行能力。

Description

一种光伏并网发电系统及其直流母线电压控制方法
技术领域
本发明属电力电子变换器技术领域，特别涉及新能源发电技术领域中的功率变换器技术领域，具体涉及一种光伏并网发电系统及其母线电压控制方法。
背景技术
光伏并网发电是太阳能发电应用最主要的方式，据统计，全世界超过90%的光伏发电设备安装容量为并网应用，这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势。
常见的光伏并网发电系统包括集中式、串式多串式、交流模块式等结构。集中式光伏发电系统是将大量的光伏组件先串联到较高的电压等级，再通过二极管并联到一定的容量后经过集中并网逆变器并网，该种结构无法保证每个光伏组件均工作在最大功率点，当其中一个光伏组件受到遮挡时，整个放电系统输出功率会受到很大影响，存在光伏组件利用率低、发电效率低、系统抗局部阴影能力差和维护困难等问题。串式和多串式系统是对集中式系统的改进，该系统通过为光伏组件串联连接构成的光伏组件串配备一个直流变换器实现最大功率跟踪，各个串之间彼此相互独立，能够在一定程度上提高系统可靠性和发电效率，但仍然无法实现每个光伏组件均工作在最大功率点，存在发电效率低、可靠性低、抗局部阴影能力差等缺点。交流模块式光伏并网发电系统是对串式多串式光伏并网发电系统的进一步改进，该系统中通过为每一个光伏组件单独配备一个并网逆变器，使得各个光伏组件彼此独立，保证每个光伏组件均工作在最大功率点，具有发电效率高、抗局部阴影能力强、扩展方便等优点。但是由于光伏组件输出的功率及电压都较低，而电网电压较高，由此导致交流模块式系统中的光伏并网逆变器实现复杂、能量转换效率低、可靠性低、成本高等一系列问题，此外，在构成大功率系统式存在连接线复杂、成本高、损耗大等问题。
在整个太阳能光伏并网发电系统中，光伏电池的成本所占系统总成本的比例最高，且其价格较贵，另一方面，光伏电池的光电转换效率较低，为了降低光伏并网系统单位发电量的成本，设计和实现高效率光伏并网发电系统是光伏并网发电领域不断追求的目标；随着光伏并网发电系统的大规模安装与应用，用户对并网逆变器的可靠性、系统可维护性、容错运行能力等也提出了更高的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种具有发电效率高、可靠性高、维护方便的光伏并网发电系统及其基于该系统的直流母线电压控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光伏并网发电系统，所述光伏并网发电系统由复数个光伏直流模块、复数个二极管、直流母线电容(C Bus )及并网逆变器构成，所述二极管个数与所述光伏直流模块个数相对应，所述复数个光伏直流模块的输出端分别与复数个二极管并联相接，且光伏直流模块的正极性输出端与二极管的阴极相连，光伏直流模块的负极性输出端与二极管的阳极相连；所述复数个光伏直流模块的输出端之间通过光伏直流模块的负极性输出端与下一个光伏直流模块的正极性输出端相接的方式依次串联连接，串联连接后的第一个光伏直流模块的正极性输出端与直流母线电容(C Bus )的正极性端及并网逆变器的正极性输入端相连，最后一个光伏直流模块的负极性输出端与直流母线电容(C Bus )的负极性端及并网逆变器的负极性输入端相连；所述并网逆变器的输出端与电网(u G )相连。
进一步的，所述光伏直流模块由光伏组件和直流变换器构成，所述光伏组件的两个输出端分别与直流变换器的两个输入端相连。
再进一步的，所述光伏直流模块的个数大于等于3。
本发明的第二目的：光伏并网发电系统直流母线电压控制方法如下：
所述光伏直流模块中直流变换器跟踪光伏组件输出功率的最大功率，所述并网逆变器控制并网电流和直流母线电容(C Bus )两端电压(u Bus )，并网逆变器根据系统输出功率的大小自动调节直流母线电容电压(u Bus )的值，当系统输出功率减小时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值减小，当系统输出功率增大时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值增大。
根据上述方案形成的本发明具有以下优点：
(1) 本发明光伏并网发电系统中，通过为每一个光伏模块单独配备一个直流变换器构成光伏直流模块，可以保证每一个光伏组件均工作在最大功率点，避免了各个光伏组件特性不匹配造成的发电功率降低，发电效率高、抗局部阴影能力强；
(2) 各个光伏直流模块串联连接形成高压直流母线，保证了每一个光伏直流模块的输出电压较低，从而有效降低了光伏直流模块中直流变换器的电压应力，有利于发电效率的提高；
 (3) 通过实时调整直流母线电压，有效降低了光伏直流模块中直流变换器的电压应力，改善轻载输出时整个系统的发电效率；
(4)由于每个光伏直流模块的输出侧都与二极管并联连接，当光伏直流模块故障时，可以直接将其从系统中切出，其它光伏直流模块仍可以通过二极管串联连接，因此不会对整个系统的工作造成影响；当故障模块修复后，可以直接将其与对应的二极管重新并联连接，在接入的过程中也不会对系统中其它光伏直流模块的工作产生影响。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明光伏并网发电系统原理图。
图2为本发明具体实施例电路原理图。
图3为本发明实施例中系统输出功率与直流母线电容电压关系示意图。
图4为本发明实施例中当光伏直流模块2故障并退出系统后的等效原理图。
图中符号说明：PV—光伏组件；DC/DC—直流变换器；D 1、D 2……D N —二极管；C Bus —直流母线电容；U Bus —直流母线电容电压；DC/AC—并网逆变器；u G —电网。 
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明提供的光伏并网发电系统由N(N为大于等于3的整数)个光伏直流模块、N个二极管(D 1、D 2…D N )、直流母线电容(C Bus )及并网逆变器构成。
其中光伏直流模块由光伏组件和直流变换器构成，光伏组件的两个输出端分别与直流变换器的两个输入端相连。
本发明中N个光伏直流模块的输出端分别与N个二极管并联连接，且光伏直流模块的正极性输出端与二极管的阴极相连，光伏直流模块的负极性输出端与二极管的阳极相连。
再者，光伏直流模块1的输出端顺序与光伏直流模块2的输出端……光伏直流模块N的输出端串联连接，串联连接的方式为光伏直流模块M的负极性输出端与光伏直流模块M+1的正极性输出端连接，其中M为大于等于1且小于等于N-1的整数。同时光伏直流模块1的正极性输出端与直流母线电容(C Bus )的正极性端及并网逆变器的正极性输入端相连，光伏直流模块N的负极性输出端与直流母线电容(C Bus )的负极性端及并网逆变器的负极性输入端相连，并网逆变器的输出端与电网(u G )相连。
参见图1，光伏直流模块中的直流变换器用于完成光伏组件输出功率的最大功率跟踪控制，而并网逆变器用于实现并网电流的控制和直流母线电容(C Bus )两端电压(u Bus )的控制。
由于光伏直流模块采用串联连接，其输出端电压的大小与其输出功率成正比，而直流母线电容电压(u Bus )由并网逆变器控制，当其中某一个光伏直流模块受到遮挡而导致输出功率减小时，其输出端电压也会减小，相应的其它输出功率较大的光伏直流模块输出侧电压就会上升，从而导致其它光伏直流模块中直流变换器的电压应力升高。
另一方面，当光照减弱而导致光伏模块输出功率减小时，光伏组件输出功率最大功率点对应的电压也会降低，若此时能够实时减小光伏直流模块中直流变换器的输出电压，则能够保证光伏直流模块较高的能量转换效率。
为了减小光伏直流模块中直流变换器的电压应力，同时保证整个系统在光照条件减弱时仍具有较高的发电效率，本技术方案提出的光伏并网发电系统直流母线电压控制方法如下：并网逆变器根据系统输出功率的大小自动调节直流母线电容电压(u Bus )的值，当系统输出功率减小时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值减小，当系统输出功率增大时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值增大。
在本发明的一个实施例中，光伏直流模块中的直流变换器采用非隔离升降压变换器，并网逆变器采用全桥逆变器，整个光伏并网发电系统中包括10个光伏直流模块，其原理图如附图2所示。
上述实施中的光伏并网发电系统运行时，光伏直流模块输出电压在0~60V之间变化，每个光伏直流模块输出功率在0~300W之间变化，并网逆变器满载功率为3000W，满载时直流母线电容电压为400V。
参见图3，根据直流母线电容电压随输出功率变化关系可知，当输出功率减小时，直流母线电容电压随输出功率线性减小，当输出功率减小到满载的60%时，直流母线电容电压降到最低350V，输出功率进一步减小时，直流母线电容电压保持在350V不变，即不再跟随输出功率减小而变化。
由图2可知，当各个光伏直流模块输出功率一致时，各个模块输出端电压为40V，直流母线电容电压为400V。假如某些光伏组件受到局部遮挡等原因，输出功率下降，考虑极端的情况，其输出功率减小到零，则其对应的输出侧电压也将减小到零，若直流母线电容电压维持400V不变，则其它光伏直流模块的输出侧电压会上升；由于各个光伏直流模块输出侧电压最大值为60V，为了维持400V的直流母线电容电压，则系统允许最多有3个光伏直流模块完全不输出功率，而采用直流母线电容电压自动降低控制方案以后，系统最多将允许有4个光伏直流模块完全不输出功率。
在本实施例中，若某一光伏直流模块故障，则可以直接将其切除，而不会对系统中其它光伏直流模块的工作产生影响，比如，模块2故障而切除时，系统等效电路如附图4所示，根据图4可知，由于二极管D 2的作用，模块2切除后，系统仍可以继续工作，而当模块2修复后，可以再将其直接与二极管D 2并联，进而开始工作。根据上述分析可以发现，模块的退出和接入不会对系统中其它模块的工作状况产生影响，即允许光伏直流模块的热插拔。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定                                                
Figure 142285DEST_PATH_IMAGE001
。

Claims (4)

1.一种光伏并网发电系统，其特征在于，所述光伏并网发电系统由复数个光伏直流模块、复数个二极管、直流母线电容(C Bus )及并网逆变器构成，所述二极管个数与所述光伏直流模块个数相对应，所述复数个光伏直流模块的输出端分别与复数个二极管并联相接，且光伏直流模块的正极性输出端与二极管的阴极相连，光伏直流模块的负极性输出端与二极管的阳极相连；所述复数个光伏直流模块的输出端之间通过光伏直流模块的负极性输出端与下一个光伏直流模块的正极性输出端相接的方式依次串联连接，串联连接后的第一个光伏直流模块的正极性输出端与直流母线电容(C Bus )的正极性端及并网逆变器的正极性输入端相连，最后一个光伏直流模块的负极性输出端与直流母线电容(C Bus )的负极性端及并网逆变器的负极性输入端相连；所述并网逆变器的输出端与电网(u G )相连。
2.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统，其特征在于，所述光伏直流模块由光伏组件和直流变换器构成，所述光伏组件的两个输出端分别与直流变换器的两个输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种光伏并网发电系统，其特征在于，所述光伏直流模块的个数大于等于3。
4.一种光伏并网发电系统直流母线电压控制方法，其特征在于，所述控制方法如下：所述光伏直流模块中直流变换器跟踪光伏组件输出功率的最大功率，所述并网逆变器控制并网电流和直流母线电容(C Bus )两端电压(u Bus )，并网逆变器根据系统输出功率的大小自动调节直流母线电容电压(u Bus )的值，当系统输出功率减小时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值减小，当系统输出功率增大时，调节直流母线电容电压(u Bus )的值增大。
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