CN102969707A - 一种串联分布式新能源发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串联分布式新能源发电系统及其控制方法，它包括由若干发电模块串联连接形成的发电模块组串，所述发电模块组串的输出端连接所述集中式直流变换器；每一所述发电模块的输出端分别连接一分布式直流变换器，各所述分布式直流变换器的输出端并联后，与所述集中式直流变换器的输出端并联连接所述直流负载或所述蓄电池；所述最大功率跟踪控制器用于对所述集中式直流变换器的输入电压、输入电流以及各所述分布式直流变换器的输入电压、输入电流进行采样，并根据采样信号产生对所述集中式直流变换器的控制信号和对各所述分布式直流变换器的控制信号。本发明能够使所有发电模块都工作在各自的最大功率点，使系统自动实现最大功率输出。

Description

一种串联分布式新能源发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种发电系统及其控制方法，特别涉及一种适用于光伏发电系统或热电发电系统的串联分布式新能源发电系统及其控制方法。

背景技术

随着可再生能源发电技术的发展，分布式发电系统日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径。分布式发电系统中，新能源发电设备的接入方式直接影响系统发电效率。按照新能源发电设备实现最大功率跟踪的方式，可以将新能源发电系统分为集中式和分布式。

集中式发电系统是将多个发电模块串联以形成较高的电压等级，然后通过一个集中式变换器实现整个发电模块组串的最大功率跟踪。集中式系统最主要的优点是结构简单、功率变换效率高；然而，其存在的主要问题是发电模块的电气参数易失配，无法实现每个发电模块准确的最大功率点跟踪，即从发电模块的角度，最大功率跟踪效率低。

分布式发电系统是通过为每一个发电模块配备一个分布式直流变换器，保证各个发电模块都工作在最大功率点，发电模块本身发电效率高，即从发电模块的角度，最大功率跟踪效率高。然而，其相对于集中式系统存在的主要问题在于：由于每个分布式直流变换器需要按照其相应的发电模块的峰值功率来设计，每个直流变换器都存在由于自身控制、驱动引起的固有损耗，从而导致直流变换器在轻载工作时的变换效率迅速降低，使得系统在轻载工作时的发电量反而低于集中式系统。

上述分析表明：无论是集中式还是分布式的发电系统，都无法同时兼顾发电模块在整个输出功率范围内的最大的功率跟踪效率和最优的功率变换效率，难以实现整个发电系统在输出功率范围内输出功率的最大化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时兼顾各发电模块在整个输出功率范围内的最大的功率跟踪效率和最优的功率变换效率的，串联分布式新能源发电系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：它包括若干发电模块、一集中式直流变换器、若干分布式直流变换器、一最大功率跟踪控制器、至少一直流负载或一蓄电池；所述若干发电模块串联连接形成一发电模块组串，所述发电模块组串的输出端连接所述集中式直流变换器；每一所述发电模块的输出端分别连接一分布式直流变换器，各所述分布式直流变换器的输出端并联后，与所述集中式直流变换器的输出端并联连接所述直流负载或所述蓄电池；所述最大功率跟踪控制器用于对所述集中式直流变换器的输入电压、输入电流以及各所述分布式直流变换器的输入电压、输入电流进行采样，并根据采样信号产生对所述集中式直流变换器的控制信号和对各所述分布式直流变换器的控制信号。

所述发电模块为光伏组件或热电池或燃料电池。

所述集中式直流变换器是非隔离变换器或隔离变换器。

所述分布式直流变换器是隔离变换器。

一种串联分布式新能源发电系统的控制方法，它包括以下步骤：1）最大功率跟踪控制器通过改变集中式直流变换器输入电压的方式，始终对模块组串进行最大功率跟踪；2）当集中式直流变换器进入稳态工作后，最大功率跟踪控制器按顺序循环地对第1个、第2个…第N个发电模块进行最大功率跟踪控制；当最大功率跟踪控制器通过改变第k（k<N）个分布式直流变换器的输入电流的方式，对第k个发电模块进行最大功率跟踪控制时，除第k个以外的分布式直流变换器保持其输入电流不变；当第k个发电模块达到最大功率点时，第k个分布式直流变换器保持其输入电流不变，最大功率跟踪控制器继续对下一个新能源发电模块进行最大功率跟踪控制。

所述步骤1）中，最大功率跟踪控制器通过改变集中式直流变换器输入电压的方式，包括如下过程：①如果增加集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变大，则继续增加集中式直流变换器输入电压；②如果增加集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变小，则减小集中式直流变换器输入电压；③如果减小集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变大，则继续减小集中式直流变换器输入电压；④如果减小集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变小，则增大集中式直流变换器输入电压。

所述步骤2）中，最大功率跟踪控制器通过改变第k（k<N）个分布式直流变换器的输入电流的方式，对第k个发电模块进行最大功率跟踪控制，包括以下过程：①如果增加第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变大，则继续增加第k个分布式直流变换器的输入电流；②如果增加第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变小，则减小第k个分布式直流变换器输入电流；③如果减小第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变大，则继续减小第k个分布式直流变换器的输入电流；④如果减小第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变小，则增大第k个分布式直流变换器输入电流。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明系统由于发电模块既与集中式直流变换器相连，又与分布式直流变换器相连，而且各分布式直流变换器的输出端和集中式直流变换器的输出端并联后与直流负载5或蓄电池6相连；最大功率跟踪控制器对集中式直流变换器和各分布式直流变换器的输入电压和输入电流的进行采样，并产生相应的控制信号；因此，本发明将集中式发电系统与分布式发电系统相结合，使得其同时具备分布式发电系统的最大功率跟踪效率高以及集中式发电系统的功率变换效率高的优点，从而改善新能源发电系统的系统效率，达到提高发电量的目的。2、本发明的集中式直流变换器的工作方式、控制方式以及设计与传统的集中式新能源发电系统中的直流变换器相同，当所有的分布式直流变换器都出现故障时，本发明系统仍能够像传统的集中式新能源发电系统一样正常工作；因此，本发明系统具有可靠性较高的优点。本发明能够使各发电模块在整个输出功率范围内实现最大功率跟踪效率和最优功率变换效率，本发明可以广泛地应用于各种发电系统。

附图说明

图1是本发明发电系统的电路示意图

图2是本发明所有分布式直流变换器关闭时的电路电路图

图3是本发明实施例1第二个分布式直流变换器不工作时的电路示意图

图4是本发明实施例2的电路示意图

图5是本发明实施例2的具体电路示意图

图6是本发明实施例2中第二个热电池输出电流小于第一个热电池时的电路示意图

图7是本发明实施例2中两个反激直流变换器全部关闭时的电路示意图

图8是本发明实施例2中实验波形图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括若干发电模块1（假设一共有N个）、一集中式直流变换器2、若干分布式直流变换器3、一最大功率跟踪控制器4、至少一直流负载5或一蓄电池6。

本发明的若干发电模块1串联连接形成一发电模块组串7，发电模块组串7的输出端连接集中式直流变换器2；每一发电模块1的输出端分别连接一分布式直流变换器3，各分布式直流变换器3的输出端并联后，与集中式直流变换器2的输出端并联连接直流负载5或蓄电池6。最大功率跟踪控制器4用于对集中式直流变换器2的输入电压、输入电流(u_bus、i_bus)以及各分布式直流变换器3的输入电压、输入电流(u_o1、i_o1、u_o2、i_o2……u_oN、i_oN)进行采样，并根据采样信号产生集中式直流变换器2的控制信号(u_gs集中)和各分布式直流变换器3的控制信号(u_gs1、u_gs2……u_gsN)。

上述实施例中，发电模块1可以是光伏组件、热电池、燃料电池等新能源发电设备；集中式直流变换器2可以是非隔离变换器，也可以是隔离变换器；分布式直流变换器3是隔离变换器。

上述实施例中，集中式直流变换器2的工作方式、控制方式和设计与传统的集中式新能源发电系统中的直流变换器相同，即当所有的分布式直流变换器3都出现故障时（如图2所示），或者在某一个或某几个发电模块1输出功率较小时被关闭时，该系统仍能够像传统的集中式新能源发电系统一样正常工作，因此，本发明系统具有较高的可靠性。

本发明发电系统的最大功率跟踪控制方法包括以下步骤：

1）最大功率跟踪控制器4通过改变集中式直流变换器2输入电压u_bus的方式，始终对模块组串7进行最大功率跟踪，具体控制过程如下：

①如果增加集中式直流变换器2输入电压u_bus后，集中式直流变换器2的输入功率变大，则继续增加集中式直流变换器2输入电压u_bus；

②如果增加集中式直流变换器2输入电压u_bus后，集中式直流变换器2的输入功率变小，则减小集中式直流变换器2输入电压u_bus；

③如果减小集中式直流变换器2输入电压u_bus后，集中式直流变换器2的输入功率变大，则继续减小集中式直流变换器2输入电压u_bus；

④如果减小集中式直流变换器2输入电压u_bus后，集中式直流变换器2的输入功率变小，则增大集中式直流变换器2输入电压u_bus。

2）当集中式直流变换器2进入稳态工作后，最大功率跟踪控制器4通过改变分布式直流变换器3输入电流的方式，按顺序循环地对第1个、第2个…第N个发电模块1进行最大功率跟踪控制。

当最大功率跟踪控制器4通过改变第k（k<N）个分布式直流变换器3的输入电流iik的方式，对第k个发电模块1进行最大功率跟踪控制时，除第k个以外的分布式直流变换器3保持其输入电流不变。

最大功率跟踪控制器4对第k个发电模块1进行最大功率跟踪控制的过程如下：

①如果增加第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik后，第k个发电模块1的输入功率变大，则继续增加第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik；

②如果增加第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik后，第k个发电模块1的输入功率变小，则减小第k个分布式直流变换器3输入电流i_ik；

③如果减小第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik后，第k个发电模块1的输入功率变大，则继续减小第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik；

④如果减小第k个分布式直流变换器3的输入电流i_ik后，第k个发电模块1的输入功率变小，则增大第k个分布式直流变换器3输入电流i_ik。

当第k个发电模块1达到最大功率点时，第k个分布式直流变换器3保持其输入电流不变，最大功率跟踪控制器4继续对下一个发电模块1进行最大功率跟踪控制。

上述系统的工作原理分析如下：由于各发电模块1串联连接，当集中式变换器2单独进行最大功率跟踪并进入稳态时，集中式变换器2的输入电流i_bus将等于所有发电模块1中最大功率点电流最小的那个电流值。此时，进一步使各分布式直流变换器3分时工作，来检测与其相连的发电模块1的输出电流是否达到了最大功率点电流；若与其相连的发电模块1的电流已经达到最大功率点电流，则分布式直流变换器3不工作；若与其相连的发电模块1的电流小于当前模块的最大功率点电流，则分布式直流变换器3工作。

经过上述过程且系统达到稳态后，分布式直流变换器3的输入电流将等于与之相连的发电模块1的最大功率点电流与集中式直流变换器2输入电流之差。

实施例1：工作原理举例

如图1所示，假设第二个发电模块1的最大功率点电流是发电模块组串7中最小的，则系统工作且达到稳态后，与第二个发电模块1相连的分布式直流变换器3不工作（如图3所示）。在上述假设下，集中式直流变换器2和各分布式直流变换器3的输入电压、输入电流，可以用下面各式表示：

集中式直流变换器2的输入电压u_bus：

$u_{\mathrm{bus}}=\underset{k=1}{\overset{k=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{\mathrm{ok}}---\left(1\right)$

集中式直流变换器2的输入电流i_bus：

i_bus=i_o2                                （2）

式中，i_o2为第二个发电模块1的输出电流；u_ok为第k个发电模块1的输出电压。

假设第k个分布式直流变换器3的输入电流为i_ik，则

i_ik=i_ok-i_o2                             （3）

式中，i_ok为第k个发电模块1的输出电流。

假设第k个分布式直流变换器3的输入功率p_ik，则：

p_ik=u_oki_ik=u_ok(i_ok-i_o2)                 （4）

那么集中式直流变换器2的输入功率p_iC：

$p_{\mathrm{iC}}=u_{\mathrm{bus}}{i}_{\mathrm{bus}}=\underset{k=1}{\overset{k=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{\mathrm{ok}}{i}_{o2}---\left(5\right)$

根据上述分析可知，集中式直流变换器2处理了发电模块组串7输出功率中的大部分功率，而分布式直流变换器3仅处理由各发电模块1的输出电流差异引起的部分差异功率，即分布式直流变换器3的额定功率可以很小，因此可以针对性地优化设计小功率分布式直流变换器3，使其在很低的功率时仍能达到较高的效率，从而使系统达到较高的功率变换效率。

实施例2：本发明一具体实施例

如图4、图5所示，该系统包含由两个发电模块1组成的发电模块组串7，每一发电模块1的输出端与一分布式直流变换器3的输入端连接，发电模块组串7的输出端与集中式直流变换器2的输入端连接，集中式直流变换器2和分布式直流变换器3的输出端都与蓄电池6相连。其中，发电模块1采用热电池，集中式直流变换器2采用Boost变换器，而分布式直流变换器3采用反激直流变换器。每一热电池的最大输出功率为25W，因此Boost变换器的输出功率设计为50W，考虑各热电池之间最大存在20%的功率差异，因此反激变换器的设计额定功率为5W。

假设第二个热电池1的最大功率点电流小于第一个热电池1的最大功率点电流，则系统稳态工作时，与第二个热电池1相连的反激直流变换器4不工作（如图6所示）。当两个反激直流变换器4都不工作时，系统等效于一集中式的热电发电系统（如图7所示）。

如图8所示，本发明系统进入稳态工作时的实验波形图。从波形图中可以看到，集中式的Boost变换器2仍始终工作并进行最大功率跟踪；同时，可以看出第一个反激变换器3处于工作状态，而第二个反激变换器3保持关断状态，这表明此时第二个热电池1的最大功率点电流小于第一个热电池1的最大功率点电流。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：

它包括若干发电模块、一集中式直流变换器、若干分布式直流变换器、一最大功率跟踪控制器、至少一直流负载或一蓄电池；

所述若干发电模块串联连接形成一发电模块组串，所述发电模块组串的输出端连接所述集中式直流变换器；每一所述发电模块的输出端分别连接一分布式直流变换器，各所述分布式直流变换器的输出端并联后，与所述集中式直流变换器的输出端并联连接所述直流负载或所述蓄电池；

所述最大功率跟踪控制器用于对所述集中式直流变换器的输入电压、输入电流以及各所述分布式直流变换器的输入电压、输入电流进行采样，并根据采样信号产生对所述集中式直流变换器的控制信号和对各所述分布式直流变换器的控制信号。

2.如权利要求1所述的一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：所述发电模块为光伏组件或热电池或燃料电池。

3.如权利要求1所述的一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：所述集中式直流变换器是非隔离变换器或隔离变换器。

4.如权利要求2所述的一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：所述集中式直流变换器是非隔离变换器或隔离变换器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种串联分布式新能源发电系统，其特征在于：所述分布式直流变换器是隔离变换器。

6.如权利要求1～5所述的一种串联分布式新能源发电系统的控制方法，它包括以下步骤：

1）最大功率跟踪控制器通过改变集中式直流变换器输入电压的方式，始终对模块组串进行最大功率跟踪；

2）当集中式直流变换器进入稳态工作后，最大功率跟踪控制器按顺序循环地对第1个、第2个…第N个发电模块进行最大功率跟踪控制；

当最大功率跟踪控制器通过改变第k（k<N）个分布式直流变换器的输入电流的方式，对第k个发电模块进行最大功率跟踪控制时，除第k个以外的分布式直流变换器保持其输入电流不变；

当第k个发电模块达到最大功率点时，第k个分布式直流变换器保持其输入电流不变，最大功率跟踪控制器继续对下一个新能源发电模块进行最大功率跟踪控制。

7.如权利要求6所述的一种串联分布式新能源发电系统的控制方法，所述步骤1）中，最大功率跟踪控制器通过改变集中式直流变换器输入电压的方式，包括如下过程：

①如果增加集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变大，则继续增加集中式直流变换器输入电压；

②如果增加集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变小，则减小集中式直流变换器输入电压；

③如果减小集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变大，则继续减小集中式直流变换器输入电压；

④如果减小集中式直流变换器输入电压后，集中式直流变换器的输入功率变小，则增大集中式直流变换器输入电压。

8.如权利要求6或7所述的一种串联分布式新能源发电系统的控制方法，所述步骤2）中，最大功率跟踪控制器通过改变第k（k<N）个分布式直流变换器的输入电流的方式，对第k个发电模块进行最大功率跟踪控制，包括以下过程：

①如果增加第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变大，则继续增加第k个分布式直流变换器的输入电流；

②如果增加第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变小，则减小第k个分布式直流变换器输入电流；

③如果减小第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变大，则继续减小第k个分布式直流变换器的输入电流；

④如果减小第k个分布式直流变换器的输入电流后，第k个发电模块的输入功率变小，则增大第k个分布式直流变换器输入电流。

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