CN103633662A

CN103633662A - 一种分布式新能源发电系统及分布式混合最大功率跟踪方法

Info

Publication number: CN103633662A
Application number: CN201210303090.2A
Authority: CN
Inventors: 吴红飞; 高峰; 孙健; 邢岩
Original assignee: Shanghai Convertergy Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Convertergy Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种分布式新能源发电系统及分布式混合最大功率跟踪方法，当系统运行时，DC-DC变换器和后端集中式变换器分别对单个新能源发电设备的输出功率差异部分以及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，同时DC-DC变换器可以从后端直流母线中抽取能量来抵消前端单个新能源发电设备输出功率的差异，通过两种MPPT功能的相互协调配合，使得整个新能源发电系统达到最大功率输出。通过本发明可以实现系统中每个新能源发电设备达到最大功率输出，并且提供输出功率的准确监测，为系统分析提供精准的数据，以便系统调整控制策略、改善系统发电效率，有利于迅速定位问题组件。

Description

一种分布式新能源发电系统及分布式混合最大功率跟踪方法

技术领域

本发明属新能源技术领域，涉及太阳能光伏电池并网/离网系统最大功率点跟踪技术，特别涉及一种新能源发电系统，以及相应的分布式混合最大功率跟踪系统以及相应的跟踪方法。

背景技术

发展和利用太阳能、热电等新型能源发电技术是应对能源和环境危机的重要举措。由于新能源发电设备成本高且能量转换效率低，极大增加了发电成本，限制了新能源发电技术的推广和应用。下面以太阳能光伏发电系统为例来说明本发明的应用背景。

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。光伏并网发电系统分为集中式和分布式两种类型。分布式MPPT系统可以保证每个光伏组件工作在各自的最大功率点，解除各个组件直接串并联连接时存在的电压或电流耦合，消除光伏组件之间特性不一致或环境条件不一致时因为彼此相互影响导致的发电量降低问题，改善系统发电效率，同时提高系统可靠性高，因而受到广泛关注。

现阶段分布式MPPT系统普遍通过串联方式接入光伏组件后端，每个MPPT系统处理的是与其相连的光伏组件整体功率，所以使得每个分布式MPPT系统的自损耗较大、发热量较大、成本较高、可靠性也下降。

综合考虑到分布式发电的特点，其成本较传统发电系统有了较大的提高，因此分布式MPPT系统的发电量和成本是个非常关键的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种分布式新能源发电系统。该系统利用DC-DC变换器和后端集中式变换器分别对单个新能源发电设备输出功率差异部分以及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，同时DC-DC变换器可以从后端直流母线中抽取能量来抵消前端单个新能源发电设备输出功率的差异，通过两种MPPT功能的相互协调配合，使得整个新能源发电系统达到最大功率输出。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种分布式新能源发电系统，所述新能源发电系统由若干新能源发电设备、若干DC-DC变换器和一个集中变换器构成，其中，所述新能源发电设备的输出端与DC-DC变换器的输入端并联，并且若干新能源发电设备的输出侧串联，由此形成直流设备组串，所述直流设备组串中新能源发电设备串联后的输出端形成高压直流母线，直流设备组串中DC-DC变换器的输出端直接与后端直流母线并联，最后直流母线再与集中变换器的输入端相连。

在发电系统的优选实例中，所述的新能源发电设备可以是光伏组件、热电池设备。

进一步的，所述的集中变换器为DC-DC变换器或并网逆变器，当集中变换器为DC-DC变换器时，集中变换器的输出端与用电负载或蓄电池相连；当集中变换器为并网逆变器时，集中变换器的输出端与电网相连。

进一步的，所述DC-DC变换器为升压型的直直变换器、非隔离的升压型变压器或者是隔离的反激变换器。

进一步的，所述新能源发电系统包括若干个直流设备组串和一个集中变换器，所述多路直流设备组串的输出端与集中变换器的输入端相连，形成新能源发电系统。

基于上述新能源发电系统，本发明还提供一种分布式混合最大功率跟踪方法，该方法包括如下步骤：

（1）当系统开始工作时，DC-DC变换器分别对每个新能源发电设备输出功率差异做MPPT，输出功率分别为p₁=i₁*u₁，p₂=i₂*u₂，。。。，p_n=i_n*u_n，单个新能源发电设备的输出功率差异Δp_n＝max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n－p_n；

（2）DC-DC变换器从后端直流母线中抽取能量Δp₁，Δp₂…Δp_n来抵消前端单个新能源发电设备输出功率差异部分，总和为p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n；

（3）后端集中式变换器对功率补偿后新能源发电系统做MPPT，输出功率为p_bus2=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus；

（4）整个新能源发电系统的最大输出功率p_max=p_bus2－p_bus1；

（5）当前端新能源的发电设备输出电流一致时，即i₁=i₂=i₃=…=i_n，Δp_n=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n－p_n=0，DC-DC变换器不需要从后端直流母线中抽取能量来抵消前端n块新能源发电设备输出功率差异，即p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n＝0，后端集中式变换器对新能源发电系统做MPPT的输出功率p_bus2=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus=i_n*u_bus，整个新能源发电系统的最大输出功率为p_max＝p_bus2－p_bus1=i_n*u_bus；

（6）当前端新能源的发电设备输出电流不一致时，即i₁≠i₂≠i₃≠…≠i_n，Δp_n＝max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n－p_n≠0，DC-DC变换器需要从后端直流母线中抽取能量来抵消前端n块新能源发电设备输出功率差异部分，总和为p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n﹥0，后端集中式变换器对功率补偿后新能源发电系统做MPPT的输出功率p_bus2=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus，整个新能源发电系统的最大输出功率p_max=p_bus2－p_bus1=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus－（Δp₁+Δp₂+…+Δp_n）。

在跟踪方法的优选方案中，所述步骤（1）中DC-DC变换器对新能源发电设备输出功率差异部分做MPPT时，当DC-DC变换器增大电压后，如果组件整体功率增大则电压继续增加至组件整体功率变小为止；当DC-DC变换器降低电压后，如果组件整体功率增加则电压继续降低至组件整体功率变小为止。

根据上述方案形成的本发明具有以下优点：

(1)本发明所述分布式最大功率点跟踪方法具有极高的系统效率，极低的自身损耗，不再具有固有的功率变换损失，系统全负载范围内的综合变换效率可以达到99.5%以上。在此基础上，系统输出能量与应用传统的DC-DC变换器相比，预计可以再提高3%~5%(此百分点由现有DC-DC变换器自身的功率变换损失决定)；

(2)本发明所述分布式最大功率点跟踪方法具有极高的系统可靠性，即使DC-DC变换器失效也不会对系统的运行产生影响；

(3)本发明所述分布式最大功率点跟踪方法具有低成本、高稳定性特点，由于DC-DC变换器只处理整体发电功率的10%~20%，因此功率部分成本大幅度降低，体积、重量也得到极大的减小；

(4)本发明所述分布式最大功率点跟踪方法可以适用于与任意已有的光伏发电系统。

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为本发明所述的新能源发电系统示意图；

图2为本发明所述的直流设备组串结构示意图。

图中符号说明：

101₁-101_n—新能源发电设备；103—集中变换器；104—蓄电池、电网或者其他用电负载；102、DC-DC—DC-DC变换器；105—直流母线；106—直流设备组串；u_bus—并网逆变器直流输入侧母线电压；p₁、p₂…p_n—新能源发电设备最大输出功率；i₁、i₂…i_n—新能源发电设备最大功率点处的输出电流；p_bus1—DC-DC变换器从后端集中式变换器抽取能量总和；p_bus2—集中式变换器对经过功率补偿后的新能源发电系统做MPPT的最大输出功率。

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，本发明提供的新能源发电系统100，由n个新能源发电设备101₁-101_n、n个DC-DC变换器102和一个集中变换器103构成，其中，新能源发电设备101₁-101_n的输出端与DC-DC变换器102的输入端并联，同时n个新能源发电设备101₁-101_n的输出侧串联，由此形成直流设备组串106；在直流设备组串106中n个新能源发电设备101₁-101_n串联后的输出端形成高压直流母线105，直流设备组串106中n个DC-DC变换器102的输出端直接与后端直流母线105并联，最后直流母线105再与集中变换器103的输入端相连，集中变换器103的输出端连接蓄电池、电网或者其他用电负载104。

其中，新能源发电设备101₁-101_n可以是光伏组件、热电池设备。

DC-DC变换器102用于对单个新能源发电设备输出功率差异部分做MPPT，并可以从后端直流母线中抽取能量来抵消前端单个新能源发电设备输出功率差异部分。

在本发明中，DC-DC变换器102可以为升压型的直直变换器、或者为非隔离的升压型变压器、或者为隔离的反激变换器。

集中变换器103用于对新能源发电系统输出功率做MPPT，其可以是DC-DC变换器或并网逆变器，当集中变换器为DC-DC变换器时，集中变换器的输出端与用电负载或蓄电池相连，当集中变换器为并网逆变器时，集中变换器的输出端与电网相连。

参见图2，在上述方案的基础上，本发明还提供进一步的优化方案，在该优化方案中新能源发电系统包括若干个直流设备组串106和一个集中变换器103，多路直流设备组串的输出端与集中变换器的输入端相连，形成新能源发电系统，而直流设备组串106内的结构和连接关系与上述一致，此处不加以赘述。

基于上述方案，本发明还提供一种分布式混合最大功率跟踪方法，该方法基于实施的新能源发电系统100，如图1所示，由n个新能源发电设备、n个DC-DC变换器和一个集中式变换器构成。

（4）整个新能源发电系统的最大输出功率p_max=p_bus2－p_bus1；

（5）当前端新能源的发电设备输出电流一致时，即i₁=i₂=i₃=…=i_n，Δp_n=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n－p_n=0，DC-DC变换器不需要从后端直流母线中抽取能量来抵消前端n块新能源发电设备输出功率差异，即p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n＝0，后端集中式变换器对新能源发电系统做MPPT的输出功率p_bus2=i_n*u_bus，整个新能源发电系统的最大输出功率为p_max=p_bus2－p_bus1=i_n*u_bus；

（6）当前端新能源的发电设备输出电流不一致时，即i₁≠i₂≠i₃≠…≠i_n，Δp_n＝max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n-p_n≠0，DC-DC变换器需要从后端直流母线中抽取能量来抵消前端n块新能源发电设备输出功率差异部分，总和为p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n﹥0，后端集中式变换器对功率补偿后新能源发电系统做MPPT的输出功率p_bus2=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus，整个新能源发电系统的最大输出功率p_max=p_bus2－p_bus1=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus－（Δp₁+Δp₂+…+Δp_n）；

（7）经过以上步骤（5）和步骤（6）的判断，无论前端n个新能源发电设备的输出电流是否有差异，整个新能源发电系统总是可以获得最大功率p_max输出。

由此可知，本发明利用DC-DC变换器和后端集中式变换器分别对单个新能源发电设备输出功率差异部分以及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，同时DC-DC变换器可以从后端直流母线中抽取能量来抵消前端单个新能源发电设备输出功率的差异，通过两种MPPT功能的相互协调配合，使得整个新能源发电系统达到最大功率输出。

另外，由于DC-DC变换器仅将单个新能源发电设备输出功率差异部分（占整体功率的10%～20%）做MPPT，所以其功率等级只是新能源发电设备的10%～20%。因此发热量非常小、体积重量也得到极大减小、成本降低，从根本上改善了新能源发电系统的系统效率，达到提高发电量、降低成本的目的。

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。

Claims

1.一种分布式新能源发电系统，所述新能源发电系统由若干新能源发电设备、若干DC-DC变换器和一个集中变换器构成，其特征在于，所述新能源发电设备的输出端与DC-DC变换器的输入端并联，并且若干新能源发电设备的输出侧串联，由此形成直流设备组串，所述直流设备组串中新能源发电设备串联后的输出端形成高压直流母线，直流设备组串中DC-DC变换器的输出端直接与后端直流母线并联，最后直流母线再与集中变换器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种分布式新能源发电系统，其特征在于，所述的新能源发电设备可以是光伏组件、热电池设备。

3.根据权利要求1所述的一种分布式新能源发电系统，其特征在于，所述的集中变换器为DC-DC变换器或并网逆变器，当集中变换器为DC-DC变换器时，集中变换器的输出端与用电负载或蓄电池相连；当集中变换器为并网逆变器时，集中变换器的输出端与电网相连。

4.根据权利要求1所述的一种分布式新能源发电系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为升压型的直直变换器、非隔离的升压型变压器或者是隔离的反激变换器。

5.根据权利要求1所述的一种分布式新能源发电系统，其特征在于，所述新能源发电系统包括若干个直流设备组串和一个集中变换器，所述多路直流设备组串的输出端与集中变换器的输入端相连，形成新能源发电系统。

6.一种分布式混合最大功率跟踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（4）整个新能源发电系统的最大输出功率p_max=p_bus2-p_bus1；

（5）当前端新能源的发电设备输出电流一致时，即i₁=i₂=i₃=…=i_n，Δp_n=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_n－p_n=0，DC-DC变换器不需要从后端直流母线中抽取能量来抵消前端n块新能源发电设备输出功率差异，即p_bus1=Δp₁+Δp₂+…+Δp_n＝0，后端集中式变换器对新能源发电系统做MPPT的输出功率p_bus2=max{i₁，i₂。。。i_n}*u_bus=i_n*u_bus，整个新能源发电系统的最大输出功率为p_max=p_bus2－p_bus1=i_n*u_bus；

7.根据权利要求6所述的一种分布式混合最大功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤（1）中DC-DC变换器对新能源发电设备输出功率差异部分做MPPT时，当DC-DC变换器增大电压后，如果组件整体功率增大则电压继续增加至组件整体功率变小为止；当DC-DC变换器降低电压后，如果组件整体功率增加则电压继续降低至组件整体功率变小为止。