CN104113073A - 一种新能源发电系统以及分布式混合最大功率跟踪方法 - Google Patents

一种新能源发电系统以及分布式混合最大功率跟踪方法 Download PDF

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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，其中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及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，为保证每个新能源发电设备输出最大功率，同时又满足串联方式电流相同的特性，将新能源发电设备的差异电流送入DC-DC变化器，利用DC-DC变换器调整输出电压使这部分能量再并入直流母线，共同送入集中式变换器，通过两种MPPT功能的协调配合，使得整个新能源发电系统实现最大功率输出。通过本发明可以实现系统中每个新能源发电设备实现最大功率输出，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，提高系统发电效率，并能迅速定位问题新能源发电设备。

Description

一种新能源发电系统以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新能源发电设备工作在各自的最大功率点，解除各个新能源发电设备直接串并联连接时存在的电压或电流耦合，消除光伏新能源发电设备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新能源发电设备后端，每个MPPT系统处理的是与其相连的光伏新能源发电设备整体功率，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
本发明针对现有分布式MPPT系统所存在的问题，而提供一种分布式新能源发电系统；同时基于该系统，本发明还提供一种分布式混合最大功率跟踪方法。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以及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，新能源发电设备的差异电流送入DC-DC变化器，利用DC-DC变换器调整输出电压使这部分能量再并入直流母线，共同送入集中式变换器，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；再者，直流设备组串中每个新能源发电设备对应的DC-DC变换器的输出端再依次串联后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新能源发电设备、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变换器为隔离的升降压型的直直变换器。
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。
作为本发明的第二目的，基于上述系统实施的分布式混合最大功率跟踪方法，当系统运行时，前端的DC-DC变换器和后端集中式变换器分别对对应连接的新能源发电设备的输出功率及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT；同时，将每个新能源发电设备产生的差异电流送入对应连接的DC-DC变换器，利用DC-DC变换器调整输出电压使这部分能量再并入高压直流母线，共同送入后端集中式变换器。
在跟踪方法方案的优选实例中，通过DC-DC变换器分流相应差异电流产生的部分功率即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出；DC-DC变换器调整输入电压时，当DC-DC变换器增大电压后，如果新能源发电设备整体功率增大则电压继续增加至新能源发电设备整体功率变小为止；当DC-DC变换器降低电压后，如果新能源发电设备整体功率增加则电压继续降低至新能源发电设备整体功率变小为止。
进一步的，所述跟踪方法的具体实施如下：
（1）当系统开始工作时，前端的DC-DC变换器分别对每个新能源发电设备输出功率做MPPT，即分别调节u1，u2…un为与当前条件对应的固定值，以实现各个新能源发电设备的MPPT，u1+u2+…+un=ubus；各新能源发电设备的输出功率分别为p1=i1*u1，p2=i2*u2，…，pn=in*un，其中i1、i2…in为新能源发电设备最大功率点处的输出电流，u1、u2…un为新能源发电设备最大功率点处的输出电压；此时，新能源发电设备串联支路的输出电流为ibus1，且ibus1<min{i1，i2…in}，由此可以确定新能源发电设备串联支路输出功率为pbus1=ibus1*ubus；
（2）每个新能源发电设备输入对应的DC-DC变换器根据每个新能源发电设备在最大功率点处的输出电流与新能源发电设备串联支路的输出电流之间的差值分流相应的部分功率，具体功率为Δp1，Δp2…Δpn，Δpn=（in-ibus1）*un；
（3）所有DC-DC变换器输出端串联支路输出总功率为pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn；DC-DC输出端串联支路的电流为ibus2=pbus2/ubus，据此每个DC-DC变换器调整输出电压为vn=Δpn/ibus2，并且满足条件v1+v2+…+vn=ubus；
（4）整个新能源发电系统的最大输出功率pmax=pbus2+pbus1；
（5）当前端新能源的发电设备输出一致时，DC-DC变换器全部关掉，后端集中式变换器的MPPT功能即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出；此时i1=i2=i3=…=in，Δp1=Δp2=…=Δpn=0；整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=in*ubus；
（6）当前端新能源的发电设备输出不完全一致时，即不满足i1=i2=i3=…=in，DC-DC变换器需要对对应的新能源发电设备单独调整，以实现每个新能源设备的最大功率输出，新能源发电设备串联支路输出功率pbus1=ibus1*ubus，DC-DC变换器输出端串联支路输出功率pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn，整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=（ibus1+ibus2）*ubus。
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为本发明优化实时的新能源发电系统示意图。
图中符号说明：
1011-101n—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变换器；105—直流母线；106—直流设备组串；ubus—并网逆变器直流输入侧母线电压；p1、p2…pn—新能源发电设备最大输出功率；i1、i2…in—新能源发电设备最大功率点处的输出电流；pbus1—新能源发电设备串联支路能量总和；pbus2—DC-DC变换器输出端串联支路能量总和。
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1011-101n、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1011-101n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1011-101n的输出侧依次串联，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1011-101n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个新能源发电设备1011-101n对应的n个DC-DC变换器102的输出端再依次串联后与后端直流母线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1011-101n可以是光伏新能源发电设备、热电池设备。
DC-DC变换器102用于对对应连接的新能源发电设备的输出功率做MPPT，同时分流一小部分功率，由此实现对每个新能源发电设备的最大功率输出。为此，本发明将其中功率最小的DC-DC变换器的分流功率值预先设定为固定值Δpmin，其它路的DC-DC变换器根据该固定值确定的其它数值来进行相应的功率分流。
在本发明中，DC-DC变换器102为隔离的升降压型变换器。
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分别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。采用本跟踪方法的系统运行时，系统中的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及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT；为保证每个新能源发电设备输出最大功率，同时又满足串联方式电流相同的特性，将新能源发电设备产生的差异电流送入对应的DC-DC变换器，利用DC-DC变换器调整输出电压使这部分能量再并入直流母线，共同送入集中式变换器，通过两种MPPT功能的协调配合，使得整个新能源发电系统实现最大功率输出。
基于上述原理，分布式混合最大功率跟踪方案的具体实时过程如下（参见图1）：
（1）当系统开始工作时，前端的DC-DC变换器分别对每个新能源发电设备输出功率做MPPT，即分别调节u1，u2…un为与当前条件对应的固定值，以实现各个新能源发电设备的MPPT，同时集中变换器对新能源发电系统输出功率做MPPT，此时u1+u2+…+un=ubus；由此各新能源发电设备的输出功率分别为p1=i1*u1，p2=i2*u2，…，pn=in*un，其中i1、i2…in为新能源发电设备最大功率点处的输出电流，u1、u2…un为新能源发电设备最大功率点处的输出电压。此时，新能源发电设备串联支路的输出电流为ibus1，则ibus1<min{i1，i2…in}；由此可以确定新能源发电设备串联支路输出功率为pbus1=ibus1*ubus。
该步骤中的新能源发电设备串联支路的输出电流ibus1由预设的DC-DC变换器最小功率值Δpmin来确定，即若整个系统中第m个DC-DC变换器的分流功率最小，即为Δpmin，同时该DC-DC变换器还对对应的新能源发电设备输出功率做MPPT，则对应的新能源发电设备的输出电流im和输出电压um为固定值，由于DC-DC变换器的输入端与对应的新能源发电设备的输出端并接，故DC-DC变换器的输入电压与对应的新能源发电设备的输出电压相同为um，由于该DC-DC变换器输出功率为预设的固定值Δpmin，则可以确定分流到DC-DC变换器内的差异电流为Δpmin/um，从而可以确定新能源发电设备串联支路的输出电流ibus1=im-Δpmin/um。
（2）由于系统中所有新能源发电设备的输出端串接，故每个新能源发电设备输入对应的DC-DC变换器根据每个新能源发电设备在最大功率点处的输出电流与新能源发电设备串联支路的输出电流之间的差值分流相应的部分功率，每个新能源发电设备输入对应的DC-DC变换器的分流功率为Δp1，Δp2…Δpn，Δpn=（in-ibus1）*un；其中Δpmin=min{Δp1，Δp2…Δpn}为预先设定的固定值，Δpmin设定为非常小的一个值（具体根据实际情况而定），这样使最少的功率经过DC-DC变化器，使系统整体效率最大化；如果min{p1，p2…pn}≤Δpmin，即功率最小的新能源发电设备的功率小于Δpmin，则所有功率小于Δpmin的新能源发电设备对应的DC-DC变换器处于关断状态，对应DC-DC变换器输出端电流流经变换器内部的旁路二极管；如果min{p1，p2…pn}>Δpmin，则所有DC-DC变换器处于开启状态。
（3）根据步骤（2）确定的各个DC-DC变换器的输出功率，可以确定DC-DC串联支路输出总功率为pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn；从而可以确定DC-DC串联支路的电流为ibus2=pbus2/ubus，其中ubus=u1+u2+…+un，由于所有DC-DC变换器的输出端依次串接，故所有DC-DC变换器输出端的电流必须相同，据此，每个DC-DC变换器对自己的输出电压进行调整，使得每个DC-DC变换器的输出电压为vn=Δpn/ibus2，并且满足条件v1+v2+…+vn=ubus，由此保证每个新能源发电设备输出最大功率，同时又满足串联方式电流相同的特性。
该步骤中通过DC-DC变换器分流一小部分功率即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出，每个DC-DC变换器在进行输入电压调整时，当DC-DC变换器增大电压后，如果新能源发电设备整体功率增大则电压继续增加至新能源发电设备整体功率变小为止；当DC-DC变换器降低电压后，如果新能源发电设备整体功率增加则电压继续降低至新能源发电设备整体功率变小为止。
（4）整个新能源发电系统的最大输出功率pmax=pbus2+pbus1；
（5）当前端新能源的发电设备输出一致时，DC-DC变换器全部关掉，后端集中式变换器的MPPT功能即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出；此时i1=i2=i3=…=in，Δp1=Δp2=…=Δpn=0；整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=in*ubus；
（6）当前端新能源的发电设备输出不完全一致时，即不满足i1=i2=i3=…=in，DC-DC变换器需要对对应的新能源发电设备单独调整，以实现每个新能源设备的最大功率输出，新能源发电设备串联支路输出功率pbus1=ibus1*ubus，DC-DC变换器串联支路输出功率pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn，整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=（ibus1+ibus2）*ubus；
（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pmax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以及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT，DC-DC变换器通过分流一部分能量可实现对应新能源发电设备的MPPT，新能源发电设备串联支路与DC-DC变换器输出端串联支路并联后再送入集中式变换器对整个系统做MPPT，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一小部分（占整体功率的10%～20%）分流出，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 (8)

1.一种新能源发电系统，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；其特征在于，所述直流设备组串中每个新能源发电设备对应的DC-DC变换器的输出端再依次串联后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新能源发电设备、热电池设备。
3.根据权利要求1所述的一种新能源发电系统，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所述的一种新能源发电系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为隔离的升降压型的直直变换器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种新能源发电系统，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.分布式混合最大功率跟踪方法，其特征在于，当系统运行时，前端的DC-DC变换器和后端集中式变换器分别对对应连接的新能源发电设备的输出功率及整个新能源发电系统的输出功率做MPPT；同时，将每个新能源发电设备产生的差异电流送入对应连接的DC-DC变换器，利用DC-DC变换器调整输出电压使这部分能量再并入高压直流母线，共同送入后端集中式变换器。
7.根据权利要求6所述的分布式混合最大功率跟踪方法，其特征在于，通过DC-DC变换器分流相应差异电流产生的部分功率即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出；DC-DC变换器调整输入电压时，当DC-DC变换器增大电压后，如果新能源发电设备整体功率增大则电压继续增加至新能源发电设备整体功率变小为止；当DC-DC变换器降低电压后，如果新能源发电设备整体功率增加则电压继续降低至新能源发电设备整体功率变小为止。
8.根据权利要求6或7所述的分布式混合最大功率跟踪方法，其特征在于，所述跟踪方法的具体实施如下：
（1）当系统开始工作时，前端的DC-DC变换器分别对每个新能源发电设备输出功率做MPPT，即分别调节u1，u2…un为与当前条件对应的固定值，以实现各个新能源发电设备的MPPT，u1+u2+…+un=ubus；各新能源发电设备的输出功率分别为p1=i1*u1，p2=i2*u2，…，pn=in*un，其中i1、i2…in为新能源发电设备最大功率点处的输出电流，u1、u2…un为新能源发电设备最大功率点处的输出电压；此时，新能源发电设备串联支路的输出电流为ibus1，且ibus1<min{i1，i2…in}，由此可以确定新能源发电设备串联支路输出功率为pbus1=ibus1*ubus；
（2）每个新能源发电设备输入对应的DC-DC变换器根据每个新能源发电设备在最大功率点处的输出电流与新能源发电设备串联支路的输出电流之间的差值分流相应的部分功率，具体功率为Δp1，Δp2…Δpn，Δpn=（in-ibus1）*un；
（3）所有DC-DC变换器输出端串联支路输出总功率为pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn；DC-DC输出端串联支路的电流为ibus2=pbus2/ubus，据此每个DC-DC变换器调整输出电压为vn=Δpn/ibus2，并且满足条件v1+v2+…+vn=ubus；
（4）整个新能源发电系统的最大输出功率pmax=pbus2+pbus1；
（5）当前端新能源的发电设备输出一致时，DC-DC变换器全部关掉，后端集中式变换器的MPPT功能即可实现对每个新能源发电设备的最大功率输出；此时i1=i2=i3=…=in，Δp1=Δp2=…=Δpn=0；整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=in*ubus；
（6）当前端新能源的发电设备输出不完全一致时，即不满足i1=i2=i3=…=in，DC-DC变换器需要对对应的新能源发电设备单独调整，以实现每个新能源设备的最大功率输出，新能源发电设备串联支路输出功率pbus1=ibus1*ubus，DC-DC变换器输出端串联支路输出功率pbus2=Δp1+Δp2+…+Δpn，整个新能源发电系统的最大输出功率为pmax=pbus2+pbus1=（ibus1+ibus2）*ubus。
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