CN104377732B - 一种基于直流母线分布式mppt光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，它包括依次相连的光伏电池阵列、直流汇流升压单元、并网逆变单元和交流升压单元，光伏电池阵列由一个以上的电池阵列构成，直流汇流升压单元由一个以上的直流电源组成，智能直流电源用于将光伏电池阵列送来的多变的光伏电池电压提升为稳定的高电压；并网逆变单元包括一台逆变器，用来稳定直流汇流升压单元的输出电压并负责整个系统启停工作逻辑；交流升压单元包括一台变压器。本发明具有结构简单、成本低廉、能够提高整体系统效率等优点。

Description

一种基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统

技术领域

本发明主要涉及到光伏发电技术领域，特指一种基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统。

背景技术

随着能源危机的不断加剧，气候、环境问题的日益严重，新能源的开发和利用迫在眉睫。光伏发电是太阳能利用的有效方式，具有安全可靠、无噪声、无污染、可自由索取等优点，这些优点都是其他发电方式所不可比拟的。光伏并网发电系统是指由太阳能电池组件将太阳光转换为直流电能，再通过逆变器将直流电转换为电能质量满足电网需求的交流电，最后通过升压变压器或直接与电网连接。由于目前光伏电池的价格较高，转换效率较低，导致发电成本较高，限制了光伏发电的推广应用。

光伏发电主要是利用半导体的“光生伏打”效应把光能转换为电能，由于现有电力系统多采用交流传输，而光伏发电产生的是直流电，因此必须把光伏发电产生的直流电通过变流器转换为交流电。现有的输电侧并网光伏电站受光伏电池组件耐压能力(最高耐压1000V)限制，系统直流电压等级多在1kV以下，并网逆变装置的输出电压为270V或315V，通过升压变压器后与10kV交流母线相连，再通过升压变压器与35kV及以上输电网相连。也就是说，由于太阳能的分散性和光伏电池组件的耐压能力限制等，导致大型光伏电站具有占地面积广、直流系统电压等级低(最大开路电压在1000V以下，长期工作电压在500V～600V左右)，而大型光伏电站多采用集中并网的方式(多采用1MW为一个光伏发电单元)，这样就导致现有大型光伏电站具有直流损耗大的缺点；受光伏发电系统直流电压影响，现有光伏并网逆变器的交流输出电压多为270V和315V，这样线路损耗相对较大，系统效率较低。

为了最大限度地提高太阳能利用率、降低光伏发电成本，需要提高光伏发电系统效率，通过采用直流电源提升并网逆变器的输入输出电压，可显著提升系统效率，同时直流电源可取代目前传统光伏发电系统中的汇流箱和配电柜，而且具备MPPT(Maximum Power PointTracking“最大功率点跟踪”)，以便在外界环境和负载发生变化时，太阳能电池板始终能输出与环境条件相对应的最大功率。目前，为实现多路MPPT功能，采用30KW功率等级以下的组串式逆变器搭建光伏电站，由于大型光伏电站的装机容量多在10MW以上，因此同一光伏电站需要使用数百甚至上千台组串式光伏并网逆变器并联，增加了电力调度的难度，而且光伏并网逆变器为电力电子装置，会对电网产生一定的谐波干扰，多台逆变器并联会加剧谐波污染的危害程度，增加了谐波治理成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、能够提高整体系统效率的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，它包括依次相连的光伏电池阵列、直流汇流升压单元、并网逆变单元和交流升压单元，所述光伏电池阵列由一个以上的电池阵列构成，所述直流汇流升压单元由一个以上的直流电源组成，所述智能直流电源用于将光伏电池阵列送来的多变的光伏电池电压提升为稳定的高电压；所述并网逆变单元包括一台逆变器，用来稳定直流汇流升压单元的输出电压并负责整个系统启停工作逻辑；所述交流升压单元包括一台变压器。

作为本发明的进一步改进：所述直流电源包括多个单元模块及通讯单元、控制单元，所有的单元模块均与控制单元和通讯单元相连，每个单元模块均包括输入汇集单元、数据采集单元、升压单元、电弧隔离单元及防PID单元，所述输入汇集单元与光伏组件相连，所述数据采集单元用来采集电压和电流状态信号，所述升压单元用来进行交错斩波并工作于MPPT模式，所述电弧隔离单元用来接收控制单元下达的指令进行断开与闭合；所述防PID单元用来接收控制单元下达的指令以形成适当的直流电压加于电池板负极和地之间。

作为本发明的进一步改进：所述输入汇集单元包括两个以上与光伏组件相连的输入路，每个输入路均串联有熔断器。

作为本发明的进一步改进：所述电弧隔离单元包括一个直流断路器。

作为本发明的进一步改进：所述防PID单元由一个DC/DC或AC/DC单元组成，所述防PID单元由一防PID电源提供能量。

作为本发明的进一步改进：所述升压单元包括一个输入电容、两个带反向二极管的IGBT模块、两个电感、两个主回路二极管、一个输出电容和两个旁路二极管。

作为本发明的进一步改进：所述当所述数据采集单元检测到输入电压高于输出电压，所述升压单元中的升压斩波电路不工作，电流由旁路二极管通过；当输入电压低于输出电压，所述升压单元的升压斩波电路工作，所述旁路二极管关断，两路升压斩波电路根据MPPT的要求进行交错斩波输出。

作为本发明的进一步改进：所述控制单元与升压单元之间设有第一驱动电路，用来直接接收控制单元的指令然后驱动升压斩波电路。

作为本发明的进一步改进：所述控制单元与防PID单元之间设有第二驱动电路，用来直接接收控制单元的指令然后驱动防PID单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，可以通过DC/DC升压环节提升光伏发电系统直流电压等级，降低直流损耗；通过升高逆变器输出电压，降低交流损耗，同时逆变器功率等级为数百kW，可以很好的解决光伏发电系统的无功平衡、低电压穿越、谐波污染、多个光伏发电系统柔性并网及其协调运行的问题，降低了电网调度的难度，对于大型光伏电站的发电侧平价上网和商业化进展具有重要的现实意义。

2、本发明的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，采用直流电源的方式提升电池阵列的电压并保持电压稳定和实现多路MPPT功能，逆变器直流输入电压提升后其交流输出电压相应提升，从而实现整体系统效率提升和整体成本下降。

3、本发明的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，仅由光伏电池阵列、光伏直流电源、并网逆变器和变压器构成，结构简单，成本低。

4、本发明的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，把多变的光伏电池电压提升到更高等级的稳定的直流电压并接入到光伏逆变器，由于逆变器的输入为稳定的直流电压，则其输出电压可以相应提高，电压等级的提升可大大的提高系统效率，同时由于每个DC/DC升压模块均具备多路MPPT，输入输出端均有断路器具备保护功能，升压电路本身有二极管，因此直流电源兼具了汇流、防反、配电功能。

附图说明

图1是本发明的结构框架原理示意图。

图2是本发明中直流电源的结构框架示意图。

图3是本发明直流电源在具体应用实例中的结构原理示意图。

图4是本发明直流电源在具体应用实例中升压单元的结构原理示意图。

图5是本发明直流电源在具体应用实例中防PID单元的结构原理示意图。

图6是本发明直流电源在具体应用实例中的工作原理示意图。

图例说明：

101、光伏电池阵列；102、直流汇流升压单元；103、并网逆变单元；104、交流升压单元；201、输入汇集单元；202、数据采集单元；203、通讯单元；204、升压单元；205、电弧隔离单元；206、控制单元；207、防PID单元；307、第一驱动电路；308、第二驱动电路；310、防PID电源；401、输入电容；402、IGBT模块；403、电感；404、主回路二极管；405、输出电容；406、旁路二极管；501、第一防PID单元输入端子；502、第二防PID单元输入端子；503、第三防PID单元输入端子；504、主电路；505、第一输出端子；506、第二输出端子。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，为一种多路MPPT光伏发电系统，如图1所示，它包括依次相连的光伏电池阵列101、直流汇流升压单元102、并网逆变单元103和交流升压单元104。光伏电池阵列101由N(N≥1)个电池阵列构成，直流汇流升压单元102由N个(N≥1)智能直流电源组成，该智能直流电源具备直流汇流、MPPT和直流升压功能，用于将光伏电池阵列101送来的多变的光伏电池电压提升为稳定的高电压。并网逆变单元103由一台逆变器构成，逆变器无需具备MPPT功能，并网逆变单元103用来稳定直流汇流升压单元102的输出电压，同时负责整个系统启停工作逻辑。交流升压单元104由一台双绕组变压器构成。由于直流汇流升压单元102能将多变的光伏电池电压提升为稳定的高电压，所以并网逆变单元103的输出电压相应可提高，从而使并网逆变单元103实现扩容。同时，由于并网逆变单元103的直流输入和交流输出电压均提高，所以线路损耗可降低，进而使直流汇流升压单元102、并网逆变单元103和交流升压单元104构成的系统具备系统成本低和系统效率高的优点。整个装置中，并网逆变单元103的光伏逆变器与直流汇流升压单元102中各直流电源之间、以及各直流电源之间均采用协同控制，以实现系统的最佳和稳定运行。各直流电源、并网逆变器和变压器的信息均通过逆变器汇集后，再与监控系统之间进行通讯，单个光伏发电单元无需配置通讯柜，通讯方式默认为无线通讯，RS485和以太网可配置。

如图2所示，本发明中直流汇流升压单元102的智能直流电源，采用模块化设计，其包括多个单元模块及通讯单元203、控制单元206，所有的单元模块均与控制单元206和通讯单元203相连，每个单元模块均包括输入汇集单元201、数据采集单元202、升压单元204、电弧隔离单元205及防PID单元207。

单元模块中的输入汇集单元201包括两个以上与光伏组件相连的输入路，每个输入路均串联有熔断器，即熔断器的数量与输入路的数量对应。数据采集单元202包括直流电压传感器、直流电流传感器、交流电流传感器，用来采集单元模块的电压和电流。升压单元204由两个升压斩波电路(boost电路)和两个带二极管旁路并联而成，可以交错斩波并工作于MPPT模式。电弧隔离单元205包括一个直流断路器，可接收控制单元206下达的指令进行断开与闭合。防PID单元207由一个DC/DC或AC/DC单元组成，用于形成适当的直流电压加于电池板负极和地之间，防PID单元207由防PID电源310提供能量。该防PID电源310既包括直流，也包括交流，既包括蓄电池，也包括外部电网。

本实施例中，通讯单元203为多个单元模块所共用，接收单元模块的数据信息并上传监控。在具体应用时，通讯单元203的通讯方式可以是RS485、以太网等有线，也可以是wifi、GPRS等无线方式。控制单元206同样为多个单元模块所共用，用于数据处理并向升压单元204和电弧隔离单元205下达指令，且与通讯单元203保持通讯。

本实施例中，在控制单元206与升压单元204之间还包括第一驱动电路307，用来直接接收控制单元206的指令然后驱动升压斩波电路(boost电路)。在控制单元206与防PID单元207之间设置有第二驱动电路308，用来接收控制单元206的指令然后驱动防PID单元207进行PWM控制。

升压单元204的升压主电路如图4所示，升压单元204的输入正极与输入汇集单元201的输出正极相连，输入负极与输入汇集单元201的输出负极相连。升压主电路包括一个输入电容401、两个IGBT模块402(带反向二极管)、两个电感403、两个主回路二极管404、一个输出电容405和两个旁路二极管406。其中输入正负极之间接有输入电容401用于稳定输入电压和实现能量传递；输出正负极之间接有输出电容405用于稳定输出电压和滤波；电感403分别和主回路二极管404串联后再与旁路二极管406并联，两IGBT模块402分别与电感403、主回路二极管404构成T型电路，IGBT模块402的C极分别与主回路二极管404的阳极相连，IGBT模块402的E极分别与主回路负极相连。这样就构成了带双旁路二极管的双并联boost电路。

防PID单元的结构如图5所示，防PID单元207的主电路504采用DC/DC或AC/DC隔离变换单元组成。其中输入端子包括第一防PID单元输入端子501、第二防PID单元输入端子502、第三防PID单元输入端子503，若防PID电源310为三相交流电，则第一防PID单元输入端子501与防PID电源310的A相连接，第二防PID单元输入端子502与防PID电源310的B相连接，第三防PID单元输入端子503与防PID电源310的C相连接。若防PID电源310为单相交流电，则主电路504只具备第一防PID单元输入端子501和第二防PID单元输入端子502，分别与防PID电源310的两个输出端连接。若防PID电源310为直流电，则主电路504只具备第一防PID单元输入端子501和第二防PID单元输入端子502，第一防PID单元输入端子501与防PID电源310正极连接，第二防PID单元输入端子502与防PID电源310的负极连接。根据防PID电源310类别的不同，主电路504采用隔离型DC/DC或AC/DC电路。第一输出端子505与光伏组件的负极连接，第二输出端子506与大地连接。

如图6所示，本发明的光伏智能电源的工作原理为：由于采用模块化设计，故在此只介绍单单元模块的工作原理。参见图3，多路光伏组件由输入汇集单元201汇集，利用熔断器使其具备过流和短路保护。经输入汇集单元201汇集后，通过数据采集单元202的直流电压传感器、直流电流传感器和交流电流传感器采集相关信号并送控制单元206中进行处理，其中直流电压和直流电流信号共同用来进行MPPT控制，直流电流和交流电流信号共同用来检测直流侧是否具备电弧特征。若有直流拉弧出现，则控制单元206通过通讯单元203上报至监控系统，同时向电弧隔离单元205发送信号开关断开，这样就不会引起逆变器因保护停机，且其他正常模块可继续工作，也方便维护人员对故障位置的定位。

参见图3，当输入电压高于输出电压，升压单元204中的boost电路不工作，而电流由旁路二极管406通过。当输入电压低于输出电压，升压装置的boost电路工作，而旁路二极管406自然关断，控制单元206根据MPPT的要求对两路boost电路进行交错斩波输出。

另外，参见图3，根据数据采集单元202检测的直流电压，控制单元206形成指令送至防PID单元207中的DC/DC或AC/DC变换的第二驱动电路308，第二驱动电路308再对防PID单元207的主电路504进行PWM控制，生成相应的直流电压加于直流负极与大地之间，补偿负极与大地间的负压差，防PID电源310为防PID单元207提供能量，从而有效抑制组件PID效应。

结合上述结构可知，本发明采用升压单元204中的DC/DC电源，能够大大提高光伏发电直流电压等级，直流汇流升压单元102中多个智能直流电源采用并联的方式也能够大大提升光伏发电系统容量。直流汇流升压单元102还能够完成直流升压和光伏电池阵列101的MPPT跟踪功能，依据后端逆变器的输电电压等级的不同，DC/DC直流输出电压等级不同，同时为了保证系统的可靠性，每条电池组件支路故障均可自动切除而不会影响其他支路的运行。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，它包括依次相连的光伏电池阵列（101）、直流汇流升压单元（102）、并网逆变单元（103）和交流升压单元（104），所述光伏电池阵列（101）由一个以上的电池阵列构成，所述直流汇流升压单元（102）由一个以上的直流电源组成，所述直流电源用于将光伏电池阵列（101）送来的多变的光伏电池电压提升为稳定的高电压；所述并网逆变单元（103）包括一台逆变器，用来稳定直流汇流升压单元（102）的输出电压并负责整个系统启停工作逻辑；所述交流升压单元（104）包括一台变压器；

所述直流电源包括多个单元模块及通讯单元（203）、控制单元（206），所有的单元模块均与控制单元（206）和通讯单元（203）相连，每个单元模块均包括输入汇集单元（201）、数据采集单元（202）、升压单元（204）、电弧隔离单元（205）及防PID单元（207），所述输入汇集单元（201）与光伏电池阵列（101）相连，所述数据采集单元（202）用来采集电压和电流状态信号，所述升压单元（204）用来进行交错斩波并工作于MPPT模式，所述电弧隔离单元（205）用来接收控制单元（206）下达的指令进行断开与闭合；所述防PID单元（207）用来接收控制单元（206）下达的指令以形成直流电压加于光伏电池阵列（101）的电池板负极和地之间。

2.根据权利要求1所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述输入汇集单元（201）包括两个以上与光伏电池阵列（101）相连的输入支路，每个输入支路均串联有熔断器。

3.根据权利要求1所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述电弧隔离单元（205）包括一个直流断路器。

4.根据权利要求1所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述防PID单元（207）由一个DC/DC或AC/DC单元组成，所述防PID单元（207）由一防PID电源（310）提供能量。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述升压单元（204）包括一个输入电容（401）、两个带反向二极管的IGBT模块（402）、两个电感（403）、两个主回路二极管（404）、一个输出电容（405）和两个旁路二极管（406）。

6.根据权利要求5所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，当所述数据采集单元（202）检测到输入电压高于输出电压，所述升压单元（204）中的升压斩波电路不工作，电流由旁路二极管（406）通过；当输入电压低于输出电压，所述升压单元（204）的升压斩波电路工作，所述旁路二极管（406）关断，两路升压斩波电路根据MPPT的要求进行交错斩波输出。

7.根据权利要求6所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元（206）与升压单元（204）之间设有第一驱动电路（307），用来直接接收控制单元（206）的指令然后驱动升压斩波电路。

8.根据权利要求6所述的基于直流母线分布式MPPT光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元（206）与防PID单元（207）之间设有第二驱动电路（308），用来直接接收控制单元（206）的指令然后驱动防PID单元（207）。