CN105932662A - 基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统 - Google Patents

Abstract

一种基于N‑m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，包含N组光伏组件和N台光伏直流并网变流器。每组光伏组件的输出端与一台光伏直流并网变流器的输入端连接，每台光伏直流并网变流器的输出端顺序串联连接，N台光伏直流并网变流器组成一组大型光伏直流串联升压系统。其控制系统可根据模块硬件设计得到模块输出电压范围，通过对模块输出电压的实时监控，调度运行模块数量，解决气象辐射突变时变流器输出电压波动导致的系统频繁停机问题。

Description

基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统

技术领域

本发明涉及一种光伏发电设备接入高压直流输电系统。

背景技术

能源在现代社会中起着极其重要的作用，是现代社会赖以生存和发展的基石之一，也是目前国际政治、经济的焦点问题。能源问题关系到国际政治风云，关系到国家的经济社会发展。利用可再生能源发电替代化石能源，是目前各国的普遍选择。光伏发电作为可再生能源发电的重要形式，由于其洁净、环保、利用方式灵活的特点，受到越来越多的重视，其装机容量在国内迅速发展。

常见的光伏发电系统并网形式以并入交流电网为主。而目前国内柔性直流和传统直流输电快速发展，示范项目越来越多，光伏发电必须具备接入高压直流输电网的能力。

常见光伏直流变换器存在输出电压较低，且难以一次性升压到很高电压的问题，为了实现光伏系统输出并入高压直流电网，目前普遍采取多个光伏直流变换器采用输入接独立光伏组件，输出串联的方式提高系统的输出电压，达到输出更高直流电压，接入高压直流电网的目的。

CN 204103503 U提出了一种通过光伏发电单元输出串联接入中高压直流系统的方案，但是该方案中各个输出串联光伏发电单元的输入端各自独立，难以实现功率协调输出，且未给出各个光伏发电单元的协调控制策略。同时由于多个光伏发电单元输出串联，如一路发电单元出现问题，则整个系统必须停机。

中国专利201310244951.9提出了一种类似模块化多电平变流器结构的光伏直流输电系统，但其直流变换及功率单元为非隔离拓扑，无法实现高压输电与光伏组件之间的安全电气隔离，且由于冗余模块的存在，非故障时冗余模块对应的光伏组件无法实现功率输出，故障时单个光伏发电单元被隔离，光伏组件无法实现功率输出，降低了光伏组件的利用率。

CN 204068816 U提出了一种利用模块串联提高输出电压的方法，具体为多个电压转换模块的输出端依次相串联组成光伏电站，多个光伏电站的输出端并联后作为高压直流输电的输入端。并且提出了一种电压转换模块的拓扑方案。但该发明仍然存在单模块出现问题时系统将无法运行的问题，且未阐明采用该方案时所采用的控制方法。

目现有的此类方案中，对于光伏直流变换器输出串联拓扑的详细实施方案进行了阐述。但该方案中存在一些问题：

1.输入独立、输出串联的光伏直流变换器连接拓扑中，由于光伏直流变换器连接的光伏组件不同，其输入功率波动较大导致其输出电压变化大，必须严格控制多个光伏直流变换器输出电压均压，此类控制算法复杂，可靠性较低。

2.光伏直流变换器输出为串联连接，各个模块的流过相同的并网电流，当某个模块出现故障时，整个系统将无法运行，降低了该系统的可靠性。故障模块切除时，同时该模块连接的光伏组件也被切除，降低了光伏组件的利用率，减小了该电站的光伏发电量。

3.该系统接入高压直流电网，其电压一般为10kV以上，而光伏组件的对地耐压一般为1kV或1.5kV，为了保证光伏组件的设备安全及组件维护人员的人身安全，必须将直流变换器两侧的高压系统和低压系统进行隔离。

发明内容

本发明目的是解决输出现有串联拓扑的光伏高压直流输电系统控制复杂、可靠性低、容易对低压系统引入高压的问题，提出一种基于N-m设备冗余的光伏直流串联升压系统。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，包含：N组光伏组件和N台光伏直流并网变流器，N≥2。每组光伏组件的输出端与一台光伏直流并网变流器的输入端连接，每台光伏直流并网变流器的输出端顺序串联连接，N台光伏直流并网变流器组成一组大型光伏直流串联升压系统，可以达到不断提升系统输出电压的效果。

正常运行时，N台光伏直流并网变流器全部工作，当发生故障或存在停机条件时，最多有m台光伏直流并网变流器停止运行，此时有N-m台光伏直流并网变流器仍然运行输出额定工作电压，并入直流电网，1≤m≤N，N、m为整数。

每台光伏直流并网变流器由多个光伏直流并网变流模块组成，其中至少设有1个光伏直流并网变流模块为光伏直流并网冗余变流模块。正常运行时只有光伏直流并网冗余变流模块处于热备状态，不输出功率和电压，当接收到指令信号时，启动光伏直流并网冗余变流模块。

每台光伏直流并网变流器都具备旁路能力，即当变流器停机或故障时，其输出侧处于短路状态，即光伏直流并网变流器输出电压、输出功率都为零，但有电流流经其输出侧。光伏直流并网变流器旁路能力可在光伏直流并网变流器单独设计实现，也可在光伏直流并网变流模块中设计实现。

一种基于N-m设备冗余的光伏直流串联升压系统控制方法，根据模块硬件设计得到模块输出电压范围，通过对模块输出电压的实时监控，调度运行模块数量，解决气象辐射突变时变流器输出电压波动导致的系统频繁停机问题，具体包括以下步骤：

1、光伏直流并网变流器首先检查是否满足启动条件，当满足启动条件则系统启动，否则等待并重复检查是否满足启动条件；

2、光伏直流并网变流器启动后，首先进入最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking,MPPT)模式，光伏直流并网变流器不断检测每个光伏直流并网变流模块的输出电压U_o，并存储；

3、光伏直流并网变流器将每个光伏直流并网变流模块的输出电压U_o分别与变流模块输出电压上限值U_upper-max、变流模块输出电压上限报警值U_upper、变流模块输出电压下限报警值U_lower，以及变流模块输出电压下限值U_lower-min比较，根据比较结果执行对应的控制方案；

(1)当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o为：U_lower≤U_o≤U_upper时，该模块的输入功率和输出电压处于正常范围内，继续执行最大功率跟踪；

(2)当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o为：U_upper＜U_o＜U_upper-max时，该模块的输出电压越上限，光伏直流并网变流器检查模块当前运行数量k是否小于变流器正常运行模块数量i和冗余变流模块数量j之和，如小于，则启动一台冗余变流模块，继续执行最大功率跟踪。如不小于，则产生系统停机告警信号，继续执行最大功率跟踪；

(3)当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o为：U_lower-min≤U_o＜U_lower时，该模块的输出电压越下限，光伏直流并网变流器检查模块当前运行数量k是否大于1，如大于1，则退出一台运行的模块，继续执行最大功率跟踪。如不大于1，则产生光伏直流并网变流器停机告警信号，继续执行最大功率跟踪；

(4)当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o＜U_lower-min时，该模块的输出电压越下限，启动光伏直流并网变流器停机程序，重复检查光伏直流并网变流器是否满足启动条件；

(5)当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o≥U_upper-max时，模块输出电压越上限，启动整个系统停机程序停机，重复检查变流器是否满足启动条件；

所述的启动条件分为两类，一类为系统中其他光伏直流并网变流器已经启动，此时需要检查系统的开路电压及启动功率，系统的开路电压及启动功率同时满足阈值要求方可启动变流器；一类为系统中没有已经启动的光伏直流并网变流器，此时只需检查系统开路电压等条件，满足设定阈值，即可协调系统中所有光伏直流并网变流器同步启动。

U_upper-max、U_upper、U_lower和U_lower-min定义如下：

$U_{upper-max}=\frac{U_N}{\[(N-m)\×(i+j)\]-1)}$

$U_{upper}=\frac{U_N}{(N-m)\×(i+j)}$

$U_{lower}=\frac{(k-1)U_N}{k\×(N-m)\×(i+j)}$

$U_{lower-min}=\frac{U_N}{2(N-m)\×(i+j)}$

其中：U_N为高压直流电网额定电压，N为系统中光伏直流并网变流器数量，M为系统中可切除的光伏直流并网变流器的最大数量，i为正常运行状态下每个光伏直流并网变流器投入运行的模块数量，j为正常运行状态下每个光伏直流并网变流器的冗余光伏直流并网变流模块数量，k为光伏直流并网变流器当前运行的光伏直流并网变流模块数量。

本发明的有益效果：

1.本发明可以解决单台光伏直流并网变流器升压比有限，输出电压不能不断提高的缺点。

2.本发明中，光伏直流并网变流器的数量、模块数量都有冗余，且模块容量也设计有冗余，当系统部分变流器或变流模块故障时，可仍然能够保证系统的正常运行，最大限度提高系统发电量。

3.本发明控制策略为系统提供了一种可行的控制方案，可提高系统运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明系统方案拓扑图；

图中：101第一光伏直流并网变流器，102第二光伏直流并网变流器，103第n-1光伏直流并网变流器，104第n光伏直流并网变流器，105高压直流输电线路，106高压DC/AC变换器，107交流电网，108光伏组件；

图2为本发明光伏直流并网变流器的结构图；

图中：201第一光伏直流并网变流模块，202第i光伏直流并网变流模块，203第一光伏直流并网冗余变流模块，204第j光伏直流并网冗余变流模块，205光伏直流并网变流器控制器，206光伏直流并网变流模块旁路二极管，108光伏组件；

图3为本发明控制策略流程图；

图4为本发明实施例中变流器5有三个模块运行的结构图；

图5为本发明实施例中变流器5有两个模块运行的结构图；

图6为本发明实施例中变流器5有一个模块运行的结构图；

图7为本发明实施例中变流器5停机切除的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

如图1所示，本发明光伏直流串联升压系统包括第一光伏直流并网变流器101，第二光伏直流并网变流器102，……，第n-1光伏直流并网变流器103，第n光伏直流并网变流器104，高压直流输电线路105，高压DC/AC变换器106，交流电网107，N组光伏组件108。该系统中包含N台变流器，其中m台为可切除的变流器，N≥2，1≤m≤N，N、m为整数。

每组光伏组件108的输出端与一台光伏直流并网变流器的输入端连接，每台光伏直流并网变流器的输出端顺序串联连接，N台光伏直流并网变流器组成一组大型光伏直流串联升压系统，可以达到不断提升系统输出电压的效果。

如图2所示，本发明光伏直流并网变流器包含第一光伏直流并网变流模块201，第i光伏直流并网变流模块202，第一光伏直流并网冗余变流模块203，第j光伏直流并网冗余变流模块204和光伏直流并网变流器控制器205。正常运行状态下，每台光伏直流并网变流器包含i台已投入运行的模块数，j台备用冗余的模块。

每台光伏直流并网变流器都具备旁路能力，通过光伏直流并网变流模块的拓扑结构实现。

图3为本发明控制策略流程图。图4和图5分别为本发明实施例的两个状态结构图。图4和图5所示的实施例中，N＝5，m＝2，即该实施例中最多可有2台光伏直流并网变流器因光伏遮蔽等原因退出运行，此时剩余三台光伏直流并网变流器仍能够正常运行。

在每台光伏直流并网变流器中，i＝3，j＝1，即正常情况下变流器中有3台模块投入运行，有1台模块处于冗余备用状态。

设此时高压直流输电线路105的额定电压U_N＝60kV，则此时阈值电压分别为：

$U_{upper-max}=\frac{U_N}{\[(N-m)\×(i+j)\]-1)}=\frac{60}{12-1}=5.45kV$

$U_{upper}=\frac{U_N}{(N-m)\×(i+j)}=\frac{60}{3\×4}=5kV$

$U_{lower}=\frac{(k-1)U_N}{k\×(N-m)\×(i+j)}=\frac{(k-1)60}{k\×3\×4}=5\×(1-\frac{1}{k})kV$

$U_{lower-min}=\frac{U_N}{2(N-m)\×(i+j)}=\frac{60}{2\×3\×4}=2.5kV$

图4所示为本发明实施例的正常运行状态。每个光伏直流并网变流器有三个光伏直流并网变流模块在运行，有一个光伏直流并网变流模块处于备用状态。此时每个光伏直流并网变流器的输出电压比值与其输入功率比值成正比，光伏直流并网变流器内每个光伏直流并网变流模块的输出电压基本相同。以下以一个光伏直流并网变流器因云层遮蔽导致输出电压降低，直至变流器停机的过程为例，详细描述本发明光伏直流串联升压系统的工作过程。

以图4中的光伏直流并网变流器5为例，此时光伏直流并网变流模块M1、M2、M3输出电压为：

$U_{M1}=U_{M2}=U_{M3}=\frac{U_N}{N\×i}=\frac{60}{5\×3}=4kV$

当云层遮蔽到来，光伏直流并网变流器5中的光伏直流并网变流模块M1、M2、M3输出电压逐渐降低，当输出电压降低到：

$U_{lower}=\frac{(k-1)U_N}{k\×(N-m)\×(i+j)}=\frac{(k-1)60}{k\×3\×4}=5\×(1-\frac{1}{k})=3.33kV$

此时光伏直流并网变流器5的运行模块数大于1，退出一台运行的光伏直流并网变流模块M3，则此时变流器只有两个光伏直流并网变流模块M1、M2在运行，输出电压为5kV。图5所示为本发明实施例光伏直流并网变流器5只有两个光伏直流并网变流模块运行的状态。此时光伏直流并网变流器5的光伏直流并网变流模块M1、M2输出电压5kV，光伏直流并网变流器1～4仍然是三个光伏直流并网变流模模块M1、M2、M3运行，其运行电压4.17kV。

当云层遮蔽继续发展，光伏直流并网变流器5中光伏直流并网变流模块M1、M2输出电压逐渐降低，当降低到：

$U_{lower}=\frac{(k-1)U_N}{k\×(N-m)\×(i+j)}=\frac{(k-1)60}{k\×3\×4}=5\×(1-\frac{1}{k})=2.5kV$

此时光伏直流并网变流器5运行模块数大于1，退出一台运行的光伏直流并网变流模块M2，则此时光伏直流并网变流器只有1个光伏直流并网变流模块M1在运行，其输出电压为5kV。图6所示为本发明实施例光伏直流并网变流器5只有一个光伏直流并网变流模块运行的状态。此时光伏直流并网变流器5的光伏直流并网变流模块M1输出电压5kV，光伏直流并网变流器1～4仍然是三个光伏直流并网变流模块M1、M2、M3运行，其运行电压4.58kV。

当云层遮蔽继续发展，光伏直流并网变流器5中的光伏直流并网变流模块M1输出电压逐渐降低，当降低到：

$U_{lower-min}=\frac{U_N}{2(N-m)\×(i+j)}=\frac{60}{2\×3\×4}=2.5kV$

此时光伏直流并网变流器5的运行模块数等于1，发出变流器停机告警信号。如云层遮蔽继续，则输出电压很快越过此下限小于2.5kV，则光伏直流并网变流器进入变流器停机程序，检查光伏直流串联升压系统系统是否满足启动条件，等待遮蔽过后重新启动。此时光伏直流并网变流器5彻底停机，其输出电压为0。图7所示为本发明实施例光伏直流并网变流器5停机时的系统状态。此时光伏直流并网变流器5停机，光伏直流并网变流器1～4仍然是三个光伏直流并网变流模块M1、M2、M3运行，其运行电压5kV。当光伏输入功率上升，光伏直流并网变流器1～4三个光伏直流并网变流模块M1、M2、M3输出电压超过5kV时，光伏直流并网变流器1～4启动冗余模块，此时光伏直流并网变流器每个光伏直流并网模块输出的电压为3.75kV。

Claims (6)

1.一种基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，其特征在于：所述的光伏直流串联升压系统包含：N组光伏组件和N台光伏直流并网变流器，N≥2；每组光伏组件的输出端与一台光伏直流并网变流器的输入端连接，每台光伏直流并网变流器的输出端顺序串联连接，N台光伏直流并网变流器组成一组大型光伏直流串联升压系统。

2.根据权利要求1所述的基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，其特征在于：正常运行时所述的N台光伏直流并网变流器全部工作，当发生故障或存在停机条件时，最多有m台光伏直流并网变流器停止运行，此时有N-m台光伏直流并网变流器仍然运行输出额定工作电压，并入直流电网，1≤m≤N，N、m为整数。

3.根据权利要求1所述的基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，其特征在于：每台光伏直流并网变流器由多个光伏直流并网变流模块组成，其中至少有1个为光伏直流并网冗余变流模块；正常运行时只有光伏直流并网冗余变流模块处于热备状态，不输出功率和电压，当接收到指令信号时，启动光伏直流并网冗余变流模块。

4.根据权利要求1所述的基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统，其特征在于：每台所述的光伏直流并网变流器具备旁路能力，当光伏直流并网变流器停机或故障时，其输出侧处于短路状态，即光伏直流并网变流器的输出电压和输出功率都为零，但有电流流经输出侧。

5.一种对权利要求1所述的基于N-m设备冗余的大型光伏直流串联升压系统的控制方法，其特征在于：根据模块硬件设计得到模块输出电压范围，通过对模块输出电压的实时监控，调度运行模块数量，解决气象辐射突变时变流器输出电压波动导致的系统频繁停机问题，所述控制方法的步骤如下：

(1)光伏直流并网变流器首先检查是否满足启动条件，当满足启动条件则启动光伏直流串联升压系统，否则等待并重复检查是否满足启动条件；

(2)光伏直流并网变流器启动后，首先进入最大功率点跟踪模式，光伏直流并网变流器不断检测每个光伏直流并网变流模块的输出电压U_o并存储；

(3)光伏直流并网变流器将每个光伏直流并网变流模块的输出电压U_o分别与U_upper-max、U_upper、U_lower、U_lower-min比较，根据比较结果执行对应的控制方案；

①当光伏直流并网变流模块的输出电压U_lower≤U_o≤U_upper时，光伏直流并网变流模块的输入功率、输出电压处于正常范围内，继续执行最大功率跟踪；

②当光伏直流并网变流模块的输出电压U_upper＜U_o＜U_upper-max时，光伏直流并网变流模块的输出电压越上限，光伏直流并网变流器检查模块运行数量k是否小于光伏直流并网变流器运行模块数量i和冗余模块数量j之和，如小于，则启动一个冗余模块，继续执行最大功率跟踪；如不小于，则产生系统停机告警信号，继续执行最大功率跟踪；

③当光伏直流并网变流模块的输出电压U_lower-min≤U_o＜U_lower时，光伏直流并网变流模块的输出电压越下限，光伏直流并网变流器检查模块运行数量k是否大于1，如大于1则退出一台运行的光伏直流并网变流模块，继续执行最大功率跟踪；如不大于1则产生变流器停机告警信号，继续执行最大功率跟踪；

④当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o＜U_lower-min时，光伏直流并网变流模块的输出电压越下限，启动变流器停机程序，重复检查光伏直流并网变流器是否满足启动条件；

⑤当光伏直流并网变流模块的输出电压U_o≥U_upper-max时，光伏直流并网变流模块的输出电压越上限，启动所述光伏直流串联升压系统停机程序停机，重复检查光伏直流并网变流器是否满足启动条件；

所述的U_upper-max、U_upper、U_lower和U_lower-min定义如下：

$U_{upper-max}=\frac{U_N}{\[(N-m)\×(i+j)\]-1)}$

$U_{upper}=\frac{U_N}{(N-m)\×(i+j)}$

$U_{lower}=\frac{(k-1)U_N}{k\×(N-m)\×(i+j)}$

$U_{lower-min}=\frac{U_N}{2(N-m)\×(i+j)}$

其中：U_N为高压直流电网额定电压，N为系统中光伏直流并网变流器数量，m为所述光伏直流串联升压系统中可切除的光伏直流并网变流器的最大数量，i为正常运行状态下每个光伏直流并网变流器投入运行的模块数量，j为正常运行状态下每个光伏直流并网变流器的冗余光伏直流并网变流模块数量，k为光伏直流并网变流器当前运行的光伏直流并网变流模块数量。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述的启动条件分为两类，一类为系统中其他变流器已经启动，此时需要检查系统开路电压及启动功率，两个条件同时满足阈值要求方可启动变流器；一类为系统中无变流器已经启动，此时只需检查系统开路电压等条件，满足设定阈值，即可协调系统中所有变流器同步启动。