CN106357119A - 大功率高压光伏直流升压变流器装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适合于光伏电站直流输电的大功率高压光伏直流升压变流器装置及其控制方法，所述大功率高压光伏直流升压变流器装置包括N路光伏发电单元以及与之对应的N路boost变换单元、大功率三相方波逆变器、模块化高频三相升压变压器单元和模块化三相二极管整流桥单元。该变流器装置调制采用开环方波PAM(脉冲幅值调制)，通过光伏发电单元与boost变换单元进行脉冲幅值的控制，控制简单高效。

Description

大功率高压光伏直流升压变流器装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电设备直流汇聚的电力电子设备，具体为一种大功率高压光伏直流升压变流器装置及控制方法。

背景技术

2015年底，我国光伏装机容量达4318万千瓦，居世界第一，其中75％为分布在“三北”地区的集中式光伏。预计2020年我国光伏总容量将超过1.5亿千瓦，受太阳能和土地资源约束，2/3以上的光伏将在“三北”地区集中开发、远距离输送。“十三五”期间，光伏电站容量将继续向大型化方向发展。单个光伏电站容量将达到GW级，包含500kW逆变器2000台、35kV交流电缆近200公里。大量逆变器与长距离电缆相互耦合，电压越限和宽频域振荡问题制约光伏电站送出能力，交流线路损耗大影响系统整体效率。

随着电力电子和直流输电技术的发展和成熟，光伏电站采用直流升压汇集送出成为可能。直流汇集系统稳定性更高、无需无功补偿，且同样电压等级下输送能力更强、损耗更小。光伏电站直流升压汇集技术，有望成为解决目前光伏电站稳定问题和整体效率低下的有效途径。

直流升压变流技术是构建直流光伏电站的核心，目前关于直流升压变流技术主要集中于中低压小功率场合。传统直流升压变流器因为占空比越大，二极管的损耗越大，反向恢复时间的要求越短，所以电压增益较小，一般仅为2-4，高效高压的大容量直流升压变流器多为多模块级联模式，然而多个模块的串并联给系统的控制带来了很大的挑战。对于数百千瓦级的大容量单体研究尚处于实验室研究阶段，且成本较高。

2016年，清华大学的Zhao B等在《IEEE Transactions on Power Electronics》中发表的《High-Frequency-Link DC Transformer Based on Switched Capacitor forMedium-Voltage DC Power Distribution Application》(《中压配电网中基于开关电容的高频直流变压器》)中研究了应用于中压直流配电系统的DAB串并联直流变压器，研制了3个模块的试验样机，升压比为2，电压等级200V-400V，额定功率为1kW，开关频率为20kHz，最高效率96％。升压比、电压等级、功率等级和整体效率均较低，未解决工程化应用难题。

大功率高压直流升压变流器装置的在光伏系统中的应用潜力巨大，但是现有的大功率高压直流升压变流器装置存在如下的特点：

1)：单体容量较小、升压比低、效率较低。

2)：成本较高，高压下的开关管选型困难。

3)：结构与控制复杂，工程化实现较为困难。

发明内容

本发明针对传统大功率高压光伏直流升压变流器装置控制复杂、成本高效、率较低、难以工程化实现的现状，提出了一种针对光伏发电直流传输的控制简单、易于工程实现的大功率高压光伏直流升压变流器装置及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种大功率高压光伏直流升压变流器装置，所述的大功率高压光伏直流升压变流器装置包括：N路光伏发电单元以及与之对应的N路boost变换单元、大功率三相方波逆变器、模块化高频三相升压变压器单元和模块化三相二极管整流桥单元，其中：

每一路光伏发电单元的输出端串联一路boost变换单元的输入端，N路光伏发电单元中的的输出端串联对应的N路boost变换单元的输入端，N路boost变换单元的输出端之间相互并联后与大功率三相方波逆变器的输入端相串联；

大功率三相方波逆变器包括6个开关管，即开关管S_i，i＝1,2……6，其中,开关管S1与开关管S4串联、开关管S3与开关管S6串联、开关管S5与开关管S2串联并分别构成大功率三相方波逆变器的三相桥臂，三相桥臂间并联作为大功率三相方波逆变器的输入端；开关管S1与开关管S4的串联连接点、开关管S3与开关管S6的串联连接点、开关管S5与开关管S2的串联连接点分别引出作为大功率三相方波逆变器的输出端，大功率三相方波逆变器的输出端与模块化高频三相升压变压器单元的输入端串联；

模块化高频三相升压变压器单元由M个高频三相升压变压器模块构成,M为偶数，取值范围为2-10，每一个高频三相升压变压器模块的低压绕组均为星型连接、高压绕组均为三角形连接，M个高频三相升压变压器模块的低压输入端之间相互并联作为模块化高频三相升压变压器单元的输入端；

模块化三相二极管整流桥单元包括M个三相二极管整流桥模块，每一个高频三相升压变压器模块的高压输出端串联一个对应的三相二极管整流桥模块，每一个三相二极管整流桥模块的输出端均并联一个滤波电容,M个三相二极管整流桥模块的输出端之间相互串联作为模块化三相二极管整流桥单元的输出端接入高压直流电网，其中模块化三相二极管整流桥单元的第M/2个与第1+M/2个二极管整流桥模块之间通过导线引出接地。

优选地，N为正整数，取值范围为4-14。

本发明还提供了一种大功率高压光伏直流升压变流器装置的控制方法，主要步骤如下：

步骤1：采样第n路光伏发电单元的输出电压U_{n_pv}、输出电流I_{n_pv},经过最大功率点跟踪环节得到第n路占空比偏差量信号ΔD_n,其中n＝1、2…N,最大功率点跟踪环节的表达式为：

${\mathrm{\ΔD}}_n=(\frac{{\mathrm{dI}}_{n\_pv}}{{\mathrm{dU}}_{n\_pv}}+\frac{I_{n\_pv}}{U_{n\_pv}})\×\left(\frac{K_{n\_MPPT}}{S}\right)$

式中dI_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电流I_{n_pv}的微分，dU_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电流U_{n_pv}的微分，K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益，S为拉普拉斯算子；

步骤2：给定第n路光伏发电单元的功率指令P_{n_ref}，第n路光伏发电单元的额定功率P_n，第n路占空比额定参考信号

步骤3：将步骤1中的第n路占空比偏差量信号ΔD_n与步骤2中的第n路占空比额定参考信号相加得到第n路boost变换单元的占空比控制信号D_n，D_n经过PWM环节生成第n路boost变换单元的驱动控制信号PWM_{n_boost}，控制产生第n路boost变换单元的输入电压波动量ΔU_{n_pv},则第n路boost变换单元的输出电压波动量ΔU_n＝K_{n_MPPT}×ΔU_{n_pv}，其中K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益,则N路boost变换单元的总的输出电压波动量ΔU为：

$\mathrm{\Δ}U=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔU}}_n;$

步骤4：N路boost变换单元的输出电压波动量ΔU与大功率三相方波逆变器输入电压设定值U^*相加得到大功率三相方波逆变器的输入电压，即U＝U^*+ΔU；

步骤5：给定大功率三相方波逆变器开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6的驱动信号为固定占空比50％、同一桥臂的两个开关管互补、不同桥臂间开关管互相移相120°的脉冲信号，由步骤4中大功率三相方波逆变器的输入电压U作为大功率三相方波逆变器开环脉冲幅值调制的幅值控制信号，开环控制大功率三相方波逆变器的输出信号，完成对大功率高压光伏直流升压变流器装置能量传输的控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)基于大功率三相方波逆变器与模块化高频三相升压变压器的大功率高压光伏直流升压变流器装置，可以利用变压器漏感实现ZVS软开关，和LLC，LCC等谐振变换电路相比减少了一个谐振腔，有助于效率的提升。

2)大功率三相方波逆变器和单相方波逆变器相比可以减小输入输出电流脉动，降低了功率器件电流有效值，集中式单台逆变可以降低系统成本；模块化高频三相升压变压器减小了变压器体积，提高了变压器功率密度，模块化设计级联的方式减轻变压器设计压力，减小单台变压器原副边匝比，避免寄生电容对拓扑运行的影响，冗余性强。

3)大功率高压光伏直流升压变流器装置的控制结合光伏发电的特点，稳态时工作于固定占空比的开环状态，通过boost单元实现功率调度传输。大功率三相方波逆变器、高频变压器、二极管硅堆整流单元的工程技术均较为成熟，易于工程化实现。

附图说明

图1为大功率高压光伏直流升压变流器装置拓扑结构图。

图2为大功率升压变流器装置的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

由图1可见，本发明的大功率高压光伏直流升压变流器装置包括：N路光伏发电单元以及与之对应的N路boost变换单元、大功率三相方波逆变器、模块化高频三相升压变压器单元和模块化三相二极管整流桥单元。其中：

每一路光伏发电单元的输出端串联一路boost变换单元的输入端，N路光伏发电单元中的的输出端串联对应的N路boost变换单元的输入端，N路boost变换单元的输出端之间相互并联后与大功率三相方波逆变器的输入端相串联。

大功率三相方波逆变器包括6个开关管，即开关管S_i，i＝1,2……6，其中,开关管S1与S4串联、S3与S6串联、S5与S2串联依次构成大功率三相方波逆变器的三相桥臂，三相桥臂间并联作为大功率三相方波逆变器的输入端；S1与S4串联连接点、S3与S6串联连接点、S5与S2串联连接点依次引出作为大功率三相方波逆变器的输出端，大功率三相方波逆变器的输出端与模块化高频三相升压变压器单元的输入端串联。

模块化高频三相升压变压器单元由M个高频三相升压变压器模块构成,M为偶数，取值范围为2-10，每一个高频三相升压变压器模块的低压绕组均为星型连接、高压绕组均为三角形连接，M个高频三相升压变压器模块的低压输入端之间相互并联作为模块化高频三相升压变压器单元的输入端。

模块化三相二极管整流桥单元由M个三相二极管整流桥模块构成，每一个高频三相升压变压器模块的高压输出端串联一个对应的三相二极管整流桥模块，每一个三相二极管整流桥模块的输出端均并联一个滤波电容,M个三相二极管整流桥模块的输出端之间相互串联作为模块化三相二极管整流桥单元的输出端，接入高压直流电网，其中模块化三相二极管整流桥单元的第M/2个与第1+M/2个二极管整流桥模块之间通过导线引出接地。

本发明的实施例的具体参数如下：

功率为500kW,每路光伏发电单元的boost变换单元的功率为50kW，共10路，即N＝10；10路boost变换单元的输出端之间相互并联作为boost变换单元的输出，boost变换单元的输出串联大功率三相方波逆变器的输入端；大功率三相方波逆变器工作于开环的固定占空比为50％的脉冲幅值调制模式，开关频率为5kHz；每一路光伏发电单元独立进行最大功率点控制，光能利用率高，集中式大功率三相方波逆变器成本低、损耗小，大功率三相方波逆变器与模块化高频三相升压变压器可以利用变压器漏感实现ZVS(零电压软开关)进一步提高系统效率；

大功率三相方波逆变器的输出端串联接入模块化高频三相升压变压器单元，高频三相升压变压器单元的单个模块为125kW、5kHz、780V/6480V的高频三相升压变压器，即M＝4，高频三相升压变压器模块的低压绕组为星形连接，高压绕组为三角型连接，模块化高频三相升压变压器单元不同模块间的低压绕组并联在一起与到大功率三相方波逆变器的输出端串联，模块化高频三相升压变压器单元的每一个模块的高压绕组输出串联一个对应三相二极管整流桥模块，不同的三相二极管整流桥模块的输出端相互串联作为模块化三相二极管整流桥模块的输出端连接至±35KV高压直流电网，其中三相二极管整流桥第2与第3模块的输出端引出接地形成零电平输出端。高压直流电网电压等级为±35KV、模块化三相二极管整流桥单元的电压利用率为1.35、高频三相升压变压器模块的电压变比780V/6480V、大功率三相方波逆变器的电压利用率为0.78，所以大功率三相方波逆变器输入电压设定值U^*＝1000V，光伏能量传输通道建立后，大功率三相方波逆变器输入电压被高压直流电网钳位在U^*附近变化；

高频三相升压变压器减小了变压器体积，提高了变压器功率密度，模块化设计级联的方式减轻变压器设计压力，减小单台变压器原副边匝比，避免寄生电容对拓扑运行的影响，冗余性强。

由图2可见，大功率高压光伏直流升压变流器装置的控制方法，主要步骤如下：

步骤1：采样第n路光伏发电单元的输出电压U_{n_pv}、输出电流I_{n_pv},经过最大功率点跟踪(MPPT)环节得到第n路占空比偏差量信号ΔD_n,其中n＝1、2…N,最大功率点跟踪(MPPT)环节的表达式为：

${\mathrm{\ΔD}}_n=(\frac{{\mathrm{dI}}_{n\_pv}}{{\mathrm{du}}_{n\_pv}}+\frac{I_{n\_pv}}{U_{n\_pv}})\×\left(\frac{K_{n\_MPPT}}{S}\right)$

式中dI_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电流I_{n_pv}的微分，dU_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电流U_{n_pv}的微分，K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益，S为拉普拉斯算子。

步骤2：给定第n路光伏发电单元的功率指令P_{n_ref}，第n路光伏发电单元的额定功率P_n，第n路占空比额定参考信号

步骤3：将步骤1中的第n路占空比偏差量信号ΔD_n与步骤2中的第n路占空比额定参考信号相加得到第n路boost变换单元的占空比控制信号D_n，D_n经过PWM环节生成第n路boost变换单元的驱动控制信号PWM_{n_boost}，控制产生第n路boost变换单元的输入电压波动量ΔU_{n_pv},ΔU_{n_pv}为最大功率点跟踪与功率调度所产生的第n路boost变换单元的输入电压波动量，则第n路boost变换单元的输出电压波动量ΔU_n＝K_{n_MPPT}×ΔU_{n_pv}，其中K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益,则N路boost变换单元的总的输出电压波动量ΔU：boost变换单元控制光伏发电单元的输出电压，boost变换单元的输出电压采用开环的控制方法。

步骤4：N路boost变换单元的输出电压波动量ΔU与大功率三相方波逆变器输入电压设定值U^*相加作为大功率三相方波逆变器输入电压U。

步骤5：大功率三相方波逆变器采用开环脉冲幅值调制，大功率三相方波逆变器运行于开环状态，通过给定大功率三相方波逆变器开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6的驱动信号为固定占空比50％、同一桥臂的两个开关管互补、不同桥臂间开关管互相移相120°的方波脉冲，由步骤4中得到的大功率三相方波逆变器的输入电压U作为大功率三相方波逆变器开环脉冲幅值调制的幅值控制信号，开环控制大功率三相方波逆变器的输出，完成对大功率高压光伏直流升压变流器装置能量传输的控制。

Claims (3)

1.一种大功率高压光伏直流升压变流器装置，其特征在于，所述的大功率高压光伏直流升压变流器装置包括：N路光伏发电单元以及与之对应的N路boost变换单元、大功率三相方波逆变器、模块化高频三相升压变压器单元和模块化三相二极管整流桥单元，其中：

每一路光伏发电单元的输出端串联一路boost变换单元的输入端，N路光伏发电单元中的输出端串联对应的N路boost变换单元的输入端，N路boost变换单元的输出端之间相互并联后与大功率三相方波逆变器的输入端相串联；

大功率三相方波逆变器包括6个开关管，即开关管S_i，i＝1,2……6，其中,开关管S1与开关管S4串联、开关管S3与开关管S6串联、开关管S5与开关管S2串联并分别构成大功率三相方波逆变器的三相桥臂，三相桥臂间并联作为大功率三相方波逆变器的输入端；开关管S1与开关管S4的串联连接点、开关管S3与开关管S6的串联连接点、开关管S5与开关管S2的串联连接点分别引出作为大功率三相方波逆变器的输出端，大功率三相方波逆变器的输出端与模块化高频三相升压变压器单元的输入端串联；

模块化高频三相升压变压器单元由M个高频三相升压变压器模块构成,M为偶数，且取值范围为2-10；每一个高频三相升压变压器模块的低压绕组均为星型连接，高压绕组均为三角形连接，M个高频三相升压变压器模块的低压输入端之间相互并联作为模块化高频三相升压变压器单元的输入端；

模块化三相二极管整流桥单元包括M个三相二极管整流桥模块，每一个高频三相升压变压器模块的高压输出端串联一个对应的三相二极管整流桥模块，每一个三相二极管整流桥模块的输出端均并联一个滤波电容,M个三相二极管整流桥模块的输出端之间相互串联作为模块化三相二极管整流桥单元的输出端接入高压直流电网，其中模块化三相二极管整流桥单元的第M/2个与第1+M/2个二极管整流桥模块之间通过导线引出接地。

2.根据权利要求1所述的一种大功率高压光伏直流升压变流器装置，其特征在于，所述的N为正整数，取值范围为4-14。

3.一种大功率高压光伏直流升压变流器装置的控制方法，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1：采样第n路光伏发电单元的输出电压U_{n_pv}、输出电流I_{n_pv},经过最大功率点跟踪环节得到第n路占空比偏差量信号ΔD_n,其中n＝1、2…N,最大功率点跟踪环节的表达式为：

${\mathrm{\ΔD}}_n=(\frac{{\mathrm{dI}}_{n\_pv}}{{\mathrm{du}}_{n\_pv}}+\frac{I_{n\_pv}}{U_{n\_pv}})\×\left(\frac{K_{n\_MPPT}}{S}\right)$

式中dI_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电流I_{n_pv}的微分，dU_{n_pv}为第n路光伏发电单元输出电压U_{n_pv}的微分，K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益，S为拉普拉斯算子；

步骤2：给定第n路光伏发电单元的功率指令P_{n_ref}，第n路光伏发电单元的额定功率P_n，第n路占空比额定参考信号

步骤3：将步骤1中的第n路占空比偏差量信号ΔD_n与步骤2中的第n路占空比额定参考信号相加得到第n路boost变换单元的占空比控制信号D_n，D_n经过PWM环节生成第n路boost变换单元的驱动控制信号PWM_{n_boost}，控制产生第n路boost变换单元的输入电压波动量ΔU_{n_pv},则第n路boost变换单元的输出电压波动量ΔU_n＝K_{n_MPPT}×ΔU_{n_pv}，其中K_{n_MPPT}为第n路boost变换单元的比例增益,则N路boost变换单元的总的输出电压波动量ΔU为：

$\mathrm{\Δ}U=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ΔU}}_n;$

步骤4：N路boost变换单元的输出电压波动量ΔU与大功率三相方波逆变器输入电压设定值U^*相加得到大功率三相方波逆变器的输入电压，即U＝U^*+ΔU；

步骤5：给定大功率三相方波逆变器开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6的驱动信号为固定占空比50％，同一桥臂的两个开关管互补，不同桥臂间开关管互相移相120°的脉冲信号，由步骤4中大功率三相方波逆变器的输入电压U作为大功率三相方波逆变器开环脉冲幅值调制的幅值控制信号，开环控制大功率三相方波逆变器的输出信号，完成对大功率高压光伏直流升压变流器装置能量传输的控制。