CN106788216A - 一种光伏逆变系统以及光伏逆变方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种光伏逆变系统以及光伏逆变方法，其中，光伏逆变系统包括：光伏组件、DC/DC变换器、直流汇流装置以及集中式逆变器。具体的，本方案提供的光伏逆变系统通过DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率，因此，解决了光伏组件因遮挡、老化等原因造成的光伏阵列的串并联失配问题。并且，本光伏逆变系统可以只包括一个集中式逆变器，相比于现有技术中的光伏逆变系统，成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏逆变系统以及光伏逆变方法。
背景技术
在全球能源需求不断升高，传统能源价格居高不下以及环境问题关注度不断提升的背景下，太阳能市场正急速发展。其中，太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，光伏逆变系统通常由光伏组件、逆变器以及电网构成。
由于光伏组件以及逆变器的连接关系不同，光伏逆变系统分为不同的结构，如集中式结构、组串式结构以及模块式结构，其中，集中式结构的光伏逆变系统将光伏组件通过串并联形成光伏阵列，能够产生一个较大的直流电压和电流，然后通过逆变器将该直流电转换为交流电，并传输给电网，即集中式结构的光伏逆变系统的结构简单且逆变器效率高，但发明人发现：其只有一路MPPT，不能应对组件串并联失配造成的发电量损失。而组串式结构以及模块式结构的光伏逆变系统能够增加MPPT的路数，但其包含的逆变器数量较多，又由于逆变器均采用了高压器件以及电解电容，因此组串式结构以及模块式结构的光伏逆变系统的效率低且成本较高。
综上，如何提供一种光伏逆变系统，既能解决光伏组件遮挡、老化等原因造成的光伏阵列的串并联失配，又能降低光伏逆变系统的成本，成为当前亟待解决的一大技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光伏逆变系统以及光伏逆变方法，以解决现有技术中光伏阵列出现多峰值以及光伏逆变系统成本高的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种光伏逆变系统，包括：
光伏组件；
DC/DC变换器，所述DC/DC变换器的输入端连接至少一个所述光伏组件，用于对所连接的光伏组件进行输出功率控制；
直流汇流装置，多个所述DC/DC变换器的输出端串联后与所述直流汇流装置的输入端相连，所述直流汇流装置用于将多个所述DC/DC变换器输出的直流电进行汇集；
集中式逆变器，至少一个所述直流汇流装置的输出端与所述集中式逆变器的输入端相连，所述集中式逆变器用于将所述直流汇流装置输出的直流电转换成交流电，并将所述交流电耦合至电网或负载。
优选的，还包括：
通信装置，所述通信装置的一端与互联网云端相连，所述通信装置的另一端与所述集中式逆变器和/或所述DC/DC变换器相连，用于采集所述光伏组件的产能信息，并根据所述产能信息进行电能调度。
优选的，所述通信装置为数据采集器，所述数据采集器连接于所述集中式逆变器与所述互联网云端之间；
或者，所述通信装置为网关，所述网关采用无线通信技术与所述DC/DC变换器通信。
优选的，每个所述DC/DC变换器的输入端连接2-6个所述光伏组件。
优选的，所述DC/DC变换器为非隔离型低增益变换器，所述非隔离型低增益变换器包括非隔离型全桥BUCK/BOOST变换器或非隔离型半桥BUCK变换器。
优选的，还包括：
保护器件，所述保护器件串接在所述DC/DC变换器与所述集中式逆变器之间，用于防止所述光伏组件之间能量倒流，所述保护器件包括二极管、MOS管、受控机械开关以及保险丝。
优选的，所述直流汇流装置包括：汇流箱和/或汇流母排。
优选的，所述DC/DC变换器通过PLC通信协议、RS485通信协议或ZigBee协议与所述集中式逆变器通信。
优选的，所述集中式逆变器的容量大于100kw。
优选的，还包括连接在所述直流汇流装置的输入端的光伏组串，所述光伏组串包括所述光伏组件和/或所述DC/DC变换器，
所述光伏组件相串联，或，所述光伏组件与所述DC/DC变换器相串联。
一种光伏逆变方法，应用于上述的任意一项所述光伏逆变系统，其中：
所述DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率。
优选的，所述集中式逆变器采样直流侧信息或交流侧信息做最大功率跟踪，获取所述光伏逆变系统的最大输出功率。
由上述方案可知，本发明提供的一种光伏逆变系统，包括：光伏组件、DC/DC变换器、直流汇流装置以及集中式逆变器。其中，DC/DC变换器的输入端连接至少一个光伏组件，用于对所连接的光伏组件进行输出功率控制。多个DC/DC变换器的输出端串联后与直流汇流装置的输入端相连，直流汇流装置用于将多个所述DC/DC变换器输出的直流电进行汇集。至少一个直流汇流装置的输出端与集中式逆变器的输入端相连，集中式逆变器用于将直流汇流装置输出的直流电转换成交流电，并将该交流电耦合至电网或负载。
本方案提供的光伏逆变系统通过DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率，因此，解决了光伏组件因遮挡、老化等原因造成的光伏阵列的串并联失配问题。并且，本光伏逆变系统可以只包括一个集中式逆变器，相比于现有技术中的光伏逆变系统，成本降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光伏逆变系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种光伏逆变系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种光伏逆变系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种光伏组件在不同光照强度下的输出功率曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种光伏组件在不同温度下的输出功率曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种光伏组串在部分遮挡时的输出功率曲线图；
图7为本发明实施例提供的又一种光伏组串在部分遮挡时的输出功率曲线图；
图8为本发明实施例提供的又一种光伏组串在部分遮挡时的输出功率曲线图；
图9为本发明实施例提供的一种光伏组串在部分遮挡时的输出功率的功率损失计算表；
图10为本发明实施例提供的又一种光伏逆变系统的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种非隔离型全桥BUCK/BOOST变换器的电路图；
图12为本发明实施例提供的一种非隔离型半桥BUCK变换器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本方案提供的光伏逆变系统通过DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率，因此，解决了光伏组件因遮挡、老化等原因造成的光伏阵列串并联失配的问题。并且，本光伏逆变系统可以只包括一个集中式逆变器，相比于现有技术中的光伏逆变系统，成本降低。
请参阅图1，为本方案实施例提供的一种光伏逆变系统的结构示意图，其中，该光伏逆变系统10包括：光伏组件101、DC/DC变换器102、直流汇流装置103以及集中式逆变器104。
其中，DC/DC变换器102的输入端连接至少一个光伏组件101，用于对所连接的光伏组件101进行输出功率控制。如，图1中，每个DC/DC变换器102连接一个光伏组件101。除此，还可以如图2所示，一个DC/DC变换器102连接多个光伏组件101，如DC/DC变换器102a连接光伏组件101a1以及光伏组件101a2。需要说明的是，在本实施例中，并不限定DC/DC变换器102连接的光伏组件101的个数，如DC/DC变换器102a连接两个光伏组件(光伏组件101a1以及光伏组件101a2)，又如DC/DC变换器102b连接四个光伏组件(光伏组件101b1、光伏组件101b2、光伏组件101b3以及光伏组件101b4)。
优选的，每个DC/DC变换器102的输入端连接2-6个光伏组件101。这样的配置方式能相比一个DC/DC变换器102连接一个光伏组件101的方式减少DC/DC变换器102的使用数量，降低整个光伏逆变系统的成本。但需要说明的是，本发明提供的光伏逆变系统中，与同一个DC/DC变换器102连接的光伏组件101的数量并不局限于上述举例数量，可以根据实际的设置需求进行调整，在本实施例中并不进行穷举。
请结合图1，多个DC/DC变换器102的输出端串联后与直流汇流装置103的输入端相连，直流汇流装置103用于将多个所述DC/DC变换器输出的直流电进行汇集。需要说明的是，本方案中，DC/DC变换器之间采用串联的方式进行连接，形成多个DC/DC变换器组串，然后一个直流汇流装置103与至少一个光伏组串相连，用于将并接在同一直流汇流装置103上的多个光伏组串产生的直流电进行汇流处理，然后，直流汇流装置103将汇流后的直流电通过直流母线传递至所述集中式逆变器104。
需要说明的是，在本方案中，DC/DC变换器组串和光伏组串定义不相同，其中，DC/DC变换器组串中每个DC/DC变换器至少连接一个光伏组件，如图1和图2中与直流汇流装置103相连的组串均为DC/DC变换器组串。而，光伏组串还包括图3中除DC/DC变换器组串以外的组串，如，图中第一列组串以及第四列组串，其中，光伏组件不一定均需连接DC/DC变换器。即，所述光伏组串中，可以为所述光伏组件相串联，还可以为所述光伏组件与所述DC/DC变换器相串联形成。
需要进一步说明的是，本实施例提供的光伏组串可以根据实际的设计需求进行光伏组件以及DC/DC变换器的连接，集中式逆变器为带有MPPT功能的逆变器，如果光伏逆变器包括单独的光伏组件,或DC/DC变换器进入了直通模式，集中式逆变器能够单独跟踪光伏组件阵列的最大输出功率。
除此，在本方案中，至少一个直流汇流装置103的输出端与集中式逆变器104的输入端相连，其中，集中式逆变器104用于将直流汇流装置103输出的直流电转换成交流电，并将该交流电耦合至电网或负载。
可见，本方案中多个DC/DC变换器102的输出以串联的方式耦合在一起形成一个光伏组串，然后多个光伏组串再并联起来，后与集中式逆变器104相连。其中，光伏组件耦合与DC/DC变换器，每个DC/DC变换器都可以实现独立的MPPT，因此，本方案实现了组件级MPPT功能。
具体的，光伏组件101是由多个光伏电池串联形成的，发明人考虑到光伏电池的特殊输出特性，做了如下实验进行验证光伏组件的输出功率会呈现特殊的峰值曲线。
请结合图4，图4为光伏组件在不同的光照强度下的输出功率曲线，其中，光伏组件的输出功率的峰值点从上到下，依次对应光照强度的辐照度为1000W/m2、900W/m2、800W/m2、700W/m2以及600W/m2。即从实验数据中不难得出，随着光照强度的降低，光伏组件的输出功率的峰值逐渐降低，并且，每条输出功率曲线的峰值点对应的当前光伏组件的电压也稍有不同。
除此，发明人还对不同温度下的光伏组件的输出功率进行了实验，请参见图5，其中，从右到左依次是0℃，10℃，20℃，30℃和40℃的情况下得到的光伏组件的输出功率曲线。从图中可以得出：随着温度的升高，输出功率的峰值点对应的光伏组件的电压逐渐降低，且，不同温度下的光伏组件的输出功率的峰值点也略有降低。
需要说明的是，图4和图5所示的光伏组件的输出功率曲线是针对一个光伏组件的情况，当光伏逆变系统包括多路光伏组件时，当某一光伏组件发生遮挡或老化等现象时，由光伏组件形成的光伏组串的输出功率的曲线峰值发生变化，如图6和图7所示。其中，图6为两个光伏组件串联组成的组串，其中一个光伏组件遮挡的情况下的光伏组串的输出功率曲线，从图中不难看出，该输出功率曲线呈现两个峰值。图7为两个光伏组件并联组成的组串，其中一个光伏组件遮挡的情况下的光伏组串的输出功率曲线，从图中不难看出，该输出功率曲线也会出现局部的突变。
因此，一个由任意多个光伏组件串并联组成的光伏组串的输出功率曲线具有多个峰值。然而目前对多个峰值的采集需要相对复杂的算法进行计算，使得整个光伏逆变系统的硬件要求较高，成本大。
但发明人发现，即便复杂的算法能够实现光伏组串的最大功率点跟踪，在对大规模的光伏组串进行仿真时，光伏组件的串并联组合会造成光伏逆变系统的串联功率损失和并联功率损失。
如，对于一个包含两个光伏组串并联，每个光伏组串包含21片光伏组件的光伏阵列进行了仿真。即使只对42个光伏组件中的一个光伏组件进行遮挡，也会造成总功率约193.8W的功率损失。然而，结合图8和图9可知，其中只有94.2W左右是遮挡造成的损失，其余100W的损失是由于光伏组件的串并联引起的。
即，当光伏组件串联电流强制相等时，光伏阵列的串联损失是因为一个组串内的多个组件偏离组件本身的最大功率点。而光伏组串并联且电压强制相等，光伏阵列的并联损失是因为每个组串都偏离了组串本身的最大功率点。
然而，光伏组件的遮挡、老化以及天气因素等等在实际的光伏逆变系统中都是不可避免的，因此，本方案通过在光伏组件101的输出端设置DC/DC变换器102，使DC/DC变换器102采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率，从根源上避免了光伏组件串并联导致的串联损失以及并联损失。因此，解决了光伏组件因遮挡、老化等原因造成的光伏阵列多峰值现象的问题。
除此，如图10所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供的光伏逆变系统，还包括：通信装置105。
其中，所述通信装置105的一端与互联网云端相连，所述通信装置105的另一端与集中式逆变器104和/或DC/DC变换器102相连。该通信装置105用于采集光伏组件101的产能信息，并根据该产能信息进行电能调度。
优选的，所述通信装置可以为数据采集器，其中，所述数据采集器连接于所述集中式逆变器与所述互联网云端之间。除此，所述通信装置还可以为网关，所述网关采用无线通信技术与所述DC/DC变换器通信。具体的，所述DC/DC变换器通过PLC通信协议、RS485通信协议或ZigBee协议与所述集中式逆变器通信。
在上述实施例的基础上，发明人考虑到非隔离型低增益变换器的输出电压和输入电压的转化效率高且电路结构简单，因此，在本实施例中，DC/DC变换器102优先选用非隔离型低增益变换器，而所述非隔离型低增益变换器包括非隔离型全桥BUCK/BOOST变换器或非隔离型半桥BUCK变换器。
具体的，非隔离型全桥BUCK/BOOST变换器如图11所示，该电路的具体连接关系如下：
T1和T2组成的输入端子，T3和T4组成的输出端子，S1和S2组成BUCK半桥桥臂，S3和S4组成BOOST半桥的桥臂，电感L1连接于两个桥臂的中点，还包括控制器。T1接光伏组件的正输入端，T2接光伏组件的负输入端。T1和T2之间接收光伏组件的功率输入，把光伏组件的输入功率变换为一定电压值的T3和T4间的输出功率。BUCK/BOOST中的控制器可以检测组件的输出电压、输出电流、环境温度等信息，通过收集到的信息实现环路的控制和最大功率点跟踪。可以稳定输入电压或输入电流，使DC/DC变换器持续跟踪光伏组件的最大功率点。也可以稳定输出电压和输出电流，使DC/DC变换器持续的跟踪光伏组件的最大功率点。
非隔离型半桥BUCK变换器如图12所示，该电路的具体连接关系如下：
T1和T2组成的输入端子，T3和T4组成的输出端子，S1和D2组成BUCK半桥桥臂，电感L1连接于桥臂中点与输出正端T3，还包括控制器。T1接光伏组件的正输入端，T2接光伏组件的负输入端。T1和T2之间接收光伏组件的功率输入，把光伏组件的输入功率变换为一定电压值的T3和T4间的输出功率。BUCK中的控制器可以检测组件的输出电压、输出电流、环境温度等信息，通过收集到的信息实现环路的控制和最大功率点跟踪。可以稳定输入电压或输入电流，使DC/DC变换器持续跟踪光伏组件的最大功率点。也可以稳定输出电压和输出电流，使DC/DC变换器持续的跟踪光伏组件的最大功率点。
除此，本实施例提供的光伏逆变系统，还可以包括：保护器件。该保护器件串接在所述DC/DC变换器与所述集中式逆变器之间，用于防止所述光伏组件之间能量倒流，所述保护器件包括二极管、MOS管、受控机械开关以及保险丝。优选的，所述直流汇流装置包括：汇流箱和/或汇流母排。除此，为了满足大功率发电的要求，本实施例提供的集中式逆变器可以选用容量大于100kw的逆变器。
基于上述实施例提供的光伏逆变系统，本实施例还提供了一种光伏逆变方法，包括步骤：
所述DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值。
其工作原理请参见上述光伏逆变系统的工作原理，在此不重复叙述。
综上所述，本方案提供的光伏逆变系统通过DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值，使得所述光伏组件的输出功率为最大输出功率，因此，解决了光伏组件因遮挡、老化等原因造成的光伏阵列的串并联失配问题。并且，本光伏逆变系统可以只包括一个集中式逆变器，相比于现有技术中的光伏逆变系统，成本降低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种光伏逆变系统，其特征在于，包括：
光伏组件；
DC/DC变换器，所述DC/DC变换器的输入端连接至少一个所述光伏组件，用于对所连接的光伏组件进行输出功率控制；
直流汇流装置，多个所述DC/DC变换器的输出端串联后形成DC/DC变换器组串，所述DC/DC变换器组串与所述直流汇流装置的输入端相连，所述直流汇流装置用于将多个所述DC/DC变换器组串输出的直流电进行汇集；
集中式逆变器，至少一个所述直流汇流装置的输出端与所述集中式逆变器的输入端相连，所述集中式逆变器用于将所述直流汇流装置输出的直流电转换成交流电，并将所述交流电耦合至电网或负载。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，还包括：
通信装置，所述通信装置的一端与互联网云端相连，所述通信装置的另一端与所述集中式逆变器和/或所述DC/DC变换器相连，用于采集所述光伏组件的产能信息，并根据所述产能信息进行电能调度。
3.根据权利要求2所述的光伏逆变系统，其特征在于：
所述通信装置为数据采集器，所述数据采集器连接于所述集中式逆变器与所述互联网云端之间；
或者，所述通信装置为网关，所述网关采用无线通信技术与所述DC/DC变换器通信。
4.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，每个所述DC/DC变换器的输入端连接2-6个所述光伏组件。
5.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，所述DC/DC变换器为非隔离型低增益变换器，所述非隔离型低增益变换器包括非隔离型全桥BUCK/BOOST变换器或非隔离型半桥BUCK变换器。
6.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，还包括：
保护器件，所述保护器件串接在所述DC/DC变换器与所述集中式逆变器之间，用于防止所述光伏组件之间能量倒流，所述保护器件包括二极管、MOS管、受控机械开关以及保险丝。
7.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，所述直流汇流装置包括：汇流箱和/或汇流母排。
8.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，所述DC/DC变换器通过PLC通信协议、RS485通信协议或ZigBee协议与所述集中式逆变器通信。
9.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，所述集中式逆变器的容量大于100kw。
10.根据权利要求1所述的光伏逆变系统，其特征在于，还包括连接在所述直流汇流装置的输入端的光伏组串，所述光伏组串包括所述光伏组件和/或所述DC/DC变换器，
所述光伏组件相串联，或，所述光伏组件与所述DC/DC变换器相串联。
11.一种光伏逆变方法，应用于如权利要求1-10所述的任意一项所述光伏逆变系统，其特征在于：
所述DC/DC变换器采样所述光伏组件的输入信号或输出信号，并将所述输入信号以及所述输出信号进行环路处理，使所述输入信号或所述输出信号稳定在一预设值。
12.根据权利要求11所述的光伏逆变方法，其特征在于，还包括：
所述集中式逆变器采样直流侧信息或交流侧信息做最大功率跟踪，获取所述光伏逆变系统的最大输出功率。
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