CN106941263B - 一种可以实现分布式mppt的集中式光伏发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以实现分布式MPPT的集中式光伏发电系统，包括光伏组件、光伏优化器、电压补偿器和并网逆变器，系统中每个光伏组件输出端连接一个Buck型光伏优化器，用以实现每个光伏组件的最大功率跟踪，光伏优化器的输出端串联形成组串；每个组串连接一个隔离型的DC/DC变换器即电压补偿器，其输入端连接直流母线，输出端串联接入组串中；多个组串并联形成光伏阵列，连接并网逆变器并网发电；光伏优化器、电压补偿器和并网逆变器通过功率信号复合调制通信的方式进行通信。本发明使光伏阵列的功率最大化，同时解决了组件级、组串级的失配问题，所提出的通信实现不需要额外的布线和通信模块，通信成本低，维护简单。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种可以实现分布式MPPT的集中式光伏发电系统。
背景技术
光伏发电具有清洁、可再生、技术成熟、安装方便等特点，已成为最有前途的可再生能源发电方式之一。截至2015年9月，中国累计光伏发电容量已达37.95GW，其中光伏电站31.7GW，分布式光伏6.25GW；而目前已安装的光伏电站多为传统的集中式光伏发电系统。
大中型光伏发电系统通常采用集中式并网发电方式，其典型结构如图1所示。一定数量的光伏组件串联形成光伏组串，组串再通过直流汇流箱并联至直流母线，并联的组串即形成光伏阵列，直流母线再经过光伏并网逆变器进行并网，实现光伏发电。为了降低线损，提高系统发电效率，同时降低组串、线缆和汇流箱的数量，集中式光伏发电系统中的直流母线电压较高，一般为400～800V。
由局部阴影遮挡或者组件老化等因素造成的失配是造成光伏系统发电效率降低的主要原因。在光伏阵列中，失配问题可划分为组件级失配和组串级失配：组件级失配是指发生在串联的组件之间，组件受到的光照或温度条件不一致，或组件老化后，输出特性不一致的情况；组串级失配是指发生在并联的组串之间，由于组件级失配导致组串的输出特性不一致的情况。针对组件级失配，为防止失配严重的组件由于光斑效应损坏，一般需要在组件的输出端并联旁路二极管，此时组串的输出P-V特性会呈现多峰值现象。同时由于组串内电流平衡的限制，组串P-V特性的最大功率并不是每个组件的最大输出功率之和，因此存在输出潜能的浪费。针对组串级失配，集中式光伏系统采用防逆流二极管防止失配严重的组串输入反向电流而损坏该组串，此时阵列的P-V特性也呈现多峰现象，同样由于并联组串电压平衡的限制，阵列的输出潜能也会有浪费。
针对上述失配问题，国内外学者做了大量研究，主要解决方为通过对光伏阵列的拓扑结构进行优化设计或附加硬件结构，实现组件级MPPT(Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪)。在每个光伏组件输出并联DC/DC装置，通常称为光伏组件集成变换器(Module Integrated Converter，MIC)、光伏优化器(PV Optimizer)，如图2所示，优化器的引入可以使每个组件可以单独实现MPPT。
串联型全功率变换器的常用拓扑结构是Buck、Boost和Buck-Boost型，其中Buck优化器优点是结构简单、成本低、转换效率高，缺点是不能升压，如果用于集中式光伏系统，未达到直流母线电压，单个组串需要较多组件和优化器，增大了前期投入；Boost优化器只能降流，受遮挡组件经Boost优化器后电流下降会更为严重；而Buck-Boost优化器优点在于既能升压也能降压，单个组串中组件数目更加灵活，但缺点是相比于前两者效率较低，成本较高。
同时，光伏组件加入功率优化器组成光伏单元后，如果并网逆变器仍采用传统的MPPT控制方式，将会产生新的协调工作和稳定性问题。需要通过通信功能，协调并网逆变器以及各个功率优化器之间的控制算法。
光伏系统中数据通信可采用有线或无线通信方式。有线通信又包括独立布线方式或电源线载波通信方式。独立布线通信方式包括RS485、CAN总线通信等，由于光伏系统对于线路防水要求很高，单独布线不仅增加安装成本，而且降低了系统可靠性，因此在实际应用中一般不会采纳；直流电力线载波通信(DC-PLC)是光伏优化器通信的一个较好选择，不需要额外布线。光伏优化器也可以采用Wifi或Zigbee等无线通信方式。这种方式虽然避免了有线通信的布线问题，但是天线的安装方式以及无线通信的组网调试比较复杂，降低了系统的可靠性。此外，无线通信电路也增加了系统的成本。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种可以实现分布式MPPT的集中式光伏发电系统，其能够使光伏阵列的功率最大化，同时解决了组件级、组串级的失配问题。
一种可以实现分布式MPPT的集中式光伏发电系统，包括呈阵列分布的光伏组件以及并网逆变器，每个光伏组件的输出端均连接有光伏优化器，所述光伏优化器内部采用Buck型DC-DC变换器，其用于对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出；同一列中的光伏组件通过光伏优化器在输出端串联后形成组串，每列组串通过串联接入一个电压补偿器后并联至并网逆变器的直流侧，所述电压补偿器用于抬高组串的输出电压使其达到直流母线电压，电压补偿器内部采用隔离型DC-DC变换器。
进一步地，所述电压补偿器与光伏优化器之间通过功率信号复合调制通信的方式进行通信；同样当光伏优化器相互之间通信时，也通过功率信号复合调制通信的方式进行通信。
进一步地，所有电压补偿器均安置于汇流箱内且与并网逆变器之间通过有线或无线通信方式进行通信，方便安装与更换。
进一步地，所述光伏优化器包括Buck型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其中：
所述Buck型DC-DC变换器一方面对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集光伏组件的输出电压和输出电流以及Buck型DC-DC变换器输出端口的电压，并对输出端口的电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输出电压、输出电流和纹波电压输出至数字控制器；
所述数字控制器在光伏优化器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量(该扰动量根据调制算法的不同，为频率扰动量或占空比扰动量)，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成Buck型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动控制Buck型DC-DC变换器。
进一步地，所述电压补偿器包括隔离型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其中：
所述隔离型DC-DC变换器一方面对组串的输出电压进行变换，以达到直流母线电压，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集组串的输出电压和输出电流以及隔离型DC-DC变换器输出端口的电压，并对输出端口的电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输出电压、输出电流和纹波电压输出至数字控制器；
所述数字控制器在电压补偿器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成隔离型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动控制隔离型DC-DC变换器。
进一步地，所述的数字控制器包括：
采样信号处理模块，对所述输出电压和输出电流进行AD采样并计算光伏组件或组串的输出功率，对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到纹波电压的频谱信息；
通信载波调制模块，在光伏优化器或电压补偿器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
最大功率跟踪模块，用于根据输出功率利用最大功率跟踪算法确定功率调节的控制量，使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；或使所述扰动量与给定的参考功率相叠加后，进而根据输出功率利用最大功率跟踪算法计算得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成Buck型或隔离型DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，在光伏优化器或电压补偿器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据。
进一步地，所述调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法(即FSK调制算法)，或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。
本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明通过给每个光伏组件连接Buck型优化器，使得光伏阵列中的每一个光伏组件均工作于当前条件下的最大功率点附近，实现光伏阵列功率输出最大化，同时解决了传统光伏发电技术的组件级失配问题。同时Buck型优化器拥有较高的转换效率，在良好光照条件下可以工作于直通模式，没有开关动态损耗，更加节能。
(2)本发明通过在组串中串联连接电压补偿器，解决了Buck型优化器无法升压的问题，同时消除了组串级的失配问题，使得每个组串的电压在任何条件下均可以达到母线电压。保证了优化器在各种条件下的正常工作。
(3)本发明提出的功率信号复合通信方式，信号的调制和解调均可以由功率控制芯片实现，仅需要在信号接收端接入采样电路和信号调理电路，不需要额外的通信模块和布线，节约成本，后期维护容易。
附图说明
图1为传统集中式光伏发电系统的结构示意图。
图2为光伏优化器的连接结构示意图。
图3为本发明光伏发电系统的结构示意图。
图4为Buck型DC/DC变换器拓扑结构及控制示意图。
图5为电压补偿器的连接示意图。
图6为移相全桥式电压补偿器的拓扑结构示意图。
图7为功率信号符合调制信息的传输过程示意图。
图8为阴影遮挡下传统系统中光伏组件的P-V特性曲线图。
图9为阴影遮挡下本发明系统中光伏组件的P-V特性曲线图。
图10为功率信号复合调制的电压波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图从具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明光伏发电系统如图3所示，是一种可以在各种实现分布式最大功率跟踪(DMPPT)的光伏发电系统，该光伏发电系统中每个光伏组件输出端连接一个光伏优化器，用以实现每个光伏组件的最大功率跟踪(MPPT)，光伏优化器的输出端串联形成组串；每个组串串联接入一个电压补偿器，用以抬高组串的输出电压使其达到母线电压；多个组串并联后接并网逆变器并网发电。光伏优化器、电压补偿器和并网逆变器通过功率信号复合调制(PSDM)通信的方式进行通信。
本实施方式的光伏优化器为一Buck型DC/DC变换器，输入端接光伏组件，输出端串联接入组串，通过MPPT算法调节输入电压的大小，使得光伏组件的工作点稳定在最大功率点附近，实现DMPPT。Buck型DC/DC变换器的结构如图4所示；在正常光照下，开关管Q1直通，Q2断开。可在没有开关动态损耗的情况下使光伏板输出最大功率。在当前光照条件改变时，通过MPPT算法，开关管Q1，Q2调节占空比，使得Vpv发生改变，最终使得使组件工作在当前光照下的最大功率点。
电压补偿器的输入端接入母线两端，输出端串联接入组串中。通过输出一定的电压值来抬高组串电压，当组串中的Buck型优化器输出电压之和无法达到母线电压时，电压补偿器输出一定的电压值，使组串电压达到母线电压，消除了组串级的电压失配问题。补偿器可以串联在组串的末端，故各个组串的补偿器可以一同集成于汇流箱中，以组串中有2个组件的情况为例，电压补偿器的连接如图5所示。
本实施方式的电压补偿器为一隔离型的DC/DC电路，具体拓扑可以选择反激电路、推挽电路、全桥电路等。以移相全桥电路为例，如图6所示，当前组串可以在保证DMPPT的同时达到母线电压时，移相全桥电路的移相角为180度，等效占空d＝0，输出电压为0，D1、D2、D3、D4四个二极管同时导通。当组串电压无法达到母线电压时，电路调节移相角，使得等效占空比d>0，电路输出一定的电压值，使得组串电压达到母线电压。
本发明功率信号复合调制PSDM的通信过程为：变换器将待发送的数据经数字编码和数字调制后得到的扰动量叠加于所述的光伏优化器、电压补偿器或并网逆变器的内部功率控制回路的某一节点，使得功率控制回路输出的控制量叠加了通信载波，进而使变换器的功率输出复合了通信载波；在信号的接收端对电压进行采样，采样值通过带通滤波器和放大器、经离散傅里叶算法(DFT)解调后，得到原始的编码，对编码进行解码即可得到原始数据。
数字调制包含ASK、FSK和PSK等调制方式。以光伏优化器的通信为例，将经二进制振幅键控(2ASK)调制的数字信号叠加在功率控制环输出的占空比控制信号d上，得到d'，从而使得发送端的输出电压和电流带有通信载波。接收端对输出电压或电流进行采样，经滤波、放大、解调、解码得到原始数据，发送和接收的过程如图7所示。
借助于这种通信方式，并网逆变器可以在不同的环境条件下调节直流母线的电压，使得每个光伏组串均可以达到当前母线的电压。通过以上实施方法，本发明光伏发电系统可以在绝大多数的光照条件下，均可以满足每个光伏组件工作在当前条件下的最大功率点附近，消除了组件级和组串级的失配问题。
实验验证：
(1)在受到阴影遮挡的条件下，分别测量以下两个条件下系统中某一组串的P-V特性曲线：(a)传统无优化器无补偿器；(b)本发明BUCK型优化器+电压补偿器。实验结果如图8和图9所示，从图中可以看到本发明技术方案在实现DMPPT方面具有较大优势。
(2)当某一优化器向该组串其它优化器发送信息时，从母线和接收端滤波放大后用示波器采样得到的电压波形如图10所示，从图中可以看到接收端可以接收到发送端传输来的通信载波，经解调、解码后即可得到原始通信数据。验证了本发明通信方法的可行性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可以实现分布式MPPT的集中式光伏发电系统，包括呈阵列分布的光伏组件以及并网逆变器，其特征在于：每个光伏组件的输出端均连接有光伏优化器，所述光伏优化器内部采用Buck型DC-DC变换器，其用于对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出；同一列中的光伏组件通过光伏优化器在输出端串联后形成组串，每列组串通过串联接入一个电压补偿器后并联至并网逆变器的直流侧，所述电压补偿器用于抬高组串的输出电压使其达到直流母线电压，电压补偿器内部采用隔离型DC-DC变换器；
所述电压补偿器与光伏优化器之间通过功率信号复合调制通信的方式进行通信；同样当光伏优化器相互之间通信时，也通过功率信号复合调制通信的方式进行通信；
所述光伏优化器包括Buck型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其中：
所述Buck型DC-DC变换器一方面对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集光伏组件的输出电压和输出电流以及Buck型DC-DC变换器输出端口的电压，并对输出端口的电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输出电压、输出电流和纹波电压输出至数字控制器；
所述数字控制器在光伏优化器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成Buck型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动控制Buck型DC-DC变换器。
2.根据权利要求1所述的集中式光伏发电系统，其特征在于：所有电压补偿器均安置于汇流箱内且与并网逆变器之间通过有线或无线通信方式进行通信。
3.根据权利要求1所述的集中式光伏发电系统，其特征在于：所述电压补偿器包括隔离型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其中：
所述隔离型DC-DC变换器一方面对组串的输出电压进行变换，以达到直流母线电压，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集组串的输出电压和输出电流以及隔离型DC-DC变换器输出端口的电压，并对输出端口的电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输出电压、输出电流和纹波电压输出至数字控制器；
所述数字控制器在电压补偿器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成隔离型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动控制隔离型DC-DC变换器。
4.根据权利要求1或3所述的集中式光伏发电系统，其特征在于：所述的数字控制器包括：
采样信号处理模块，对所述输出电压和输出电流进行AD采样并计算光伏组件或组串的输出功率，对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到纹波电压的频谱信息；
通信载波调制模块，在光伏优化器或电压补偿器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
最大功率跟踪模块，用于根据输出功率利用最大功率跟踪算法确定功率调节的控制量，使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；或使所述扰动量与给定的参考功率相叠加后，进而根据输出功率利用最大功率跟踪算法计算得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成Buck型或隔离型DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，在光伏优化器或电压补偿器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据。
5.根据权利要求1或3所述的集中式光伏发电系统，其特征在于：所述调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法，或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。
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