CN107112944A - 多重化级联型光伏发电系统及光伏发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种多重化级联型光伏发电系统(100)及一种光伏发电装置，所述多重化级联型光伏发电系统(100)包括至少一个级联子系统(110)，每一个所述级联子系统(110)包括控制单元(111)及与所述控制单元(111)电连接的至少一个发电单元(113)，所述发电单元(113)包括输出相互串联的多个分布式发电单元(1131)，所述控制单元(111)与每一个所述分布式发电单元(1131)电连接，每一个所述分布式发电单元(1131)连接至少一块光伏组件(1133)，用于将所述光伏组件(1133)的直流电压转换为交流电压，多个所述分布式发电单元(1131)输出的交流电压串联叠加后形成总输出电压，所述总输出电压输入至所述控制单元(111)，并通过所述控制单元(111)并入电网或输出给交流负载。所述多重化级联型光伏发电系统(100)可以消除光伏组件(1133)串联所导致的木桶效应，提高系统发电量。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种多重化级联型光伏发电系统及一种光伏发电装置。
背景技术
光伏发电系统中，光伏组件把太阳的光能转换为间歇性、变化的直流电，通过光伏组件的串并联提高电压、增大电流，同时汇流箱、配电柜等实现电气连接功能，光伏逆变器把这种随机变化的直流电转换为与公用电网相同频率、相位的交流电。并且光伏逆变器具有MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)功能，可以通过内部软件算法自动寻找光伏组串、或光伏阵列的最大功率点。
典型大型荒漠地面、及大型屋顶太阳能光伏电站一般采用集中式逆变器构成光伏发电系统，如图1所示，主要由太阳能光伏电池组件、汇流箱、交直流配电柜、光伏逆变器、及升压变压器组成，可以方便实现10kV/35kV中压并网。其中，多个光伏组件串联构成光伏组串，再由多个光伏组串并联构成光伏阵列，从而得到较高的直流电压与直流功率，然后共用一台集中型逆变器实现并网发电。然而，这种系统架构具有明显的缺点，比如多个串联的光伏组件中其中某个组件的电流减小，会直接导致这串整个光伏组串的总电流减小，这种现象称为木桶效应，木桶效应会导致整个组串的输出功率降低。
分布式光伏发电系统的发展促使光伏发电靠近负载端，从而减小输配电的传导损耗。分布式光伏电站一般建在中、大型工商业厂房、及个人家庭屋顶，主要使用组串式逆变器，而无需汇流箱、直流配电柜，如图2所示。分布式光伏发电系统带来的主要问题是并机台数过多后增大并网点的电流谐波，同时容易导致并网谐振问题。组串式系统中光伏组件串联构成光伏组串，单个或多个并联的光伏组串经过组串式逆变器内部各自独立的DC/DC变换器升压后，再共用组串式逆变器内部的同一套逆变电路实现并网发电，因此这种系统架构具有多路MPPT功能，部分改进了集成式系统单路MPPT存在的多个组串并联时的失配缺陷。但是，组串式系统内部仍然存在多个光伏组件串联带来的木桶效应问题，比如多个串联的光伏组件中其中某个组件的电流减小，会直接导致这路光伏组串的总电流减小，从而导致整个组串的输出功率降低。
为了消除集中式、组串式系统的木桶效应，近年来提出了功率优化器的概念，从而构成了含有功率优化器的光伏发电系统，如图3所示。这个系统主要在集中式、组串式光伏发电系统的基础上增加了功率优化器这个部件，带来的直接好处是消除了集中式、组串式系统的木桶效应。由于每块光伏组件的背面均安装有一个功率优化器，从而无需把光伏组件直接串联构成光伏组串、而是把功率优化器的输出端首尾串联，因此可以实现组件级、或分布式MPPT功能。但是所造成的缺点显而易见，主要是增加了部件会提升系统价格、增加系统损耗。功率优化器会使当前系统价格上升6～7.5％；同时其工作效率大约为95～98％，由于功率优化器在光伏系统发电时始终保持运行，从而系统将增多2～5％的功率损耗。
近年来提出的微型逆变器光伏发电系统的概念也可以消除集中式、组串式系统的木桶效应，如图4所示。这个系统完全不同于集中式、组串式、及含有功率优化器的光伏发电系统，无需把光伏组件直接串联构成光伏组串，而在每块光伏组件的背面安装一个独立的微型逆变器，因此可以实现组件级、或分布式MPPT功能，带来的直接好处是消除了集中式、组串式系统由于组件串联导致的木桶效应。光伏组件直流电压一般为30～36V、而电网交流电压为110～220V，所以微型逆变器内部通常为两级结构，第一级实现直流升压功能、第二级完成DC/AC交流逆变功能，两级结构造成的问题非常显而易见：一方面微型逆变器的工作效率一般为95～96％，从而导致光伏发电系统额外的4～5％功耗；另一方面内部器件繁多、控制复杂，其价格远远高于集成式、组串式系统结构，也高于含有功率优化器的系统价格。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种多重化级联型光伏发电系统，通过重新构造光伏发电技术的系统架构，以消除光伏组件串联结构中容易出现的木桶效应问题，并且提升光伏发电系统的发电量和工作效率，同时降低系统成本。
一种多重化级联型光伏发电系统，包括至少一个级联子系统，每一个所述级联子系统包括控制单元及与所述控制单元电连接的至少一个发电单元，所述发电单元包括输出相互串联的至少一个、或多个分布式发电单元，所述控制单元与每一个所述分布式发电单元电连接，每一个所述分布式发电单元连接至少一块光伏组件，用于将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压，多个所述分布式发电单元输出的交流电压串联叠加后形成总输出电压，所述总输出电压输入至所述控制单元，并通过所述控制单元并入电网或输出给交流负载。
其中，所述控制单元包括控制、监控与通讯模块，用于发送控制指令给每一个所述分布式发电单元，实现对多个所述分布式发电单元的协同集群控制，并监测所述级联子系统的工作状态以及实现所述级联子系统与电网或交流负载的通讯、保护及信息处理。
其中，所述多重化级联型光伏发电系统还包括功率滤波电路，所述功率滤波电路设置于所述控制单元内，用于实现所述总输出电压、电流的高频滤波，和/或，所述功率滤波电路设置于每一个所述分布式发电单元内，用于实现每一个所述分布式发电单元输出的交流电压、电流的高频滤波。
其中，所述滤波电路为对称型LC滤波电路，或非对称型LC滤波电路，或有源滤波电路。
其中，所述分布式发电单元包括数字控制芯片和DC/AC逆变电路，所述数字控制芯片与所述控制单元及所述DC/AC逆变电路电连接，用于接收所述控制单元发送的控制指令，并根据所述控制指令生成相移驱动信号驱动所述DC/AC逆变电路，以通过所述DC/AC逆变电路将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压。
其中，所述DC/AC逆变电路的拓扑结构为H桥、Z源H桥、准Z源H桥、I型三电平、T型三电平或模块多电平等不同形式的拓扑结构。
其中，所述分布式发电单元还包括DC/DC升压电路，所述DC/DC升压电路连接于所述光伏组件与所述DC/AC逆变电路之间，用于将所述光伏组件的直流电压进行升压变换。
其中，所述DC/DC升压电路为非隔离型的Boost、Buck或Buck/Boost变换电路；或者为隔离型的全桥、半桥、反激、正激或推挽等变换电路。
其中，当所述分布式发电单元连接多块光伏组件时，多块所述光伏组件相互串联连接。
其中，当所述多重化级联型光伏发电系统包括多个所述级联子系统时，多个所述级联子系统相互并联连接。
其中，所述多重化级联型光伏发电系统为三相无中性线的多重化级联型光伏发电系统时，包括三个所述发电单元，每一个所述发电单元包括n个所述分布式发电单元，所述控制单元包括a相端口、b相端口及c相端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接。
其中，所述多重化级联型光伏发电系统为三相有中性线的多重化级联型光伏发电系统时，包括三个所述发电单元，每一个所述发电单元包括n个所述分布式发电单元，所述控制单元包括a相端口、b相端口、c相端口及中性线端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接，并与所述中性线端口电连接。
一种光伏发电装置，其特征在于，包括多重化级联型光伏发电系统，所述多重化级联型光伏发电系统包括至少一个级联子系统，每一个所述级联子系统包括控制单元及与所述控制单元电连接的至少一个发电单元，所述发电单元组串包括输出相互串联的至少一个、或多个分布式发电单元，所述控制单元与每一个所述分布式发电单元电连接，每一个所述分布式发电单元连接至少一块光伏组件，用于将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压，多个所述分布式发电单元输出的交流电压串联叠加后形成总输出电压，所述总输出电压输入至所述控制单元，并通过所述控制单元并入电网或输出给交流负载。
其中，所述光伏发电装置为光伏并网发电装置、光伏离网发电装置或者光伏储能发电装置。
所述多重化级联型光伏发电系统通过设置所述输出相互串联的多个分布式发电单元，并通过每一个所述分布式发电单元连接至少一块光伏组件，由于无需将光伏组件直接串联，因而可以实现组件级或分布式MPPT功能，从而可消除光伏组件串联所导致的木桶效应，提高光伏发电系统的发电量。所述多重化级联型光伏发电系统通过重构光伏发电系统结构，每个发电单元可以实现更高工作效率、并且使用常用交流电缆，同时去除汇流箱与功率优化器等传统部件，因此可以降低系统价格。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术及本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术及本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是现有技术中集中式逆变器构成光伏发电系统的结构示意图；
图2是现有技术中组串式逆变器构成分布式光伏发电系统的结构示意图；
图3是现有技术中含有功率优化器的光伏发电系统的结构示意图；
图4是现有技术中微型逆变器构成光伏发电系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统的整体结构示意图；
图6是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统的接线示意图；
图7是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统的发电单元的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统的控制单元的结构示意图；
图9是本发明实施例一提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统中七电平级联逆变器拓扑结构示意图；
图11是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统中多重化级联型逆变器的方波调制波形示意图；
图12是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统中多重化级联型逆变器的载波相移调制电路的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统中多重化级联型逆变器的载波相移调制的波形示意图；
图14是本发明实施例提供的多重化级联型光伏发电系统中七电平级联逆变器的输出电压波形示意图；
图15是本发明实施例二提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图16是本发明实施例三提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图17是本发明实施例四提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图18是本发明实施例五提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图19是本发明实施例六提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图20是本发明实施例七提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图21是本发明实施例八提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图22是本发明实施例九提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图；
图23是本发明实施例十提供的多重化级联型光伏发电系统的结构示意图。
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描述。
请参阅图5，在本发明一个实施例中，提供一种多重化级联型光伏发电系统100，包括至少一个级联子系统110，每一个所述级联子系统包括控制单元111及与所述控制单元电连接的至少一个发电单元113，所述发电单元包括输出相互串联的一个或多个分布式发电单元1131，即所述发电单元113包括一个所述分布式发电单元1131，或者所述发电单元113包括多个所述分布式发电单元1131，多个所述分布式发电单元1131的输出相互串联，所述控制单元111与每一个所述分布式发电单元1131电连接，每一个所述分布式发电单元1131连接至少一块光伏组件1133，用于将所述光伏组件1133的直流电压转换为交流电压，多个所述分布式发电单元1131输出的交流电压串联叠加后形成总输出电压，所述总输出电压输入至所述控制单元111，并通过所述控制单元111并入电网或输出给交流负载。
多重化级联型光伏发电系统由分布式发电单元与统一化控制单元构成，一块、或多块光伏组件安装有一个独立的分布式发电单元，发电单元可以集成于、或外置在光伏接线盒的内部、或外部，一个、或多个发电单元具有统一的控制单元。该系统无需光伏组件直接串联，因而可以实现组件级、或分布式最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)功能，从而可消除光伏组件串联所导致的木桶效应。发电单元主要由DC/AC逆变电路构成，其功率变换拓扑结构既可以是单级DC/AC电路，也可以由DC/AC电路和DC/DC电路构成的两级结构，DC/AC、DC/DC电路可以采用不同的变换器拓扑类型，如H桥、Z源与准Z源逆变电路，及直流升降压变换电路。每个分布式发电单元的输出为交流低压，输出端经过首尾串联实现交流电压的多重化级联叠加，从而光伏发电系统的总输出为较高的交流电压。发电单元实现组件级MPPT技术、并具有独立分布式控制功能，及接受来自控制单元协同集群控制信号的指令控制、与上报相关监测信息，同时分布式发电单元输出相互串联后的总输出电压也连接至控制单元。控制单元内部包含有所有与电网相关的信息收集、电量检测、协议转换、电网侧滤波、有功降额、无功补偿、谐波治理、与电网故障穿越等功能，及完成光伏发电系统所需的对外通讯、发电状态上报与监测、控制指令的上传与下发、电网调度、及安全保护，并且实现每个发电单元的协同集群控制、状态采集、及计算处理等。控制单元内部的滤波电路可以采用不同的结构形式，如对称型与不对称型LC滤波电路，滤波电路也可安装在发电单元内部构成分布式滤波结构。每个分布式发电单元相互之间、及分布式发电单元与控制单元之间包含有功率连接与信号连接，通讯信号既可以是有线连接、也可以是无线连接。从而这种系统结构可以提高光伏系统发电量，提高系统工作效率，并且降低直流线缆及逆变器的整体价格。
如图5所示的多重化级联型光伏发电系统示意图中，每块光伏组件安装有一个独立的分布式发电单元，多个分布式发电单元的交流输出侧串联后进入相应光伏组串的控制单元中，实现较高的单相交流电压输出。多个分布式发电单元与统一化控制单元构成的子系统把每个光伏组串的直流电转换成交流电输出，多个多重化级联子系统的交流输出并联汇总进入交流配电柜后接入交流电网实现并网发电。
如图6所示的发电单元与控制单元接线示意图中，分布式发电单元主要由DC/AC逆变电路构成，其功率变换拓扑结构既可以是单级DC/AC电路、也可以是DC/AC和DC/DC电路构成的两级结构，单级变换结构中由DC/AC电路实现组件级MPPT功能。在一种实施方式中，所述分布式发电单元包括数字控制芯片和DC/AC逆变电路，所述数字控制芯片与所述控制单元及所述DC/AC逆变电路电连接，用于接收所述控制单元发送的控制指令，并根据所述控制指令生成相移驱动信号驱动所述DC/AC逆变电路，以通过所述DC/AC逆变电路将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压。在另一种实施方式中，所述分布式发电单元还包括DC/DC升压电路，两级变换结构由DC/DC电路实现组件级MPPT功能。所述DC/DC升压电路连接于所述光伏组件与所述DC/AC逆变电路之间，用于将所述光伏组件输出的直流电压进行升压处理。在所述多重化级联型光伏发电系统中，既可以是每块光伏组件安装有一个独立的分布式发电单元，如图6(a)所示；也可以是两块、或多块光伏组件串联后安装有一个独立的分布式发电单元，从而实现系统最优的性价比，如图6(b)所示。可以理解，所述DC/DC升压电路为非隔离型的Boost、Buck或Buck/Boost升压电路；或者为隔离型的全桥、半桥、反激、正激或推挽等变换电路。
如图7所示，分布式发电单元内部的DC/AC逆变电路既可以是图7(a)、图7(c)或图7(d)所示单级H桥结构，也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，如图7(b)所示，还可以使用图7(e)所示Z源H桥结构、或图7(f)所示准Z源H桥结构，或I型三电平、T型三电平或模块多电平等不同形式的拓扑结构。这些逆变电路技术成熟，可采用传统单极性、或双极性SPWM调制策略。分布式发电单元内部采用单级H桥时，逆变电路的输出为交流低压。如果发电单元内部采用两级结构时，即使分布式发电单元串联数量较少，但是总交流输出电压可以提高，从而提高了系统的灵活性。可以理解，在本发明所有实施例中，所述分布式发电单元内部包括的功率开关器件，既可以是三极管、MOSFT、IGBT等基本半导体器件，也可以是SiC、GaN等新型功率器件，同时也可以使用可控硅SCR、GTO等半控型功率器件。
如图8所示的控制单元主要由输出滤波电路，及控制、监测与通讯模块构成。分布式发电单元串联后的总输出电压连接至控制单元，并且经过由电感L1、L2、电容C1构成的滤波器后产生纯净的正弦波交流，并入电网或输出给交流负载。同时控制单元内部具有集成控制与监控通讯模块，产生所有发电单元需要的协同集群控制信号，包含有所有与电网相关的信息收集、电量检测、协议转换、电网侧滤波、有功降额、无功补偿、谐波治理、与电网故障穿越等功能，及完成光伏发电系统所需的对外通讯、发电状态上报与监测、控制指令的上传与下发、电网调度、及安全保护，并且实现每个分布式发电单元的协同集群控制、状态采集、及计算处理等。
如图9所示的实施例一中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为单级H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使发电单元实现正常DC/AC逆变工作。由于n个发电单元的输出端首尾串联，并且各自发电单元为不同相位输出，从而总的交流输出电压可以实现多重化的级联叠加效果，多重化输出电压为接近完美无谐波的级联多电平，总输出端仅需要很小的滤波电感就可以达到纯正弦波波形。H桥逆变电路可以使用常规技术的单极性与双极性调制方式，单极性调制可以降低功率开关管功耗并且可以产生输出的三电平，单极性调制的H桥多重化级联的工作原理说明如下：
如图9中发电单元1所示，单极性调制方式时H桥可以产生三种电平，即+Udc、0、-Udc，其中Udc为光伏直流输入电压。当S11和S14导通、S12和S13断开时，输出端的电平为+Udc；当S12和S13导通、S11和S14断开时，输出端交流电压AC11与AC12的电平为-Udc；当S11和S13(或S12和S14)导通、S12和S14(或S11和S13)断开时，输出端交流电压AC11与AC12的电平为0。另外在控制的过程中，要严格避免同一桥臂两个功率开关器件同时导通，即同一桥臂的上、下开关器件(即S11与S12或S13与S14)的驱动信号必须反向。
多个发电单元多重化级联控制采用三角载波移相调制策略，这是一种专门用于级联多电平逆变器的SPWM方法，使用一对幅值相同、相位相反的调制波与同一组载波进行比较来控制各自单元左路右桥臂功率管的导通和关断。不同的单元中调制波相伴相同，载波相差一定角度。每个分布式发电单元的调制驱动信号由三角载波和正弦调制波相比较而产生，所有分布式发电单元均采用同一个正弦调制波信号，三角载波信号具有相同的频率、幅值调制比，以较高、或较低的开关频率进行SPWM调制，但是各个分布式发电单元的三角波载波的相位不同，相差角度为θ。对于n个发电单元多重化级联的逆变系统，相应的输出电平数为(2n+1)，如果H桥采用双极性调制，则如果H桥采用单极性调制，则从而使得各单元产生的SPWM波在相位上相互错开，载波移相调制策略通过低次谐波的相互抵消以提高等效开关频率，最终各单元串联多重化级联叠加后等效开关频率为单个H桥的2n倍，。，所以这种策略可以在较低的开关频率下获得较高的波形质量，具有良好的谐波特性，有效减少了开关损耗，同时可较大减小总输出滤波电感的体积。另外，其他的调制方法包含谐波消去法、开关频率优化法、直接脉宽调制法、多电平空间电压矢量法等，这些方法同样可适用于这种多重化级联型光伏发电系统。
以图10所示的三个发电单元七电平级联逆变器拓扑为例，每个H桥逆变电路的输入电压为光伏组件的直流电压，即Vdc1＝Vdc2＝Vd3＝E，采用方波调制方式时，输出电压梯形波构造原理如图11所示。一般常用的三角波载波移相SPWM调制电路如图12所示，载波信号由三角波发生器产生、调制波信号由正弦波发生器产生。三个载波信号相位上各自相差60°，分别与同一正弦波载波信号比较得到左桥臂上管的驱动信号V1，再经过反相后得到左桥臂下管的驱动信号V2，将三个载波信号反相后与分别与同一正弦波载波信号比较得到右桥臂上管的驱动信号V3，再经过反相后得到右桥臂下管的驱动信号V4。图13的波形A为三角载波信号、波形B为反相的三角载波信号，波形C为正弦波载波信号，波形D为H桥输出电压波形。图14的波形A为三个发电单元的输出电压相加得到的输出多电平电压，波形B为经过输出滤波电路后总输出电压输出波形。
多重化级联型光伏发电系统包含有统一化控制单元，分布式发电单元输出串联后的总输出电压连接至控制单元，并且经过由电感L1与L2、电容C1构成的输出滤波电路后产生正弦波交流，最终并入交流电网或输出给交流负载。同时控制单元内部集成有控制、监控与通讯模块，产生所有分布式发电单元需要的协同集群控制信号，包含有所有与电网相关的信息收集、电量检测、协议转换、电网侧滤波、有功降额、无功补偿、谐波治理、与电网故障穿越等功能，及完成光伏发电系统所需的对外通讯、发电状态上报与监测、控制指令的上传与下发、电网调度、及安全保护，并且实现每个发电单元的协同集群控制、状态采集、及计算处理等。每个分布式发电单元相互之间、及分布式发电单元与控制单元之间包含有功率连接与信号连接，构成功率流与信号流。每个分布式发电单元相互之间、及分布式发电单元与控制单元之间的通讯信号既可以是有线连接、也可以是无线连接，如RS232、RS485、WIFI、蓝牙、射频RF、或PLC电力线载波通讯等不同方式。
如图15所示的实施例二中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为H桥前级增加Boost变换器的两级结构，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作，三角载波移相调制策略与图9所示的实施例一相似，这里不再重复说明。分布式发电单元内部采用两级结构时，即使发电单元串联数量较少，但是总交流输出电压可以提高，从而提高了系统的灵活性。
如图16所示的实施例三中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为Z源逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。Z源逆变电路为具有直流升压功能的单级逆变拓扑，是近年来提出的一种新型逆变拓扑结构，主要利用同一桥臂功率开关管共通时实现直流升压功能，三角载波移相调制策略与图9所示的实施例一基本相似仅需细微改进，这里不再重复说明。
如图17所示的实施例四中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为准Z源逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。准Z源逆变电路为Z源逆变拓扑的改进结构，同样是具有直流升压功能的单级逆变拓扑，为近年来提出的一种新型逆变拓扑结构，主要利用同一桥臂功率开关管共通时实现直流升压功能，三角载波移相调制策略与图9所示的实施例一基本相似仅需细微改进，这里也不再重复说明。
如图18所示的实施例五中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9所示的实施例一相似，主要差异在于控制单元，输出滤波电路仅使用单电感L1、而去除电感L2，控制单元的其他部分与实施例一完全相同。发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
如图19所示的实施例六中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。与实施例一相比，主要差异是把控制单元输出滤波电路的电感L1、L2移至发电单元中、从而构成分布式滤波结构，分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9相似，控制单元的其他部分完全相同。发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
如图20所示的实施例七中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。与实施例一相比，主要差异是把控制单元输出滤波电路的电感L1、L2及电容C1移至发电单元中、从而构成分布式滤波结构，分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9相似，控制单元的其他部分完全相同。分布式发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
如图21所示的实施例八中，多重化级联型光伏发电系统由n个结构上完全相同的分布式发电单元及统一化控制单元构成。分布式发电单元功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。与实施例一相比，主要差异是把控制单元输出滤波电路的电感L1移至发电单元中、从而构成分布式滤波结构，并且去除控制单元输出滤波电路的电感L2，分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9相似，控制单元的其他部分完全相同。发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
如图22所示的实施例九中，多重化级联型光伏发电系统由3套n个结构上完全相同的发电单元a、发电单元b、发电单元c及统一化控制单元构成三相无中性线N的多重化级联型光伏发电系统。其中，每一套n个结构上完全相同的分布式发电单元构成一个发电单元。发电单元a包括输出相串联的分布式发电单元a1、分布式发电单元a2、…、分布式发电单元an；发电单元b包括输出相串联的分布式发电单元b1、分布式发电单元b2、…、分布式发电单元bn；发电单元c包括输出相串联的分布式发电单元c1、分布式发电单元c2、…、分布式发电单元cn。所述控制单元包括a相端口、b相端口及c相端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接。发电单元内部的分布式发电单元中功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。可以把控制单元输出滤波电路的电感L1、L2、或电容C1移至发电单元中构成分布式滤波结构，分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9相似，主要不同是采用三相移相120度的SPWM控制策略，控制单元的其他部分完全相同。分布式发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
如图23所示的实施例十中，多重化级联型光伏发电系统由3套n个结构上完全相同的发电单元a、发电单元b、发电单元c及统一化控制单元构成三相有中性线N的多重化级联型光伏发电系统。其中，每一套n个结构上完全相同的分布式发电单元构成一个发电单元。发电单元a包括输出相串联的分布式发电单元a1、分布式发电单元a2、…、分布式发电单元an；发电单元b包括输出相串联的分布式发电单元b1、分布式发电单元b2、…、分布式发电单元bn；发电单元c包括输出相串联的分布式发电单元c1、分布式发电单元c2、…、分布式发电单元cn。所述控制单元包括a相端口、b相端口、c相端口及中性线端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接，并与所述中性线端口电连接。发电单元内部的分布式发电单元中功率变换部分为H桥逆变电路，数字控制芯片MCU实现信号处理、MPPT跟踪、控制策略及通讯监控功能。每个分布式发电单元的MCU接收到来自于控制单元的协同集群控制信号后，经过实时计算并经处理后得到功率开关器件的移相驱动信号，使分布式发电单元实现正常DC/AC逆变工作。可以把控制单元输出滤波电路的电感L1、L2、或电容C1移至发电单元中构成分布式滤波结构，分布式发电单元的拓扑工作原理和三角载波移相调制策略与图9相似，主要不同是采用三相移相120度的SPWM控制策略，控制单元的其他部分完全相同。分布式发电单元内部的逆变电路既可以是单级H桥、也可以在H桥前面增加Boost变换器的两级结构，还可以使用Z源、或准Z源逆变电路等不同结构形式。
另，本发明实施例还提供一种光伏发电装置，包括如本发明实施例一至实施例十中所述的任意一种多重化级联型光伏发电系统。可以理解，所述光伏发电装置可以为光伏并网发电装置、光伏离网发电装置或者光伏储能发电装置。
所述多重化级联型光伏发电系统通过设置所述输出相互串联的多个分布式发电单元，并通过每一个所述分布式发电单元连接至少一块光伏组件，由于无需将光伏组件直接串联，因而可以实现组件级或分布式MPPT功能，从而可消除光伏组件串联所导致的木桶效应，提高光伏发电系统的发电量。所述多重化级联型光伏发电系统通过重构光伏发电系统结构，每个发电单元可以实现更高工作效率、并且使用常用交流电缆，同时去除汇流箱与功率优化器等传统部件，因此可以降低系统价格。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (14)
1.一种多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，包括至少一个级联子系统，每一个所述级联子系统包括控制单元及与所述控制单元电连接的至少一个发电单元，所述发电单元包括输出相互串联的一个或多个分布式发电单元，所述控制单元与每一个所述分布式发电单元电连接，每一个所述分布式发电单元连接至少一块光伏组件，用于将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压，多个所述分布式发电单元输出的交流电压串联叠加后形成总输出电压，所述总输出电压输入至所述控制单元，并通过所述控制单元并入电网或输出给交流负载。
2.如权利要求1所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元包括控制、监控与通讯模块，用于发送控制指令给每一个所述分布式发电单元，实现对多个所述分布式发电单元的协同集群控制，并监测所述级联子系统的工作状态以及实现所述级联子系统与电网或交流负载的通讯、保护及信息处理。
3.如权利要求1或2所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述多重化级联型光伏发电系统还包括功率滤波电路，所述功率滤波电路设置于所述控制单元内，用于实现所述总输出电压、电流的高频滤波，和/或，所述功率滤波电路设置于每一个所述分布式发电单元内，用于实现每一个所述分布式发电单元输出的交流电压、电流的高频滤波。
4.如权利要求3所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述滤波电路为对称型LC滤波电路，或非对称型LC滤波电路，或有源滤波电路。
5.如权利要求1或2所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述分布式发电单元包括数字控制芯片和DC/AC逆变电路，所述数字控制芯片与所述控制单元及所述DC/AC逆变电路电连接，用于接收所述控制单元发送的控制指令，并根据所述控制指令生成相移驱动信号驱动所述DC/AC逆变电路，以通过所述DC/AC逆变电路将所述光伏组件的直流电压转换为交流电压。
6.如权利要求5所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述DC/AC逆变电路的拓扑结构为H桥、Z源H桥、准Z源H桥、I型三电平、T型三电平或模块多电平等不同形式的拓扑结构。
7.如权利要求5所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述分布式发电单元还包括DC/DC升压电路，所述DC/DC升压电路连接于所述光伏组件与所述DC/AC逆变电路之间，用于将所述光伏组件的直流电压进行升压变换。
8.如权利要求7所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述DC/DC升压电路为非隔离型的Boost、Buck或Buck/Boost变换电路；或者为隔离型的全桥、半桥、反激、正激或推挽等变换电路。
9.如权利要求1-2、4、6-8任意一项所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，当所述分布式发电单元连接多块光伏组件时，多块所述光伏组件相互串联连接。
10.如权利要求1-2、4、6-8任意一项所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，当所述多重化级联型光伏发电系统包括多个所述级联子系统时，多个所述级联子系统相互并联连接。
11.如权利要求1-2、4、6-8任意一项所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述多重化级联型光伏发电系统为三相无中性线的多重化级联型光伏发电系统，包括三个所述发电单元，每一个所述发电单元包括n个所述分布式发电单元，所述控制单元包括a相端口、b相端口及c相端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接。
12.如权利要求1-2、4、6-8任意一项所述的多重化级联型光伏发电系统，其特征在于，所述多重化级联型光伏发电系统为三相有中性线的多重化级联型光伏发电系统，包括三个所述发电单元，每一个所述发电单元包括n个所述分布式发电单元，所述控制单元包括a相端口、b相端口、c相端口及中性线端口，所述发电单元各自的一端分别与所述控制单元的a相端口、b相端口及c相端口电连接，各自的另一端相互电连接，并与所述中性线端口电连接。
13.一种光伏发电装置，其特征在于，包括如权利要求1-12任意一项所述的多重化级联型光伏发电系统。
14.如权利要求13所述的光伏发电装置，其特征在于，所述光伏发电装置为光伏并网发电装置、光伏离网发电装置或者光伏储能发电装置。
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