CN107154780A - 一种光伏发电系统及其功率控制方法与功率优化器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏发电系统的功率控制方法及功率优化器，在光伏发电系统需要限制输出功率时，由于逆变器限制其输出电流大小，会使直流母线电压以及各个功率优化器的输出电压上升，因此，功率优化器通过将自身的输出电压与相应的阈值进行比较，控制自身的运行模式根据其输出电压进行实时切换，相比于现有技术中基于通信的控制方式，响应更迅速，可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电系统的功率控制技术领域，特别涉及一种光伏发电系统及其功率控制方法与功率优化器。
背景技术
在光伏发电系统中，当逆变器发生过温故障时，需要调整功率，使其运行在降功率模式；或者，当电网对馈电有调度需求时，也需要降低逆变器的输出功率，例如中压并网光伏系统中的限电、离网光伏系统中的负荷降低等情况；此外，当电网发生故障导致交流电压迅速降低时，还需要逆变器按照电网指令要求调制输出的有功和无功功率，满足LVRT(Lowvoltage ride through，低电压穿越)的要求。
在安装有功率优化器的光伏发电系统中，由于系统输出功率的控制由功率优化器通过MPPT(Maximumpower point traking，最大功率点跟踪)来实现，其逆变器只进行逆变；因此，当光伏发电系统由于上述某种原因而需要进行降额运行时，则需要通过逆变器或者上位机发送相应指令给功率优化器，使功率优化器进入限功率运行模式，从而降低光伏发电系统的运行功率。
但是采用通信控制功率优化器进行功率调制的方式，会受限于通信的速率和可靠性，在需要光伏发电系统迅速响应降额要求的场合，比如LVRT要求几十ms内完成有功功率降额和恢复，几乎成为不可能完成的任务。
发明内容
本发明提供一种光伏发电系统及其功率控制方法与功率优化器，以解决现有技术中通信控制的速率低及可靠性低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种光伏发电系统的功率控制方法，应用于光伏发电系统的功率优化器，所述光伏发电系统的功率控制方法包括：
获取功率优化器自身的输出电压；
将所述输出电压与相应的阈值进行比较；
若所述输出电压大于零且小于等于第一阈值，则控制所述功率优化器运行于限流模式；
若所述输出电压大于所述第一阈值且小于等于第二阈值，则控制所述功率优化器运行于最大功率点跟踪MPPT模式；
若所述输出电压大于所述第二阈值，则控制所述功率优化器运行于限功率模式或者直通模式，或者控制所述功率优化器先运行于限功率模式、待满足预设条件之后再运行于直通模式。
优选的，在所述将所述输出电压与相应的阈值进行比较之后，还包括：
若所述输出电压大于第三阈值，则控制所述功率优化器待机；所述第三阈值小于等于Vh/N，其中，Vh为光伏发电系统的最大允许直流母线电压，N为所述功率优化器所在光伏组串中功率优化器的串联个数。
优选的，控制所述功率优化器运行于直通模式，包括：
控制所述功率优化器的占空比，在预设时长内从当前运行模式下的占空比逐渐减小至零，使所述功率优化器运行于直通模式。
优选的，在所述获取功率优化器自身的输出电压之后，还包括：
判断所述输出电压的变化率是否大于第四阈值；
若所述输出电压的变化率大于所述第四阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
优选的，还包括：
获取功率优化器自身的输出电流；
判断所述输出电流的变化率是否大于第五阈值；
若所述输出电流的变化率大于所述第五阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
优选的，还包括：
获取功率优化器自身的输出电流；
判断所述输出电压的变化率是否大于第四阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值是否小于第六阈值，或者，判断所述输出电流的变化率是否大于第五阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值是否小于所述第六阈值；
若所述输出电压的变化率大于所述第四阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值小于所述第六阈值，或者，所述输出电流的变化率大于所述第五阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值小于所述第六阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
优选的，控制所述功率优化器运行于直通模式之后，还包括：
若所述输出电压下降到第七阈值以下，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；所述第七阈值比所述第二阈值小一个预设差值；
或者，若所述功率优化器运行于直通模式的时长大于第一预设时长，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若所述输出电压下降到所述第二阈值以下、且处于所述第二阈值以下的时长大于第二预设时长，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若所述功率优化器接收到恢复运行指令，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式。
一种光伏发电系统的功率优化器，应用上述权利要求任一所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行。
一种光伏发电系统，包括逆变器及多个功率优化器；其中：
所述功率优化器应用上述权利要求任一所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行；
多个所述功率优化器的输入端分别连接至少一个光伏组件；
多个所述功率优化器的输出端串联，使多个光伏组件串联成光伏组串，串联的两端与所述逆变器的直流侧相连。
优选的，还包括至少一个汇流箱；
所述汇流箱的输入端与至少一串光伏组串相连；
所述汇流箱的输出端与所述逆变器的直流侧相连。
本发明提供的所述光伏发电系统的功率控制方法，在光伏发电系统需要限制输出功率时，由于逆变器限制其输出电流大小，会使直流母线电压以及各个功率优化器的输出电压上升，因此，本方法通过将自身的输出电压与相应的阈值进行比较，在其输出电压大于零且小于等于第一阈值时，控制自身运行于限流模式；在其大于所述第一阈值且小于等于第二阈值时，控制自身运行于最大功率点跟踪MPPT模式；在其输出电压大于所述第二阈值时，控制自身运行于限功率模式或者直通模式，或者控制自身先运行于限功率模式、待满足预设条件之后再运行于直通模式；进而控制自身的运行模式根据其输出电压进行实时切换，相比于现有技术中基于通信的控制方式，响应更迅速，可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内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是本发明实施例提供的光伏发电系统的功率控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的功率优化器的输出特性曲线示意图；
图3是本发明实施例提供的功率优化器的输出特性曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的功率优化器的输出特性曲线示意图；
图5是本发明另一实施例提供的光伏发电系统的功率控制方法的流程图；
图6是本发明另一实施例提供的光伏发电系统的功率控制方法的流程图；
图7是本发明另一实施例提供的光伏发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种光伏发电系统及其功率控制方法，以解决现有技术中通信控制的速率低及可靠性低的问题。
该光伏发电系统的功率控制方法，应用于光伏发电系统的功率优化器，具体的，光伏发电系统的功率控制方法参见图1，包括：
S101、获取功率优化器自身的输出电压；
S102、将输出电压与相应的阈值进行比较；
若输出电压大于零且小于等于第一阈值，则执行步骤S103；
S103、控制功率优化器运行于限流模式；
若输出电压大于第一阈值且小于等于第二阈值，则执行步骤S104；
S104、控制功率优化器运行于MPPT模式；
若输出电压大于第二阈值，则执行步骤S105；
S105、控制功率优化器运行于限功率模式或者直通模式，或者控制功率优化器先运行于限功率模式、待满足预设条件之后再运行于直通模式。
参见图2至图4中的直线段，功率优化器内不同的运行模式设置方案将得到其不同的输出特性曲线，其中，VA为第一阈值，VB为第二阈值。
参见图2，功率优化器在低压输出OA阶段处于限流模式，防止功率优化器输入或输出电流超过设定的电流最大值；在中压AB阶段，功率优化器处于MPPT模式，保证相连的光伏组件可以全功率输出；在输出高压BC阶段，功率优化器会处于限功率模式，限制功率输出。
光伏发电系统正常发电时，逆变器控制母线电压为正常水平，此时功率优化器的输出电压也会保持在中压状态，相连的光伏组件工作在MPP点。当光伏发电系统需要限制输出功率时，逆变器限制其输出电流大小，会使直流母线电压以及各个功率优化器的输出电压上升。当功率优化器检测到其输出电压增长到高压区时，功率优化器就会进入限功率运行区间，限制其输出功率。随着输出电压不断上升，功率优化器输出功率逐渐降低，直至功率降为0。
在同一个光伏组串中，各个功率优化器的输出电流相等，输出电压与输出功率成正比。因此，当光伏发电系统需要限功率运行时，输出功率最大的功率优化器(记为优化器1)最先超过降额电压点B。其输出功率和输出电压降低，组串电流降低，光伏组串中其余功率优化器的输出电压相应升高。若达不到光伏发电系统要求的限功率值，则直流母线电压继续上升，优化器1进一步降低功率，同时其余功率优化器的输出电压继续升高直至超过降额电压点B而进行降额。其余光伏组串也按照同样的顺序进行功率降低，直至光伏发电系统达到所需要的限功率值。
图3与图2的区别为：当功率优化器工作在降额电压点B点右侧时，会进入直通模式，而不是限功率模式，其输出特性为所连接光伏组件的PV曲线特征，通过光伏组件自身的软特性限制其功率输出。
参见图4所示功率优化器的输出特性曲线，可见其运行模式设置方案，结合图2和图3所示设置方案，其功率优化器在高压状态下的工作曲线包括BC段的电压环工作降额区域和C点转移到D点的直通模式切换。其工作原理与上述类似，此处不再赘述。该预设条件可以为运行于限功率模式的时长满足预设时长，或者功率优化器的输出电压低于相应阈值，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
本实施例提供的光伏发电系统的功率控制方法，在光伏发电系统需要限制输出功率时，通过将功率优化器自身的输出电压与相应的阈值进行比较，控制自身的运行模式根据其输出电压进行实时切换，相比于现有技术中基于通信的控制方式，响应更迅速，可靠性更高。
优选的，在步骤S102、将输出电压与相应的阈值进行比较之后，还包括：
若输出电压大于第三阈值VC，则控制功率优化器待机；第三阈值VC小于等于Vh/N，其中，Vh为光伏发电系统的最大允许直流母线电压，N为功率优化器所在光伏组串中功率优化器的串联个数。
需要说明的是，假设光伏发电系统最大允许直流母线电压为Vh，每个光伏组串中串联的功率优化器数量为N，则应当设定功率优化器功率降额运行区间的上限电压，即图2中的第三阈值VC≤Vh/N，以保证光伏发电系统直流母线电压不会超过Vh。
优选的，控制功率优化器运行于直通模式，包括：
控制功率优化器的占空比，在预设时长内从当前运行模式下的占空比逐渐减小至零，使功率优化器运行于直通模式。
若功率优化器直接从MPPT模式(或者限功率模式)切换到直通模式时存在功率或电压突变，可以通过缓慢变化占空比的方式直至直通。
例如，对于Boost型功率优化器来说，假设当前MPPT模式的占空比为0.2，当需要进入直通模式时，在一段时间内将占空比逐渐减小至0，以减小功率突变(对应图3中的B到C的过程)。图4中C到D的过程与此类似，此处不再赘述。
本发明另一实施例还提供了另外一种光伏发电系统的功率控制方法，参见图5，包括：
S201、获取功率优化器自身的输出电压和输出电流；
S202、判断输出电压的变化率dV/dt是否大于第四阈值K1，或者输出电流的变化率dI/dt是否大于第五阈值K2；
若输出电压的变化率dV/dt大于第四阈值K1，或者输出电流的变化率dI/dt大于第五阈值K2，则执行步骤S203；
S203、控制功率优化器运行于直通模式。
若光伏发电系统急停，功率优化器检测到输出电压或输出电流的变化率超过对应阈值时，控制自身运行于直通模式。光伏发电系统直流母线电压将呈现为光伏组件的开路电压。
若光伏发电系统在进行低电压穿越，功率优化器检测到输出电压或输出电流的变化率超过对应阈值时，控制自身运行于直通模式，此时完全由连接电网的逆变器根据传统的LVRT算法进行穿越。
上述判断过程中，为了降低由于功率优化器输入端的光伏组件自身功率变化的影响，可以增加一个功率变化的辅助判断逻辑，只有在判断输出电压或输出电流变化率较大、同时输出功率变化率较小时，才认为是光伏发电系统紧急停机或电网故障穿越状态。
因此，优选的，参见图6，该光伏发电系统的功率控制方法包括：
S301、获取功率优化器自身的输出电压和输出电流；
S302、判断输出电压的变化率dV/dt是否大于第四阈值、且功率优化器的输出功率的变化率绝对值|dP/dt|是否小于第六阈值K3，或者，判断输出电流的变化率dI/dt是否大于第五阈值、且功率优化器的输出功率的变化率绝对值|dP/dt|是否小于第六阈值K3；
若输出电压的变化率dV/dt大于第四阈值、且功率优化器的输出功率的变化率绝对值|dP/dt|小于第六阈值K3，或者，输出电流的变化率dI/dt大于第五阈值、且功率优化器的输出功率的变化率绝对值|dP/dt|小于第六阈值K3，则执行步骤S303；
S303、控制功率优化器运行于直通模式。
值得说明的是，在获取功率优化器自身的输出电压之后，可以将输出电压与相应的阈值进行比较，也可以将输出电压的变化率与第四阈值进行比较，作为其运行模式切换的依据；而在获取功率优化器自身的输出电压和输出电流之后，还可以选择将其输出电流的变化率与第五阈值进行比较，或者更进一步添加输出功率的变化率，作为其运行模式切换的依据；而在具体的实际应用中，功率优化器的运行模式切换的依据，可以根据其具体应用环境做出相应的选择，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
优选的，在上述实施例的基础之上，该光伏发电系统的功率控制方法，在控制功率优化器运行于直通模式之后，还包括：
若输出电压下降到第七阈值以下，则控制功率优化器运行于MPPT模式；第七阈值比第二阈值小一个预设差值；
或者，若功率优化器运行于直通模式的时长大于第一预设时长，则控制功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若输出电压下降到第二阈值以下、且处于第二阈值以下的时长大于第二预设时长，则控制功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若功率优化器接收到恢复运行指令，则控制功率优化器运行于MPPT模式。
具体的，当功率优化器还工作于迅速响应要求下的模式切换过程中，可以在MPPT模式到直通模式的切换过程中设定一个滞环，以防止模式切换错误或者切换过于频繁。例如，在MPPT模式下当输出电压大于第二阈值VB时，控制功率优化器切换至直通模式，而在直通模式下则需要其输出电压小于第七阈值(VB-ΔV)时才能切换至MPPT模式。或者，在直通模式下设定一个第一预设时长T，超过第一预设时长T后再次切换至MPPT模式。又或者，在直通模式下，若输出电压下降到第二阈值VB以下、且处于第二阈值VB以下的时长大于第二预设时长，则控制功率优化器运行于MPPT模式。
当功率优化器从直通模式下退出，且光伏发电系统对其输出功率不再有实时性要求，可以采用下面任意一种方法退出直通模式，光伏发电系统完成紧急停机或者电网故障穿越后，通过通信给功率优化器发送恢复运行指令，控制其从直通模式退出；或者，功率优化器进入直通模式后触发计时，当达到设定的第一预设时长T后，退出直通模式。
其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种光伏发电系统的功率优化器，应用上述任一实施例所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行。
该光伏发电系统的功率控制方法可以根据具体应用环境选择图1、图5或者图6任一所示方法，具体过程和原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种光伏发电系统，参见图7，该光伏发电系统包括逆变器101及多个功率优化器102；其中：
功率优化器102应用上述任一实施例所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行；
多个功率优化器102的输入端分别连接至少一个光伏组件；
多个功率优化器102的输出端串联，使多个光伏组件串联成光伏组串，串联的两端与逆变器101的直流侧相连。
优选的，参见图7，该光伏发电系统还包括至少一个汇流箱103；
汇流箱103的输入端与至少一串光伏组串相连；
汇流箱103的输出端与逆变器101的直流侧相连。
功率优化器102具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，应用于光伏发电系统的功率优化器，所述光伏发电系统的功率控制方法包括：
获取功率优化器自身的输出电压；
将所述输出电压与相应的阈值进行比较；
若所述输出电压大于零且小于等于第一阈值，则控制所述功率优化器运行于限流模式；
若所述输出电压大于所述第一阈值且小于等于第二阈值，则控制所述功率优化器运行于最大功率点跟踪MPPT模式；
若所述输出电压大于所述第二阈值，则控制所述功率优化器运行于限功率模式或者直通模式，或者控制所述功率优化器先运行于限功率模式、待满足预设条件之后再运行于直通模式。
2.根据权利要求1所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，在所述将所述输出电压与相应的阈值进行比较之后，还包括：
若所述输出电压大于第三阈值，则控制所述功率优化器待机；所述第三阈值小于等于Vh/N，其中，Vh为光伏发电系统的最大允许直流母线电压，N为所述功率优化器所在光伏组串中功率优化器的串联个数。
3.根据权利要求1所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，控制所述功率优化器运行于直通模式，包括：
控制所述功率优化器的占空比，在预设时长内从当前运行模式下的占空比逐渐减小至零，使所述功率优化器运行于直通模式。
4.根据权利要求1所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，在所述获取功率优化器自身的输出电压之后，还包括：
判断所述输出电压的变化率是否大于第四阈值；
若所述输出电压的变化率大于所述第四阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
5.根据权利要求1所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，还包括：
获取功率优化器自身的输出电流；
判断所述输出电流的变化率是否大于第五阈值；
若所述输出电流的变化率大于所述第五阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
6.根据权利要求1所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，还包括：
获取功率优化器自身的输出电流；
判断所述输出电压的变化率是否大于第四阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值是否小于第六阈值，或者，判断所述输出电流的变化率是否大于第五阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值是否小于所述第六阈值；
若所述输出电压的变化率大于所述第四阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值小于所述第六阈值，或者，所述输出电流的变化率大于所述第五阈值、且所述功率优化器的输出功率的变化率绝对值小于所述第六阈值，则控制所述功率优化器运行于直通模式。
7.根据权利要求1至6任一所述的光伏发电系统的功率控制方法，其特征在于，控制所述功率优化器运行于直通模式之后，还包括：
若所述输出电压下降到第七阈值以下，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；所述第七阈值比所述第二阈值小一个预设差值；
或者，若所述功率优化器运行于直通模式的时长大于第一预设时长，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若所述输出电压下降到所述第二阈值以下、且处于所述第二阈值以下的时长大于第二预设时长，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式；
或者，若所述功率优化器接收到恢复运行指令，则控制所述功率优化器运行于MPPT模式。
8.一种光伏发电系统的功率优化器，其特征在于，应用权利要求1至7任一所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行。
9.一种光伏发电系统，其特征在于，包括逆变器及多个功率优化器；其中：
所述功率优化器应用权利要求1至7任一所述的光伏发电系统的功率控制方法控制自身运行；
多个所述功率优化器的输入端分别连接至少一个光伏组件；
多个所述功率优化器的输出端串联，使多个光伏组件串联成光伏组串，串联的两端与所述逆变器的直流侧相连。
10.根据权利要求9所述的光伏发电系统，其特征在于，还包括至少一个汇流箱；
所述汇流箱的输入端与至少一串光伏组串相连；
所述汇流箱的输出端与所述逆变器的直流侧相连。
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