CN107508463B - 光伏直流变换器输出限压方法和装置 - Google Patents

光伏直流变换器输出限压方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种光伏直流变换器输出限压方法和装置，该方法应用于光伏发电系统，光伏发电系统包括至少一个光伏组串和后级设备，光伏组串包括至少一个光伏模块，每个光伏模块包括一个光伏单元以及与光伏单元连接的直流变换器，光伏单元包括至少一个光伏组件，该方法包括：直流变换器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节直流变换器的输出电压参考值，输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比；直流变换器控制输出电压小于或等于输出电压参考值。当环路冲突发生时，直流变换器可以主动增大输出电压参考值来解决冲突，避免出现电流掉零现象，保证了系统的发电量，使得系统正常稳定的工作。

Description

光伏直流变换器输出限压方法和装置
技术领域
本申请涉及电路领域，尤其涉及一种光伏直流变换器输出限压方法和装置。
背景技术
光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。光伏发电系统的主要部件包括太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。
为了获得较高的输出电压或输出电流，光伏发电系统可以由多个光伏组件通过一定的串并联方式组合构成。光伏组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异会造成光伏组件串、并联情况下的能量损失。例如，光伏组件安装于室外，经常会发生部分或间歇性的遮挡，老化等因素而引起串、并联的失配问题，严重影响系统发电量。在采用直流变换器(下文中可用优化器代替直流变换器)和分布式最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术的光伏发电系统中，每个光伏组件连接一个优化器。优化器可以进行双重跟踪：一方面，实现组件级别的MPPT功能，另一方面，将光伏组件的输入电压/电流转换为不同的输出电压/电流，最大限度提高系统效率。
传统的光伏组件配置受制于系统电压等级(单相：600V，三相：1000V)，实际配置时需要考虑足够的余量来保证光伏阵列输出电压低于系统电压。优化器的使用极大的提高了组件配置的灵活性，同时具备升/降压功能，扩展了单个光伏组串中光伏组件串联数量范围，同时允许不同串联数量的光伏组串之间并联。
优化器的引入提高灵活性的同时，也引入了新的问题，优化器的升压功能可能使得输出电压高于电池板开路电压，可以引起系统过压风险。另外，优化器后级需要配合逆变器使用，优化器输出母线(BUS)连接到逆变器输入，优化器和逆变器通过BUS耦合。一般场景下，优化器控制环路中含有输出电压环，用于限制优化器的输出电压上限，逆变器控制环路中含有输入电压环，用于控制逆变器的输入电压工作在最大功率点。
在优化器和逆变器无通信的场景下，优化器的输出电压环和逆变器的输入电压环同时作用于BUS会造成系统工作异常，容易出现电流掉零现象，严重影响系统发电量，无法保证系统的稳定性和正常工作。
发明内容
本申请实施例提供一种光伏直流变换器输出限压方法和装置，可以解决环路冲突，避免出现电流掉零现象，保证了系统的发电量，使得系统正常稳定的工作。
本申请实施例一方面提供一种光伏直流变换器输出限压方法，所述方法应用于光伏发电系统，所述光伏发电系统包括至少一个光伏组串和后级设备，所述光伏组串包括至少一个光伏模块，每个所述光伏模块包括一个光伏单元以及与所述光伏单元连接的直流变换器，所述光伏单元包括至少一个光伏组件，所述方法包括：
所述直流变换器根据所述光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，所述输出电压参考值与所述光伏单元的输出电流成反比；
所述直流变换器控制输出电压小于或等于所述输出电压参考值。
在上述方案中，直流变换器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节直流变换器的输出电压参考值，控制输出电压小于等于所述输出电压参考值，由于输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比，当环路冲突发生时，直流变换器可以主动增大输出电压参考值来解决冲突，避免出现电流掉零现象，保证了系统的发电量，使得系统正常稳定的工作。
在一种可能的实现方式中，所述直流变换器根据所述光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，包括：
所述直流变换器根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定所述直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，
其中，Upv为所述光伏单元的输出电压，Ipv为所述光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值。
在上述方案中，优化器根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)可以精确地调节直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，保证了计算精确度，有利于提高系统的可靠性。
在一种可能的实现方式中，所述直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路；所述拓扑电路为隔离的或者非隔离的。
在上述方案中，优化器的拓扑电路可以为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路中的任意一种，可以根据实际需求来选择电路，使得光伏发电系统的结构更加的灵活多变，其性能也能适应不同情况下的电路需求。
在一种可能的实现方式中，所述直流变换器的输出电压参考值小于或等于所述光伏单元的开路电压。
在上述方案中，当优化器的输入电流为零时，优化器输出电压参考值达到最大，此时输出电压参考值等于电池板开路电压，也即，输出电压参考值等于光伏单元的开路电压。在任何场景下，优化器输出电压参考值小于等于电池板开路电压，系统无过压风险。
在一种可能的实现方式中，若所述直流变换器工作在升压模式下，则所述直流变换器的升压比与所述光伏单元的输出电流成正比。
在上述方案中，优化器升压比正比于光伏单元的输出电流，光伏单元的输出电流越大，升压比越大，由于优化器串联后组串电流相同，当电池板功率较大时，只能通过输出较高电压来输出较大功率，优化器升压比正比于光伏单元的输出电流，使得优化器不会进入限功率状态，保证了系统发电量。
在一种可能的实现方式中，所述后级设备为逆变器。
本申请实施例另一方面提供一种光伏直流变换器输出限压装置，所述装置为直流变换器，包括：
调节模块，用于根据所述光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，所述输出电压参考值与所述光伏单元的输出电流成反比；
控制模块，用于控制输出电压小于或等于所述输出电压参考值。
在一种可能的实现方式中，所述调节模块具体用于根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定所述直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，
其中，Upv为所述光伏单元的输出电压，Ipv为所述光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值。
在一种可能的实现方式中，所述直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路；
所述拓扑电路为隔离的或者非隔离的。
在一种可能的实现方式中，所述输出电压参考值小于或等于所述光伏单元的开路电压。
在一种可能的实现方式中，若所述直流变换器工作在升压模式下，则所述直流变换器的升压比与所述光伏单元的输出电流成正比。
本实施例提供的装置，其实现方式和有益效果可参照上一方面提供的方法实施例以及各种可能的实现方式的描述，此处不再赘述。
附图说明
图1为本申请实施例提供的光伏发电系统的示意图；
图2为本申请一实施例提供的一种光伏直流变换器输出限压方法的流程图；
图3为本申请一实施例提供的优化器的输入电压-输入电流曲线示意图；
图4为本申请另一实施例提供的优化器的输出电压参考值-输入电流曲线示意图；
图5为本申请实施例提供的优化器输出电压环路的控制框图；
图6为本申请实施例提供的逆变器输入电压环路的控制框图
图7为本申请又一实施例提供的优化器的升压比-输入电流曲线示意图；
图8为本申请实施例提供的一种光伏直流变换器输出限压装置的框图。
具体实施方式
本申请实施例提供的光伏直流变换器输出限压方法应用于光伏发电系统，该光伏发电系统主要由光伏单元、优化器、逆变器和电网组成。其中，直流变换器和逆变器之间无通信连接，各自独立运行。
图1为本申请实施例提供的光伏发电系统的示意图，如图1所示，光伏发电系统包括至少一个光伏组串104和后级设备105，光伏组串104包括至少一个光伏模块103，每个光伏模块103包括一个光伏单元101以及与光伏单元连接的直流变换器102，光伏单元101包括至少一个光伏组件，直流变换器102输出串联后与后及设备105连接，后级设备105连接电网106，其中，后级设备105可以为逆变器。光伏组串输出电压称为BUS电压，逆变器实现直流/交流(Direct Current/Alternating Current，DC/AC)变换，将直流电逆变成交流电送入电网。其中，直流变换器输出端相互串联，直流变换器输出正端连接到上一个直流变换器输出负端，直流变换器输出负端连接到下一个直流变换器输出正端，同一个光伏组串中的多个直流变换器可以等效为一个直流变换器。
需要说明的是，下文中的部分内中采用优化器代替直流变换器，采用逆变器代替后级设备。
图2为本申请一实施例提供的一种光伏直流变换器输出限压方法的流程图。该方法应用于如图1所示的光伏发电系统，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤101、直流变换器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节直流变换器的输出电压参考值，输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比。
在本实施例中，光伏单元的载体为电池板，电池板具有如图3和图4所示的特性。其中，优化器的输入电流即为光伏单元的输出电流，优化器的输入电压即为光伏单元的输出电压。如图3所示，典型电池板参数如下：
开路电压(输出电流为零)：37.7V；
短路电流(输出电压为零)：8.89A；
最大功率点电压(输出功率最大)：30.9V；
最大功率点电流(输出功率最大)：8.42A。
从图3可知，当优化器的输入电流减小时，优化器的输入电压会随之增大，从图4可知，当优化器的输入电流减小时，优化器的输出电压参考值也会随之增大。
进一步地，优化器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节优化器的输出电压参考值，包括：优化器根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定优化器的输出电压参考值Uout-ref，其中，Upv为光伏单元的输出电压，Ipv为光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值，比如，K＝0.01。
表1为本申请实施例提供的一组优化器的输入电流、输入电压与输出电压参考值的对比值，从表1中也可以看出，当优化器的输入电流减小时，优化器的输入电压和输出电压参考值均会随之增大。
表1
步骤102、直流变换器控制输出电压小于或等于输出电压参考值。
在本实施例中，当优化器的输出电压参考值小于逆变器的输入电压参考值时，可能出现电流掉零的情况，优化器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节优化器的输出电压参考值，由于优化器的输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比，通过负反馈作用，当冲突发生时，优化器输入电流减小，输出电压参考值增大，冲突消失，防止电流掉零现象出现。
在本实施例中，优化器采用PI控制，根据输出电压参考值和优化器的输出电压调节自身工作电流参考值，包括：优化器根据公式I(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)*dt确定工作电流参考值I(t)，其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(t)＝Uout-ref-Ubus，Uout-ref为优化器的输出电压参考值，Ubus为优化器的输出电压。其中，Kp、Ki均为正数。
图5为本申请实施例提供的优化器输出电压环路的控制框图。根据上述公式I(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)*dt和e(t)＝Uout-ref-Ubus可知，图5中的优化器输出电压环用于限制BUS电压不超过输出电压参考值，当BUS电压大于输出电压参考值时，偏差e(t)为负，环路输出工作电流参考值I(t)减小，通过减小功率输出来降低BUS电压；当BUS电压小于输出电压参考值时，偏差e(t)为正，环路输出工作电流参考值I(t)增大，通过增大输出功率来提高BUS电压。
可选地，在本实施例中，逆变器还可以根据公式I(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)*dt确定工作电流参考值I(t)，其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e(t)＝Uin-ref-Ubus，Uin-ref为逆变器的输入电压参考值，Ubus为优化器的输出电压。其中，Kp、Ki均为负数。
图6为本申请实施例提供的逆变器输入电压环路的控制框图。根据上述公式I(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)*dt和e(t)＝Uin-ref-Ubus可知，图6中的逆变器输入电压环用于控制输入电压稳定在输入电压参考值；当BUS电压大于输入电压参考值时，偏差e(t)为负，环路输出工作电流参考值e(t)增大，通过增大输入功率来降低BUS电压；当BUS电压小于参考值时，偏差e(t)为正，环路输出工作电流参考值e(t)减小，通过减小输入功率来提高BUS电压。
根据上述图5和图6描述的内容，当优化器的输出电压参考值小于逆变器的输入电压参考值时，优化器限制BUS电压始终低于逆变器输入电压参考值，当BUS电压小于逆变器的输入电压参考值时，逆变器工作电流参考值就会持续减小甚至减小为零，出现电流掉零现象，严重影响系统发电量。为了防止这种情况的出现，优化器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节优化器的输出电压参考值，优化器的输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比，由于逆变器主动降低工作电流，优化器输入电流也随之减小，根据图3可以得到优化器输出电压参考值随之增大，由于负反馈作用，系统最终稳定在：逆变器输入电压环参考值等于优化器输出环电压参考值，逆变器稳定输出功率，发电量无损失。
本实施例提供的光伏直流变换器输出限压方法，直流变换器根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节直流变换器的输出电压参考值，控制输出电压小于等于所述输出电压参考值，由于输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比，当环路冲突发生时，直流变换器可以主动增大输出电压参考值来解决冲突，避免出现电流掉零现象，保证了系统的发电量，使得系统正常稳定的工作。
可选地，在上述任一实施例中，直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路，直流变换器的拓扑电路可以是隔离或是非隔离的。
在本实施例中，优化器的拓扑电路可以为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路中的任意一种，本领域技术人员可以根据实际需求来选择电路，使得光伏发电系统的结构更加的灵活多变，其性能也能适应不同情况下的电路需求。
可选地，直流变换器的输出电压参考值小于或等于光伏单元的开路电压。
在本实施例中，优化器输出电压参考值反比于电池板输出电流，电池板输出电流即为光伏单元的输出电流，也即为优化器的输入电流，因此，当优化器的输入电流为零时，优化器输出电压参考值达到最大，此时输出电压参考值等于电池板开路电压，也即，输出电压参考值等于光伏单元的开路电压。在任何场景下，优化器输出电压参考值小于等于电池板开路电压，系统无过压风险。
可选地，若直流变换器工作在升压模式下，则直流变换器的升压比与光伏单元的输出电流成正比。
在本实施例中，如图7所示，当优化器的输入电流逐渐增大，优化器的输出电压参考值大于等于输入电压，优化器工作在升压模式。优化器升压比正比于光伏单元的输出电流，光伏单元的输出电流越大，升压比越大，由于优化器串联后组串电流相同，当电池板功率较大时，只能通过输出较高电压来输出较大功率，优化器升压比正比于光伏单元的输出电流，使得优化器不会进入限功率状态，保证了系统发电量。
图8为本申请实施例提供的一种光伏直流变换器输出限压装置的框图。该装置为图1中的直流变换器，如图8所示，该装置包括：
调节模块11用于根据光伏单元的输出电压和光伏单元的输出电流调节直流变换器的输出电压参考值，输出电压参考值与光伏单元的输出电流成反比；
控制模块12用于控制输出电压小于或等于输出电压参考值。
可选地，调节模块11具体用于根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，其中，Upv为光伏单元的输出电压，Ipv为光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值。
可选地，直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路；拓扑电路为隔离的或者非隔离的。
可选地，输出电压参考值小于或等于光伏单元的开路电压。
可选地，若直流变换器工作在升压模式下，则直流变换器的升压比与光伏单元的输出电流成正比。
本实施例的装置，可以用于执行上述任一方法实施例所述的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

Claims (11)

1.一种光伏直流变换器输出限压方法，所述方法应用于光伏发电系统，所述光伏发电系统包括至少一个光伏组串和后级设备，所述光伏组串包括至少一个光伏模块，每个所述光伏模块包括一个光伏单元以及与所述光伏单元连接的直流变换器，所述光伏单元包括至少一个光伏组件，其特征在于，所述方法包括：
所述直流变换器根据所述光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，所述输出电压参考值与所述光伏单元的输出电流成反比；
所述直流变换器控制输出电压小于或等于所述输出电压参考值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流变换器根据所述光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，包括：
所述直流变换器根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定所述直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，
其中，Upv为所述光伏单元的输出电压，Ipv为所述光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路；
所述拓扑电路为隔离的或者非隔离的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述直流变换器的输出电压参考值小于或等于所述光伏单元的开路电压。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若所述直流变换器工作在升压模式下，则所述直流变换器的升压比与所述光伏单元的输出电流成正比。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述后级设备为逆变器。
7.一种光伏直流变换器输出限压装置，所述装置为直流变换器，其特征在于，包括：
调节模块，用于根据光伏单元的输出电压和所述光伏单元的输出电流调节所述直流变换器的输出电压参考值，所述输出电压参考值与所述光伏单元的输出电流成反比；
控制模块，用于控制输出电压小于或等于所述输出电压参考值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述调节模块具体用于根据公式Uout-ref＝Upv*(1+K*Ipv)确定所述直流变换器的输出电压参考值Uout-ref，
其中，Upv为所述光伏单元的输出电压，Ipv为所述光伏单元的输出电流，K为预先设置的固定值。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述直流变换器的拓扑电路为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路或Boost-Buck电路；
所述拓扑电路为隔离的或者非隔离的。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述输出电压参考值小于或等于所述光伏单元的开路电压。
11.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，若所述直流变换器工作在升压模式下，则所述直流变换器的升压比与所述光伏单元的输出电流成正比。
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