CN107968433A - 一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法，拓扑结构包括光伏阵列、逆变器和切换装置；光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接，切换装置是由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成；开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关连接；第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关连接；第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关连接；以此类推，直到第N‑1串电池板与第N串电池板有一个开关连接；开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关连接。本发明针对电池板低光照问题及局部阴影问题，通过切换直流侧电路，能够有效地提高光伏逆变器输出利用效率。

Description

一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统规划技术领域，尤其涉及一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法。

背景技术

近年来，光伏发电技术是快速发展的可再生清洁能源技术之一。对于光伏发电，主要的两种发电方式是分布式发电和集中式发电。现阶段，我国鼓励发展分布式发电，在分布式发电中主要是用组串式逆变器发电，在光照变化的影响下还存在发电效率低的问题，在一定程度上降低了经济效益，增加了电网不稳定性；

目前来看，提高光伏系统运行性能大多是在优化光伏系统设备等，对直流侧光伏阵列与逆变器匹配连接的优化还不成熟。本发明针对光伏发电系统直流侧拓扑结构，提出了有效的控制策略，能够提高光伏逆变器输出利用效率。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提供一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法，能够有效地提高光伏并网逆变器利用率；

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，包括光伏阵列、逆变器和切换装置；所述光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接；所述切换装置是由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成，其中信号采集处理器采集每串电池板输出电压、电流、逆变器输入功率、输出功率以及逆变器工作温度；

所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关连接；第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关连接；第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关连接；以此类推，直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关连接；

所述开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关连接；

提供的直流侧拓扑结构能够使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最小为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换。

优选地，所述切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作。

优选地，所述电池板的串数不限于与逆变器台数相同；即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量。

优选地，所述逆变器的容量相同或者相近。

所述一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构的控制方法，该方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：构造逆变器输出功率目标函数F_Z，逆变器输出功率目标函数为：

(1)式中：N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，其中N为电池板总串数；将N串电池板分成Z组，其中Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；再将第i组电池板按原来电池板序号大小重新排序，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入功率、输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；

N_Zi数值、装置连接方法需要满足两个要求：

①将N个电池板串输出功率的数值分成Z组，第i组的个数即为N_Zi数值，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；

②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器，所述损坏的逆变器也可代表线路连接不成功的逆变器；

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，可以得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定一个发电单元最大电池板串数N；

步骤3：切换装置根据直流侧电流和电压实时数据以及目标函数的计算结果，再与上一次测量数据所计算的目标函数值作对比，若目标函数值变小，则无需更改，若目标函数值变大，则得出线路连接方式，从而最大化提高发电量的同时提高光伏系统运行性能；

切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏逆变器利用率一直处于高效状态运行；根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作：每过一段时间，采集数据，再根据步骤2中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板(N＝N₁₁)连到一台逆变器的目标函数大小，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板(N＝N₂₁+N₂₂)分别连到两台逆变器的目标函数大小，F₃表示将N₃₁、N₃₂和N₃₃串电池板(N＝N₃₁+N₃₂+N₃₃)分别连到三台逆变器的目标函数大小，以此类推。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明提出一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法，构造出直流侧切换拓扑结构，利用控制方法可让光伏系统根据光照强度的变化，实时切换逆变器路数，从而合理利用逆变器工作台数，能够有效的提高光伏并网逆变器输出利用效率，增加发电量。对于大规模发电来说，能够更加明显的节约成本，增加经济效益。

本发明针对电池板低光照问题及局部阴影问题，通过切换直流侧电路，能够有效地提高光伏逆变器输出利用效率。

附图说明

图1是本发明实施例的光伏并网系统直流侧投切拓扑结构；

图2是本发明实施例的光伏并网系统整体拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定；

本发明的一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构及控制方法，根据图1所示的直流侧投切拓扑结构以及图2光伏系统整体拓扑图，PV直流侧电流输出到逆变器，切换装置切换逆变器工作台数使目标函数最大。如判断出切换之后函数值比原函数值大则自动切换逆变器路数，逐渐增加逆变器工作数量，提高光伏系统运行性能；

一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，如图2所示，包括光伏阵列、逆变器和切换装置，所述光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接；所述切换装置是由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成，其中信号采集处理器采集每串电池板输出电压电流、逆变器输入输出功率以及逆变器工作温度；

如图1所示，所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关S_1,2、S_1,3、S_1,4…S_1,n、S_1,N-1和S_1,N连接；第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关S_2,3、S_2,4…S_2,n、S_2,N-1和S_2,N连接；第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关S_3,4…S_3,n、S_3,N-1和S_3,N连接；直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关S_N-1,N连接；

所述开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关S_1,1、S_2,2、S_3,3、S_4,4、…S_n,n、…S_N-1，N-1和S_N，N连接；

提供的直流侧拓扑结构能够使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最小为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换。

优选地，所述切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作。

优选地，所述电池板的串数不限于与逆变器台数相同；即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量。

优选地，所述逆变器的容量相同或者相近。

所述一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构的控制方法，该方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：构造逆变器输出功率目标函数F_Z，逆变器输出功率目标函数为：

(1)式中：N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，其中N为电池板总串数；将N串电池板分成Z组，其中Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；再将第i组电池板按原来电池板序号大小重新排序，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；

N_Zi数值、装置连接方法需要满足两个要求：

①将N个电池板串输出功率的数值分成Z组(第i组的个数即为N_Zi数值)，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；

②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器(此处损坏的逆变器也可代表线路连接不成功的逆变器)为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器；

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，可以得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定一个发电单元最大电池板串数N；

步骤3：切换装置根据直流侧电流和电压实时数据以及目标函数的计算结果，再与上一次测量数据所计算的目标函数值作对比，若目标函数值变小，则无需更改，若目标函数值变大，则得出线路连接方式，从而最大化提高发电量的同时提高光伏系统运行性能；

切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏逆变器利用率一直处于高效状态运行；根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作：每过一段时间，采集数据，再根据步骤2中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板(N＝N₁₁)连到一台逆变器的目标函数大小，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板(N＝N₂₁+N₂₂)分别连到两台逆变器的目标函数大小，F₃表示将N₃₁、N₃₂和N₃₃串电池板(N＝N₃₁+N₃₂+N₃₃)分别连到三台逆变器的目标函数大小，以此类推。

假如有4串电池板和4台逆变器，逆变器1出现损坏，电池板PV₁～PV₄发出功率分别为820W、610W、650W、840W；切换装置根据步骤2中N_i数值、装置连接方法判断此时系统多种连接方法(默认相邻电池板之间线路距离最短)，例如Z＝1时，形成连接方式有S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_2,2闭合或者S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_3,3闭合或者S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_4,4闭合；Z＝2时，形成连接方式有S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_2,2闭合或者S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_4,4闭合；Z＝3时，形成连接方式有S_1,2、S_2,2闭合和S_3,3闭合以及S_4,4闭合；再根据步骤3判别使目标函数F_Z最小时的逆变器工作台数M_Z，假设计算得到在S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_2,2闭合情况下使目标函数F₂最大，则切换装置根据目标函数自动切换线路，使光伏系统变为两台逆变器工作。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，其特征在于：包括光伏阵列、逆变器和切换装置；所述光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接；所述切换装置是由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成，其中信号采集处理器采集每串电池板输出电压、电流、逆变器输入功率、输出功率以及逆变器工作温度；

所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关连接；第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关连接；第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关连接；以此类推，直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关连接；

所述开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关连接；

提供的直流侧拓扑结构能够使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最小为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换。

2.根据权利要求1所述的一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，其特征在于：所述切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作。

3.根据权利要求1所述的一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，其特征在于：所述电池板的串数不限于与逆变器台数相同；即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量。

4.根据权利要求1所述的一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构，其特征在于：所述逆变器的容量相同或者相近。

5.根据权利要求1—4中任一项所述的一种提高光伏逆变器利用效率的直流拓扑结构的控制方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：构造逆变器输出功率目标函数F_Z，逆变器输出功率目标函数为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>Z</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>Z</mi> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </munderover> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>Z</mi> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

(1)式中：N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，其中N为电池板总串数；将N串电池板分成Z组，其中Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；再将第i组电池板按原来电池板序号大小重新排序，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入功率、输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；

N_Zi数值、装置连接方法需要满足两个要求：

①将N个电池板串输出功率的数值分成Z组，第i组的个数即为N_Zi数值，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；

②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器，所述损坏的逆变器也可代表线路连接不成功的逆变器；

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，可以得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定一个发电单元最大电池板串数N；

步骤3：切换装置根据直流侧电流和电压实时数据以及目标函数的计算结果，再与上一次测量数据所计算的目标函数值作对比，若目标函数值变小，则无需更改，若目标函数值变大，则得出线路连接方式，从而最大化提高发电量的同时提高光伏系统运行性能；

切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏逆变器利用率一直处于高效状态运行；根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作：每过一段时间，采集数据，再根据步骤2中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板(N＝N₁₁)连到一台逆变器的目标函数大小，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板(N＝N₂₁+N₂₂)分别连到两台逆变器的目标函数大小，F₃表示将N₃₁、N₃₂和N₃₃串电池板(N＝N₃₁+N₃₂+N₃₃)分别连到三台逆变器的目标函数大小，以此类推。