CN108695842A - 一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法 - Google Patents

一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法，包括若干光伏发电场，每个光伏发电场中均包含若干光伏阵列，每个光伏阵列的输出均与一个H桥模块的输入端相连，一个光伏发电场中的所有H桥模块输出端串联构建交流母线连接至模块化级联多电平换流器(MMC)的桥臂中点，模块化级联多电平换流器的输出端接入直流配网；所有光伏发电场的输出端并联。本发明从整个光伏发电场系统结构的角度着眼，围绕配电网络直流化的发展趋势，通过对大规模或者超大规模的光伏发电场结构进行分析和优化，提高光伏系统的整体运行能效。

Description

一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，特别涉及一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法。
背景技术
随着光伏发电规模和光伏发电技术的快速迭代，光伏能源不再局限于作为补充能源，而是朝着可替代能源的方向迈进。但是电力市场供大于求，尤其是西部地区“弃风、弃光”现象较为严重。尽管国家从政策层面鼓励和引导光伏与风电优先上网，但是受电源装机容量、电网调峰能力、送出通道等因素影响，新能源消纳问题突出。
同时，伴随着全控型功率半导体技术的迅猛发展，给直流电能在输、配电的舞台上带来了新的机会，国内高压直流输电技术的飞速成长和基于直流母线的微型电网集群的快速涌现，都在倒逼配电网络的直流化进程。作为电力系统有效解决可再生能源介入、低频振荡等问题的新思路，直流配电系统较现行交流配电系统具有供电容量大、供电半径宽、传输成本低等优势；目前，从整个光伏发电场系统结构的角度着眼，亟待提出一种新的直流配网光伏系统柔性汇集拓扑，围绕配电网络直流化的发展趋势，通过对大规模或者超大规模的光伏发电场结构进行分析和优化，提高光伏系统的整体运行能效。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑及其控制方法，相比于传统集中式的光伏发电、输电运行模式，该拓扑更适应于新能源发电容量不断增加，直流配电技术的日益进步的前景，且可大大提高光伏系统的整体运行能效，若有新增光伏发电场，可直接并联至交流母线，即可实现能量汇集和并网馈电。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑，包括若干光伏发电场，每个光伏发电场中均包含若干光伏阵列，每个光伏阵列的输出均与一个H桥模块的输入端相连，一个光伏发电场中的所有H桥模块输出端串联构建交流母线连接至模块化级联多电平换流器(MMC)的桥臂中点，模块化级联多电平换流器的输出端接入直流配网；所有光伏发电场的输出端并联。
H桥模块包括H桥电路和变压器，H桥电路的桥臂连接至变压器的一次侧，一个光伏发电场内的所有变压器二次侧串联后接入模块化级联多电平换流器(MMC)。
所述模块化级联多电平换流器(MMC)的每个桥臂上均连接有全桥模块(FB)和半桥模块(HB)。
所述H桥模块输出端与模块化级联多电平换流器(MMC)之间连接有交流断路器，所述模块化级联多电平换流器(MMC)通过直流断路器接入直流配网。
适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑的控制方法，包括H桥模块的控制，H桥模块的输入端实时检测光伏阵列的输出电压Vpv和输出电流Ipv，经过MPPT算法调节后得到最大功率点处的电压信号值Vref_MPPT，采用闭环控制，所述闭环控制包括电压外环和电流内环，电压外环的输出作为内环电流给定，电感电流环实现正弦逆变，保证H桥模块输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点处。
还包括模块化级联多电平换流器(MMC)的控制，交流母线电压电流由模块化级联多电平换流器(MMC)的电压电流闭环控制，实时检测交流母线电压，经过dq变换后得到uBUSd、uBUSq，与交流母线电压指令信号UBUSdref、UBUSqref比较进行电压调节，电压调节器的输出作为内环电流给定，与采集交流母线电流进行dq变换得到iBUSd、iBUSq比较，进行电流调节，坐标变换后得到控制模块化级联多电平换流器(MMC)中全桥模块(FB)和半桥模块(HB)的PWM信号，实现对MMC装置输出功率的控制。
相比较现行光伏发电场的系统结构，本发明至少具有以下有益效果：
1)现行光伏发电场中从光伏阵列的输出侧到高压(超高压)变压器原边侧之间都采用低压线路(220-380V)进行布线，导致低压传输线路过长，线路损耗过大，而本发明可大大缩短了低压线路的布线距离，将光伏发电系统的线路损耗降至最低，预计整体方案效率可提高约2-3％；同时直流电路由于其低容阻特性，可以采用地下电缆，减少架空线路走廊面积，减小对环境的破坏。
2)理想情况下，每个H桥变换器装置承受1/m的光伏电站功率(m为单个光伏电站内的光伏阵列数)，并且承担单个光伏阵列的直流电压，所以可采用低耐压的功率器件实现中压，大功率的能量汇集和输出；此外，由于多个H桥模块交流侧串联，因此对于单个模块无高电压增益需求，有益于进一步提升效率。
3)整个系统采用高度模块化结构，便于冗余设计，提升系统可靠性。在系统有扩容需求时，新增光伏发电场可直接并联至交流母线，即可实现能量汇集和并网馈电。
4)本拓扑以光伏阵列为基本发电单元，通过模块化的H桥直流侧电压控制实现独立式的最大功率跟踪，相比较目前的集中式并网方案，分布式最大功率跟踪(DistributedMPPT，DMPPT)控制的渗透度更高，对于光伏板朝向差异、不同批次光伏板老化度不同为代表的光伏系统失配问题具有更好的适应性。
5)交流母线通过集中式的单相MMC装置向直流配网馈电，仅需要一套大功率(几十兆瓦)装置及相应的人力、物力投资，大大降低了成本，这对于居住人口密度较小、输电距离远的中西部地区具有可预期的优势。
附图说明
图1为所提出的光伏系统柔性汇集拓扑。
图2为单个H桥模块的控制回路框图。
图3为单相MMC中HB/FB控制回路框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，在光伏能源汇集侧处，每个光伏发电场中各个光伏阵列后分别接入一个H桥模块，多个H桥模块在交流侧串联汇集能量至交流母线侧，交流母线再通过集中式的单相MMC装置向直流配网馈电。
具体的说，本发明包括若干光伏发电场，每个光伏发电场中均包含若干光伏阵列，每个光伏阵列的输出均与一个H桥模块的输入端相连，一个光伏发电场中的所有H桥模块输出端串联构建交流母线连接至模块化级联多电平换流器(MMC)的桥臂中点，模块化级联多电平换流器的输出端接入直流配网，即：模块化级联多电平换流器(MMC)的交流侧为交流母线，通过开关控制将能量从交流形式转换为直流形式，送入直流配网中；本发明中所有光伏发电场的输出端并联。
如图1所示，H桥模块包括H桥电路和变压器，H桥电路的桥臂连接至变压器的一次侧，一个光伏发电场内的所有变压器二次侧串联后接入模块化级联多电平换流器(MMC)；模块化级联多电平换流器(MMC)的每个桥臂上均连接有全桥模块(FB)和半桥模块(HB)；H桥模块输出端与模块化级联多电平换流器(MMC)之间连接有交流断路器，模块化级联多电平换流器(MMC)通过直流断路器接入直流配网。
如图2所示，级联H桥模块工作原理，级联H桥模块的输入端(即与光伏阵列连接端)实时检测光伏阵列的输出电压Vpv和输出电流Ipv，经过MPPT算法的计算单元调节后得到最大功率点处的电压信号值Vref_MPPT，采用闭环控制，所述闭环控制包括电压外环和电流内环，电压外环的输出作为内环电流给定，电感电流环实现正弦逆变，保证H桥模块输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点处；
即：采集到光伏阵列的输出电流和电压信号后通过最大功率算法(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)计算最大功率点电压指令值，并且将其作为与之相连的H桥模块的控制回路的指令电压信号，控制H桥模块的输入端电压，保证该光伏阵列输出功率最大化，同时采集交流母线电流，实现正弦逆变；H桥的控制回路接收到所述统一最大功率点电压指令值后，比较其输入光伏阵列的电压幅值和给定的指令电压值，生成PWM信号，去控制相应的开关管，来调节光伏阵列输出电压，达到MPPT的目的。
如图3所示，本发明中单相MMC单元工作原理，交流母线电压电流由MMC的电压电流闭环控制，实时检测交流母线电压，经过dq变换后得到uBUSd、uBUSq，与交流母线电压指令信号UBUSdref、UBUSqref比较进行电压调节，电压调节器的输出作为内环电流给定，与采集交流母线电流进行dq变换得到iBUSd、iBUSq比较，进行电流调节，坐标变换后得到控制MMC中全桥模块(FB)和半桥模块(HB)的PWM信号，实现对MMC装置输出功率的控制。
本发明中，在光伏能源汇集侧处，每个光伏发电场中各个光伏阵列后分别接入一个H桥模块，多个H桥模块在交流侧串联汇集能量，并通过H桥直流侧电压控制实现独立式的最大功率跟踪，从而保证每个光伏阵列输出理想最大功率。将汇集光伏能量送入交流母线，由交流母线通过集中式的单相MMC装置向直流配网馈电。通过对电力电子光伏发电装置的标准化、模块化设计，实现“搭积木”式的级联方法，使得该系统设计流程更为简洁和标准；通过大幅度提高光伏系统传输线路的电压，实现光伏发电场整体效率的显著提升；通过并网侧MMC装置的功率控制策略的分析及优化，提高大规模间歇式新能源的可消纳性。本发明的拓扑是直流配网条件下源侧规模化汇集分布式新能源的核心装置，有利于直流电网概念的推广。

Claims (6)

1.一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑，其特征在于，包括若干光伏发电场，每个光伏发电场中均包含若干光伏阵列，每个光伏阵列的输出均与一个H桥模块的输入端相连，一个光伏发电场中的所有H桥模块输出端串联构建交流母线连接至模块化级联多电平换流器(MMC)的桥臂中点，模块化级联多电平换流器的输出端接入直流配网；所有光伏发电场的输出端并联。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑，其特征在于，H桥模块包括H桥电路和变压器，H桥电路的桥臂连接至变压器的一次侧，一个光伏发电场内的所有变压器二次侧串联后接入模块化级联多电平换流器(MMC)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑，其特征在于，所述模块化级联多电平换流器(MMC)的每个桥臂上均连接有全桥模块(FB)和半桥模块(HB)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑，其特征在于，所述H桥模块输出端与模块化级联多电平换流器(MMC)之间连接有交流断路器，所述模块化级联多电平换流器(MMC)通过直流断路器接入直流配网。
5.根据权利要求1至4任一项所述的适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑的控制方法，其特征在于，包括H桥模块的控制，H桥模块的输入端实时检测光伏阵列的输出电压Vpv和输出电流Ipv，经过MPPT算法调节后得到最大功率点处的电压信号值Vref_MPPT，采用闭环控制，所述闭环控制包括电压外环和电流内环，电压外环的输出作为内环电流给定，电感电流环实现正弦逆变，保证H桥模块输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点处。
6.根据权利要求5所述的适用于直流配网的光伏系统柔性汇集拓扑的控制方法，其特征在于，还包括模块化级联多电平换流器(MMC)的控制，交流母线电压电流由模块化级联多电平换流器(MMC)的电压电流闭环控制，实时检测交流母线电压，经过dq变换后得到uBUSd、uBUSq，与交流母线电压指令信号UBUSdref、UBUSqref比较进行电压调节，电压调节器的输出作为内环电流给定，与采集交流母线电流进行dq变换得到iBUSd、iBUSq比较，进行电流调节，坐标变换后得到控制模块化级联多电平换流器(MMC)中全桥模块(FB)和半桥模块(HB)的PWM信号，实现对MMC装置输出功率的控制。
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