CN108695881B - 一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置，该法包括：计算光伏发电单元出口电压的值；根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作；根据光伏发电单元是否正常工作，确定光伏发电单元的控制策略。本发明提供的技术方案可在保证直流汇集线路不过载的基础上，使光伏电站在光照强度不均匀性或者发电单元出现故障的情况下能继续保持高效率运行。

Description

一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置

技术领域

本发明属于光伏电站并网系统领域，具体涉及一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置。

背景技术

随着化石能源的过度开发和空气污染的日关注，太阳能作为一种清洁可再生能源，具有诸多优势。我国规划建设的大规模光伏电站主要集中在西部8个省区，这些地区电网相对薄弱，负荷水平低，电能面临着大规模、长距离外送的问题。目前的大型并网光伏电站面临着光照不足时逆变器效率低下、直流汇流母线为多台逆变器之间提供零序环流通路、长距离交流输电接入弱电网使得谐波超标和严重影响受端电网等问题。

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)，可为受端电网提供无功和电压支撑，并且可以通过控制有效抑制环流，改善受端电能质量。若光伏电站内部采用直流方式汇集，并通过直流电缆输送至受端，再通过MMC换流站统一逆变，这种纯直流系统可以很好的解决以上问题。但是系统运行不够灵活，所提出的降压运行策略仍不能使得所有发电单元都工作在最大功率点，且增加了输电线损。

因此，需要提供一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置来克服现有技术的不足。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种光伏电站直流并网系统的控制方法及装置。

一种光伏电站直流并网系统的控制方法，所述系统包括经直流电缆与MMC换流器连接的光伏发电模块；所述光伏发电模块包括串联的光伏发电单元和由串联的光伏发电单元支路并联组成的支路；组成所述支路的所述串联的光伏发电单元支路间设有开关；所述光伏发电单元由光伏板和DC/DC变换器组成，所述方法包括：

计算光伏发电单元出口电压的值；

根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作；

根据光伏发电单元是否正常工作，确定光伏发电单元的控制策略。

进一步的，所述计算发电单元出口电压的值包括：断开所有开关，选取一条串联的光伏发电单元支路，所述支路的各发电单元出口直流电流均为直流输电线路电流I_dc，各发电单元出口电压U_dci与各发电单元出力P_i成正比；MMC换流器控制直流输电线路电压U_dc，DC/DC变换器通过控制光伏阵列出口电压U_PVi跟踪光伏阵列最大功率点电压U_mppti，按下式计算所述发电单元出口电压U_dci：

U_dci＝P_iU_dc/(P₁+…+P_m)

其中，P_i为各发电单元出力；U_dc为直流输电线路电压；i＝1,2,…,m，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_PVi为光伏阵列出口电压；D为占空比。

进一步的，所述根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作中的所述光伏发电单元出口电压的范围为U_mppt≤U_dci≤2U_mppt，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压，则发电单元正常工作；否则发电单元不正常工作。

进一步的，所述发电单元不正常工作包括光照强度不均匀和发电单元故障；

光伏发电单元的控制策略包括光照强度不均匀时串联光伏发电单元的控制和发电单元故障时串联光伏发电单元的控制。

进一步的，所述光照强度不均匀包括：光照强度均匀或轻微不均匀、光照强度不均匀程度增加和光照强度严重不均匀；

所述光照强度均匀或轻微不均匀时，各P_i值相同，各U_dci值相同，各发电单元均在最大功率点工作；

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围时，则闭合所述发电单元两侧的开关，使s组串联光伏发电单元支路并联，所述发电单元出口电压回到正常范围。

进一步的，所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围中的一个发电单元21的出口电压超出正常范围时，按下式控制发电单元21的出口电压U_dc21：

U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt

其中，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压。

进一步的，所述发电单元21的出口电压超出正常范围包括：

(1)U_dc21<U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_p＝P₂₁/P

(2)U_dc21>2U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_u′＝(P₂₁/I_L)/U_dc

K_u″＝U_mppt/U_dc

其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；U_dc为直流输电线路电压；K_P为光伏发电单元21输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u'为光伏发电单元21输出端口电压相关系数；K_u"为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

进一步的，所述光照强度严重不均匀，即发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，计算所得s>n时，则取s＝n，按下式控制直流输电线路电压U_dc：

U_{dc_min}≤U_dc≤U_{dc_max}

其中，U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值。

进一步的，所述发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，直流输电线路电压U_dc的控制包括：

(1)U_dc21＜＜U_mppt时，升压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

(2)U_dc21＞＞2U_mppt时，降压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝max{2K_u″·K_p′·U_dc0,K_m·U_dc0,U_{dc_min}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

进一步的，所述发电单元故障时串联光伏发电单元的控制包括：

(1)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≤2U_mppt，则切除故障单元，

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；k为同一串联之路中同时发生故障的发电单元个数；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；

(2)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≥2U_mppt，且切除故障单元后，所述串联支路上其余单元串联运行，不能运行在最大功率点，则先将故障单元从系统中切除，闭合故障单元两侧的横向并联开关，即串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

其中，P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；K_P为光伏发电单元输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；

(3)同时发生故障的发电单元个数满足s>n，则切除故障单元，取s＝n，直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

一种光伏电站直流并网系统的控制装置，所述系统包括经直流电缆与MMC换流器连接的光伏发电模块；所述光伏发电模块包括串联的光伏发电单元和由串联的光伏发电单元支路并联组成的支路；组成所述支路的所述串联的光伏发电单元支路间设有开关；所述光伏发电单元由光伏板和DC/DC变换器组成，所述装置包括：

计算模块，用于计算发电单元出口电压的值；

判断模块，用于根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作；

确定模块，用于根据光伏发电单元是否正常工作，确定光伏发电单元的控制策略。

进一步的，所述计算模块，具体用于：

所述计算发电单元出口电压的值包括：断开所有开关，选取一条串联的光伏发电单元支路，所述支路的各发电单元出口直流电流均为直流输电线路电流I_dc，各发电单元出口电压U_dci与各发电单元出力P_i成正比；MMC换流器控制直流输电线路电压U_dc，DC/DC变换器通过控制光伏阵列出口电压U_PVi跟踪光伏阵列最大功率点电压U_mppti按下式计算所述发电单元出口电压U_dci：

U_dci＝P_iU_dc/(P₁+…+P_m)

其中，P_i为各发电单元出力；U_dc为直流输电线路电压；i＝1,2,…,m，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_PVi为光伏阵列出口电压；D为占空比。

进一步的，所述判断模块，具体用于：

所述根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作中的所述发电单元出口电压的范围为U_mppt≤U_dci≤2U_mppt，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压，则发电单元正常工作；否则发电单元不正常工作。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元不正常工作包括光照强度不均匀和发电单元故障；

光伏发电单元的控制策略包括光照强度不均匀时串联光伏发电单元的控制和发电单元故障时串联光伏发电单元的控制。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述光照强度不均匀包括：光照强度均匀或轻微不均匀、光照强度不均匀程度增加和光照强度严重不均匀；

所述光照强度均匀或轻微不均匀时，各P_i值相同，各U_dci值相同，各发电单元均在最大功率点工作；

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围时，则闭合所述发电单元两侧的开关，使s组串联光伏发电单元支路并联，所述发电单元出口电压回到正常范围。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围中的一个发电单元21的出口电压超出正常范围时，按下式控制发电单元21的出口电压U_dc21：

U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt

其中，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元21的出口电压超出正常范围包括：

(1)U_dc21<U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_p＝P₂₁/P

(2)U_dc21>2U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_u′＝(P₂₁/I_L)/U_dc

K_u″＝U_mppt/U_dc

其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；U_dc为直流输电线路电压；K_P为光伏发电单元21输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u'为光伏发电单元21输出端口电压相关系数；K_u"为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述光照强度严重不均匀，即发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，计算所得s>n时，则取s＝n，按下式控制直流输电线路电压U_dc：

U_{dc_min}≤U_dc≤U_{dc_max}

其中，U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，直流输电线路电压U_dc的控制包括：

(1)U_dc21＜＜U_mppt时，升压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

(2)U_dc21＞＞2U_mppt时，降压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝max{2K_u″·K_p′·U_dc0,K_m·U_dc0,U_{dc_min}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

进一步的，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元故障时串联光伏发电单元的控制包括：

(1)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≤2U_mppt，则切除故障单元，

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；k为同一串联之路中同时发生故障的发电单元个数；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；

(2)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≥2U_mppt，且切除故障单元后，所述串联支路上其余单元串联运行，不能运行在最大功率点，则先将故障单元从系统中切除，闭合故障单元两侧的横向并联开关，即串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

其中，P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；K_P为光伏发电单元输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；

(3)同时发生故障的发电单元个数满足s>n，则切除故障单元，取s＝n，直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提出的光伏电站矩阵互连型直流并网系统的拓扑结构，既解决了光伏发电单元出口电压与直流输电电压不匹配的问题，又保证了系统运行的灵活性。

2、本发明提出的控制策略能够在保证直流汇集线路不过载的基础上，使光伏电站在光照强度不均匀或者发电单元出现故障的情况下仍能保持高效率运行。

附图说明

图1为矩阵互连型光伏电站直流并网系统拓扑结构；

图2为系统串联支路；

图3为闭合横向并联开关后系统拓扑结构；

图4为光照强度不均匀(闭合横向并联开关)时的仿真结果；

图5为光照强度不均匀(升压/降压运行)时的仿真结果；

图6为发电单元故障时的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方案：

一、系统拓扑结构

矩阵互连型直流并网系统的拓扑结构如图1所示。光伏发电单元ij(0<i≤m,0<j≤n)表示第i行第j列。每个光伏发电单元由光伏板和DC/DC变换器组成，DC/DC变换器的作用是进行光伏阵列最大功率跟踪和完成直流电压升压变换。m个光伏发电单元串联以提高光伏发电场出口直流电压到几十千伏，匹配电场到逆变换流站之间几十千米输电距离的电压要求。n个串联光伏发电单元支路并联以满足光伏发电场总出力要求。并联支路之间设置开关，用于提高某些工况下的发电效率和故障处理，正常运行时，开关断开。光伏电站出力经直流电缆传输至MMC型换流器逆变并网。

二、正常运行工况下，串联光伏发电单元控制策略

正常运行，即直流并网系统正常运行且各个光伏发电单元正常运行时，各串联支路间的并联开关断开，选取一条串联支路来说明发电单元的控制策略，如图2所示，其余串联支路控制策略相同。直流输电线路电压U_dc由MMC型换流器控制。各光伏发电单元出口直流电流相同，即为直流输电线路电流I_dc。各发电单元出口电压U_dci(i＝1,2,···,m)与其出力P_i成正比，即

U_dci＝P_iU_dc/(P₁+…+P_m) (1)

DC/DC变换器通过控制光伏阵列出口电压U_PVi跟踪其最大功率点电压U_mppti，从而达到最大功率跟踪的目的。以BOOST直流升压电路为例，

D为占空比，假设其变化范围为0≤D≤0.5，在无其他故障的情况下，只要DC/DC变换器的占空比未达到限幅，其对应的光伏发电单元就能工作在最大功率点。

假设各发电单元所处温度相同，不同光照强度下，在最大功率点处，光伏阵列出口电压基本不变，因此可近似认为

U_mppti＝U_mppt (3)

其中，U_mppt为定值，实际工程中可根据光伏阵列的结构和规模确定。即只要光伏发电单元出口电压满足U_mppt≤U_dci≤2U_mppt，其就能工作在最大功率点，否则，将出现功率损失，降低发电效率。因此，实际中可以通过检测U_dci值，来判断各发电单元是否工作在最大功率点。

三、光照强度不均匀工况系统控制策略

(1)当光照强度均匀或轻微不均匀，即满足U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt时，各P_i值相同或差别不大，因此各U_dci值相同或差别不大，都在正常范围内，各发电单元工作在最大功率点。

(2)当光照强度不均匀程度增加，即U_dc21<U_mppt或U_dc21>2U_mppt，导致某发电单元端口电压超出正常范围时，则动作相应单元两侧横向开关。

如图3所示，因为所有发电单元等价，不妨假设发电单元21所受光照强度与其余单元不同，检测到其端口电压U_dc21超出最大功率跟踪的电压范围，则动作其两端横向开关使s组并联，使得U_dc21回到正常范围，即U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt，且不影响其余单元的最大功率跟踪状态。为减小控制的耦合度，s应尽量小。在该光照强度下，发电单元21的最大功率点功率为P₂₁，可通过类比临近发电单元输出功率或者查表得到，其余发电单元功率为P。另外，需要保证所有直流线路不过载，假设直流电流上限为I_L。

控制目标为

U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt (4)

①若检测到U_dc21<U_mppt，则说明发电单元21所受光照强度较弱，此时应取

其中，K_p＝P₂₁/P，K_u＝max{U_mppt，P/I_L}/U_dc0，U_dc0为直流输电线路额定电压。

表示不小于y的最小正整数。K_P为光伏发电单元21输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数。

②若检测到U_dc21>2U_mppt，则说明发电单元21所受光照强度较强，此时应取

其中，K_u'＝(P₂₁/I_L)/U_dc，K_u"＝U_mppt/U_dc。K_u'为光伏发电单元21输出端口电压相关系数；K_u"为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

(3)当光照强度严重不均匀，即U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，以至于计算所得s>n时，则取s＝n。另外，考虑直流输电的升压和降压运行方式，假设直流输电的电压变化范围为

U_{dc_min}≤U_dc≤U_{dc_max} (7)

①当U_dc21＜＜U_mppt发电单元21所受光照强度较弱时，为升压运行方式，取

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}} (8)

其中，

Kp'、K_m为中间变量。

②当U_dc21＞＞2U_mppt发电单元21所受光照强度较强时，为降压运行方式，取

U_dc＝max{2K_u″·K_p′·U_dc0,K_m·U_dc0,U_{dc_min}} (9)

四、发电单元故障工况系统控制策略

如果某发电单元出现故障，根据故障单元个数、每个发电单元规模和系统规模，有以下三种控制策略。

(1)如果正常运行时，单个发电单元端口电压较低，而串联单元个数m值较大，或者同时发生故障的发电单元个数少，切除故障单元后，相应串联支路上其余单元串联运行，仍然都能运行在最大功率点，即满足

U_dc0/(m-k)≤2U_mppt (10)

其中k为同一串联之路中同时发生故障的发电单元个数，则切除故障单元后其位置处保持短路运行。

(2)如果正常运行时，单个发电单元端口电压较高，而串联单元个数m值较小，或者同时发生故障的发电单元个数多，切除故障单元后，相应串联支路上其余单元串联运行，不能运行在最大功率点，则先将故障单元从系统中切除，切除后其位置处保持断路，动作故障单元两侧横向并联开关，再按照第三部分的(2)中所受光照强度较弱情况进行处理，即视为P₂₁＝0。

(3)如果同时发生故障的发电单元个数进一步增大，根据公式(10)计算所得s>n，则切除故障单元，切除后其位置处保持断路，取s＝n，再按照第三部分的(3)中所受光照强度较弱情况处理。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请特批的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光伏电站直流并网系统的控制方法，所述系统包括经直流电缆与MMC换流器连接的光伏发电模块；所述光伏发电模块包括串联的光伏发电单元和由串联的光伏发电单元支路并联组成的支路；组成所述支路的所述串联的光伏发电单元支路间设有开关；所述光伏发电单元由光伏板和DC/DC变换器组成，其特征在于，所述方法包括：

计算光伏发电单元出口电压的值；

根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作；

根据光伏发电单元是否正常工作，确定光伏发电单元的控制策略；

所述据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作，包括：若所述光伏发电单元出口电压的范围为U_mppt≤U_dci≤2U_mppt，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压，则发电单元正常工作；否则发电单元不正常工作；

所述发电单元不正常工作包括光照强度不均匀和发电单元故障；

光伏发电单元的控制策略包括光照强度不均匀时串联光伏发电单元的控制和发电单元故障时串联光伏发电单元的控制；

所述发电单元故障时串联光伏发电单元的控制包括：

(1)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≤2U_mppt，则切除故障单元，

其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_dc0为直流输电线路额定电压；k为同一串联之路中同时发生故障的发电单元个数；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；

(2)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≥2U_mppt，且切除故障单元后，所述串联支路上其余单元串联运行，不能运行在最大功率点，则先将故障单元从系统中切除，闭合故障单元两侧的横向并联开关，即串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

其中，P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；K_P为光伏发电单元输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；

(3)同时发生故障的发电单元个数满足s>n，则切除故障单元，取s＝n，直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

2.如权利要求1所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述计算发电单元出口电压的值包括：断开所有开关，选取一条串联的光伏发电单元支路，所述支路的各发电单元出口直流电流均为直流输电线路电流I_dc，各发电单元出口电压U_dci与各发电单元出力P_i成正比；MMC换流器控制直流输电线路电压U_dc，DC/DC变换器通过控制光伏阵列出口电压U_PVi跟踪光伏阵列最大功率点电压U_mppti，按下式计算所述发电单元出口电压U_dci：

U_dci＝P_iU_dc/(P₁+…+P_m)

其中，P_i为各发电单元出力；U_dc为直流输电线路电压；i＝1,2,…,m，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_PVi为光伏阵列出口电压；D为占空比。

3.如权利要求1所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述光照强度不均匀包括：光照强度均匀或轻微不均匀、光照强度不均匀程度增加和光照强度严重不均匀；

所述光照强度均匀或轻微不均匀时，各P_i值相同，各U_dci值相同，各发电单元均在最大功率点工作；

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围时，则闭合所述发电单元两侧的开关，使s组串联光伏发电单元支路并联，所述发电单元出口电压回到正常范围。

4.如权利要求3所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围中的一个发电单元21的出口电压超出正常范围时，按下式控制发电单元21的出口电压U_dc21：

U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt

其中，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压。

5.如权利要求4所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述发电单元21的出口电压超出正常范围包括：

(1)U_dc21<U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_p＝P₂₁/P

(2)U_dc21>2U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_u′＝(P₂₁/I_L)/U_dc

K_u″＝U_mppt/U_dc

其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；U_dc为直流输电线路电压；K_P为光伏发电单元21输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u′为光伏发电单元21输出端口电压相关系数；K_u"为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

6.如权利要求3所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述光照强度严重不均匀，即发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，计算所得s>n时，则取s＝n，按下式控制直流输电线路电压U_dc：

U_{dc_min}≤U_dc≤U_{dc_max}

其中，U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值。

7.如权利要求6所述的一种光伏电站直流并网系统的控制方法，其特征在于，所述发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，直流输电线路电压U_dc的控制包括：

(1)U_dc21＜＜U_mppt时，升压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

(2)U_dc21＞＞2U_mppt时，降压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝max{2K_u″·K_p′·U_dc0,K_m·U_dc0,U_{dc_min}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

8.一种光伏电站直流并网系统的控制装置，所述系统包括经直流电缆与MMC换流器连接的光伏发电模块；所述光伏发电模块包括串联的光伏发电单元和由串联的光伏发电单元支路并联组成的支路；组成所述支路的所述串联的光伏发电单元支路间设有开关；所述光伏发电单元由光伏板和DC/DC变换器组成，其特征在于，所述装置包括：

计算模块，用于计算发电单元出口电压的值；

判断模块，用于根据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作；

确定模块，用于根据光伏发电单元是否正常工作，确定光伏发电单元的控制策略；

所述计算模块，具体用于：

所述计算发电单元出口电压的值包括：断开所有开关，选取一条串联的光伏发电单元支路，所述支路的各发电单元出口直流电流均为直流输电线路电流I_dc，各发电单元出口电压U_dci与各发电单元出力P_i成正比；MMC换流器控制直流输电线路电压U_dc，DC/DC变换器通过控制光伏阵列出口电压U_PVi跟踪光伏阵列最大功率点电压U_mppti，

按下式计算所述发电单元出口电压U_dci：

U_dci＝P_iU_dc/(P₁+…+P_m)

其中，P_i为各发电单元出力；U_dc为直流输电线路电压；i＝1,2,…,m，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_PVi为光伏阵列出口电压；D为占空比；

所述判断模块，具体用于：

据光伏发电单元出口电压的值的范围，判断光伏发电单元是否正常工作，包括：若所述发电单元出口电压的范围为U_mppt≤U_dci≤2U_mppt，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压，则发电单元正常工作；否则发电单元不正常工作；

所述确定模块，具体用于：

所述发电单元不正常工作包括光照强度不均匀和发电单元故障；

光伏发电单元的控制策略包括光照强度不均匀时串联光伏发电单元的控制和发电单元故障时串联光伏发电单元的控制；

所述确定模块，具体用于：

所述光照强度不均匀包括：光照强度均匀或轻微不均匀、光照强度不均匀程度增加和光照强度严重不均匀；

所述光照强度均匀或轻微不均匀时，各P_i值相同，各U_dci值相同，各发电单元均在最大功率点工作；

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围时，则闭合所述发电单元两侧的开关，使s组串联光伏发电单元支路并联，所述发电单元出口电压回到正常范围；

所述确定模块，具体用于：

所述光照强度不均匀程度增加时，且有一个发电单元出口电压超出正常范围中的一个发电单元21的出口电压超出正常范围时，按下式控制发电单元21的出口电压U_dc21：

U_mppt≤U_dc21≤2U_mppt

其中，U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；

所述确定模块，具体用于：

所述发电单元21的出口电压超出正常范围包括：

(1)U_dc21<U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_p＝P₂₁/P

(2)U_dc21>2U_mppt，串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

K_u′＝(P₂₁/I_L)/U_dc

K_u″＝U_mppt/U_dc

其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；U_dc为直流输电线路电压；K_P为光伏发电单元21输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u′为光伏发电单元21输出端口电压相关系数；K_u"为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

9.如权利要求8所述的一种光伏电站直流并网系统的控制装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于：

所述光照强度严重不均匀，即发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，计算所得s>n时，则取s＝n，按下式控制直流输电线路电压U_dc：

U_{dc_min}≤U_dc≤U_{dc_max}

其中，U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值。

10.如权利要求9所述的一种光伏电站直流并网系统的控制装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元21的出口电压U_dc21＜＜U_mppt或U_dc21＞＞2U_mppt时，直流输电线路电压U_dc的控制包括：

(1)U_dc21＜＜U_mppt时，升压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

(2)U_dc21＞＞2U_mppt时，降压运行方式下的直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝max{2K_u″·K_p′·U_dc0,K_m·U_dc0,U_{dc_min}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；U_{dc_min}为直流输电线路电压的最小值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

11.如权利要求8所述的一种光伏电站直流并网系统的控制装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于：

所述发电单元故障时串联光伏发电单元的控制包括：

(1)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≤2U_mppt，则切除故障单元，其中，m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；U_dc0为直流输电线路额定电压；k为同一串联之路中同时发生故障的发电单元个数；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；

(2)运行时发生故障的发电单元个数满足U_dc0/(m-k)≥2U_mppt，且切除故障单元后，所述串联支路上其余单元串联运行，不能运行在最大功率点，则先将故障单元从系统中切除，闭合故障单元两侧的横向并联开关，即串联光伏发电单元支路并联的组数s如下所示：

其中，P为出口电压正常的发电单元功率；U_mppt为光伏阵列最大功率点电压；U_dc0为直流输电线路额定电压；I_L为直流电流上限；

表示不小于y的最小正整数；K_P为光伏发电单元输出功率相关性系数；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；

(3)同时发生故障的发电单元个数满足s>n，则切除故障单元，取s＝n，直流输电线路电压U_dc如下式所示：

U_dc＝min{K_u·K_p′·U_dc0,2K_m·U_dc0,U_{dc_max}}

其中，U_dc0为直流输电线路额定电压；U_{dc_max}为直流输电线路电压的最大值；m为串联光伏发电单元支路中光伏发电单元的个数；n为并联的串联光伏发电单元支路个数；P₂₁为发电单元21的最大功率点功率；P为出口电压正常的发电单元功率；K_p′和K_m为中间变量；K_u为其他光伏单元输出端口最大电压相关性系数；K_u″为其他光伏发电单元处于最大功率跟踪点时的输出端口电压相关性系数。

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