CN109103921A - 一种光伏直流升压汇集系统及其启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源并网发电技术领域，特别是一种光伏直流升压汇集系统及其启动控制方法。控制光伏阵列对直流升压变流器进行充电；控制并网逆变器中换流阀的所有开关器件为关断状态，通过交流电网对并网逆变器进行充电直至达到设定稳态电压后，控制切除并网逆变器中设定个数的子模块继续进行充电直至子模块电容电压达到额定值；获取直流升压变流器的高压侧的第一电压和并网逆变器的直流侧的第二电压，判断是否满足电压条件，若是，则控制直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通，实现了光伏直流升压汇集系统的启动控制，解决了光伏发电并网时汇集系统中模块充电不足容易导致该系统无法快速、平稳、有效的启动并网的问题。

Description

一种光伏直流升压汇集系统及其启动控制方法
技术领域
本发明涉及新能源并网发电技术领域，特别是一种光伏直流升压汇集系统及其启动控制方法。
背景技术
目前光伏电站采用交流汇集送出，大量逆变器与长距离电缆相互耦合，电压越限和宽频域振荡问题制约光伏电站送出能力，交流线路损耗大影响系统整体效率。随着电力电子和直流输电技术的发展和成熟，光伏电站采用直流升压汇集送出成为可能。直流汇集系统稳定性更高、无需无功补偿，且同样电压等级下输送能力更强、损耗更小，因此光伏电站直流升压汇集技术，有望成为解决目前光伏电站稳定问题和整体效率低下的有效途径。
有中国专利公布号为CN106329567A的专利文献公开了一种基于FPGA的光伏并网系统及其实现方法，系统包括光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或移动终端，其中FPGA采用异构双核模式，核1产生前级DC/DC变换电路、后级DC/AC全桥道变器的PWM驱动信号、以及最大功率点跟踪MPPT控制信号，核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据库和远程监控等功能。
但是光伏电站采用直流升压汇集系统进行功率汇集并输送的前提是能够正常启动，现有技术中仅对光伏电站直流升压汇集系统能够实现有效并网的方式进行了说明，但未表明对光伏直流升压汇集系统的启动策略，尤其是启动过程中需要对汇集系统中的模块进行充电，当充电条件不满足时，进行并网供电会造成并网的不平稳甚至出现设备损坏的现象，因此无法保证直流升压汇集系统的快速、平稳启动。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏直流升压汇集系统及其启动控制方法，用以解决光伏发电并网时汇集系统中模块充电不足容易导致该系统无法快速、平稳、有效的启动并网的问题。
为了实现光伏直流升压汇集系统的启动控制，解决光伏发电并网时汇集系统中模块充电不足容易导致该系统无法快速、平稳、有效的启动并网的问题，本发明提供一种光伏直流升压汇集系统启动控制方法，包括以下步骤：
1)控制光伏阵列对直流升压变流器进行充电；
2)控制并网逆变器中换流阀的所有开关器件为关断状态，通过交流电网对并网逆变器进行充电直至达到设定稳态电压后，控制切除并网逆变器中设定个数的子模块继续进行充电直至子模块电容电压达到额定值；
3)获取直流升压变流器的高压侧的第一电压和并网逆变器的直流侧的第二电压，判断两个电压是否满足电压条件，若是，则控制直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通。
进一步地，为了实现并网逆变器稳定、快速的进行交流充电，所述设定稳态电压为其中UL为换流阀阀侧交流线电压峰值；N为并网逆变器中子模块个数。
进一步地，为了保证并网逆变器的充电量，步骤2)中切除子模块的个数为其中Udc为额定直流母线电压。
进一步地，为了保证并网的稳定性以满足并网标准的要求，所述电压条件为第一电压的绝对值大于第一电压设定值、第二电压的绝对值大于第二电压设定值且第一电压与第二电压的差值的绝对值小于第三电压设定值，并且均持续设定时间。
进一步地，为了保证并网后光伏发电的能量能够完全用于发电，在直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通后，通过最大功率跟踪控制实现光伏阵列发电系统功率送出。
进一步地，为了直流升压变流器输出端口电压达到额定值，实现快速充电，当控制对直流升压变流器进行充电时，控制光伏阵列的输出电压为直流升压变流器额定工作电压。
为了实现上述控制方法，解决现有技术对光伏直流升压汇集系统的并网启动研究不足导致系统无法快速、平稳、有效的进行并网启动的问题，本发明提供一种光伏直流升压汇集系统，包括并网逆变器和至少一个光伏阵列装置，各光伏阵列装置均包括光伏阵列、光伏阵列控制器和直流升压变流器，所述光伏阵列供电连接直流升压变流器，所述光伏阵列控制器的输出端连接直流升压变流器，所述并网逆变器用于连接交流电网，各光伏阵列装置均通过一个直流断路器连接所述并网逆变器，当启动光伏阵列进行并网时，控制光伏阵列对直流升压变流器进行充电；且控制并网逆变器中换流阀的所有开关器件为关断状态，通过交流电网对并网逆变器进行充电直至达到设定稳态电压后，控制切除并网逆变器中设定个数的子模块继续进行充电直至子模块电容电压达到额定值；获取直流断路器两侧的电压，判断两个电压是否满足电压条件，若是，则控制直流断路器导通。
进一步地，为了实现并网逆变器稳定、快速的进行交流充电，该系统中所述设定稳态电压为其中UL为换流阀阀侧交流线电压峰值；N为并网逆变器中子模块个数。
进一步地，为了保证并网逆变器的充电量，切除的子模块的设定个数为其中Udc为额定直流母线电压。
进一步地，为了保证并网的稳定性以满足并网标准的要求，该系统中所述电压条件为第一电压的绝对值大于第一电压设定值、第二电压的绝对值大于第二电压设定值且第一电压与第二电压的差值的绝对值小于第三电压设定值，并且均持续设定时间。
进一步地，为了保证并网后光伏发电的能量能够完全用于发电，所述光伏阵列控制器为最大功率跟踪控制器，在直流断路器导通后，通过最大功率跟踪控制实现光伏阵列发电系统功率送出。
进一步地，为了直流升压变流器输出端口电压达到额定值，实现快速充电，在该系统中当控制对直流升压变流器进行充电时，控制光伏阵列的输出电压为直流升压变流器额定工作电压。
附图说明
图1是一种光伏直流升压汇集系统的结构示意图；
图2是一种光伏直流升压汇集系统的直流断路器两端电压检测示意图；
图3是一种光伏直流升压汇集系统启动控制方法的流程图；
图4是一种光伏直流升压汇集系统的直流升压变流器拓扑图；
图5是一种光伏直流升压汇集系统的并网逆变器拓扑图；
图6是一种光伏直流升压汇集系统的并网逆变器充电回路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供一种光伏直流升压汇集系统，如图1所示，包括并网逆变器和至少一个光伏阵列装置，各光伏阵列装置均包括光伏阵列、光伏阵列控制器和直流升压变流器，光伏阵列供电连接直流升压变流器，光伏阵列控制器的输出端连接直流升压变流器，并网逆变器用于连接交流电网，各光伏阵列装置均通过一个直流断路器1连接并网逆变器(VSC)，该直流断路器1用于控制各直流升压变流器与并网逆变器导通或关断。
优选光伏阵列控制器为最大功率跟踪控制器，通过该最大功率跟踪控制器MPPT对直流升压变流器进行充电，该直流升压变流器通过PV光伏进行充电，而并网逆变器通过交流电网进行充电。
如图2所示，通过电压检测装置连接直流升压变流器的高压侧和并网逆变器的直流侧，即为直流断路器的两端，实现直流断路器的导通判定条件的检测。
本发明提供一种光伏直流升压汇集系统启动控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
1)控制对直流升压变流器和并网逆变器进行充电。
通过配置MPPT为电压源工作模式对直流升压变流器进行充电；由于MPPT可以工作于电压源模式和电流源模式，当工作于电压源模式时，MPPT控制输出端口电压，光伏阵列端电压不受控，此时输出功率很少，可以实现对直流升压变流器充电；当工作于电流源模式时，MPPT控制输入端口电压，可以实现光伏阵列的最大功率跟踪控制，输出功率。
直流升压变流器拓扑如图4所示，其中包含储能电容，在正常运行之前需要首先对电容进行充电，同时需要保证充电电压在额定值附近，因此在收到启动指令后，将MPPT输出端口电压控制为直流升压变流器额定工作电压，直至直流升压变流器输出端口电压达到额定值附近时，充电结束。
并网逆变器采用模块化多电平换流器拓扑结构，如图5所示，交流电网对并网逆变器进行充电时，分为自然充电、主动充电和解锁三个阶段。
自然充电阶段，充电回路如图6所示，该过程中换流阀的所有开关器件为关断状态，该阶段对电容的充电电压主要与换流阀阀侧交流线电压峰值有关，达到稳态时交流电网对电容充电电压Usm1可计算为：
式(1)中，Usm1为自然充电阶段电容电压最大值；UL为换流阀阀侧交流线电压峰值；N为桥臂子模块个数。
主动充电阶段，采取切除子模块的方式继续对电容进行充电，期望将子模块电容电压充电至额定值，此时切除的子模块个数可以计算为：
式(2)中，Npass为主动充电阶段需要切除的子模块个数；Udc为额定直流母线电压。
解锁阶段，将并网逆变器控制模式切换为直流电压控制模式，维持直流母线电压的恒定。
2)获取直流升压变流器的高压侧的第一电压和并网逆变器的直流侧的第二电压，判断是否满足电压条件且持续设定时间，其中电压条件为第一电压的绝对值是否大于第一电压设定值、第二电压的绝对值是否大于第二电压设定值且第一电压与第二电压的差值的绝对值是否小于第三电压设定值。
当直流升压变流器和并网逆变器都基本完成充电之后，需要闭合直流断路器实现互联，为了降低直流断路器动作过程中的端电压，同时保证在直流升压变流器和并网逆变器充电完成之后再进行直流断路器合闸，设定判定条件如下：a、断路器两端电压的绝对值均大于第一电压设定值△1；b、断路器两端电压差绝对值小于第二电压设定值△2；c、满足上述两个条件的时间大于设定时间ts。
3)若是，则控制直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通，并控制向直流升压变流器输入最大功率。
考虑在直流断路器合闸之前需要确保直流升压变流器和并网逆变器充电完成，因此可配置参数如下：
式(3)中，1pu为汇集线路额定直流母线电压值。
当a、b、c三个条件均满足的情况下，系统发出直流断路器合闸指令，闭合直流断路器实现互联。
此时MPPT工作于电压源工作模式，输出功率较小，而光伏阵列发电功率与端口电压相关，MPPT工作于电压源模式时，无法控制光伏阵列端口电压，因此无法实现功率正常产生和传输，由于此时已经将直流升压变流器与并网逆变器连接，可以进行光伏并网输出，因此，需要将MPPT切换为电流源工作模式，控制光伏阵列的端口电压以实现最大功率跟踪控制，进行功率传输；至此可以实现光伏直流升压汇集系统启动。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)控制光伏阵列对直流升压变流器进行充电；
2)控制并网逆变器中换流阀的所有开关器件为关断状态，通过交流电网对并网逆变器进行充电直至达到设定稳态电压后，控制切除并网逆变器中设定个数的子模块继续进行充电直至子模块电容电压达到额定值；
3)获取直流升压变流器的高压侧的第一电压和并网逆变器的直流侧的第二电压，判断两个电压是否满足电压条件，若是，则控制直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通。
2.根据权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，所述设定稳态电压为其中UL为换流阀阀侧交流线电压峰值；N为并网逆变器中子模块个数。
3.根据权利要求1或2所述的光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，步骤2)中切除子模块的个数为其中Udc为额定直流母线电压。
4.根据权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，所述电压条件为第一电压的绝对值大于第一电压设定值、第二电压的绝对值大于第二电压设定值且第一电压与第二电压的差值的绝对值小于第三电压设定值，并且均持续设定时间。
5.根据权利要求1或4所述的光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，在直流升压变流器的高压侧与并网逆变器的直流侧导通后，通过最大功率跟踪控制实现光伏阵列发电系统功率送出。
6.根据权利要求5所述的光伏直流升压汇集系统启动控制方法，其特征在于，当控制对直流升压变流器进行充电时，控制光伏阵列的输出电压为直流升压变流器额定工作电压。
7.一种光伏直流升压汇集系统，包括并网逆变器和至少一个光伏阵列装置，各光伏阵列装置均包括光伏阵列、光伏阵列控制器和直流升压变流器，所述光伏阵列供电连接直流升压变流器，所述光伏阵列控制器的输出端连接直流升压变流器，所述并网逆变器用于连接交流电网，其特征在于，各光伏阵列装置均通过一个直流断路器连接所述并网逆变器，当启动光伏阵列进行并网时，控制光伏阵列对直流升压变流器进行充电；且控制并网逆变器中换流阀的所有开关器件为关断状态，通过交流电网对并网逆变器进行充电直至达到设定稳态电压后，控制切除并网逆变器中设定个数的子模块继续进行充电直至子模块电容电压达到额定值；获取直流断路器两侧的电压，判断两个电压是否满足电压条件，若是，则控制直流断路器导通。
8.根据权利要求7所述的光伏直流升压汇集系统，其特征在于，所述设定稳态电压为其中UL为换流阀阀侧交流线电压峰值；N为并网逆变器中子模块个数。
9.根据权利要求7或8所述的光伏直流升压汇集系统，其特征在于，切除的子模块的设定个数为其中Udc为额定直流母线电压。
10.根据权利要求7所述的光伏直流升压汇集系统，其特征在于，所述电压条件为第一电压的绝对值大于第一电压设定值、第二电压的绝对值大于第二电压设定值且第一电压与第二电压的差值的绝对值小于第三电压设定值，并且均持续设定时间。
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