CN110311368B - 光伏直流升压汇集系统及其直流电压稳定控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏直流升压汇集系统，该系统包括发电单元和汇集传输单元；发电单元包括多个发电子模块，发电子模块包括一光伏阵列和一DC‑DC变换器；汇集传输单元包括低压汇集母线、直流电压稳定控制装置、模块化直流升压变换器、中压汇集母线和站级直流升压变换器。本发明还公开了一种直流母线电压稳定控制方法，将输入电压电流双闭环控制和功率前馈补偿电路相结合，实现低压汇集母线的电压稳定，而且对直流升压变换器各子模块采用电流环单独控制方式，实现子模块输入均流。

Description

光伏直流升压汇集系统及其直流电压稳定控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电直流并网，具体涉及一种光伏直流升压汇集系统及其直流电压稳定控制方法。
背景技术
大多数的光伏电站和电网负荷中心相距较远，这使得“大规模汇集，远距离输送”成为大型光伏电站的主要技术背景。传统的光伏电站多采用交流升压汇集系统，但是这种汇集方式通常存在严重的电压越限、宽频域震荡和无功传输等问题，而且交流输电线路的输送容量较小、线路损耗大，导致交流汇集系统的功率传输效率较低。而高压直流输电具有输送容量大、损耗小以及不需要进行无功补偿、系统稳定性高的优点。随着电力电子技术和直流输电技术的发展与成熟，国内外学者相继提出了光伏电站直流升压汇集方式的概念以及直流升压汇集系统的设计方案，即将光伏输出的低压直流电直接经DC/DC变换器升高至中/高压直流电，接入直流电网。但对于接入电网的直流电压稳定控制，并未提出高效率的实用方法。
中国专利公布号为CN105305407A的专利文献公开了一种光伏高压直流输电系统，该系统的直流升压模块为两级式，前级实现光伏阵列的MPPT控制，后级为隔离型模块化直流升压变流器，通过输入侧并联输出侧串联的拓扑结构实现升压功能。但是该文献仅仅对光伏直流升压汇集系统整体结构进行了粗略的阐述，并未涉及直流升压变流器具体的子模块拓扑结构。
中国专利公布号为CN107634541A的专利文献公开了一种基于IPOS直流升压的光伏汇集接入系统结构，采用Boost全桥隔离拓扑作为直流升压子模块，通过MMC实现交流并网。针对MMC的不同工作模式，该文献采用统一输入电压外环控制和各子模块单独的输入电流内环控制，并引入直流输出电压均压补偿控制，从而保证直流母线电压的稳定。但该控制方法所需控制电路较多，不仅增加系统成本，而且会降低系统可靠性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种光伏直流升压汇集系统及其直流电压稳定控制方法，解决直流母线电压难以稳定控制的缺陷。
技术方案：本申请提供了一种光伏直流升压汇集系统，该系统包括发电单元和汇集传输单元；发电单元包括多个发电子模块，发电子模块包括一光伏阵列和一DC-DC变换器，DC-DC变换器的输入端与光伏阵列连接；汇集传输单元包括低压汇集母线、直流电压稳定控制装置、模块化直流升压变换器、中压汇集母线和站级直流升压变换器；低压汇集母线连接DC-DC变换器的输出端；模块化直流升压变换器包括多个输入并联输出串联的升压变换器子模块；多个升压变换器子模块的输入并联至低压汇集母线，其输出串联后经由中压汇集母线接入站级直流升压变换器，经站级直流升压变换器升压后接入高压直流输电系统；直流电压稳定控制装置输入端分别与低压汇集母线、各升压变换器子模块的输入端连接，直流电压稳定控制装置输出端连接各升压变换器子模块的开关器件。
进一步地，发电单元中的DC-DC变换器采用Boost电路，并采用扰动观察法实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
进一步地，升压变换器子模块采用隔离型全桥直流变流器。
进一步地，直流电压稳定控制装置包括电压电流采样电路、电压外环控制电路、功率前馈补偿电路、电流内环控制电路和脉宽调制电路；
电压电流采样电路用于采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1,2…,n；n为升压变压器子模块的数量)，并将三者分别传输至电压外环控制电路、功率前馈补偿电路和电流内环控制电路；
电压外环控制电路包括电压减法器和滑模控制器，电压减法器将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将二者差值输入滑模控制器得到电压外环控制电路的输出I1 *；
功率前馈补偿电路包括功率减法器和PI控制器，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与低压汇集母线传输功率PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿电路的输出I2 *；
电流内环控制电路包括指令电流生成单元和多个电流控制子单元；指令电流生成单元包括加法器，用于将电压外环控制电路的输出I1 *与功率前馈补偿电路的输出I2 *相加得到电流控制子单元的输入电流指令值Iref；电流控制子单元包括电流减法器和第二PI控制器，电流减法器将输入电流指令值Iref与各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1，2…，n)比较，将二者差值输入第二PI控制器得到电流控制子单元的输出，多个电流控制子单元的输出共同构成电流内环控制电路的输出；
脉宽调制电路用于将电流内环控制电路的输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号。
本申请还提供了一种用于上述光伏直流升压汇集系统的直流母线电压稳定控制方法，该方法包括：
(1)采集电压电流：采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1,2…,n；n为升压变压器子模块的数量)；
(2)对低压汇集母线电压进行外环控制：给定低压汇集母线的基准电压Uref，将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将其差值输入滑模控制器得到电压外环控制的输出I1 *；
(3)进行功率前馈补偿：将低压汇集母线电压UDC和电流IDC相乘，可得到低压汇集母线传输功率PDC，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿的输出I2 *；
(4)对电流进行内环控制：电压外环控制的输出I1 *与功率前馈补偿的输出I2 *相加得到输入电流指令值Iref，将输入电流指令值Iref分别与各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1，2…，n)比较，将二者差值分别输入第二PI控制器得到电流内环控制的输出；
(5)生成升压变换器子模块驱动信号：将电流内环控制输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提出的光伏直流升压汇集系统具有低压直流母线汇集结构，可以对光伏阵列的传输功率进行初步汇集，消除子模块间的输入输出功率不均衡问题；所提出的直流电压控制方法在传统的输入电压电流双闭环控制的基础上，引入了功率前馈补偿环节，可以实现低压汇集母线的电压稳定，而且对直流升压变换器各子模块采用电流环单独控制方式，实现子模块输入均流。
附图说明
图1为本发明的光伏直流升压汇集系统拓扑结构图；
图2为本发明的升压变换器子模块的拓扑图；
图3为本发明的直流电压稳定控制装置结构连接图；
图4为本发明的直流电压稳定控制方法流程图；
图5为本发明实施例的低压汇集母线电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
本申请公开了一种光伏直流升压汇集系统，如图1所示，该系统包括发电单元和汇集传输单元；发电单元包括多个发电子模块，发电子模块包括一光伏阵列101和一DC-DC变换器102，DC-DC变换器102的输入端与光伏阵列101连接，其中，可采用Boost变换器作为前级DC-DC变换器，用于实现光伏阵列的MPPT控制，控制方式为扰动观察法。汇集传输单元包括低压汇集母线103、直流电压稳定控制装置104、模块化直流升压变换器105、中压汇集母线106和站级直流升压变换器107；低压汇集母线103连接DC-DC变换器102的输出端；模块化直流升压变换器105包括多个输入并联输出串联的升压变换器子模块108；多个升压变换器子模块108的输入并联至低压汇集母线103，其输出串联后经由中压汇集母线106接入站级直流升压变换器107，经站级直流升压变换器107升压后接入高压直流输电系统；直流电压稳定控制装置104输入端分别与低压汇集母线103、各升压变换器子模块108的输入端连接，直流电压稳定控制装置104输出端连接各升压变换器子模块108的开关器件。
为了适应中高压直流输电线路的电压等级，直流升压变换器采用多个升压变换器子模块输入并联输出串联(Input-Parallel-Output-Series,IPOS)的形式实现输出电压的提升。变换器子模块采用隔离型全桥直流变流器，其拓扑结构如图2所示，Cl为低压汇集母线电容，开关管S1-S4共同组成全桥逆变电路，Lb为变压器T的等效漏感，二极管D1-D4和输出滤波电容Co共同组成电容滤波的单相不可控整流电路，即二极管整流电路。
在本申请的光伏直流升压汇集系统中，光伏阵列101输出低压直流电；实际工程应用中各光伏阵列的光照条件不同，因此其输出功率存在差异，当升压变换器子模块108和各光伏阵列101独立连接时，会引起各升压变换器子模块108输入输出功率失配情况。因此在光伏阵列101输出端引入一个低压汇集母线103，用于对光伏阵列传输的能量进行初步汇集，有利于消除可能存在的功率不均衡问题。
在光伏直流升压汇集系统理论中，基于IPOS的升压变换器子模块输入端并联至低压汇集母线上，输出端串联接到中压直流母线上。光伏直流并网时，高压直流电网的直流电压可视为恒定，故可采用逐级前馈控制实现各级直流电压的稳定，即变换器只需稳定其输入端直流电压，其输出端直流电压可由更高一级的变换器进行控制。故模块化直流升压变换器105只需要对低压汇集母线103电压进行稳定控制.
本申请在低压汇集母线103及模块化直流升压变换器105之间通过直流电压稳定控制装置104实现对低压汇集母线103电压的稳定控制，将稳定控制后的电压接入模块化直流升压变换器105实现升压，后经由中压直流母线106，再通过站级直流升压变换器107接入高压直流输电系统，实现光伏发电的直流并网。
如图3所示，本申请中的直流电压稳定控制装置104包括电压电流采样电路201、电压外环控制电路202、功率前馈补偿电路203、电流内环控制电路204和脉宽调制电路205。
电压电流采样电路201用于采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1,2…,n；n为升压变压器子模块的数量)，并将三者分别传输至电压外环控制电路、功率前馈补偿电路和电流内环控制电路；电压外环控制电路202包括电压减法器和滑模控制器，电压减法器将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将二者差值输入滑模控制器得到电压外环控制电路的输出I1 *；功率前馈补偿电路203包括功率减法器和PI控制器，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与低压汇集母线传输功率PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿电路的输出I2 *；电流内环控制电路204包括指令电流生成单元和多个电流控制子单元；指令电流生成单元包括加法器，用于将电压外环控制电路的输出I1 *与功率前馈补偿电路的输出I2 *相加得到电流控制子单元的输入电流指令值Iref；电流控制子单元包括电流减法器和第二PI控制器，电流减法器将输入电流指令值Iref与各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1，2…，n)比较，将二者差值输入第二PI控制器得到电流控制子单元的输出，多个电流控制子单元的输出共同构成电流内环控制电路的输出；脉宽调制电路205用于将电流内环控制电路的输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号，对升压变换器子模块的开关器件进行控制，实现子模块的输入均流。
另一方面，本申请还提供了一种用于上述光伏直流升压汇集系统的直流母线电压稳定控制方法，如图4所示，该方法包括：
(1)采集电压电流：采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1,2…,n；n为升压变压器子模块的数量)；
(2)对低压汇集母线电压进行外环控制：给定低压汇集母线的基准电压Uref，将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将其差值输入滑模控制器得到电压外环控制的输出I1 *；
(3)进行功率前馈补偿：将低压汇集母线电压UDC和电流IDC相乘，可得到低压汇集母线传输功率PDC，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿的输出I2 *；
(4)对电流进行内环控制：电压外环控制的输出I1 *与功率前馈补偿的输出I2 *相加得到输入电流指令值Iref，将输入电流指令值Iref分别与各升压变换器子模块的输入电流iink(k＝1，2…，n)比较，将二者差值分别输入第二PI控制器得到电流内环控制的输出；
(5)生成升压变换器子模块驱动信号：将电流内环控制输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号。
以本发明的光伏直流升压汇集系统和直流母线电压稳定控制方法为基础，在Simulink中搭建250kW光伏直流升压汇集系统仿真模型，4个光伏阵列分别连接4个Boost变换器接820V低压汇集母线，然后经过由4个升压变换器子模块串并联组成的模块化直流升压变换器升压，最后接至±35kV的中压直流母线上。其中光伏阵列101采用SunPower SPR-305PV组件进行串并联，并联支路数为20、串联支路数为10，故光伏阵列的最大传输功率为61kW，最大功率点的电压为547V；子模块单元中的变压器变比为1:10。图5显示低压汇集母线电压可在极短的时间内稳定在820V，由此可见，本发明的光伏直流升压汇集系统和直流母线电压稳定控制方法具有极好的稳压效果。

Claims (2)

1.一种光伏直流升压汇集系统，其特征在于，包括发电单元和汇集传输单元；
所述发电单元包括多个发电子模块，所述发电子模块包括一光伏阵列和一DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的输入端与所述光伏阵列连接；
所述汇集传输单元包括低压汇集母线、直流电压稳定控制装置、模块化直流升压变换器、中压汇集母线和站级直流升压变换器；所述低压汇集母线连接所述DC-DC变换器的输出端；
所述模块化直流升压变换器包括多个输入并联输出串联的升压变换器子模块；多个所述升压变换器子模块的输入并联至所述低压汇集母线，其输出串联后经由中压汇集母线接入站级直流升压变换器，经所述站级直流升压变换器升压后接入高压直流输电系统；
所述直流电压稳定控制装置输入端分别与低压汇集母线、各所述升压变换器子模块的输入端连接，所述直流电压稳定控制装置输出端连接各所述升压变换器子模块的开关器件；
所述发电单元中的DC-DC变换器采用Boost电路，并采用扰动观察法实现光伏阵列的最大功率点跟踪；
所述升压变换器子模块采用隔离型全桥直流变流器；
所述直流电压稳定控制装置包括电压电流采样电路、电压外环控制电路、功率前馈补偿电路、电流内环控制电路和脉宽调制电路；
所述电压电流采样电路用于采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink，k＝1,2…,n，n为升压变压器子模块的数量，并将三者分别传输至电压外环控制电路、功率前馈补偿电路和电流内环控制电路；
所述电压外环控制电路包括电压减法器和滑模控制器，所述电压减法器将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将二者差值输入滑模控制器得到电压外环控制电路的输出I1 *；
所述功率前馈补偿电路包括功率减法器和PI控制器，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与所述低压汇集母线传输功率PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿电路的输出I2 *；
所述电流内环控制电路包括指令电流生成单元和多个电流控制子单元；所述指令电流生成单元包括加法器，用于将电压外环控制电路的输出I1 *与所述功率前馈补偿电路的输出I2 *相加得到所述电流控制子单元的输入电流指令值Iref；所述电流控制子单元包括电流减法器和第二PI控制器，所述电流减法器将输入电流指令值Iref与各升压变换器子模块的输入电流iink比较，其中k＝1，2…，n，将二者差值输入第二PI控制器得到所述电流控制子单元的输出，所述多个电流控制子单元的输出共同构成电流内环控制电路的输出；
所述脉宽调制电路用于将所述电流内环控制电路的输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号。
2.一种用于权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统的直流母线电压稳定控制方法，其特征在于，包括：
(1)采集电压电流：采集低压汇集母线电压UDC、低压汇集母线电流IDC和各升压变换器子模块的输入电流iink，k＝1,2…,n，n为升压变压器子模块的数量；
(2)对低压汇集母线电压进行外环控制：给定低压汇集母线的基准电压Uref，将低压汇集母线电压UDC与给定基准电压Uref进行比较，并将其差值输入滑模控制器得到电压外环控制的输出I1 *；
(3)进行功率前馈补偿：将低压汇集母线电压UDC和电流IDC相乘，可得到低压汇集母线传输功率PDC，将各光伏阵列的总输出功率Ppv与PDC进行比较，并将二者差值输入第一PI控制器得到功率前馈补偿的输出I2 *；
(4)对电流进行内环控制：电压外环控制的输出I1 *与所述功率前馈补偿的输出I2 *相加得到输入电流指令值Iref，将输入电流指令值Iref分别与各升压变换器子模块的输入电流iink比较，其中k＝1，2…，n，将二者差值分别输入第二PI控制器得到电流内环控制的输出；
(5)生成升压变换器子模块驱动信号：将所述电流内环控制输出分别进行脉宽调制得到各升压变换器子模块的脉冲驱动信号。
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