CN110676884B - 光伏发电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光伏发电系统的控制方法及光伏发电系统，光伏发电系统包括：优化组件串和逆变器；优化组件串包括多个优化组件，各个优化组件的输入端耦接至少一个光伏组件，多个优化组件的输出端串联；每一优化组件包括控制单元；逆变器的输入端耦接于优化组件串的输出端，逆变器包括辅助检测模块，辅助检测模块用于辅助检测所述优化组件串的输出电流，控制单元根据优化组件串的输出电流控制优化组件串的输出电压，使输出电压满足所述逆变器的启动条件。

Description

光伏发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于光伏发电系统的控制方法及光伏发电系统，具体地说，尤其涉及一种逆变器与优化组件间无需传统通讯的用于光伏发电系统的控制方法及光伏发电系统。
背景技术
目前，光伏发电技术已经发展成熟，并且在国内外得到了广泛的应用。光伏发电系统包括光伏面板、接线盒、逆变器等，光伏面板将接收到的太阳光能转变成直流电能，逆变器将直流电能转变成所需要的交流电能，并入电网或者直接供给客户使用。
使用优化组件的光伏发电系统可以保证光伏面板的最大功率追踪输出，提高其转换效率。经过串并联的光伏面板具有很高的电压和能量，在突发性事件(地震、火灾等)发生时，就需要对这些带有高压和高能量的光伏面板进行断开处理，防止这些高压和高能量的面板造成更大的灾害，对负责救护的人员也起到了保护作用。传统光伏系统需要在光伏面板中接入快速关断装置，而应用优化组件的光伏系统可以通过优化组件实现面板级快速关断。因此，优化组件的使用需要与后级逆变器进行通信，但是因为增加了调制解调电路，成本较高，并且传输数据易受能量信号的干扰。
另外，在光伏系统启动过程中，有时会出现若干个优化组件由于乌云或建筑物阴影的遮挡而暂时性无电压输出的情况。在以往的光伏优化组件启动方案中，这部分优化组件将无法启动，由此也造成了功率器件的浪费和经济效益的损失。
因此急需开发一种克服上述缺陷的光伏发电系统及其控制方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种减少通信成本和提高系统可靠性的用于光伏发电系统的控制方法及光伏发电系统，使得光伏发电系统无需通讯即可安全地启动、运行和快速关断。
本发明提供一种用于光伏发电系统的控制方法，其中，所述光伏发电系统包括：优化组件串和逆变器；所述优化组件串包括多个优化组件，各个所述优化组件的输入端耦接至少一个光伏组件，多个所述优化组件的输出端串联；每一所述优化组件包括控制单元；所述逆变器的输入端耦接于所述优化组件串的输出端，所述逆变器包括辅助检测模块；以及
所述控制方法包括：
步骤S1：所述控制单元控制每一所述优化组件输出初始电压；
步骤S2：所述逆变器检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入所述辅助检测模块；
步骤S3：所述控制单元检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流满足稳定运行条件时，控制所述优化组件稳定运行，否则增大对应的优化组件的输出电压，使所述优化组件串的输出电压满足所述逆变器的启动条件。
上述的控制方法，其中，所述步骤S3还包括：
步骤S31：所述控制单元检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流满足稳定运行条件时，控制每一所述优化组件稳定运行，进行步骤S32；否则设定一电压变化量，进行步骤S32’；
步骤S32：检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压满足逆变器的启动条件时，所述逆变器启动，将所述光伏发电系统接入电网；
步骤S32’：控制每一所述优化组件输出电压增加所述电压变化量，返回步骤S31。
上述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：
步骤S4：检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流小于预设的最小电流时，所述优化组件的控制单元控制对应的优化组件输出所述初始电压。
上述的控制方法，其中，所述步骤S3还包括：
步骤S33：所述优化组件的控制单元控制对应的优化组件以MPPT模式运行。
上述的控制方法，其中，所述辅助检测模块与所述逆变器的输入端并联连接。
上述的控制方法，其中，所述辅助检测模块包括多个并联的功率电阻。
上述的控制方法，其中，所述步骤S2中还包括检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入至少一所述功率电阻。
上述的控制方法，其中，所述辅助检测模块包括可控电流源。
上述的控制方法，其中，所述步骤S2中还包括检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入所述可控电流源。
上述的控制方法，其中，所述逆变器的启动条件为所述逆变器的输入电压处于第一电压区间。
上述的控制方法，其中，所述优化组件的稳定运行条件为其输出电流大于一预设电流并持续一段预设时间。
本发明还提供一种采用于上述控制方法的光伏发电系统，其中，所述光伏发电系统包括：
优化组件串和逆变器；所述优化组件串包括多个优化组件，各个所述优化组件的输入端耦接至少一个光伏组件，多个所述优化组件的输出端串联；每一所述优化组件包括控制单元；所述逆变器的输入端耦接于所述优化组件串的输出端，所述逆变器包括辅助检测模块，所述辅助检测模块用于辅助检测所述优化组件串的输出电流，所述控制单元根据所述优化组件串的输出电流控制所述优化组件串的输出电压，使所述输出电压满足所述逆变器的启动条件。
上述的光伏发电系统，其中，所述控制单元还根据所述优化组件串的输出电流控制所述优化组件串的快速关断。
上述的光伏发电系统，其中，所述辅助检测模块集成于所述逆变器内部。
上述的光伏发电系统，其中，所述辅助检测模块外接于所述逆变器。
上述的光伏发电系统，其中，所述辅助检测模块包括可控电流源。
上述的光伏发电系统，其中，所述辅助检测模块包括功率电阻。
上述的光伏发电系统，其中，所述逆变器的启动条件为所述逆变器的输入电压处于第一电压区间。
针对于现有技术本发明的功效在于：通过对优化组件输出电压、输出电流的采集，本申请的优化组件无需与逆变器进行传统的通信即可控制光伏发电系统的工作状态，不仅可以合理控制优化组件的输出电压确保逆变器安全启动，同时可实现优化组件的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)模式运行和RSD(Rapid Shut-Down，快速关断)功能，其拓扑简单、可靠性高、易于控制、调试方便、功能完善。
附图说明
图1为本发明光伏发电系统第一实施例的结构示意图；
图2为本发明光伏发电系统第二实施例的结构示意图；
图3为本发明控制方法第一实施例的流程图；
图4为图3的分步骤流程图；
图5为优化组件电路的示意图；
图6及图7为图5的优化组件电路工作于降压模式的等效电路图；
图8所示为图5的优化组件电路工作于降压模式时的开关驱动信号及其输出电压的波形示意图；
图9及图10为图5的优化组件电路工作于升压模式的等效电路图；以及
图11为图5的优化组件电路工作于升压模式时的开关驱动信号以及输出电压的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下请参照图1，图1为本发明光伏发电系统第一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明光伏发电系统包括：优化组件串1和逆变器2；优化组件串包括多个优化组件11…1n，各个优化组件11…1n的输入端耦接至少一个光伏组件，所述光伏组件可以是例如PV面板，其中n为正整数，多个优化组件11…1n的输出端串联；每一优化组件11…1n包括控制单元；逆变器2的输入端耦接于优化组件串的输出端，逆变器2包括辅助检测模块21，辅助检测模块21与逆变器2的输入端并联连接，辅助检测模块21用于辅助检测优化组件串1的输出电流，控制单元根据优化组件串1的输出电流控制优化组件串1的输出电压，使输出电压满足逆变器2的启动条件，其中逆变器2的启动条件为逆变器2的输入电压Vbus处于第一电压区间，即Vmin≤Vbus≤Vmax，其中Vmin为满足逆变器启动的最小电压，Vmax为满足逆变器启动的最大电压。
进一步地，控制单元还根据优化组件串1的输出电流控制优化组件串1的快速关断。
再进一步地，辅助检测模块21可集成于逆变器2的内部，但本发明并不以此为限，在其他实施例中，辅助检测模块21外接于逆变器2。
更进一步地，辅助检测模块21包括第一功率电阻R1及第二功率电阻R2。
请参照图2，图2为本发明光伏发电系统第二实施例的结构示意图。图2所示的光伏发电系统与图1所示的光伏发电系统的结构大致相同，因此相同部分在此不再赘述，现将不同部分说明如下。在本实施例中，辅助检测模块21包括可控电流源211。
请参照图3和图4，图3为本发明控制方法第一实施例的流程图；图4为图3的分步骤流程图。以下结合图1及图3至图4具体说明本发明光伏发电系统的控制方法。控制方法包括：
步骤S1：控制单元控制对应地每一优化组件输出初始电压VOstart，其中，在本实施例中初始电压VOstart设定为一较小电压值，例如0V≤VOstart≤2V，用于确保串联优化组件的输出电压在快速关断时可控制在较低电压水平，从而在出现突发性事件(地震、火灾等)时，可以防止带有高压和高能量的光伏面板造成更大的灾害，对负责救护的人员也起到了保护作用；
步骤S2：逆变器检测并判断优化组件串的输出电压Vbus，当优化组件串的输出电压Vbus处于第二电压区间时，接入所述辅助检测模块，即Vmin1≤Vbus≤Vmax1；
步骤S3：控制单元检测并判断优化组件串的输出电流Io，当输出电流Io满足稳定运行条件时，控制单元控制优化组件稳定运行，否则控制单元控制对应的优化组件增大输出电压，使优化组件串的输出电压满足逆变器的启动条件。
其中，逆变器的启动条件为逆变器的输入电压处于第一电压区间，即Vmin≤Vbus≤Vmax，其中Vmin为满足逆变器启动的最小电压，Vmax为满足逆变器启动的最大电压。
进一步地，步骤S3还包括：
步骤S31：控制单元检测并判断优化组件串的输出电流，当输出电流满足稳定运行条件时，控制每一优化组件稳定运行，进行步骤S32；否则设定一电压变化量，进行步骤S32’；
步骤S32：检测并判断优化组件串的输出电压，当优化组件串的输出电压满足逆变器的启动条件时，逆变器启动，将光伏发电系统接入电网；
步骤S32’：控制每一优化组件输出电压增加电压变化量，返回步骤S31；
步骤S33：优化组件的控制单元控制对应的优化组件以MPPT模式运行。
需要说明的是，优化组件的稳定运行条件为优化组件的输出电流大于一预设电流并持续一段预设时间。
又进一步地，控制方法还包括：
步骤S4：控制单元检测并判断优化组件串的输出电流Io，当输出电流Io小于预设的最小电流时，优化组件的控制单元控制对应的优化组件输出初始电压VOstart。具体而言，当逆变器脱离电网后，优化组件串的输出电流Io迅速减小，控制单元检测并判断优化组件串的输出电流Io，当输出电流Io小于预设的最小电流时，控制单元控制对应的优化组件输出初始电压VOstart，实现快速关断，确保串联优化组件的输出电压在快速关断时可控制在较低电压水平，从而在出现突发性事件(地震、火灾等)时，可以防止带有高压和高能量的光伏面板造成更大的灾害，对负责救护的人员也起到了保护作用。
需要说明的是，结合图2所示的另一实施例，当辅助检测模块21包括可控电流源211时，步骤S2还包括逆变器检测并判断所述优化组件串的输出电压，当优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入可控电流源。
本发明的用于光伏发电系统的控制方法及光伏发电系统通过合理的控制逻辑，在启动过程中，当优化组件输出侧采样电流处于一定的范围之内，表示此时优化组件可以开始进入启动流程，直至逆变器成功启动并稳定运行。当优化组件输出侧采样电流不符合启动条件，优化组件将不会进行启动动作，而是等待采样电流大于一预设电流值并稳定地持续了一定的时间，此时可知逆变器已成功启动，母线电压由逆变器侧控制，优化组件可以直接进入MPPT模式并稳定运行。因此，即使光伏系统中存在若干个优化组件由于乌云或建筑物阴影的遮挡而暂时性无法启动时，这部分优化组件也会在逆变器成功启动之后以MPPT模式进入系统并稳定运行。
结合参见图5至图11描述升压模式和降压模式之间切换的优化组件电路。图5为优化组件电路的示意图。
优化组件电路的拓扑结构简单、谐波小、电磁兼容性较好。该电路可工作在升压和降压两种模式，相当于各自独立的升压电路和降压电路，实现升降压的完全解耦。优化组件电路优化组件电路包括第一电容C1，第一电感L1，第一至第四开关管S1-S4，例如IGBT或者MOSFET，第二电感L2，第二电容C2以及第三电容C3。第一电感L1的一端连接第一电容C1的一端，第一电感L1的另一端连接第一开关管S1的第一端(例如，MOSFET的漏极)和第二开关管S2的第一端(例如，MOSFET的源极)，第二开关管S2的第二端(例如，MOSFET的漏极)连接第二电容C2的一端和第三开关管S3的第一端(例如，MOSFET的漏极)，第三开关管S3的第二端(例如，MOSFET的源极)连接第四开关管S4的第一端(例如，MOSFET的漏极)和第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第三电容C3的一端；第一电容C1的另一端连接第一开关管S1的第二端(例如，MOSFET的源极)、第二电容C2的另一端、第四开关管S4的第二端(例如，MOSFET的源极)和第三电容C3的另一端。
第一控制器包括数字控制单元1222和脉冲调制单元1221。数字控制单元接收优化组件电路输入侧的电流和电压，以及优化组件电路2输出侧的电压和电流，并根据优化组件电路输入侧的电压、电流、输出侧的电压以及电流输出控制信号，并由脉冲调制单元1221将控制信号转换为PWM信号输出给优化组件电路中的开关管S1-S4的控制端，用以控制优化组件电路中开关管S1-S4的切换，以改变优化组件电路的工作状态。第一控制器121采用数字控制使得控制更加方便、调试方便、功能完善。
图6及图7为图5的优化组件电路工作于降压模式的等效电路。
当Vin≥Vout时，第一控制器121控制开关管S1完全截止以及开关管S2保持常开，并且控制开关管S3、S4工作于开关状态。第一控制器121控制开关管S4与开关管S3互补导通，并且控制开关管S3的占空比为D1，实现优化组件电路的降压功能，以至于优化组件电路的输出电压Vo＝D1Vin。
图8所示为图5的优化组件电路工作于降压模式时的开关管的驱动信号以及输出电压的波形图，描述了四个MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)开关管S1-S4的驱动信号Vs1-Vs2以及优化组件电路的输出电压Vo的波形图。
图9及图10为图5的优化组件电路工作于升压模式的等效电路。
当Vin<Vout时,第一控制器121控制开关管S3保持常开以及开关管S4完全截止，并且控制开关管S1、S2工作于开关状态。第一控制器121控制开关管S1与开关管S2互补导通，并且控制开关管的占空比为D2，实现优化组件电路的升压功能，以至于优化组件电路的输出端电压Vo＝Vin/(1-D2)。
图11为图5的优化组件电路工作于升压模式的等效电路，描述了四个MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)管S1-S4的驱动信号Vs1-Vs2以及优化组件电路的输出电压Vo的波形图。
以上仅仅是示意性的描述本发明的一种优化组件电路，本发明并非以此为限。
综上所述，通过对优化组件串输出电压、输出电流的采集，本发明的优化组件无需与逆变器进行传统的通信即可控制优化组件的工作状态，并合理控制优化组件的输出电压确保逆变器安全启动，同时可实现MPPT功能和RSD功能，其拓扑简单、可靠性高、易于控制、调试方便、功能完善。
需要说明的是：以上实施例仅仅用以说明本发明，而并非限制本发明所描述的技术方案；同时，尽管本说明书参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；因此，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用于光伏发电系统的控制方法，其特征在于，所述光伏发电系统包括：优化组件串和逆变器；所述优化组件串包括多个优化组件，各个所述优化组件的输入端耦接至少一个光伏组件，多个所述优化组件的输出端串联；每一所述优化组件包括控制单元；所述逆变器的输入端耦接于所述优化组件串的输出端，所述逆变器包括辅助检测模块；以及
所述控制方法包括：
步骤S1：所述控制单元控制每一所述优化组件输出初始电压；
步骤S2：所述逆变器检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入所述辅助检测模块；
步骤S3：所述控制单元检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流满足稳定运行条件时，控制所述优化组件稳定运行，否则增大对应的优化组件的输出电压，使所述优化组件串的输出电压满足所述逆变器的启动条件。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
步骤S31：所述控制单元检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流满足稳定运行条件时，控制每一所述优化组件稳定运行，进行步骤S32；否则设定一电压变化量，进行步骤S32’；
步骤S32：检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压满足逆变器的启动条件时，所述逆变器启动，将所述光伏发电系统接入电网；
步骤S32’：控制每一所述优化组件输出电压增加所述电压变化量，返回步骤S31。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
步骤S4：检测并判断所述优化组件串的输出电流，当所述输出电流小于预设的最小电流时，所述优化组件的控制单元控制对应的优化组件输出所述初始电压。
4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
步骤S33：所述优化组件的控制单元控制对应的优化组件以MPPT模式运行。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述辅助检测模块与所述逆变器的输入端并联连接。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述辅助检测模块包括多个并联的功率电阻。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入至少一所述功率电阻。
8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述辅助检测模块包括可控电流源。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括检测并判断所述优化组件串的输出电压，当所述优化组件串的输出电压处于第二电压区间时，接入所述可控电流源。
10.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述逆变器的启动条件为所述逆变器的输入电压处于第一电压区间。
11.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述优化组件的稳定运行条件为其输出电流大于一预设电流并持续一段预设时间。
12.一种采用如权利要求1所述的控制方法的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括：优化组件串和逆变器；所述优化组件串包括多个优化组件，各个所述优化组件的输入端耦接至少一个光伏组件，多个所述优化组件的输出端串联；每一所述优化组件包括控制单元；所述逆变器的输入端耦接于所述优化组件串的输出端，所述逆变器包括辅助检测模块，所述辅助检测模块用于辅助检测所述优化组件串的输出电流，所述控制单元根据所述优化组件串的输出电流控制所述优化组件串的输出电压，使所述输出电压满足所述逆变器的启动条件。
13.如权利要求12所述的光伏发电系统，其特征在于，所述控制单元还根据所述优化组件串的输出电流控制所述优化组件串的快速关断。
14.如权利要求12所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块集成于所述逆变器内部。
15.如权利要求14所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块包括功率电阻。
16.如权利要求14所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块包括可控电流源。
17.如权利要求12所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块外接于所述逆变器。
18.如权利要求17所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块包括功率电阻。
19.如权利要求17所述的光伏发电系统，其特征在于，所述辅助检测模块包括可控电流源。
20.如权利要求12所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变器的启动条件为所述逆变器的输入电压处于第一电压区间。
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