CN111049376A

CN111049376A - 一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法

Info

Publication number: CN111049376A
Application number: CN201911217446.9A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 傅钰泰; 齐继志; 张兴华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN111049376B

Abstract

本发明涉及分布式光伏发电领域，旨在提供一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法。该系统中前级由多块光伏电池板和多台串联运行的光伏功率优化器组成，每个光伏功率优化器分别接至一块光伏电池板的输出侧；后级由直流变换器和直流电网组成，或者由交流并网逆变器和交流电网组成；前后两级之间是由后级控制的可调直流母线；该方法包括：利用后级的直流变换器或交流逆变器在前后两级之间以无通讯方式进行配合，通过不断调整中间直流母线的电压实现前级或者后级的电压变比接近1。本发明不依赖通讯、不附加额外电路的情况下实现串联型功率优化器系统前后两级之间的配合，能够在不增加硬件成本的前提下减少开关损耗，提高系统整体效率。

Description

一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法

技术领域

本发明涉及分布式光伏发电领域，是一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法。

背景技术

太阳能安全、清洁、可持续、分布广泛，光伏发电的过程中也不会产生任何污染气体，太阳能光伏发电是一种极具前景的发电方式。

光伏功率优化器是一种能量变换装置，通过对光伏电池板输出电压的控制可实现组件级的最大功率点跟踪，可以有效解决传统集中式光伏发电、组串式光伏发电的阴影遮挡、组件老化导致的不匹配问题，具备模块化、低成本、灵活性高的特点。

串联型功率优化器结构是众多光伏发电系统结构中的一种。串联型功率优化器结构的特点是，各个功率优化器输入侧分别连接独立的光伏电池板，各个功率优化器的输出端之间相互串联，最后形成统一的直流母线。直流母线可以接交流并网逆变器，也可以接直流并网变换器。其中直流母线之前的部分称为两级式光伏功率优化器系统的前级(以下简称前级)，直流母线之后的部分称为两级式光伏功率优化器系统的后级(以下简称后级)。

串联型功率优化器系统中每台光伏组件均连接一台功率优化器，功率优化器的输出串联，各个模块的电流相等，即：

I_out1＝I_out2＝…＝I_outn＝I_bus，其中I_bus为直流母线的电流。

中间直流母线的电压由后级系统提供并由后级控制，前级各优化器的输出电压之和为母线电压值，即：

其中V_bus为直流母线的电压。

系统的输出功率等于所有优化器的输出功率之和，即：

系统在稳态工作时，各个功率优化器的输出电压与其输出功率成正比，即：

对于两级式串联型光伏功率优化器系统而言，提高系统整体效率非常重要。现有技术中提高系统效率的做法，主要是通过设计软开关电路或者采用价格昂贵的碳化硅器件等方式在前后级通讯配合的前提下实现的。例如，通常会从提高光伏电池板的发电效率、提高最大功率点跟踪效率(MPPT)、提高前级功率优化器功率变换效率、提高后级逆变器/变换器功率变换效率等角度来提高系统整体效率。但这些技术在带来提升效果的同时，往往也带来系统硬件成本和复杂度的提升(如软开关电路、同步整流电路的使用)。因此在不增加系统额外硬件负担的情况下提升系统效率意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法，不需要额外电路、不需要增加系统成本、不需要前后级通讯即能提高效率。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法，该系统中包含前后两级：前级由多块光伏电池板和多台串联运行的光伏功率优化器组成，每个光伏功率优化器分别接至一块光伏电池板的输出侧；后级由直流变换器和直流电网组成，或者由交流并网逆变器和交流电网组成；前后两级之间是由后级控制的可调直流母线；该无通讯母线调制方法包括：利用后级的直流变换器或交流逆变器在前后两级之间以无通讯方式进行配合，通过不断调整中间直流母线的电压实现前级或者后级的电压变比接近1。

本发明中，前级的光伏功率优化器是基于Boost拓扑的功率优化器。

本发明中，对于由直流变换器和直流电网组成的后级而言，该无通讯母线调制方法具体包括以下步骤：

(1)前级开始工作之前，由后级将中间直流母线电压控制在高于后级直流系统电压值；当前级工作稳定后，后级电路检测直流母线电压V_bus(k)和直流母线电流I_bus(k)，计算输入功率P_bus(k)；

(2)后级电路判断当前功率P_bus(k)与上一周期功率P_bus(k-1)的关系，若满足P_bus(k)＜P_bus(k-1)，则将直流母线电压参考值设为V_bus(k)+ΔV_u，即V_ref(k)＝V_bus(k)+ΔV_u；否则将直流母线电压参考值下调至V_bus(k)-ΔV_d，即V_ref(k)＝V_bus(k)-ΔV_d；其中，V_ref(k)为当前周期中间直流母线电压的参考值，是后级直流变换器的输入给定；

(3)V_dc为后级输出直流系统的幅值；后级电路判断V_ref(k)与V_dc+ΔV_dc大小关系，若满足V_ref(k)＜V_dc+ΔV_dc，则将直流母线电压参考值设为V_dc+ΔV_dc，即V_re(k)＝V_dc+ΔV_dc；否则保持步骤(2)中的V_re(k)；

(4)后级变换器将直流母线电压电压控制在V_ref(k)；

(5)每隔时间Δt，重新执行步骤(1)到步骤(4)的循环至到达直流母线电压的下限，即直流母线电压下降到能保证系统正常工作的最小值；此后前级或者后级将工作在电压变比最接近与1的状态，系统整体效率最高。

本发明中，对于由交流并网逆变器和交流电网组成的后级而言，该无通讯母线调制方法具体包括以下步骤：

(1)前级开始工作之前，由后级将中间直流母线电压控制在高于后级交流电网峰值电压值；当前级工作稳定后，后级电路检测直流母线电压V_bus(k)和直流母线电流I_bus(k)，计算输入功率P_bus(k)；

(2)后级电路判断当前功率P_bus(k)与上一周期功率P_bus(k-1)的关系，若满足P_bus(k)＜P_bus(k-1)，则将直流母线电压参考值设为V_bus(k)+ΔV_u，即V_ref(k)＝V_bus(k)+ΔV_u；否则将直流母线电压参考值下调至V_bus(k)-ΔV_d，即V_re(k)＝V_bus(k)-ΔV_d；其中，V_ref(k)为当前周期中间直流母线电压的参考值，是后级直流变换器的输入给定；

(3)V_ac为后级输出交流电网电压的幅值；后级电路判断V_ref(k)与V_ac+ΔV_ac大小关系，若满足V_ref(k)＜V_ac+ΔV_ac，则将直流母线电压参考值设为V_ac+ΔV_ac，即V_re(k)＝V_ac+ΔV_ac；否则保持步骤(2)中的V_ref(k)；

(4)后级变换器将直流母线电压电压控制在V_ref(k)；

(5)每隔时间Δt，重新执行步骤(1)到步骤(4)的循环，直到到达直流母线电压的下限，即直流母线电压下降到能保证系统正常工作的最小值；此后前级或者后级将工作在电压变比最接近与1的状态，系统整体效率最高。

本发明中，所述Δt、ΔV_d、ΔV_u、ΔV_dc、ΔV_ac按下述方式进行确认：Δt＝5×τ，τ为后级变换器控制母线电压时的暂态时间常数；ΔV_d、ΔV_u分别是母线电压下调、上调步长，且ΔV_u＞ΔV_d，ΔV_u＝k₁×ΔV_d，k₁取值范围为1.5到2；ΔV_d＝k₂×V_dc，k₂取值范围为1/20至1/15；ΔV_dc＝(1-D_{bu_max})/D_{bu_max}×V_dc，其中D_{bu_max}为后级变换器实际工作最大占空比；其中V_dc是后级直流变换器输出侧直流电网电压幅值，V_ac是后级直流变换器输出侧交流电网电压幅值；ΔV_ac由后级逆变器的调制比上限和输出交流电压幅值决定。

发明原理描述：

一般而言，当功率等级相同时，直流变换器或者交流逆变器的输入输出侧的电压越接近，即电压变比越接近1时，直流变换器或者交流逆变器的开关损耗越低，效率越高。

本方法可以在无通讯、不附加硬件电路的情况下实现前级或者后级变换器输入电压、输出电压变比最接近1，其主要原因在于：①、对于后级电路而言，后级变换器将中间直流母线电压不断下调，由于后级变换器输出电压恒定(直流电网等)，后级变换器的输入、输出电压越来越接近，电压变比接近1，开关损耗降低，效率提高；②、对于前级串联的各功率优化器而言，中间直流母线电压被逐步下调，各个功率优化器的输出电压等比例下降，在功率优化器输出电压下降至小于能保持最大功率点运行的最小输出电压之前，即V_{out_min}≥1/(1-D_min)×V_mpp(其中D_min为功率优化器保持正常工作的最小占空比，V_mpp为光伏电池板的最大功率点电压)，各个功率优化器都可以使得前级光伏电池板保持最大功率输出；当中间直流母线电压继续下调，直至各个功率优化器输出电压小于能保持最大功率点运行的最小输出电压时，即满足V_{out_min}＜1/(1-D_mmin)×V_mpp时，必然有某些功率优化器不能继续稳定工作在最大功率点，故串联功率优化器系统整体向后级输出功率下降。因此，当后级变换器检测到输入功率下降时，说明前级各个功率优化器输出电压已经下调至最低值，也即直流母线电压已经下调至最低值，之后即停止继续下调母线电压Vb_us。当满足以上两种任意一种情况时，说明母线电压已经满足前级或者后级变比接近1的要求，即停止母线电压下调，此时便可保证前级或者后级工作在电压变比最接近1的状态，开关损耗最小，系统效率最高。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、本发明提供的方法可以在不依赖通讯、不附加额外电路的情况下实现串联型功率优化器系统前后两级之间的配合，实现前级或者后级的电压变比接近1。

2、该方法能够在不增加硬件成本的前提下减少开关损耗，进而提高系统的整体效率。

附图说明

图1是本发明所述的两级式串联型光伏功率优化器系统的结构图；

其中1a显示的是直流母线接交流并网逆变器的系统结构图；1b显示的是直流母线接直流并网逆变器的系统结构图；

图2是本发明所述的两级式串联型光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法控制流程图；

图3是本发明所述的两级式串联型光伏功率优化器系统后级直流母线调制控制原理图；

图4是本发明所述的两级式串联型光伏功率优化器系统主要工况的波形图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施方式。

图1a、图1b分别对应交流并网系统和直流并网系统两种不同架构，都属于两级式串联型光伏功率优化器系统。下文以图1b为例来说明所述的一种应用于两级式串联型光伏功率优化器系统的无通讯母线调制方法。图1b所示的系统主要包含三块光伏板、三台功率优化器、一个直流变换器和一个由储能电池组构成的直流系统；

两级式串联型光伏功率优化器系统前级主要由功率优化器和光伏电池板组成，各个光伏板之间相互独立，各个优化器的输入端接至独立的光伏板(的输出侧)，各优化器输出相互串联；后级由直流变换器和直流系统组成或由并网逆变器和交流电网组成。本例中后级由直流变换器和直流系统构成。

前级功率优化器采用Boost结构，主要功能是实现前级光伏板的最大功率点跟踪，稳定工作时要求输出电压大于输入电压。由于实际电路中，Boost电路存在最大(D_{bo_max})、最小占空比(D_{bo_min})限制，故当前级工作在最大功率点时，优化器输出电压最小值为V_mpp/(1-D_{bo_max})。当输出电压低于V_mpp/(1-D_{bo_max})时，功率优化器将不能稳定工作在最大功率点，其向后传送的功率也将减小。

后级直流变换器采用Buck结构，主要功能是对前级串联的功率优化器与后级直流系统之间进行功率平衡，稳定工作时要求输出电压低于输入电压。实际电路中，Buck电路也存在最大(D_{bu_max})、最小(D_{bu_min})占空比的限制。由于直流电网电压固定，故当Buck前级电压低于V_dc/D_{bu_max}时，Buck也将不能稳定工作。

母线电压调制的主要目的是找到一个合适且较低的母线电压值，使得前级Boost电路或后级Buck电路电压变比最接近1，进而降低前级或后级的开关损耗从而提高系统的整体效率。

母线电压调制之前，假设前级各功率优化器已经稳定在最大功率点，中间直流母线电压稳定且维持在较高水平。如图2所示，无通讯母线电压调制主要由以下几个步骤组成：

步骤(1)：当前级正常工作时，后级电路检测母线电压V_bus(k)和母线电流I_bus(k)，计算输入功率P_bus(k)；图1b中后级DC/DC变换器检测当前直流母线电压V_bus(k)、输入电流I_bus(k)并输入计算功率P_bus(k)；

步骤(2)：后级电路判断当前功率与上一周期计算功率P_bus(k-1)的关系，若满足P_bus(k)＜P_bus(k-1)则后级DC/DC变换器将直流母线电压参考值设为V_bus(k)+ΔV_u，即V_ref(k)＝V_bus(k)+ΔV_u；否则将直流母线电压参考值下调至V_bus(k)-ΔV_d，即V_ref＝V_bus(k)-ΔV_d；

步骤(3)：后级电路判断V_ref(k)与V_dc+ΔV_dc的大小关系。若满足V_ref(k)＜V_dc+ΔV_dc，则将直流母线电压控制在V_dc+ΔV_dc，即V_ref(k)＝V_dc+ΔV_dc；否则保持步骤(2)中的V_ref(k)；

步骤(4)：后级变换器将直流母线电压控制在V_ref(k)；

步骤(5)：每隔时间Δt，重新执行步骤(1)到步骤(4)的循环，直到到达直流母线电压的下限，即直流母线电压下降到能保证系统正常工作的最小值；此后前级或者后级将工作在电压变比最接近与1的状态，系统整体效率最高。

下面结合图3、图4继续说明；

在0-T₁时间段内，系统处于稳定状态，即前级各个功率优化器稳定工作，各个光伏板以最大功率输出；后级变换器正常工作，维持直流母线电压恒定在较高水平；

在T₁时刻，后级Buck变换器开始进行母线电压调制，母线电压参考值V_ref(k)下调的步长为ΔV_d；

T₁-T₂阶段，由于输入功率恒定，故母线电压参考值下调持续进行，调节时间间隔Δt＝5×τ以保证系统控制稳定，其中τ为后级变换器控制母线电压时的暂态时间常数；

在T₂时刻之后由于后级电路检测到输入功率下降，直流母线电压小于前级等效最大功率点母线电压V_{eq_bus}(V_{eq_bus}＝V_mpp1/(1-D_{bo_max})+V_mpp2/(1-D_{bo_max})+V_mpp3/(1-D_{bo_max}))。此时前级各个Boost功率优化器无法稳定进行MPPT，故各光伏组件的输出功率下降，导致直流母线输入功率下降。当后级Buck变换器检测到输入的功率下降时，判断此时直流母线已低于前级等效最大功率点母线电压，V_{eq_bus}。Buck变换器停止下调电压，同时将直流母线参考值上调ΔV_u，即V_ref(k)＝V_bus(k)+ΔV_u，且ΔV_u＝k₁×Δ4V_d，k₁取值范围为1.5到2，保证上调电压步长大于下调电压步长，且不大于下调步长的两倍；

在T₃时刻，中间直流母线电压恢复到大于V_{eq_bus}的值，前级功率优化器最大功率点跟踪条件满足，前级各个功率优化器恢复最大功率点跟踪，光伏板以最大功率输出，直流母线输入功率恢复到减小之前的水平。同时，前级功率优化器以接近1的电压变比工作，功率优化器开关损耗降低，系统整体效率提高。通过逐步降低直流母线电压来实现后级变换器电压变比接近1的分析与上述实现前级电压变比接近1的分析类似，不再重复。

交流并网系统的架构下，两级式串联型光伏功率优化器系统的无通讯母线调制方法与上述描述基本一致。本发明不再赘述。

Claims

1.一种两级式串联光伏功率优化器系统无通讯母线调制方法，该系统中包含前后两级：前级由多块光伏电池板和多台串联运行的光伏功率优化器组成，每个光伏功率优化器分别接至一块光伏电池板的输出侧；后级由直流变换器和直流电网组成，或者由交流并网逆变器和交流电网组成；前后两级之间是由后级控制的可调直流母线；其特征在于，该无通讯母线调制方法包括：利用后级的直流变换器或交流逆变器在前后两级之间以无通讯方式进行配合，通过不断调整中间直流母线的电压实现前级或者后级的电压变比接近1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，前级的光伏功率优化器是基于Boost拓扑的功率优化器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于由直流变换器和直流电网组成的后级而言，该无通讯母线调制方法具体包括以下步骤：

(3)V_dc为后级输出直流系统的幅值；后级电路判断V_ref(k)与V_dc+ΔV_dc大小关系，若满足V_ref(k)＜V_dc+ΔV_dc，则将直流母线电压参考值设为V_dc+ΔV_dc，即V_ref(k)＝V_dc+ΔV_dc；否则保持步骤(2)中的V_ref(k)；

(4)后级变换器将直流母线电压电压控制在V_ref(k)；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于由交流并网逆变器和交流电网组成的后级而言，该无通讯母线调制方法具体包括以下步骤：

(3)V_ac为后级输出交流电网电压的幅值；后级电路判断V_ref(k)与V_ac+ΔV_ac大小关系，若满足V_ref(k)＜V_ac+ΔV_ac，则将直流母线电压参考值设为V_ac+ΔV_ac，即V_ref(k)＝V_ac+ΔV_ac；否则保持步骤(2)中的V_ref(k)；

(4)后级变换器将直流母线电压电压控制在V_ref(k)；

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述Δt、ΔV_d、ΔV_u、ΔV_dc、ΔV_ac按下述方式进行确认：Δt＝5×τ，τ为后级变换器控制母线电压时的暂态时间常数；ΔV_d、ΔV_u分别是母线电压下调、上调步长，且ΔV_u＞ΔV_d，ΔV_u＝k₁×ΔV_d，k₁取值范围为1.5到2；ΔV_d＝k₂×V_dc，k₂取值范围为1/20至1/15；ΔV_dc＝(1-D_{bu_max})/D_{bu_max}×V_dc，其中D_{bu_max}为后级变换器实际工作最大占空比；其中V_dc是后级直流变换器输出侧直流电网电压幅值，V_ac是后级直流变换器输出侧交流电网电压幅值；ΔV_ac由后级逆变器的调制比上限和输出交流电压幅值决定。