CN111193286A - 一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于光伏发电控制技术领域，涉及一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法。在光伏直流升压汇集系统中，与光伏阵列对应的多个直流升压组合变换器输出端串联在一起，达到进一步升压的目的。由于光照不均匀，组合变换器存在过压或欠压问题，导致其不能正常运行或不能最大化功率输出。本申请通过优化串联组合变换器个数并计算组合变换器的最优输出电压，在最优输出电压越限时通过一次子模块投切控制一次性快速调控组合变换器输出电压调节裕度范围，在均匀与不均匀光照条件下均能使各组合变换器工作于最大功率输出模式，避免组合变换器因输出电压限幅造成光伏发电功率损失，有利于最大化光伏发电输出。

Description

一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法

技术领域

本申请涉及光伏发电控制技术领域，尤其涉及一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法。

背景技术

随着光伏电站规模越来越大，传统的交流汇集方式系统谐波谐振、无功传输问题日益突出，它不仅严重限制光伏电站的输送能力，还会影响光伏电站与电力系统的稳定运行。光伏直流升压汇集系统不存在交流升压汇集系统固有的功角稳定或谐波谐振等稳定性问题，且光伏发电单元本身输出的直流电经过直流升压汇集后再进行传输，无需中间的直流-交流变换环节，同样电压等级下输送能力更强，损耗更小，具有更加可观的经济效益。

大功率、大容量、高变比的直流升压变换器是光伏电站直流升压汇集的关键设备。该直流升压变换器一般为采用多个子模块进行串并联形成的组合变换器。通过串并联，降低了组合变换器中每个子模块承担的电流和电压，从而提高了组合变换器整体的功率及电压等级。多个光伏阵列通过多个组合变换器分别升压，之后再分别串联各个组合变换器的输出端，进一步提升输出电压，以满足高压大容量并网的需求，还可以避免单个组合变换器子模块个数过多导致难以控制及可靠性下降的问题。

然而上述这种结构在不均匀光照下会造成光伏阵列间功率失衡，导致组合变换器分压不均而超出正常工作范围，影响系统的稳定运行。当前主要的解决方法是将分压较高或较低的组合变换器的控制方式由最大功率跟踪模式变为输出电压限幅控制模式，将输出电压控制在工作范围之内。该方法的弊端是以牺牲光伏发电量输出为代价。由于实际中不均匀光照为常态，该方法的经济性较差。

因此，如何协调控制各组光伏阵列的组合变换器是一个亟需解决的关键问题。

发明内容

本申请提供了一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，以解决当前光伏直流升压汇集系统中存在的功率失衡、稳定性和经济性差的问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，包括以下步骤：

S1001，设每个直流升压组合变换器在额定工况运行时包含M个运行中的子模块,根据光伏阵列的最佳工作电压U_PV,Op以及子模块控制脉冲的占空比D,D_MIN≤D≤D_MAX，根据下式计算得到组合变换器额定运行时的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max：

式中，M为额定运行时每个组合变换器中运行的子模块的数量,n为子模块高频变压器变比，U_PV,Op为光伏阵列的最佳工作电压；

S1002，根据所并入直流电网的直流电压V_s,由下式确定额定运行时光伏直流升压汇集系统中输出端串联在一起的组合变换器最优数目N，使得每个组合变换器输出电压向上及向下均有相同的最大调节裕度：

N＝round(V_s/U_Avg)

式中，round()为四舍五入取整运算，V_s为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压，U_Avg为组合变换器的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max的算术平均值；

S1003，根据每组光伏阵列的光照、温度，查表得到该光伏阵列的最优输出功率P_j(j＝1,2…N)，按下式分别计算各组合变换器输出最优功率时的最优输出电压U_Op,j：

式中，Vs为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压；

S1004，计算各组合变换器当前最小临界输出电压U_dc,j,Min与最大临界输出电压U_dc,j,Max：

式中，x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，U_PV,j为第j个光伏阵列当前的工作电压；

S1005，判断U_Op,j是否满足U_dc,j,Min≤U_Op,j≤U_dc,j,Max(j＝1,2…N)：

如果满足，则各个组合变换器均正常工作并输出最优功率；

如果U_Op,j<U_dc,j,Min，此时切出组合变换器j中的k_-,j个子模块，k_-,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_-,j为第j个组合变换器切除的子模块个数，k_-,j<x_j≤M；

如果U_Op,j>U_dc,j,Max，此时为组合变换器j投入k_+,j个子模块，k_+,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_+,j为第j个组合变换器新投入的子模块个数，k_+,j≤k,k为组合变换器备用子模块个数。

可选的，所述子模块由输入滤波电容、升压电感、含反并联二极管的功率开关、变比为n的高频变压器T、整流二极管、输出滤波电容以及软开关支路组成。

可选的，所述子模块中包括4个含反并联二极管的功率开关以及4个整流二极管。

可选的，所述每组光伏阵列中的组合变换器的各子模块采用相同的占空比D,得出第j个组合变换器的理论输出电压U_dc，j：

式中，U_PV,j为第j个光伏阵列的工作电压，D为子模块功率开关管控制脉冲的占空比D，n为子模块高频变压器变比，x_j为组合变换器j中运行的子模块数量。

可选的，所述占空比D的取值为0.51≤D≤0.8。

可选的，根据步骤S1001和S1002，确定N值后，每间隔预设时间t，执行所述步骤S1003、所述步骤S1004以及所述步骤S1005一次。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请公开的一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，通过判断组合变换器的输出电压，不仅在均匀光照下能稳定地高效运行，即使在光照不均匀的条件下，通过切入切出组合变换器中的子模块，在满足最大输出功率的情况下，提供一个适应电压输出的电压调节裕度范围，从而保证各组合变换器依然工作于最大功率跟踪模式，避免组合变换器因输出电压限幅造成光伏发电功率损失，最大化光伏发电输出。本申请能实现以下两方面的效果：

(1)将组合变换器输出电压可调范围的中间值设定为组合变换器的正常工作电压，从而使得组合变换器输出电压向上及向下调节都具备相同的裕度，解决轻度光照不均条件下多个光伏阵列轻度功率失衡造成的组合变换器分压不均问题，同时保证组合变换器输出功率最大化；

(2)组合变换器在最大功率输出情况下的分压值超出其输出电压调节范围时，额外投入该组合变换器的备用子模块或切出该组合变换器运行中的子模块，从而改变组合变换器的输出电压调节范围以匹配该分压值，解决光伏阵列间严重功率失衡导致的组合变换器承担输出电压超出实际可调范围而不能正常运行的问题，同时保证组合变换器输出功率最大化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的应用场景结构示意图；

图2为本申请的实施例的流程图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为本申请的应用场景结构示意图；结合图2，为本申请的实施例的流程图，便于理解下述实施例的技术方案的实质。

本申请提供的一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，包括以下步骤：

S1001，设每个直流升压组合变换器在额定工况运行时包含M个运行中的子模块,根据光伏阵列的最佳工作电压U_PV,Op以及子模块控制脉冲的占空比D,D_MIN≤D≤D_MAX，根据下式计算得到组合变换器额定运行时的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max：

式中，M为额定运行时每个组合变换器中运行的子模块的数量,n为子模块高频变压器变比，U_PV,Op为光伏阵列的最佳工作电压；

S1002，根据所并入直流电网的直流电压V_s,由下式确定额定运行时光伏直流升压汇集系统中输出端串联在一起的组合变换器最优数目N，使得每个组合变换器输出电压向上及向下均有相同的最大调节裕度：

N＝round(V_s/U_Avg)

式中，round()为四舍五入取整运算，V_s为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压，U_Avg为组合变换器的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max的算术平均值；

S1003，根据每组光伏阵列的光照、温度，查表得到该光伏阵列的最优输出功率P_j(j＝1,2…N)，按下式分别计算各组合变换器输出最优功率时的最优输出电压U_Op,j：

式中，Vs为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压；

S1004，计算各组合变换器当前最小临界输出电压U_dc,j,Min与最大临界输出电压U_dc,j,Max：

式中，x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，U_PV,j为第j个光伏阵列当前的工作电压；

S1005，判断U_Op,j是否满足U_dc,j,Min≤U_Op,j≤U_dc,j,Max(j＝1,2…N)：

如果满足，则各个组合变换器均正常工作并输出最优功率；

如果U_Op,j<U_dc,j,Min，此时切出组合变换器j中的k_-,j个子模块，k_-,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_-,j为第j个组合变换器切除的子模块个数，k_-,j<x_j≤M；

如果U_Op,j>U_dc,j,Max，此时为组合变换器j投入k_+,j个子模块，k_+,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_+,j为第j个组合变换器新投入的子模块个数，k_+,j≤k,k为组合变换器备用子模块个数。

本实施例中，涉及的领域内专业词汇如光伏阵列、组合变换器以及子模块等均为本领域技术人员所熟知的技术性词汇，不应被曲解为不满足本申请技术方案的其它解释和含义。其中，光伏阵列为接收光照产生电能并通过组合变换器以某一电功率及电压值进行输出的一系列组合；组合变换器通过接收光伏阵列中太阳能电池板产生的电能，通过内部结构的调节，使电能按照预设参数条件输出，其中，参数条件包括电功率和电压；组合变换器一般为采用多个子模块进行串并联形成的组合变换器，通过串并联，降低了组合变换器中每个子模块承担的电流和电压，从而提高了组合变换器整体的功率及电压等级。

参见图1，示例性的，给出一个子模块的结构：子模块由输入滤波电容Ci、升压电感Lboost、4个含反并联二极管的功率开关(S1、S2、S3、S4)、变比为n的高频变压器T、4个整流二极管(D1、D2、D3、D4)、输出滤波电容Co以及Sc-Cc软开关支路组成。通过控制组合变换器中子模块S1～S4的导通和关断时序，可以在子模块高频变压器T的原边得到交流方波电压，在高频变压器T的副边可以得到n倍于原边电压幅值的方波电压，最后整流二极管和滤波电容获得升压后的直流电压。在正常工作时，功率开关管(S1、S2、S3、S4)的脉宽驱动占空比D满足0.5＜D＜1，从而实现升压功能。M个子模块的输出电压进行串联，进一步升高电压。

在不均匀光照下会造成光伏阵列间功率失衡，导致组合变换器分压不均而超出正常工作范围，影响系统的稳定运行。当前主要的解决方法是将分压较高的组合变换器的工作模式由最大功率跟踪模式变为输出电压限幅控制模式，减少该组合变换器捕获的太阳能功率，从而降低其输出电压。该方法的弊端是以牺牲光伏发电量输出为代价。由于实际中不均匀光照为常态，该方法的经济性较差。

本实施例基于上述弊端进行改进，通过判断组合变换器的输出电压，不仅在均匀光照下能稳定地高效运行，即使在光照不均匀的条件下，通过切入切出组合变换器中的子模块，在满足最大输出功率的情况下，提供一个适应电压输出的电压调节裕度范围，从而保证各组合变换器依然工作于最大功率跟踪模式，避免组合变换器因输出电压限幅造成光伏发电功率损失，最大化光伏发电输出。

在本实施例中，如果存在U_Op,j<U_dc,j,Min，在减少组合变换器子模块个数时可以确保剩余子模块构成的组合变换器分压不超过最大临界输出电压，证明如下：

假设第j个组合变换器减少i-1个子模块时仍不满足大于最小临界输出电压的要求，但切出子模块的个数增至第i个时满足要求，即U_Op,j满足：

切出i个子模块后，可知组合变换器此时的输出电压满足：

由上述两个不等式的右边相减可得：

结合上述不等式可知下式恒成立：

由上式可知，切出i个子模块后，组合变换器j的输出电压可以重新满足电压裕度调节范围。

同理可证明，如果U_Op,j＞U_dc，j,Max，重复切入e个子模块，U_Op,j将会重新满足电压裕度调节范围：

本实施例中，通过给定光伏直流升压汇集系统并入高压侧的直流电压Vs，再获取每组光伏阵列的电压裕度调节范围的中间值，计算光伏阵列的组数N，有利于合理分配并入高压直流电网的光伏阵列的组数，从而保障电压和电功率的输出。

可选的，所述子模块由输入滤波电容、升压电感、含反并联二极管的功率开关、变比为n的高频变压器T、整流二极管、输出滤波电容以及软开关支路组成。

本实施例中，子模块采用了本领域内熟知的各种电气元件，在满足电能接入和输出的功能需求下，进一步优化了结构降低了经济成本。

可选的，所述子模块中包括4个含反并联二极管的功率开关以及4个整流二极管。

本实施例是对上述实施例中子模块具体电气元件的进一步限定，采用4个含反并联二极管的功率开关以及4个整流二极管在满足电压和电功率输出功能的条件下，结构进一步简化。

可选的，所述每组光伏阵列中的组合变换器的各子模块采用相同的占空比D,得出第j个组合变换器的理论输出电压U_dc，j：

式中，U_PV,j为第j个光伏阵列的工作电压，D为子模块功率开关管控制脉冲的占空比D，n为子模块高频变压器变比，x_j为组合变换器j中运行的子模块数量。

本实施例中，为了便于协调控制，将每组光伏阵列的子模块设置相同的占空比，有利于简化操作流程，大大降低了光伏发电的难度和强度。

可选的，所述占空比D的取值为0.51≤D≤0.8。

本实施例中，通过将占空比的取值设定为0.51≤D≤0.8，进一步优化电压调节裕度范围，在实际生产中，占空比过高或过低都不利于发电的可靠性和稳定性，同时也对设备本身造成更大程度的损耗。本实施例设定的占空比，既能满足本申请的协调控制需求，同时有利于增加发电过程的稳定性和可靠性，对设备本身也是一种保护。

可选的，根据步骤S1001和S1002，确定N值后，每间隔预设时间t，执行所述步骤S1003、所述步骤S1004以及所述步骤S1005一次。

本实施例中，通过每间隔预设时间t，重复执行所述步骤S1003、所述步骤S1004以及所述步骤S1005一次，能实现本申请的动态自动调节，从而使本申请所实施的对象光伏直流升压汇集系统能够持续地稳定运行。一般而言，当光照不均时，执行完所有步骤后，会出现各组光伏阵列里组合变换器包含的子模块数量不等的情形，但基于本申请的技术构思，及时数量不等，也可以进行每组光伏阵列中子模块的协调控制，而这种情形也比较符合实际生产的状况。基于本实施例，本申请示出了一种当各组光伏阵列中子模块数量不尽相同的情况下，使用本申请的技术方案，同样也能实现满足最大功率输出的每组光伏阵列均处于电压裕度范围内。

本申请公开的一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，通过判断组合变化器的输出电压，不仅在均匀光照下能稳定地高效运行，即使在光照不均匀的条件下，通过切入切出组合变换器中的子模块，在满足最大输出功率的情况下，提供一个适应电压输出的电压调节裕度范围，从而保证各组合变换器依然工作于最大功率跟踪模式，避免组合变换器因输出电压限幅造成光伏发电功率损失，最大化光伏发电输出。

本申请能实现以下两方面的效果：

(1)将组合变换器输出电压可调范围的中间值设定为组合变换器的正常工作电压，从而使得组合变换器输出电压向上及向下调节都具备相同的裕度，解决轻度光照不均条件下多个光伏阵列轻度功率失衡造成的组合变换器分压不均问题，同时保证组合变换器输出功率最大化；

(2)组合变换器在最大功率输出情况下的分压值超出其输出电压调节范围时，额外投入该组合变换器的备用子模块或切出该组合变换器运行中的子模块，从而改变组合变换器的输出电压调节范围以匹配该分压值，解决光伏阵列间严重功率失衡导致的组合变换器承担输出电压超出实际可调范围而不能正常运行的问题，同时保证组合变换器输出功率最大化。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1001，设每个直流升压组合变换器在额定工况运行时包含M个运行中的子模块,根据光伏阵列的最佳工作电压U_PV,Op以及子模块控制脉冲的占空比D,D_MIN≤D≤D_MAX，根据下式计算得到组合变换器额定运行时的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max：

式中，M为额定运行时每个组合变换器中运行的子模块的数量,n为子模块高频变压器变比，U_PV,Op为光伏阵列的最佳工作电压；

S1002，根据所并入直流电网的直流电压V_s,由下式确定额定运行时光伏直流升压汇集系统中输出端串联在一起的组合变换器最优数目N，使得每个组合变换器输出电压向上及向下均有相同的最大调节裕度：

N＝round(V_s/U_Avg)

式中，round()为四舍五入取整运算，V_s为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压，U_Avg为组合变换器的最小临界输出电压U_Min与最大临界输出电压U_Max的算术平均值；

S1003，根据每组光伏阵列的光照、温度，查表得到该光伏阵列的最优输出功率P_j(j＝1,2…N)，按下式分别计算各组合变换器输出最优功率时的最优输出电压U_Op,j：

式中，Vs为光伏直流升压汇集系统所并入直流电网的电压；

S1004，计算各组合变换器当前最小临界输出电压U_dc,j,Min与最大临界输出电压U_dc,j,Max：

式中，x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，U_PV,j为第j个光伏阵列当前的工作电压；

S1005，判断U_Op,j是否满足U_dc,j,Min≤U_Op,j≤U_dc,j,Max (j＝1,2…N)：

如果满足，则各个组合变换器均正常工作并输出最优功率；

如果U_Op,j<U_dc,j,Min，此时切出组合变换器j中的k_-,j个子模块，k_-,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_-,j为第j个组合变换器切除的子模块个数，k_-,j<x_j≤M；

如果U_Op,j>U_dc,j,Max，此时为组合变换器j投入k_+,j个子模块，k_+,j由下式计算得到：

式中x_j为第j个组合变换器当前运行中的子模块个数，ceil()为向上取整运算,k_+,j为第j个组合变换器新投入的子模块个数，k_+,j≤k,k为组合变换器备用子模块个数。

2.根据权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，所述子模块由输入滤波电容、升压电感、含反并联二极管的功率开关、变比为n的高频变压器T、整流二极管、输出滤波电容以及软开关支路组成。

3.根据权利要求2所述的光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，所述子模块中包括4个含反并联二极管的功率开关以及4个整流二极管。

4.根据权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，所述每组光伏阵列中的组合变换器的各子模块采用相同的占空比D,得出第j个组合变换器的理论输出电压U_dc，j：

式中，U_PV,j为第j个光伏阵列的工作电压，D为子模块功率开关管控制脉冲的占空比D，n为子模块高频变压器变比，x_j为组合变换器j中运行的子模块数量。

5.根据权利要求4所述的光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，所述占空比D的取值为0.51≤D≤0.8。

6.根据权利要求1所述的光伏直流升压汇集系统中组合变换器的协调控制方法，其特征在于，根据步骤S1001和S1002，确定N值后，每间隔预设时间t，执行所述步骤S1003、所述步骤S1004以及所述步骤S1005一次。

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