CN112311003A

CN112311003A - 光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法

Info

Publication number: CN112311003A
Application number: CN202011044339.3A
Authority: CN
Inventors: 黄欣科; 王环; 王一波; 许洪华
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明属于直流变换器控制领域，具体涉及了一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，旨在解决现有技术无法实现光伏串联升压并网系统直流变换器的模式平滑切换的问题。本发明包括：各光伏直流变换器实时检测输入电压、电流和输出电压：若输出电压低于设定的限电压控制上限，变换器运行在最大功率跟踪控制模式；若输出电压达到设定的限电压控制上限，变换器偏离最大功率点进入限电压控制模式；若输出电压降低到设定的限电压控制下限，变换器退出限电压控制模式进入最大功率跟踪控制模式。本发明的控制方法可以实现光伏直流变换器运行模式的平滑切换，减小暂态冲击，提高光伏直流变换器串联升压并网系统的稳定性和可靠性。

Description

光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法

技术领域

本发明属于直流变换器控制领域，具体涉及了一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法。

背景技术

大型光伏发电基地是光伏规模化利用的重要发展方向，国际上已建成印度古吉拉特、美国羚羊峡谷光伏电站等一批百万千瓦级大型光伏发电基地；EUMENA计划提出到2050年在环地中海地区建设33.3亿千瓦光伏发电基地，解决欧洲国家33％以上的电力需求。我国是大型光伏电站装机规模最大的国家，建成了青海格尔木、甘肃敦煌、新疆哈密等百万千瓦以上光伏发电基地，并且规划2020年光伏电站装机容量达到250吉瓦。针对大型光伏发电基地在数十平方公里范围内的高效率、低成本电力汇集接入问题，光伏直流升压汇集接入技术把光伏阵列输出的低压直流电直接升压到中压直流实现电力汇集和接入电网。与交流系统相比，直流系统可避免系统容抗和感抗影响，解决无功补偿、谐波谐振等技术问题；通过整体替代“逆变器-箱变-主变-无功补偿装置”的交流升压汇集接入系统，大大减少中间转换环节及其电力线缆用量，降低系统接入成本、提高系统整体效率，是大型光伏发电基地汇集接入技术的未来发展方向。特别是光伏直流串联系统效率比集中交流系统可提高约2％～3％，光伏直流串联结构是未来光伏发电基地的重要发展方向之一，特别是针对边远弱电网地区，光伏直流串联系统结合中高压柔性直流系统可以实现大规模光伏基地电能远距离传输外送。

国际上，光伏直流升压汇集接入技术刚刚兴起，研发了光伏直流升压变流器原理样机，系统方案尚在理论研究阶段；在光伏直流升压汇集接入技术方向上，国内外均处在起跑阶段，我国占据了技术先发优势。

大规模光伏电站经中高压直流进行电能汇集，给大容量电力电子设备带来了一系列新的技术挑战。目前国内外对光伏中高压直流串联型升压汇集系统研究还处于起步阶段，对光伏直流串联型升压汇集系统的运行特性和控制策略的研究成果不多。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现光伏串联升压并网系统直流变换器的模式平滑切换的问题，本发明提供了一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，应用于光伏串联升压并网系统，所述光伏串联升压并网系统包括N组光伏阵列，与N组光伏阵列一一连接的N台光伏直流变换器以及与N台光伏直流变换器一一连接的用于控制所述光伏直流变换器的N台控制器，该控制方法包括：

启动光伏直流串联升压并网系统，所述光伏直流变换器实时检测输入电压V_pv、输入电流I_pv以及输出电压V_{o_i}，设定光伏直流变换器输出电压上限值V_upper及下限值V_lower，判断并执行：

若V_{o_i}＜V_upper，则基于所述光伏直流变换器实时检测输入电压V_pv、输入电流I_pv，每台光伏直流变换器对应的控制器通过最大功率跟踪控制算法给出每台光伏直流变换器连接的光伏阵列的最大功率点对应的光伏阵列电压，经过输入电压闭环控制、输出电流闭环控制以及输出电压前馈控制方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，光伏直流变换器运行在最大功率跟踪控制模式；

若V_{o_i}≥V_upper，则通过控制器中的限电压控制器给出光伏输出电压参考值，经过输入电压闭环控制、输出电流闭环控制以及输出电压前馈方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，光伏直流变换器运行模式由最大功率跟踪模式快速平滑切换至限电压控制模式；

若V_{o_i}≤V_lower，则基于所述光伏直流变换器实时检测输入电压V_pv、输入电流I_pv，每台光伏直流变换器对应的控制器通过最大功率跟踪控制算法给出光伏最大功率点的光伏电压参考值，经过输入电压闭环控制、输出电流闭环控制以及输出电压前馈控制方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，光伏直流变换器运行模式由限电压控制模式快速平滑切换至最大功率跟踪模式。

在一些优选的实施例中，所述光伏直流变换器输出电压上限值V_upper设定如下：

V_upper＝(1+α)·V_{o_i}

其中，α为光伏直流串联系统中光伏直流变换器设定的输出限电压控制滞环上限系数，V_{o_i}为光伏直流串联系统中第i台光伏直流变换器的输出电压。

在一些优选的实施例中，所述光伏直流变换器输出电压下限值V_lower设定如下：

V_lower＝(1-β)·V_{o_i}

其中，β为光伏直流串联系统中光伏直流变换器设定的输出限电压控制滞环下限系数，V_{o_i}为光伏直流串联系统中第i台光伏直流变换器的输出电压。

本发明的另一方面，提出了一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制系统，该控制系统包括实时监控模块、变换器输出电压上限与下限设定模块和模式选择与切换模块；

所述实时监控模块，配置为实时检测光伏直流变换器输入电压V_pv、输入电流I_pv以及输出电压V_{o_i}；

所述变换器输出电压上限与下限设定模块，配置为设定光伏直流变换器输出电压上限值V_upper及下限值V_lower；

所述模式选择与切换模块，配置为判断并执行：

本发明的有益效果：

本发明光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，解决了由于串联系统中各台光伏直流变换器功率失配导致的光伏直流变换器运行模式切换造成的暂态冲击问题，将输出限电压控制环路与输入电压控制环路统一为输入电压控制，可以有效实现光伏直流变换器运行模式的快速平滑切换，减小暂态冲击，提高光伏直流变换器串联升压并网系统的稳定性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法的光伏串联升压并网系统拓扑图；

图2是本发明光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法的模式变换逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，解决了由于光伏直流串联系统中各台光伏直流变换器功率失配导致的光伏直流变换器运行模式切换造成的暂态电压电流冲击问题，本发明控制方法可以有效实现光伏直流变换器运行模式的平滑切换，减小暂态冲击，提高光伏直流变换器串联升压并网系统的稳定性和可靠性，为光伏直流变换器串联升压并网系统的实证应用和推广提供技术支撑，具有重要的理论研究意义和工程实用价值。

本发明的一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，应用于光伏串联升压并网系统，所述光伏串联升压并网系统包括N组光伏阵列，与N组光伏阵列一一连接的N台光伏直流变换器以及与N台光伏直流变换器一一连接的用于控制所述光伏直流变换器的N台控制器，该控制方法包括：

为了更清晰地对本发明光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法进行说明，下面结合图1和图2对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，各步骤详细描述如下：

如图1所示，为光伏串联升压并网系统拓扑图，101为光伏阵列，一共有N组；102为光伏直流变流器，一共有N台，分别是第一光伏直流变换器102-1，第二光伏直流变换器102-2，第三光伏直流变换器102-3，……，第N光伏直流变换器102-N；103为N台光伏直流变换器对应的控制器，分别是第一控制器103-1，第二控制器103-2，第三控制器103-3，……，第N控制器103-N；104为高压直流线缆，分为正极电缆和负极电缆；105为直流电网或DC/AC+交流电网。N组光伏阵列101分别与N台光伏直流变换器102输入端串联连接，N台光伏直流变换器102的输出端依次串联，N台控制器分别与N台光伏直流变换器相连，这样就组成一套光伏直流变换器串联升压并网系统，通过高压直流线缆103接入直流电网或DC/AC+交流电网104，实现光伏电能的直流升压、汇集、并网送出。

如图2所示，为本发明光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法的模式变换逻辑示意图，201是最大功率跟踪(MPPT)控制器，202是限输出电压控制器，203是运行模式选择判断与光伏输出参考电压选择器，204是输入电压闭环控制器，205是输出电流闭环控制器，206是输出电压前馈控制器，207是PWM发生器，其中，V_pv是光伏阵列输出电压，亦即光伏直流变换器的输入电压，I_pv是光伏输出电流，亦即光伏直流变换器的输入电流，V_mppt-pv-ref是MPPT控制算法输出的光伏直流参考电压，V_{o_i}是光伏串联升压并网系统中第i台光伏直流变换器的输出电压，V_upper是限输出电压控制电压的上限值，V_{o_e}是限输出电压控制的电压误差信号，V_upper-pv-ref是限输出电压控制模式下给定的光伏阵列参考电压，V_lower是光伏直流变换器由限输出电压控制模式切换至最大功率跟踪运行模式时的阈值，V_pv-ref是光伏直流变换器最终采用的输入电压参考值，V_pv-e是光伏实际电压与参考电压的误差值，I^* _out是由输入电压控制器给出的输出电流闭环控制参考值，I_out是光伏直流变换器实际输出电流值，I_{out_e}是输出电流参考值与输出电流实际值之间的误差值，d₀是由输出电流闭环控制给出的初始调制信号，d是加入输出电压前馈控制时的最终调制信号。

光伏直流串联升压并网系统正常启动后，各台光伏直流变换器实时检测其输入电压V_pv和输入电流I_pv，并实时检测其输出电压V_{o_i}，设定光伏直流变换器输出电压上限值V_upper及下限值V_lower，如式(1)和式(2)所示：

V_upper＝(1+α)·V_{o_i} (1)

V_lower＝(1-β)·V_{o_i} (2)

其中，α为光伏直流串联系统中光伏直流变换器设定的输出限电压控制滞环上限系数，β为光伏直流串联系统中光伏直流变换器设定的输出限电压控制滞环下限系数，V_{o_i}为光伏直流串联系统中第i台光伏直流变换器的输出电压。

进行输出电压V_{o_i}与设定的光伏直流变换器输出电压上限值V_upper及下限值V_lower的比较，根据比较结果执行以下对应的控制策略：

①当检测并判断光伏直流串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足V_{o_i}＜V_upper时，光伏直流变换器的输出电压处于设定的输出电压上下限范围内，基于各台光伏直流变换器实时检测的其输入电压V_pv和输入电流I_pv，每台光伏直流变换器对应的控制器通过最大功率跟踪控制算法给出每台光伏直流变换器连接的光伏阵列的最大功率点对应的光伏阵列电压，经过输入电压闭环控制和输出电压闭环控制，以及采用输出电压前馈方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，光伏直流变换器进行最大功率跟踪控制，运行在最大功率跟踪控制模式。

本发明一个实施例中，选择扰动观察法作为最大功率跟踪控制算法，在其他实施例中，还可以根据需要选择其他的方法作为最大功率跟踪控制算法，例如电导增量法等，本发明在此不一一详述。

②当检测并判断光伏直流串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压满足V_{o_i}≥V_upper时，光伏直流变换器输出电压达到设定的输出电压上限值，光伏直流变换器需要退出最大功率跟踪控制模式，进入输出限电压控制模式，即光伏直流变换器偏离最大功率点进入限功率运行。此过程光伏直流变换器根据采集的实际输出电压与给定的输出电压上限值V_upper比较，通过控制器中的限电压控制器给出光伏输出电压参考值，经过输入电压闭环控制和输出电流闭环控制，以及采用输出电压前馈方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，实现光伏直流变换器运行模式由最大功率跟踪模块快速平滑切换至限电压控制模式；

③光伏直流串联升压并网系统中光伏直流变换器进入限输出电压控制模式后，当检测并判断光伏直流串联升压并网系统中光伏直流变换器的输出电压V_{o_i}≤V_lower时，光伏直流变换器的输出电压达到设定的输出限电压下限值，光伏直流变换器退出限电压控制模式，进入最大功率跟踪控制模式。此过程中，基于光伏直流变换器实时检测的其输入电压V_pv和输入电流I_pv，每台光伏直流变换器对应的控制器根据采用的最大功率跟踪控制算法，给出光伏最大功率点光伏电压参考值，经过输入电压闭环控制和输出电流闭环控制，以及采用输出电压前馈方式，然后经过PWM发生器最终产生驱动信号，光伏直流变换器由限电压控制模式平滑切换至最大功率跟踪控制模式。

在直流变换器由最大功率跟踪控制模式切换到限电压控制模式，或直流变换器由限电压控制模式切换到最大功率跟踪控制模式，由于涉及到控制环路的切换，所以会造成一定的电压电流冲击。本发明串联系统中各台光伏直流变换器实时检测输入电压和输入电流，并实时检测直流变换器输出电压，当直流变换器输出电压在设定的输出电压上限范围内时，直流变换器进行最大功率跟踪控制，运行在最大功率跟踪控制模式；当光伏直流变换器检测并判断其输出电压达到设定的输出电压上限值时，光伏直流变换器需要退出最大功率跟踪控制模式，进入输出限电压控制模式，即光伏直流变换器偏离最大功率点进入限功率运行；当光伏直流变换器检测到其输出电压降低到设定的限电压控制下限值时，光伏直流变换器退出限电压控制模式，并进入最大功率跟踪控制模式。

本发明第二实施例的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制系统，该控制系统包括实时监控模块、变换器输出电压上限与下限设定模块和模式选择与切换模块；

所述模式选择与切换模块，配置为判断并执行：

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法。

本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，应用于光伏串联升压并网系统，所述光伏串联升压并网系统包括N组光伏阵列，与N组光伏阵列一一连接的N台光伏直流变换器以及与N台光伏直流变换器一一连接的用于控制所述光伏直流变换器的N台控制器，其特征在于，该控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，其特征在于，所述光伏直流变换器输出电压上限值V_upper设定如下：

V_upper＝(1+α)·V_{o_i}

3.根据权利要求1所述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法，其特征在于，所述光伏直流变换器输出电压下限值V_lower设定如下：

V_lower＝(1-β)·V_{o_i}

4.一种光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制系统，其特征在于，该控制系统包括实时监控模块、变换器输出电压上限与下限设定模块和模式选择与切换模块；

所述模式选择与切换模块，配置为判断并执行：

5.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-3任一项所述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法。

6.一种处理装置，包括

处理器，适于执行各条程序；以及

存储装置，适于存储多条程序；

其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现：

权利要求1-3任一项所述的光伏串联升压并网系统直流变换器模式平滑切换控制方法。