CN114142526B - 一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，涉及光伏并网发电技术领域。本发明的光伏发电系统通过在第一变换级进行独立地跟踪最大功率点及自适应地设置占空比，同时在第二变换级电力获取于由诸多第一变换级所构成的串联线路，并以各第一变换级占空比数据优化为目的地调节其输入电压，进而解决多级光伏发电系统的能量解耦问题，实现在面临复杂环境情况依然能实现各第一变换级均能运行在占空比接近1的高转换效率范围内，同时第一变换级的占空比设置方式是自适应、灵活且稳定，并具有能下降失配、提高发电量的独立MPPT功能，最终实现光伏发电系统在发电效率、建造成本控制、安全稳定性和智能化层面上获得提高。
Description
技术领域
本发明涉及光伏并网发电技术领域，具体为一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统。
背景技术
现有的光伏发电系统会在光伏组件这一级别上配置光伏功率优化器。光伏功率优化器获取光伏组件的直流电力，在经过功率变换处理，实现快速组件级别的最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）功能。光伏功率优化器可以是BUCK型、BOOST型或BUCK-BOOST型变换拓扑结构。一般经过直流功率变换的多个优化器，在串联升压后将通过直流母线侧连接于光伏逆变器，并在逆变器中再次变换处理为能接入电网的交流电。
由于优化器对光伏组件进行了能量控制，而逆变器对串联的优化器也进行了能量控制，两变换级间的控制存在着能量关系。因此，需要通过调节直流母线侧的电压，实现两变换级的能量解耦，使得任何一个输入的能量主要控制对应的一个输出的能量，而对其它输出能量的影响尽可能小。
目前光伏逆变器的可变直流母线电压控制策略，是采用集中式逆变器并且逆变器仍然保留MPPT功能，同时由BUCK型结构的各功率优化器进行MPPT工作。该策略的直流母线电压调节能跟踪多串优化器串联线路的最大功率点，但优化器的串联线路已运行于最大功率，因此实际直流母线电压调节后对串联线路输出功率几乎没有影响，直流母线电压的调整仅是作随机变化。同时，当部分光伏组件出现遮挡情况，被遮挡部分的优化器将进行输出降压升流，而未被遮挡部分的优化器将相应地进行升压降流，以满足串联线路电流一致性。被遮挡部分的优化器将运行在数值较低的占空比范围，从而影响系统的工作效率。
因此，在结合了光伏功率优化器的光伏发电系统中，需要改进的光伏逆变器母线电压可变控制策略，来解决上述现有技术的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明在主要的方面提供了一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，以及相匹配的一种控制方法，可利用直流母线电压的可变控制策略，在成本低的系统结构中，解决现有控制策略使优化器的占空比运行在低效率范围的问题。
基于与上述光伏发电系统相同的发明构思，本发明在次要的方面还相应地提供了应用于上述光伏发电系统的一种光伏逆变器，可实现利用直流母线电压可变调节功能而优化发电效率；以及还相应地提供了应用于上述光伏发电系统的一种组件功率优化器，可自适应地运行在高效稳定的占空比范围控制下。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
在第一方面，本发明提供了一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，包括第一变换级和第二变换级，所述第一变换级用于对输入电力以最大功率点跟踪为目的地进行功率变换，诸多所述第一变换级的输出端相连接形成串联线路，所述第二变换级用于对串联线路的输出电力进行功率变换；各所述第一变换级分别独立地设有第一控制模块，所述第一控制模块根据所对应的第一变换级的输入电压，以及根据串联线路配置于所对应的第一变换级的输出电压，自适应地设置第一变换级的运行占空比；所述第二变换级设有第二控制模块，所述第二控制模块用于可变化地设置第二变换级的输入电压，以使第一控制模块的占空比数据满足占空比优化要求。
上述光伏发电系统方案优选有，所述的第一控制模块的占空比数据满足占空比优化要求包括：所述第二控制模块预设有第一变换级的占空比优化参考范围，所述第二控制模块将获取的第一控制模块占空比数据进行数值处理得到占空比参考量，并且第二控制模块根据占空比参考量是否超出优化参考范围而相应地设置第二变换级的输入电压。
上述光伏发电系统方案优选有，所述的第二控制模块根据占空比参考量是否超出优化参考范围而相应地设置第二变换级的输入电压包括：若占空比参考量超出优化参考范围，所述第二控制模块以升高或下降预设幅值调节第二变换级的输入电压，以使占空比参数重新满足预设占空比优化范围；若占空比参考量不超出优化参考范围，所述第二控制模块维持当前第二变换级的输入电压。
上述光伏发电系统方案优选有，所述的第一控制模块的占空比数据满足占空比优化要求包括：所述第二控制模块用于将获取的第一控制模块占空比数据进行排序处理，并选取预设比例的排名靠前的占空比数据作为占空比采样集；并且为使占空比采样集满足占空比优化要求为目的地设置第二变换级的输入电压。
上述光伏发电系统方案优选有，所述的第一控制模块的占空比数据满足占空比优化要求包括：所述第二控制模块用于将获取的第一控制模块占空比数据进行均值处理得到占空比参考量，并且以占空比参考量靠近于优化参考范围为目的地设置第二变换级的输入电压。
上述光伏发电系统方案优选有，所述第二变换级预设有电压阈值范围；所述的第二控制模块用于可变化地设置第二变换级的输入电压包括：所述的第二控制模块用于在电压阈值范围以内可变化地设置第二变换级的输入电压。
上述光伏发电系统方案优选有，所述第一变换级为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，所述第一控制模块用于生成可控制第一变换级的脉冲宽度调制信号，并且根据所跟踪的第一变换级最大功率点输入电压和根据串联线路配置于第一变换级的输出电压而自适应地设置脉冲宽度信号的占空比；所述第二变换级为DC-AC逆变电路，所述第二控制模块用于以双闭环方式在输入电压额定调节范围内以满足电网要求为目的地进行逆变转换；所述第二变换级以通讯的方式获取所述第一变换级的占空比数据。
在第二方面，本发明提供了应用于上述光伏发电系统的一种控制方法，该控制方法应用于包含第一变换级和第二变换级的光伏发电系统，所述第一变换级用于从光伏电池单元获取输入电力进行功率变换，诸多所述第一变换级的输出端相连接形成串联线路，所述第二变换级用于对串联线路的输出电力进行功率变换；该控制方法包括：在各第一变换级中均有：根据该第一变换级输入端所跟踪的最大功率点跟踪的电压参量，以及串联线路配置于该第一变换级的输出电压，自适应地设置第一变换级的运行占空比；在第二变换级中有：获取第一变换级的运行占空比数据，为实现占空比数据满足占空比优化要求，而可变化地设置第二变换级的输入电压。
在第三方面，本发明提供了应用于上述光伏发电系统的一种光伏逆变器，该光伏逆变器包括第二变换级和第二控制模块；所述第二变换级为DC-AC转换拓扑结构，所述第二变换级设有用于从诸多第一变换级所构成的串联线路中获取电力的直流母线侧，以及用于连接电网的交流并网侧，以对串联线路输出电力进行逆变变换；所述第二控制模块用于以双闭环方式控制第二变换级以满足电网要求为目的地进行逆变转换，以及用于为使第一控制模块的占空比数据满足占空比优化要求而可变化地设置第二变换级直流母线侧的电压参量。
在第四方面，本发明提供了应用于上述光伏发电系统的一种组件功率优化器，该优化器包括第一变换级和第一控制模块，所述第一变换级为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，其设有用于连接光伏电池单元的输入端，以及用于连接至串联线路的输出端，以对光伏电池单元的输出电力进行功率变换；所述第一控制模块用于生成可控制第一变换级的脉冲宽度调制信号，并且根据所跟踪的第一变换级最大功率点输入电压和根据第一变换级输出电压而自适应地设置脉冲宽度信号的占空比；所述第一控制模块发送占空比信息，以使占空比信息因串联线路配置于第一变换级输出电压变化而优化。
本发明技术方案的特点在于：第一控制模块能跟踪第一变换级最大功率点，以及能适应于第一变换级输出电压地设置占空比；并且，第二控制模块能获取的各第一变换级的占空比数据，以占空比数据满足占空比优化要求为目的地调节第二变换级的输入电压，使得串联线路的输出电压变化，继而分配到内部每个第一变换级的输出电压随之变化，实现第一变换级的占空比得到优化设置（如设置在接近1的高转换效率范围），从而提高光伏发电系统的效率和稳定性。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：本发明中仅保留了第一变换级的MPPT功能，能避免光伏发电系统多级MPPT跟踪而导致的控制紊乱，实现能量解耦。不仅如此，本发明还利用了第二变换级的输入电压调节功能，为了令各第一变换级占空比的实时数据满足优化要求而相应地调节输入电压，在受环境影响而导致光伏组件的参量复杂变化情况下，实现各第一变换级均能运行在占空比接近1的高转换效率范围内；同时，单个第一变换级的实际占空比，是按照本地电参数情况确定的，而不是被设定为统一参量，具有自适应、灵活和稳定的特点，并且具备MPPT功能，可解决串联光伏组件的电压失配问题，继而提高光伏发电量，并且第二变换级仅通过母线电压调节而改变串联电路的输出电压，并影响第一变换级的输出电压来实现占空比优化，最终实现光伏发电系统在发电效率、建造成本控制、安全稳定性和智能化层面上获得提高。
进一步有益效果有：光伏发电系统可以采用低成本的无线通讯方式收集分散的第一变换级的工作信息数据，在成本可控的基础上实现系统智能化；第一变换级可使用成本更低的BUCK降压拓扑结构的光伏功率优化器，不仅能够在各种极端情况下能良好地完成电力转换工作，而且还能够使逆变器的输入电压调节容易维持在额定阈值范围内，实现高效率、低成本、稳定性好和智能化的电压控制。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的光伏发电系统电路结构示意图。
图2为本发明实施例的应用于光伏发电系统的光伏逆变器的电路及控制结构示意图。
图3为本发明实施例的应用于光伏发电系统的组件功率优化器的电路及控制结构示意图。
图4为本发明实施例的应用于光伏发电系统的控制方法的流程示意图。
图5为本发明实施例的组件功率优化器的控制方法的流程示意图。
图6为本发明实施例的光伏逆变器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不作为限制本发明的范围。
如图1所示，根据本发明第一方面的实施例，是一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统。该串联变换级电压优化控制的光伏发电系统包含有根据本发明第三方面的实施例的一种光伏逆变器，以及包含有根据本发明第四方面的实施例的一种组件功率优化器。上述的组件功率优化器包括第一变换级11与第一控制模块12，并可简称为优化器10。上述的一种光伏逆变器包括第二变换级31和第二控制模块32，并可简称为逆变器30。
在优化器10中具体地，第一变换级11是直流-直流变换电路，为实现对输入电力以最大功率点跟踪为目的地进行功率变换。第一控制模块12可生成PWM信号（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制信号）用以控制直流-直流变换电路中的开关器件。第一控制模块12通过设定PWM信号的占空比D驱使第一变换级11的功率变换，并使第一变换级11的运行参量满足定量关系。例如，在第一变换级11是BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，运行参量满足关系：输入电压Upv乘以占空比D等于输出电压Uout。同时，第一控制模块12可通过最大功率跟踪算法电路确定光伏组件的最大功率点电压Umpp，为使Uout除以D等于Umpp而调节占空比D。
在串联线路20中具体地，优化器10设置有n个（n≥2）。在标记为1至n的功率优化器10中均有，每个第一变换级11的输入端连接于光伏电池单元90的输出端。光伏电池单元90可以是一个或多个经过封装的光伏组件，或一个光伏组件的封装内部的部分电池片串。n个第一变换级11的输出端互相串联连接形成串联线路20，也被称为光伏组串。串联线路20的输出端连接于逆变器30的直流输入侧。n个第一变换级11一一对应地设置有n个第一控制模块12。n个第一控制模块12能够一一对应获取其所对应n个第一变换级11的输入电压{Upv1、Upv2、…、Upvn}，能够获取其所对应第一变换级11的输入电流{Ipv1、Ipv2、…、Ipvn}，跟踪其所对应光伏电池单元90的最大功率点MPP。n个第一控制模块12还能够获取其所对应第一变换级11的输出电压{Uout1、Uout2、…、Uoutn}，n个第一变换级11具有n个独立的占空比数据，即{D1、D2、…、Dn}。当第一变换级11为BUCK结构，对于在1至n范围内任意第x个第一控制模块12有，满足关系Dx=Uoutx/Upvx。本实施例中示意性地设置有一个串联线路20，在其他实施例中串联线路20可相互并联地设置m串（m≥2）。占空比数据记作{D}，本例中{D}={D1、D2、…、Dn}，其他例中还可以指m*n个优化器10的占空比数据。
在光伏逆变器30中，在本实施例第二变换级31为直流-交流的逆变电路，在其他实施例中还可以是逆变器30的直流-直流变换前级，例如BOOST升压式DC-DC转换拓扑结构。第二变换级31将从直流母线侧获取的直流电力逆变变换为交流电力并在并网交流侧输出，即对串联线路20的输出直流电力进行逆变变换。第二控制模块32可控制直流-交流的逆变电路的变换过程，并且可变化地设置直流母线电压Ubus。具体是，将实时检测的第二变换级31的直流母线电压Ubus调整至直流母线参考电压Uref。
根据本发明的实施例的特点在于：光伏逆变器30设置有第二控制模块32，其能可变化地设置第二变换级31的参考电压Uref，并且设置后的参考电压Uref将致使第一控制模块12的占空比数据{D}满足占空比优化要求{D}max。具体是，在BUCK拓扑结构中满足D=Uout/Upv，因此在某个时刻，Upv经MPPT跟踪而为Umpp。当第二控制模块32的参考电压Uref以升高/不变/下降地可变化调节，串联线路20的电压将相应变化，继而使得串联线路20分配于每个第一变换级11的Uout整体性地升高/不变/下降地调整。在BUCK拓扑结构中满足D=Uout/Upv，因此第一变化级的占空比D也将相应地进行了升高/不变/下降的自适应地调整。因此，第一控制模块12将获取占空比数据{D}并判断是否满足占空比优化要求{D}max：不满足则再次调节设置参考电压Uref，直到满足为止。当{D}满足{D}max，此时的参考电压Uref将使第一变换级11的实际占空比能稳定于占空比优化要求，或者接近稳定于占空比优化要求。
需要说明的是，当{D}满足{D}max，仍将周期地获取{D}并判断是否满足{D}max，因为环境变化将使Umpp变化，导致实时的{D}再次不满足{D}max，实现光伏发电系统能在全天的不同时段均可优化串联第一变换级11的运行占空比。需要说明的是，第一控制模块12的占空比数据满足占空比优化要求，是通过第二控制模块32可变化地调节第二变换级31输入电压，以间接实现的，而不是直接第一变换级11的运行。可以理解的是，占空比优化要求可以是有关第一变换级11占空比D的预设值及预设范围，还可以是依据设定条件可切换的多个预设值或预设范围。当BUCK结构的第一变换级占空比数据满足占空比优化要求后，如占空比为0.9附近，第一变换级中储能元件的电流波纹将降低，继而优化器10减少损耗、延长寿命及降低成本。
关于占空比优化要求，可以理解的是，因此，根据优化器10及逆变器30的设置情况，可设置一个占空比优化要求{D}max，既能满足前侧的光伏电池单元90的MPPT要求，又能满足后侧逆变器30输入的电压安全范围，同时能使占空比运行在能降低损耗的较高范围，以及提高系统的效率。当第一变换级11为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，占空比运行在0.9附近可使拓扑结构中的电感器波纹电流降低。因此，根据优化器10中的电感能够承受的电流波纹程度，可将占空比优化要求设定为优化参考范围[DL，DH]。本实施例中[DL，DH]的中间值可设置在0.8至0.95之间的某值，[DL，DH]的范围宽度可设置在0.005至0.02之间的某值。例如，当中间值为0.905而范围宽度为0.01时，优化参考范围是[0.9，0.91]。
关于第二变换级31的输入电压设置，可以理解的是，在进行DC-DC变换的过程中，当忽略第一变换级11和第一控制模块12的运行消耗，优化器10的输入功率和输出功率可认为是相等的。因此，优化器10的运行参量满足Upv*D=Uout，也满足Ipv/D=Iout。在等效的其他实施例中，第一控制模块12可根据输出电流Iout与最大功率点电流Impp的关系，而设置占空比D；第二控制模块32用于可变化地设置第二变换级31的输出侧电流参量Ibus，使占空比数据{D1、D2、…、Dn}满足占空比优化要求{D}max。在一般情况下，因检测电压的准确度较高，而作为可变换调节的目标。
本实施例中具体有，占空比优化要求是[0.9，0.91]的优化参考范围，则不满足优化参考范围的情况是(0，0.9)或者(0.91，1)的范围。当第二控制模块32所获取的占空比数据不满足[0.9，0.91]范围，则第二控制模块32通过使Uref升高或下降预设幅值使占空比数据满足[0.9，0.91]范围。
可以理解的是，预设幅值与串联线路20的优化器10数量和参数相关。本实施例中具体有，预设幅值为0.2V，直流母线电压Ubus升高0.2V，可使经由串联线路20分配于优化器10的输出端电压有一定的升高，如0.2V/n。当第一变换级11为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，具有运行参量关系：D=Uout/Upv，而Upv经MPP跟踪设定在Umpp。因此，当Uout升高0.2V/n，优化器10的占空比D将自适应地调节上升，可使占空比从0.899自动调节至0.9，重新落入优化参考范围[0.9，0.91]，并因此优化器10运行在最佳状态。同理，当第一变换级11为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，当直流母线电压Ubus下降0.2V，Uout下降0.2V/n，优化器10的占空比D将自适应地调节上升，可使占空比从0.911自动调节至0.91，重新落入优化参考范围[0.9，0.91]。
本实施例中具体有，针对占空比优化要求的占空比数据，可以是一串或者多串串联线路20中，所有的第一控制模块12的占空比数据。本实施例在一串串联线路20中，第一控制模块12的占空比数据是{D1、D2、…、Dn}。对占空比数据进有一步处理，可确定精确调整的参数目标。占空比数据{D1、D2、…、Dn}进行排序，可得到占空比排序数据{D1st、D2nd、…、Dnth}。占空比排序数据进行采样，如20%的比例，可得到占空比采样集{D1st、D2nd、…、Dkth}。其中，k=20%*n且k为整数。
可以理解的是，串联线路20中，光伏电池单元90会出现不一致的遮挡，如落叶遮住部分电池片，这将使得各优化器10的最大功率点存在着差异，即占空比数据存在差异。这将使得占空比数据{D1、D2、…、Dn}中的最大值和最小值差异可能大于0.01的范围。同时，光伏电池单元90的不一致的遮挡，使得部分优化器10的占空比将降低地偏离于优化参考范围，如这部分优化器10占空比只能低于0.89。可以理解的是，为使不同遮挡状态的光伏组件运行最大功率点，其优先级将高于优化器10运行于优化要求。同时，占空比前20%的优化器10，即使出现光伏电池单元90遮挡，也将是一致性的遮挡，如光伏面板出现了整体的积灰。如前20%采样后的占空比数据，能表现光伏电池单元90真实的接收和转换光伏电力的性能。因Impp的差异，而串联线路20满足Iout1=Iout2=…=Ioutn=Ibus。当第一变换级11为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，具有运行参量关系：D=Ipv/Iout，而Ipv经MPP跟踪设定在Impp。具体体现，遮挡及温度等情况不同的各个优化器10，串联线路20分配于这些优化器10的输出电压将随之形成差异，继而为第一控制模块12设置占空比而提供参考。因此，当预设比例的排名靠前的占空比数据满足优化要求，则其余的占空比数据也将接近优化要求。
本实施例中具体有，针对占空比优化要求的占空比数据，可以是一串串联线路20中所有第一控制模块12的占空比数据是{D1、D2、…、Dn}，并对占空比数据进行平均数处理。可以理解的是，其他实施例中还可以进行如中位数处理方法，或者是可将有差异且个数多的占空比数据进行简化的其他处理方式。本实施例具体是，对占空比采样集{D1st、D2nd、…、Dkth}进行平均数处理，得到占空比参考量Dref=(D1st+D2nd+…+Dkth)/k。当第一变换级11为BUCK降压BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，若占空比参考量满足0.9≤Dref≤0.91，则第二控制模块32维持当前的直流母线参考电压Uref不变；若占空比参考量Dref＞0.91，则直流母线参考电压Uref通过若干次下降0.2V，使占空比参考量Dref落入优化参考范围[0.9，0.91]；若占空比参考量Dref＜0.90，则直流母线参考电压Uref若干次上升0.2V，使占空比参考量Dref落入优化参考范围[0.9，0.91]。
如图2所示，是根据本申请的一种光伏逆变器实施例的电路结构。该逆变器30包括作为第二变换级31的逆变电路，作为第二控制模块32的逆变控制器。逆变电路连接有m个串联线路20，每个串联线路20均有多个优化器10相互串联而成。串联线路20的输出端连接于逆变电路的直流母线侧311，逆变电路的交流并网侧312与并网点连接。逆变控制器示意性地为双闭环控制结构324。双闭环控制结构324包括电流内环和电压外环。其中，电流内环主要由uG电网电压环节、iG电流采样环节、sinωt电压同步环节、电流调节器和驱动环节组成，以此实现直流到交流的逆变以及网侧单元功率因素正弦波电流控制；其中，电压外环主要由Ubus直流母线电压检测、电压调节器组成，以使额定范围内变化的直流母线电压均能在交流侧形成额定uG电网电压输出。逆变控制器还包括占空比优化环，占空比优化环的输出作为直流电压外环调节的母线电压参考指令，通过直流电压外环的电压调节在预设阈值范围内变化，电压调节使占空比数据满足占空比优化要求。
需要说明的是，本实施例的逆变器30和传统逆变器的区别在有：对于直流电压外环的调节，传统逆变器是由MPPT跟踪得到直流母线参考电压Uref指令，而本申请的逆变器30，其逆变控制器具有占空比数据处理单元321和占空比优化跟踪单元322，占空比数据处理单元321用于将串联线路20各优化器10的占空比数据{D}处理为占空比参考量Dref，占空比优化跟踪单元322用于将占空比参考量Dref与优化参考范围进行比较并得到直流母线参考电压Uref指令。
如图3所示，是根据本申请的一种组件功率优化器实施例的电路结构。该优化器10包括作为第一变换级11的BUCK变换电路和作为第一控制模块12的控制器。BUCK变换电路为本领域公知的电路结构，其包括变换输入端111和变换输出端112，以及自变换输入端111到变换输出端112依次设置的并联设置的辅助电源13、并联设置的输入电容C1、串联设置的开关管M1、并联设置的续流二极管D1、串联设置的电感L1、并联设置的输出电容C2、并联设置的旁路二极管D2。其中，变换输入端111连接有光伏电池单元90，并且设置有输入电流Ipv的采样件和输入电压Upv的采样件。变换输出端112串联连接于其他优化器10的输出端，并形成串联线路20。其中，变换输出端112设置有输出电流Iout的采样件和输出电压Uout的采样件。上述各采样件能感应优化器10的电参量变化，并输出至控制器。控制器的控制结构包括：输入功率采样环节、MPPT跟踪控制环节、输出电压反馈环节、电压调节器、PWM调制及驱动环节组成。运行时，控制器对光伏电池单元90的MPP由BUCK变换电路直接进行搜索，使当前Upv趋近于当前Umpp，并且根据反馈的输出电压Uout，生成控制BUCK变换电路中开关管M1运行的PWM信号，并调节PWM信号的占空比，实现光伏电池单元90的最大电力跟踪。同时，输出电压Uout是串联线路20经过逆变控制器调节过的电压Ubus分配到该优化器10而来的。由于输出电压Uout经过占空比优化配置，BUCK变换电路的运行占空比也将满足或者接近优化参考范围[0.9，0.91]。
需要说明的是，串联线路20设置有数量较多的优化器10，且串联线路20的设置数量较多，各优化器10的占空比信息通过网络通信的方式发送给逆变控制器。在本实施例中具体有，优化器10设置有无线发送单元41，而逆变控制器设置有无线接收单元40，优化控制器设置有无线发送单元41，各优化器10的占空比信息通过无线通信的方式发送给逆变器30。
如图4所示，根据本发明第二方面的实施例，是用于串联变换级电压优化控制的光伏发电系统的一种控制方法。该控制方法包括：
S1、在各第一变换级11中均有：获取该第一变换级11的所跟踪的最大功率点mpp的输出电压参量Upv，获取串联线路配置于该第一变换级11的输出电压参量Uout，根据Upv和Uout的比值设置第一变换级11的运行占空比D；将占空比信息D发送到第二变换级31。
S2、在第二变换级31中有：接收各第一变换级11的占空比数据{D}，为实现占空比数据{D}满足占空比优化要求{D}max，而调节第二变换级31输入侧的电压参量Ubus。
如图5所示，根据本申请一种组件功率优化器实施例的S1具体控制程式，其包括：
S11、根据获取的输入电压Upv与输入电流Ipv进行最大功率点跟踪，使Upv跟踪于最大功率点电压Umpp（如扰动法MPP跟踪，在比步骤S1响应更快的过程中，Uout近似不变，而调节改变Upv，在Upv变化过程中判断当前功率是否在最大功率点，从而使得Upv趋近于Umpp）；
S12、获取当前输入电压Upv、获取当前输出电压Uout，执行S13；
S13、根据D=Uout/Upv自适应设置当前PWM信号的占空比D，执行S14（此时Upv=Umpp）；
S14、发送当前占空比D至第二控制模块32，返回开始（致使第二控制模块32以优化占空比为目地调节串联线路20输出电压Ubus，因而导致Uout变化）。
可以理解的是，第一变换级11的占空比不是因通信而被调节为目标值，而是通过直流母线电压Ubus经占空比数据比较地调节后，使得第一变换级11所配置输出电压Uout在数值上能够使占空比D满足优化要求。
如图6所示，根据本申请实施例的用于控制上述光伏逆变器的控制方法中，步骤S2具体包括：
S201、经通讯自各个第一控制模块12获取当前占空比数据{D1、D2、…、Dn}，下一步S202；
S202、将占空比数据{D1、D2、…、Dn}进行排序处理获得排序数据{D1st、D2nd、…、Dnth}，下一步S203；
S203、将在排序数据中选取预设比例的占空比采样集{D1st、D2nd、…、Dkth}；其中，k为预设比例的序数且k为整数，（如n=100，预设比例为20%，k=20%*100，即Dkth是指按由高到低顺序的第20个占空比信息），下一步S204；
S204、将占空比采样集进行均值处理，获得占空比参考量Dref=(D1st+D2nd+…+Dkth)/k，下一步S205；
S205、比较并判断占空比参考量Dref是否在优化参考范围[0.9，0.91]之内，若结果为是则执行S291；若结果为否且Dref＜0.9，则执行S292；若结果为否且Dref＞0.91，则执行S293；
S291、将直流母线参考电压Uref维持在Ubus，返回S201；
S292、将直流母线参考电压Uref调整为Ubus+0.2V，返回S201；
S293、将直流母线参考电压Uref调整为Ubus-0.2V，返回S201。
值得说明的是，在光伏发电系统正常运行的一天中，光伏发电单元90的最大功率点电压Umpp可在一范围内变化，因此光伏逆变器30的直流母线电压调节范围可与该范围配合，实现在系统发电一个完整的周天中，对直流母线电压的调节均能使优化器10占空比运行在优化参考范围[0.9，0.91]之内。但是，若由于四季变化的某一极端环境条件下，可能使最大功率点电压Umpp超出常规的范围，同时光伏逆变器30的直流母线电压调节又受到硬件限制，使得光伏逆变器即使调节到电压阈值处，仍然无法使优化器10占空比运行在优化参考范围[0.9，0.91]之内。
实施例的应用示例
以安装在华东的某个分布式光伏发电系统为例。该光伏发电系统包含72片单晶硅光伏电池片的光伏组件，每个光伏组件配备有上述的组件功率优化器10。该光伏发电系统还包括上述的光伏逆变器30。24个光伏组件通过其优化器10输出端互相串联构成光伏组串，光伏组串的输出端连接于光伏逆变器30的直流母线侧311，形成光伏发电系统。
该逆变器30的参数有：最大直流输入电压1100V，额定交流输出电压380V，效率最高的母线参考电压610V，逆变器30母线电压的电压阈值范围是：上限阈值UrefH=1000V，下限阈值UrefL=620V。母线电压的调节幅值：0.2V。优化器10的占空比优化参考范围设置在[0.9，0.91]。
华东地区夏季极端高温情况下，例如环境温度42度，太阳辐照1100kw/m2，光伏组件散热条件较差。当组件温度达到75度时，由优化器10跟踪光伏组件使得Upv=Umpp=37V；此时逆变器30为满足占空比在优化参考范围的要求，将直流母线电压设置在Ubus=728V；光伏组件从光伏组串中分配的输出电压约为33.3V，并将占空比设置在0.9。当组件温度达到85度时，由优化器10跟踪光伏组件使得Upv=Umpp=32.1V；此时，逆变器30为满足占空比在优化参考范围的要求，将直流母线电压设置在693V；光伏组件从光伏组串中分配的输出电压约为28.9V，并将占空比设置在0.9。无论是Ubus=728V，还是Ubus=693V，均在母线电压的电压阈值范围以内。因此，逆变器30通过获取占空比数据而调节直流母线电压，实现优化器10的占空比自适应地运行在优化参考范围以内，进而提高光伏发电系统的发电效率。
华东地区冬季极端低温情况下，例如环境温度-10度，太阳辐照1000kw/m2时，光伏组件散热条件较好。当组件温度达到-10度时，由优化器10跟踪光伏组件使得Upv=Umpp=47V。如果要将占空比满足0.9，则光伏组件要到1018U。此时，逆变器30不再跟踪占空比优化要求，而将直流母线电压设置在上限阈值1000V。光伏组件从光伏组串中分配的输出电压约为41.7V，并将占空比设置在0.88，不在满足运行在优化参考范围以内。但能确保光伏发电系统的运行安全。
在一天之中的早间开机情况下（晚间停机近似），如果优化器10占空比设置在0.9，那么光伏组件Upv=Umpp=28.7V时，才能满足开机要求。因此，逆变器30不再跟踪占空比优化要求，而将直流母线电压设置在下限阈值620V，光伏组件从光伏组串中分配的输出电压约为25.8V。优化器10将自适应地将占空比设置在0.98。那么，光伏组件Upv=Umpp=25.3V时，则可开机供电。
假设光伏阵列进行节约占地的高GCR的高容量布置时，在夏季高温条件下，早上九点前出现前后排遮挡，被遮挡组件优化器10将自适应地升流降压，这些优化器10的占空比将会较低；未遮挡组件的优化器10将自适应地降流升压，这些优化器10的占空比将会较高。逆变器30将直流母线电压设置在如680V，为满足电流不变，被遮挡组件优化器10将分配输出电压为28.1V，未遮挡组件优化器10将分配输出电压为28.5V，光伏组件Upv=Umpp=31.5V。那么，未遮挡组件优化器10将占空比设置在0.905，被遮挡组件优化器10将占空比设置在0.892。整体上的占空比数据仍能维持在接近1的高效率范围内。
以上实施例主要描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，包括第一变换级(11)和第二变换级(31)，所述第一变换级(11)用于对输入电力以最大功率点跟踪为目的地进行功率变换，诸多所述第一变换级(11)的输出端相连接形成串联线路(20)，所述第二变换级(31)用于对串联线路(20)的输出电力进行功率变换；
各所述第一变换级(11)分别独立地设有第一控制模块(12)，所述第一控制模块(12)根据所对应的第一变换级(11)的输入电压，以及根据串联线路(20)配置于所对应的第一变换级(11)的输出电压，自适应地设置第一变换级(11)的运行占空比；
所述第二变换级(31)设有第二控制模块(32)，所述第二控制模块(32)预设有第一变换级(11)的占空比优化参考范围，并将获取的第一控制模块(12)占空比数据进行数值处理得到占空比参考量，所述第二控制模块(32)用于可变化地设置第二变换级(31)的输入电压，以使占空比参考量不超出优化参考范围。
2.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，
若占空比参考量超出优化参考范围，所述第二控制模块(32)以升高或下降预设幅值调节第二变换级(31)的输入电压，以使占空比参数重新满足预设占空比优化范围；
若占空比参考量不超出优化参考范围，所述第二控制模块(32)维持当前第二变换级(31)的输入电压。
3.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，所述第二控制模块(32)用于将获取的第一控制模块(12)占空比数据进行排序处理，并选取预设比例的排名靠前的占空比数据作为占空比采样集，并且由占空比采样集得到占空比参考量。
4.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，所述第二控制模块(32)用于将获取的第一控制模块(12)占空比数据进行均值处理得到占空比参考量，并且以占空比参考量靠近于优化参考范围为目的地设置第二变换级(31)的输入电压。
5.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，所述第二变换级(31)预设有电压阈值范围；所述的第二控制模块(32)用于可变化地设置第二变换级(31)的输入电压包括：
所述的第二控制模块(32)用于在电压阈值范围以内可变化地设置第二变换级(31)的输入电压。
6.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，所述第一变换级(11)为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，所述第一控制模块用于生成可控制第一变换级(11)的脉冲宽度调制信号，并且根据所跟踪的第一变换级(11)最大功率点输入电压和根据串联线路配置于第一变换级(11)的输出电压而自适应地设置脉冲宽度信号的占空比。
7.根据权利要求1所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统，其特征在于，所述第二变换级(31)为DC-AC逆变电路，所述第二控制模块(32)用于以双闭环方式在输入电压额定调节范围内以满足电网要求为目的地进行逆变转换；所述第二变换级(31)以通讯的方式获取所述第一变换级(11)的占空比数据。
8.一种应用于权利要求1至7任一项所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统的控制方法，其特征在于，该控制方法应用于包含第一变换级(11)和第二变换级(31)的光伏发电系统，所述第一变换级(11)用于从光伏电池单元(90)获取输入电力进行功率变换，诸多所述第一变换级(11)的输出端相连接形成串联线路(20)，所述第二变换级(31)用于对串联线路(20)的输出电力进行功率变换；该控制方法包括：
在各第一变换级(11)中均有：根据该第一变换级(11)输入端所跟踪的最大功率点跟踪的电压参量，以及串联线路(20)配置于该第一变换级(11)的输出电压，自适应地设置第一变换级(11)的运行占空比；
在第二变换级(31)中有：预设有第一变换级(11)的占空比优化参考范围，将获取的第一控制模块(12)占空比数据进行数值处理得到占空比参考量，为实现占空比参考量不超出优化参考范围，而可变化地设置第二变换级(31)的输入电压。
9.一种应用于权利要求1至7任一项所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统的光伏逆变器，其特征在于，该光伏逆变器(30)包括第二变换级(31)和第二控制模块(32)；所述第二变换级(31)为DC-AC转换拓扑结构，所述第二变换级(31)设有用于从诸多第一变换级(11)所构成的串联线路(20)中获取电力的直流母线侧，以及用于连接电网的交流并网侧，以对串联线路(20)输出电力进行逆变变换；所述第二控制模块(32)用于以双闭环方式控制第二变换级(31)以满足电网要求为目的地进行逆变转换，以及用于为使现占空比参考量不超出优化参考范围而可变化地设置第二变换级(31)直流母线侧的电压参量。
10.一种应用于权利要求1至7任一项所述的串联变换级电压优化控制的光伏发电系统的组件功率优化器，其特征在于，该优化器(10)包括第一变换级(11)和第一控制模块(12)，所述第一变换级(11)为BUCK降压DC-DC转换拓扑结构，其设有用于连接光伏电池单元(90)的输入端，以及用于连接至串联线路(20)的输出端，以对光伏电池单元(90)的输出电力进行功率变换；所述第一控制模块(12)用于生成可控制第一变换级(11)的脉冲宽度调制信号，并且根据所跟踪的第一变换级(11)最大功率点输入电压和根据第一变换级(11)输出电压而自适应地设置脉冲宽度信号的占空比；所述第一控制模块发送占空比信息，以使占空比信息因串联线路配置于第一变换级(11)输出电压变化而优化。
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