CN114362257B - 分布式电源系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种分布式电源系统，包括至少一个直流电源、至少一个功率优化器和逆变器，一个所述功率优化器与至少一个所述直流电源连接，所述功率优化器的输出端串联与所述转换单元连接，所述逆变器包括电压管理子单元和逆变子单元；所述直流电源用于将非电能量转换为直流电；所述功率优化器用于控制所述直流电源输出最大功率的直流电；所述逆变子单元用于将所述功率优化器输出的直流电转换为交流电；所述电压管理子单元用于通过所述逆变器的功率转换效率调整所述逆变器的输入电压，以使所述逆变器的功率转换效率处于峰值。

Description

分布式电源系统

技术领域

本公开涉及电源技术领域，具体地，涉及一种分布式电源系统。

背景技术

随着传统石化能源广泛使用引起的环境问题日益严峻，风电、光电、氢电等分布式电源的应用越来越广泛，使得接入电网电源类型越来越多，特别是以光伏发电和储能电池为代表的直流电源。而公共电网大多为交流电网，故而直流发电系统需经逆变器进行电能变换后方能并网输出。因此，含分布式直流电源的系统中，能量流通路径是：电源（非电能量转换为直流电能）、逆变器(直流电能转换为交流电能)、电网或负载(交流电能传输和利用)。

实际应用中，为了提升电源系统的有效输出功率，通常会设置功率优化器，并在逆变器设置MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）模块。但是，功率优化器也设置有MPPT模块，因此可能会导致逆变器和功率优化器的两级MPPT调节存在兼容性问题，从而导致逆变器输入不稳定，影响电源系统的正常运行。

发明内容

本公开的目的是提供一种分布式电源系统，以解决相关技术存在的问题，保证电源系统的效率和稳定性。

为了实现上述目的，本公开提供一种分布式电源系统，包括至少一个直流电源、至少一个功率优化器和逆变器，一个所述功率优化器与至少一个所述直流电源连接，所述功率优化器的输出端串联与所述逆变器连接，所述逆变器包括电压管理子单元和逆变子单元；

所述直流电源用于将非电能量转换为直流电；

所述功率优化器用于控制所述直流电源输出最大功率的直流电；

所述逆变子单元用于将所述功率优化器输出的直流电转换为交流电；

所述电压管理子单元用于通过所述逆变器的功率转换效率调整所述逆变器的输入电压，以使所述逆变器的功率转换效率处于峰值。

可选地，所述电压管理子单元用于：通过所述逆变器第一时刻的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第一转换效率，在第二时刻按照第一电压增量调整所述逆变器的输入电压，通过调整后所述逆变器的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第二转换效率，通过所述第一转换效率和所述第二转换效率调整所述逆变器的输入电压，以使所述逆变器的功率转换效率处于峰值。

可选地，所述逆变器还用于：

当所述逆变器的工作温度大于预设安全温度时，减小所述逆变器的输入电流上限值对应的第一设置值和输入电压上限值对应的第二设置值，直到所述逆变器的工作温度小于等于所述预设安全温度时，将所述逆变器的输入电流上限值调整为所述第一设置值，并将所述逆变器的输入电压上限值调整为所述第二设置值。

可选地，多个所述功率优化器的输出端串联成直流组串，所述直流组串与所述转换单元的输入端连接，所述逆变器还用于：

当所述逆变器处于电压限制模式或电流限制模式时，通过通信单元与所述功率优化器进行通信，以控制至少一个所述功率优化器从所述直流组串中解耦，直到所述逆变器退出所述电压限制模式或电流限制模式。

可选地，所述逆变器用于：按照所述功率优化器的输出功率从低到高的顺序，控制至少一个功率优化器从所述直流组串中解耦，或者按照所述功率优化器的物理位置顺序，控制至少一个功率优化器从所述直流组串中解耦。

可选地，所述逆变器还用于：

通过通信单元接收传感器信息和/或上位机信号，所述传感器信息包括设置在所述电源系统的温度传感器和/或烟雾传感器采集的信息；

通过所述传感器信息和/或上位机信号，判断所述逆变器是否开启安全模式，当所述逆变器开启安全模式时，控制所述逆变器的输入端开路。

可选地，所述直流电源包括光伏组件、化学电池和燃料电池中的一者或多者。

可选地，所述功率优化器包括升压电路、降压电路和升降压电路中的一者或多者。

通过上述技术方案，通过逆变器的功率转换效率进行电压调节，相较于采用MPPT模块进行调节的方式，可以避免逆变器与功率优化器两级MPPT调节的兼容性问题，提升分布式电源系统的稳定性。另一方面，由于通过逆变器的功率转换效率进行动态电压调节，可以避免交流侧参数波动对逆变效率的影响，提升分布式电源系统的效率。即，本公开提供的分布式电源系统可以同时保证分布式电源系统的效率和稳定性。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是相关技术中的一种分布式电源系统的框图；

图2是图1所示的分布式电源系统在光照稳定时逆变器可能接收到的功率与电压的对应关系示意图；

图3是MPPT算法期望的逆变器接收到的功率与电压的对应关系示意图；

图4是相关技术中的另一种分布式电源系统的框图；

图5是根据本公开一示例性实施例示出的一种分布式电源系统的框图；

图6是根据本公开另一示例性实施例示出的一种分布式电源系统的框图；

图7是根据本公开另一示例性实施例示出的一种分布式电源系统中逆变器的内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

随着传统石化能源广泛使用引起的环境问题日益严峻，风电、光电、氢电等分布式电源的应用越来越广泛，使得接入电网电源类型越来越多，特别是以光伏发电和储能电池为代表的直流电源，因其对石化能源、水资源等一次能源的资源集中度要求较低，更适合能源分布与电力需求分布不均衡的场景，近年得到了快速的发展。

因公共电网大多为交流电网，故而直流发电系统需经逆变器进行电能变换后方能并网输出。因此含分布式直流电源的系统中，能量流通路径是：电源（非电能量转换为直流电能）、逆变器(直流电能转换为交流电能)、电网或负载(交流电能传输和利用)。

电源系统最重要的两点分别是效率和稳定性。以光伏发电系统为例，通常会选择特殊材料和光电转换结构，同时采用各类MPPT（Maximum Power Point Tracking）技术和多电平逆变技术等，以在各个环节提升电源系统的有效输出功率。

发明人研究发现，相关技术的一种分布式直流电源系统如图1所示。直流电源（比如光伏组件）101的输出端与其各自的功率优化器102的输入端并联，多个功率优化器102的输出端串联形成光伏直流组串103，多个直流组串103并联至逆变器104的输入端，逆变器104通过其内置的MPPT模块，最大程度抽取来自直流组串103的直流功率后，将直流（DC，Direct Current）电变换成交流（AC，Alternating Current）电后，并网或直接提供给交流负载。按照此种设置，由于功率优化器102也设置有MPPT模块，因此当功率优化器102与逆变器104同时执行MPPT功能时，功率优化器102的输出受自身MPPT功能和逆变器104的MPPT功能的限制，会导致两级MPPT兼容性问题，从而导致逆变器输入不稳定，影响电源系统的正常运行。

其中，参照图2和图3，该兼容性问题体现之一在于：如图2所示，当光照稳定时，逆变器可能接收到的功率（P）与电压（V）的变化相对平缓，无明显峰值。而逆变器104的MPPT模块期望的功率（P）与电压（V）的变化如图3所示，具有明显峰值。面对平缓的功率-电压曲线时，会因MPPT扰动算法实施而不断扰动组串电压，令实际电压向功率增加方向移动，但实际上功率与电压的变化平缓，无法找到功率增加方向，从而导致逆变器的输入电压不稳定，无法锁定某一电压，或最终工作于极限电压，引起逆变器效率损失，影响电源系统的正常运行。

此外，发明人还研究发现，相关技术的另一种分布式直流电源系统如图4所示。各功率优化器102的输入端与其对应的直流电源101输出端并联，并利用控制环路1051实现对应功率优化器的MPPT。多个功率优化器102串联形成直流组串103，多个直流组串103并联至逆变器104，由逆变器104将直流电转换为交流电后并网或直接提供给交流负载。该方案与图1方案的不同之处在于，该方案利用控制环路1052实现固定逆变器输入电压的功能，从而提升电源系统的稳定性。但是，实际交流电网的电压或交流负载的电压可能与理论值存在10%左右的波动，因此固定逆变器直流输入电压的方案无法灵活应对电网交流参数波动，导致电源系统的整体效率降低，从而无法同时保证电源系统的效率和稳定性。

有鉴于此，本公开提供一种分布式电源系统，以解决由于两级MPPT兼容性问题导致的系统不稳定问题，并降低交流侧波动对逆变效率的影响，提升系统效率。

图5是根据本公开一示例性实施例示出的一种分布式电源系统的框图。参照图5，该分布式电源系统包括至少一个直流电源101、至少一个功率优化器102和逆变器104，一个功率优化器102与至少一个直流电源101连接，功率优化器102的输出端串联与逆变器104连接，逆变器104包括电压管理子单元1041和逆变子单元1042。

直流电源101用于将非电能量转换为直流电。

功率优化器102用于控制直流电源101输出最大功率的直流电。

逆变子单元1042用于将功率优化器102输出的直流电转换为交流电。

电压管理子单元1041用于通过逆变器104的功率转换效率调整逆变器104的输入电压，以使逆变器104的功率转换效率处于峰值。

示例地，直流电源101可以为至少一个，用于将输入的非电能量转换为直流电进行输出，可以包括光伏组件、化学电池和燃料电池中的一者或多者，本公开实施例对此不作限定。功率优化器102为直流转交流变换电路，可以包括升压电路、降压电路和升降压电路中的一者或多者，功能在于实现对直流电源101的最大功率点追踪，其输入电压为直流电源101的最大功率点电压，输入电流为直流电源101的最大功率点电流。多个功率优化器102的输出端可以串联至逆变器104的输入端，为逆变器104中的逆变子单元1042提供直流电。逆变子单元1042用于将直流电转换为交流电。电压管理子单元1041用于通过逆变器104的功率转换效率调整逆变器104的输入电压，以使逆变器104的功率转换效率处于峰值，从而将逆变器104的输入电压调整到适于执行直流转交流的电压水平。

由此，通过逆变器的功率转换效率进行电压调节，相较于采用MPPT模块进行调节的方式，可以避免逆变器与功率优化器两级MPPT调节的兼容性问题，提升分布式电源系统的稳定性。另一方面，由于通过逆变器的功率转换效率进行动态电压调节，可以避免交流侧参数波动对逆变效率的影响，提升分布式电源系统的效率。即，本公开提供的分布式电源系统可以同时保证分布式电源系统的效率和稳定性。

可选地，电压管理子单元1041用于：通过逆变器104第一时刻的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第一转换效率，在第二时刻按照第一电压增量调整逆变器104的输入电压，通过调整后逆变器104的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第二转换效率，通过第一转换效率和第二转换效率调整逆变器104的输入电压，以使逆变器104的功率转换效率处于峰值。

示例地，在实际应用中，电压管理子单元1041可以包括信号采集子单元，用于采集逆变器104的输入电流、输入电压、输出电流、输出电压和工作温度。由此，电压管理子单元1041可以通过该信号采集子单元获取到第一时刻下逆变器104的输入电压和输入电流、以及逆变器104的输出电压和输出电流，并计算逆变器104的输出功率输入功率之比，将其记为逆变器104的第一转换效率。在第二时刻，电压管理子单元1041可以调整逆变器104的输入电压，使第二时刻输入电压相对于第一时刻输入电压，产生第一电压增量（比如增大输入电压或减小输入电压）。之后，电压管理子单元1041可以重新从信号采集子单元获取逆变器104的输入输出电压和输入输出电流，并重新计算逆变器104的输出功率和输入功率之比，将其记为逆变器104的第二转换效率。

然后，电压管理子单元1041可以比较第一转换效率和第二转换效率，若第二转换效率大于第一转换效率，则电压管理子单元1041在第三时刻调整其输入电压产生第二电压增量，且第二电压增量与第一电压增量符号相同。若第二转换效率小于第一转换效率，则电压管理单元1041在第三时刻调整其输入电压产生第二电压增量，且第二电压增量与第一电压增量符号相反。其中，电压增量的符号表示增大输入电压或者减小输入电压，比如电压增量符号为正表示增大输入电压，电压增量符号为负表示减小输入电压。

由此，电压管理单元1041通过控制逆变器104的输入电压，使逆变器104实时效率处于峰值效率，从而降低逆变器交流测的波动对逆变效率的影响，进而提升整体电源效率。

可选地，逆变器104还用于：当逆变器104的工作温度大于预设安全温度时，减小逆变器104的输入电流上限值对应的第一设置值和输入电压上限值对应的第二设置值，直到逆变器104的工作温度小于等于预设安全温度，将逆变器104的输入电流上限值调整为第一设置值，将逆变器104的输入电压上限值调整为第二设置值。

其中，输入电压上限值是指逆变器的最高输入电压限定值，当逆变器进行输入电压调节时，实际输入电压不会超过该电压限定值。输入电流上限值是指逆变器的最高输入电流限定值，当逆变器进行输入电压调节时，实际输入电压不会低于输入功率与最高输入电流限定值之比。也即是说，逆变器实际输入电压范围为：逆变器输入功率与输入电流上限值的比值至逆变器输入电压上限值之间的电压范围。当逆变器104的实际工作温度超过预设安全温度时，可以基于实际工作温度与预设安全温度的差值和预设温度调整规则，降低逆变器的输入电压和输入电流的上限值，以降低实际输入功率。

其中，预设温度调整规则用于表征电压调整量与温度差值的对应关系和电流调整量与温度差值的对应关系，该温度差值为实际工作温度与预设安全温度的差值。由此，当分布式电源系统中的逆变器的工作温度超过预设温度时，可以降低逆变器的实际输入功率，保证逆变器的电气安全。

可选地，多个功率优化器的输出端串联成直流组串，直流组串与逆变器104的输入端连接，逆变器104还用于：当逆变器104处于电压限制模式或电流限制模式时，通过通信单元与功率优化器102进行通信，以控制至少一个功率优化器102从直流组串中解耦，直到逆变器104退出电压限制模式或电流限制模式。

其中，电压限制模式用于限制逆变器104的工作电压，电流限制模式用于限制逆变器104的工作电流，从而保护逆变器104中的电子元件。解耦可以是控制功率优化器102处于待机状态或暂时关闭状态，或者解耦可以是控制功率优化器102开启旁路功能，等等，本公开实施例对此不作限定。

可选地，逆变器104用于：按照功率优化器102的输出功率从低到高的顺序，控制至少一个功率优化器102从直流组串103中解耦，或者按照功率优化器102的物理位置顺序，控制至少一个功率优化器102从直流组串103中解耦。

也即是说，逆变器104可以按照特定顺序选择至少一个功率优化器102进行解耦。由此，当逆变器104接收到的直流功率过高，导致逆变器104进入电压限制模式或电流限制模式时，逆变器104可以与各功率优化器102进行通信，控制某些功率优化器102从直流组串103解耦，提升系统的稳定性和电子元件使用寿命。

可选地，逆变器104还用于：通过通信单元接收传感器信息和/或上位机信号，传感器信息包括设置在电源系统的温度传感器和/或烟雾传感器采集的信息，通过传感器信息和/或上位机信号，判断逆变器104是否开启安全模式，当逆变器104开启安全模式时，控制逆变器104的输入端开路。

例如，当逆变器104中的安全单元通过采样位于某处的安全传感器的状态信息，例如某处温度传感器或烟雾传感器，或逆变器104通过通信单元接收到安全模式开启信息等方式，判断逆变器104启动安全模式，则逆变器104可以控制输入端开路，以避免直流高压接入，保证电源系统正常运行。

在一些实施例中，参照图6，该分布式电源系统可以包括多个直流电源101、多个功率优化器102和逆变器104，直流电源101与功率优化器102一一对应连接。多个功率优化器102的输出端串联成直流组串103。逆变器104的输入端接分布式优化直流组串103的输出，其输出端接交流电网或直接给交流负载供电。该逆变器可以包括电压管理子单元1041和逆变子单元1042。

参见图7，逆变器104内部可以包括：电压调节单元301、逆变电路302、电源管理单元303、信号采集子单元304、驱动子单元305、本地逻辑与存储单元306、通信单元307、以及安全子单元308。其中，逆变电路302相当于上文所述的逆变子单元1042，本地逻辑与存储单元306相当于上文所述的电压管理子单元1041。

其中，电源管理单元303用于生成逆变器104内部各模块所需的电源电压。信号采集子单元304用于采集逆变器104的输入输出电压、输入输出电流和实时工作温度。本地逻辑与存储单元306可以基于信号采集子单元304的电流电压信号计算实时的输出功率与输入功率之比，得到逆变器104的功率转换效率，并基于该功率转换效率判断逆变器传输效率增大的输入电压变化方向，然后通过配置驱动子单元305生成适当的驱动信号，驱动电压调节单元301控制逆变器的输入电压向使逆变器的转换效率增大的方向移动。

当逆变器104通过信号采集子单元304采集的温度确定逆变器104实际工作温度超过预设安全温度时，本地逻辑与存储单元306可以降低逆变器104电流上限值和电压上限值的设置值，以降低其接收功率，直到逆变器104的实际工作温度低于预设安全温度，本地逻辑与存储单元306恢复逆变器104的电流上限值和电压上限值为前一设置值。

当逆变器104接收到的直流功率过高，导致逆变器104进入电压限制模式或电流限制模式时，通信单元307与各功率优化器102进行通信，控制某些功率优化器102从直流组串103中解耦，从而提升系统的稳定性。

当逆变器104中的安全子单元308通过采样位于某处的安全传感器的状态信息，例如某处温度传感器或烟雾传感器，或逆变器104通过通信单元307接收到安全模式开启信息等方式，判断逆变器104启动安全模式，则本地逻辑与存储单元306会通过配置驱动子单元305，控制输入电压调节单元301的输入端为开路状态，以避免直流高压接入。

由此，逆变器通过功率转换效率进行电压调节，相较于采用MPPT模块进行调节的方式，可以避免逆变器与功率优化器两级MPPT调节的兼容性问题，提升分布式电源系统的稳定性。另一方面，由于通过逆变器的功率转换效率进行动态电压调节，可以避免逆变器交流侧参数波动对逆变效率的影响，提升分布式电源系统的效率。即，本公开提供的分布式电源系统可以同时保证分布式电源系统的效率和稳定性。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (7)

1.一种分布式电源系统，其特征在于，包括至少一个直流电源、至少一个功率优化器和逆变器，一个所述功率优化器与至少一个所述直流电源连接，所述功率优化器的输出端串联与所述逆变器连接，所述逆变器包括电压管理子单元和逆变子单元；

所述直流电源用于将非电能量转换为直流电；

所述功率优化器用于控制所述直流电源输出最大功率的直流电；

所述逆变子单元用于将所述功率优化器输出的直流电转换为交流电；

所述电压管理子单元用于通过所述逆变器的功率转换效率调整所述逆变器的输入电压，以使所述逆变器的功率转换效率处于峰值；

所述电压管理子单元用于：通过所述逆变器第一时刻的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第一转换效率，在第二时刻按照第一电压增量调整所述逆变器的输入电压，通过调整后所述逆变器的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压，计算第二转换效率，通过所述第一转换效率和所述第二转换效率调整所述逆变器的输入电压，以使所述逆变器的功率转换效率处于峰值。

2.根据权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，所述逆变器还用于：

当所述逆变器的工作温度大于预设安全温度时，减小所述逆变器的输入电流上限值对应的第一设置值和输入电压上限值对应的第二设置值，直到所述逆变器的工作温度小于等于所述预设安全温度时，将所述逆变器的输入电流上限值调整为所述第一设置值，并将所述逆变器的输入电压上限值调整为所述第二设置值。

3.根据权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，多个所述功率优化器的输出端串联成直流组串，所述直流组串与所述逆变器的输入端连接，所述逆变器还用于：

当所述逆变器处于电压限制模式或电流限制模式时，通过通信单元与所述功率优化器进行通信，以控制至少一个所述功率优化器从所述直流组串中解耦，直到所述逆变器退出所述电压限制模式或电流限制模式。

4.根据权利要求3所述的分布式电源系统，其特征在于，所述逆变器用于：按照所述功率优化器的输出功率从低到高的顺序，控制至少一个功率优化器从所述直流组串中解耦，或者按照所述功率优化器的物理位置顺序，控制至少一个功率优化器从所述直流组串中解耦。

5.根据权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，所述逆变器还用于：

通过通信单元接收传感器信息和/或上位机信号，所述传感器信息包括设置在所述分布式电源系统的温度传感器和/或烟雾传感器采集的信息；

通过所述传感器信息和/或上位机信号，判断所述逆变器是否开启安全模式，当所述逆变器开启安全模式时，控制所述逆变器的输入端开路。

6.根据权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，所述直流电源包括光伏组件、化学电池和燃料电池中的一者或多者。

7.根据权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，所述功率优化器包括升压电路、降压电路和升降压电路中的一者或多者。

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