CN204180008U - 一种基于模块串联结构的光伏电站 - Google Patents

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刘强
朱雪松
吴国强
陈美荣
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Abstract

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的缺点，提供一种新型的基于模块串联结构的光伏电站，减少直流电压的不断波动对设备运行造成的影响，提高整个光伏电站的稳定性。为了达到所述目的，本实用新型一种基于模块串联结构的光伏电站，包括连接在控制器上的多个相互串联的光伏模块。本实用新型与现有技术相比，各个光伏模块中的DC/DC斩波器基于稳定的直流储能电容电压向所连光伏阵列输出合适的端电压，使各个光伏阵列都能够独立地工作在最大功率点，显著提升光伏发电效率；各串联半H桥换流器使用基于排序的电容电压平衡策略，调节各个半H桥换流器所连的直流储能电容的放电与充电平衡，使各个光伏模块的直流储能电容的电压保持稳定。

Description

一种基于模块串联结构的光伏电站
技术领域
本实用新型是涉及一种电压源换流站，特别涉及一种基于模块串联结构的光伏电站。
背景技术
光能作为一种清洁能源，现在越来越被重视。但是由于单个光伏电池的输出电压和电流是很有限的，因此现有技术中往往将一定数量的光伏电池直接串并联构成如图1所示的光伏阵列后进行并网。这样是规模化开发利用光伏能源的实用方式。光伏电池的最大功率点跟踪是通过调节光伏电池两端的直流电压来实现的。光伏电池直接串并联的并网方式是对整个光伏阵列两端的直流电压进行调节，实现整个光伏阵列的最大功率点跟踪。但是，由于无法控制每个光伏电池两端的直流电压，也就无法对每个光伏电池进行最大功率点跟踪。各个光伏电池的光照强度、温度和制造参数等不可能完全一致，所以各个光伏电池的发电能力是有差异的。特别是当光伏阵列处在局部阴影光照条件下时，各个光伏电池发电能力的差异很大。随着直接串并联光伏电池数量的增加和光伏电池发电能力差异的扩大，光伏电池直接串并联并网方式的效率将随之显著下降。
为解决该问题，可以使用小型光伏阵列(由少量光伏电池串并联)与DC/DC斩波器组成光伏模块，将光伏模块串联后再并网，其结构如图2所示。使用DC/DC斩波器调节小型光伏阵列两端的直流电压，可以使每个光伏阵列都工作在最大功率点。各个串联光伏模块的输出电流是相等的，而它们的输出功率是有差异的。因此，各个DC/DC斩波器的网侧直流电压是不同的，并且直流电压将随时间变动。直流电压的不断波动将对设备运行造成不利影响。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决现有技术存在的缺点，提供一种新型的基于模块串联结构的光伏电站，减少直流电压的不断波动对设备运行造成的影响，提高整个光伏电站的稳定性。
为了达到所述目的，本实用新型一种基于模块串联结构的光伏电站，包括连接在控制器上的多个相互串联的光伏模块，每个所述光伏模块包括一个一个光伏阵列，该光伏阵列与一个电解电容并联，电解电容的正极的右侧连接至一个IGBT的集电极，该IGBT的发射极连接至第一二极管的负极，第一二极管的正极与电解电容的负极相连，第一二极管的正极与一个电感相连，这样所述的IGBT、第一二极管和电感构成了一个Buck型DC/DC斩波器，所述Buck斩波器的右侧通过一个直流储能电容连接到半H桥换流器。
优选的，所述该光伏阵列由偶数个干光伏电池串并联组成。
优选的，所述的半H桥换流器由两个功率开关管和两个二极管组成；其中，上桥臂功率开关管的集电极与半H桥换流器储能电容的正输出端相连，上桥臂功率开关管的发射极与下桥臂功率开关管的集电极相连且为半H桥换流器的第一输出端，下桥臂功率开关管的发射极与半H桥换流器的负输出端相连且为半H桥换流器的第二输出端，两个功率开关管的门极分别接收控制器提供的一对互补的驱动信号。
本实用新型与现有技术相比，各个光伏模块中的DC/DC斩波器基于稳定的直流储能电容电压向所连光伏阵列输出合适的端电压，使各个光伏阵列都能够独立地工作在最大功率点，显著提升光伏发电效率；各串联半H桥换流器使用基于排序的电容电压平衡策略，调节各个半H桥换流器所连的直流储能电容的放电与充电平衡，使各个光伏模块的直流储能电容的电压保持稳定。
附图说明
图1为光伏电池串并联并网方式；
图2为光伏模块串联并网方式；
图3为单个光伏模块结构图；
图4为光伏并网系统结构；
图5为工况一直流量仿真波形图；
图6为工况一交流量和光伏模块输出功率仿真波形图；
图7为工况二直流量仿真波形图；
图8为工况二交流量和光伏模块输出功率仿真波形图。
具体实施方式
如图3所示，为本实用新型的一个具体实施例。针对现有技术所存在的上述技术缺点，本实用新型提供了一种基于串联结构的光伏电站及其控制方法，可以在多种工况下，使各光伏模块的直流电压保持不变。
一种基于串联结构的光伏电站，包括：多个光伏模块和一控制器；所述的光伏模块连接有DC‐DC换流器，所述的DC‐DC换流器的直流输出侧并联有直流储能电容5和半H桥换流器6；多个光伏模块分别对应的多台半H桥换流器6的输出侧依次串联；所述的单个光伏模块的结构如图3所示，该模块的最左侧是一个光伏阵列，该光伏阵列的短路电流为800.5A，开路电压为4.53kV，由若干光伏电池1串并联组成。该光伏阵列右侧与一个10000微法的电解电容2并联，该电解电容2用于在电流间断时，为光伏阵列提供电流通路。电解电容2的正极的右侧连接至一个IGBT3的集电极，该IGBT3的发射极连接至第一二极管4的负极，该二极管的正极与电解电容2的负极相连。该二极管的正极与一个0.01亨的电感7相连。上述的IGBT3、二极管和电感7构成了一个Buck型DC/DC斩波器。Buck斩波器的右侧的电容是半H桥换流器6的直流储能电容5，直流储能电容5的电容量为8000微法，其额定直流电压为2kV，用UC表示。Buck斩波器根据光伏阵列的输出特性来调节光伏阵列的端电压，从而实现光伏阵列的最大功率点跟踪。所述的半H桥换流器6由两个功率开关管和两个二极管组成；其中，上桥臂功率开关管的集电极与半H桥换流器6储能电容的正输出端相连，上桥臂功率开关管的发射极与下桥臂功率开关管的集电极相连且为半H桥换流器6的第一输出端，下桥臂功率开关管的发射极与半H桥换流器6的负输出端相连且为半H桥换流器6的第二输出端，两个功率开关管的门极分别接收控制器提供的一对互补的驱动信号。
本实用新型光伏电站中的各光伏模块采用串联连接，半H桥换流器6的直流储能电容5的放电与否由半H桥换流器6控制。对各半H桥换流器6的直流储能电容5的电压进行采集并排序。按照电容电压由高到低的顺序，选择一定数量的直流储能电容5，将与这些直流储能电容5相连的半H桥换流器6置于投入状态，其余半H桥换流器6置于切除状态。使与处于投入状态的半H桥换流器6并联的直流储能电容5放电，使与处于切除状态的半H桥换流器6并联的直流储能电容5不放电。
本实用新型将各半H桥换流器6的输出端直接串联，串联结构的首末两端输出电压较高的直流电能，将串联结构的首末两端通过直流电缆与一个总的逆变器相连，总逆变器将直流电能逆变为交流电能并送入公共电网。总逆变器使用常用的定直流电压控制，稳定串联结构的首末两端的电压。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：各个光伏模块中的DC/DC斩波器基于稳定的直流储能电容5电压向所连光伏阵列输出合适的端电压，使各个光伏阵列都能够独立地工作在最大功率点，显著提升光伏发电效率；各串联半H桥换流器6使用基于排序的电容电压平衡策略，调节各个半H桥换流器6所连的直流储能电容5的放电与充电平衡，使各个光伏模块的直流储能电容5的电压保持稳定。
本实施方式中控制器所对应的投切控制方法，如下：
首先，实时采集各半H桥换流器的直流电容电压；
然后，对于下一控制周期，使各半H桥换流器的直流电容电压由高到低进行排序；
最后，使直流电容电压排列前10的半H桥换流器的上桥臂IGBT均开通，下桥臂IGBT均关闭；使其余8台半H桥换流器的上桥臂IGBT均关闭，下桥臂IGBT均开通。
光伏电站中的各光伏模块的半H桥换流器采用串联连接；光伏阵列发出的直流电能向直流储能电容充电，直流储能电容放电与否由半H桥换流器控制。控制器对各AC‐DC换流器的直流储能电容的电压进行测量并排序，按照直流储能电容电压由高到低的顺序，选择一定数量的直流储能电容。将与这些储能电容对应的半H桥换流器置于投入状态，其上桥臂IGBT开通，下桥臂IGBT关断时，半H桥换流器输出电压为其所连接的直流储能电容的电压，并且该直流储能电容放电；其余半H桥换流器置于切除状态，其上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT开通时，半H桥换流器输出电压为零，且其对应的直流储能电容不放电。
本实施方式将所有光伏模块的输出端直接串联，串联结构的首末两端输出较高电压的直流电能，将串联结构的首末两端通过直流电缆与一个总的逆变器相连，总逆变器将直流电能逆变为交流电能并送入公共电网。总逆变器使用常用的定直流电压控制，稳定串联结构的首末两端的电压。
直流母线电容与半H桥换流器并联，直流母线电容放电与否由半H桥换流器控制。当半H桥换流器中的上桥臂IGBT开通，下桥臂IGBT关断时，半H桥换流器输出电压为其所连接的直流母线电容的电压，并且该直流母线电容放电。当半H桥换流器中的上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT开通时，半H桥换流器输出电压为零，且其对应的直流母线电容不放电。
为了使结果更清晰明了，将18个光伏模块平均分为三组，第一、第二和第三组分别包括第1到6个、第7到12个、第13到18个光伏模块，同一组中的光伏模块的光照强度是一致的。对于实际系统而言，安装地点相近的大部分光伏模块的光照条件也是基本一致的。
(1)工况一
工况一模拟光伏电站从正常光照条件进入阴影光照条件的情况。正常条件下，光伏电站的光照强度为1000W/m2。在2.5s后，光伏电站进入阴影光照条件，第三组光伏模块(第13‐18个光伏模块)的光照强度降为300W/m2，其余模块的光照强度不变。在2.8s后，光伏电站恢复至正常的光照条件。图5分别给出了总直流电压、直流电流、有功功率的波形图，以及各个光伏模块的直流电容电压的波形图。图6(a)和(b)分别给出了逆变器并网点(PCC)的交流电压和交流电流的波形图。图6(c)给出了各组第一个光伏模块的输出功率，每组中其余光伏模块的输出功率也基本相同。
当光伏电站进入阴影光照条件后，第三组光伏模块的最大功率点跟踪控制动作，将该组光伏模块调整至弱光照条件下的最大功率点，该组光伏模块的输出功率显著下降。第一组和第二组光伏模块的光照条件不变，其输出功率基本保持不变。整个光伏电站的输出功率仅是略有下降，并且各个光伏模块的直流电容电压基本维持不变。因此，在本实用新型提出的光伏并网方案下，部分光伏模块进入阴影光照条件后，不会影响其余光伏模块的正常工作，不同光照条件下的光伏模块都可以工作在各自的最大功率点。
(2)工况二
工况二模拟光伏电站中各个光伏模块的光照条件显著不平衡的情况。正常条件下，光伏电站的光照强度为1000W/m2。在2.5s后，光伏电站进入不平衡光照条件，第一组光伏模块(第1‐6个光伏模块)的光照强度降为900W/m2，第二组光伏模块(第7‐12个光伏模块)的光照强度降为600W/m2，第三组光伏模块(第13‐18个光伏模块)的光照强度降为300W/m2。在2.8s后，光伏电站恢复正常光照条件。图7分别给出了总直流电压、直流电流、有功功率的波形图，以及各个光伏模块的直流电容电压的波形图。图8(a)和(b)分别给出了逆变器并网点(PCC)的交流电压和交流电流的波形图。图8(c)给出了各组第一个光伏模块的输出功率，每组中其余光伏模块的输出功率也基本相同。
当光伏电站进入不平衡光照条件后，三组光伏模块的最大功率点跟踪控制动作，将各组光伏模块调整至相应光照条件下的最大功率点。光照强度下降越多，该组光伏模块的输出功率下降也越多。整个光伏电站的输出功率显著下降，但是各个光伏模块的直流电容电压基本维持不变。工况一和工况二下的第三组光伏电池的光照强度是一致的，相应的图6(c)和图8(c)中第三组光伏模块的输出功率也是基本一致的。因此，光伏模块的输出功率仅由其自身工况决定，不受其他光伏模块的影响。在本发明提出的光伏并网方案下，光伏电站进入严重不平衡光照条件后，各个光伏模块能够独立地进行最大功率点跟踪，实现发电效率最大化。
本实用新型仅就本实用新型的最佳实施例进行详细的描述，但不能理解为对本实用新型实施的其他方式的限制，凡是在本实用新型基础上进一步的改进和类似或雷同的方案，均视为是本实用新型请求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于模块串联结构的光伏电站，包括连接在控制器上的多个相互串联的光伏模块，其特征在于，每个所述光伏模块包括一个光伏阵列，该光伏阵列与一个电解电容(2)并联，电解电容(2)的正极的右侧连接至一个IGBT(3)的集电极，该IGBT(3)的发射极连接至第一二极管(4)的负极，第一二极管(4)的正极与电解电容(2)的负极相连，第一二极管(4)的正极与一个电感(7)相连，这样所述的IGBT(3)、第一二极管(4)和电感(7)构成了一个Buck型DC/DC斩波器，所述Buck斩波器的右侧通过一个直流储能电容(5)连接到半H桥换流器(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于模块串联结构的光伏电站，其特征在于：所述该光伏阵列由偶数个干光伏电池(1)串并联组成。
3.如权利要求1所述的一种基于模块串联结构的光伏电站，其特征在于：所述的半H桥换流器(6)由两个功率开关管和两个二极管组成；其中，上桥臂功率开关管的集电极与半H桥换流器(6)储能电容的正输出端相连，上桥臂功率开关管的发射极与下桥臂功率开关管的集电极相连且为半H桥换流器(6)的第一输出端，下桥臂功率开关管的发射极与半H桥换流器(6)的负输出端相连且为半H桥换流器(6)的第二输出端，两个功率开关管的门极分别接收控制器提供的一对互补的驱动信号。
4.如权利要求1所述的一种基于模块串联结构的光伏电站，其特征在于：所述光伏模块数量为n，
n = U d 1 U C
其中Ud1为串联结构总输出直流电压的额定值，UC为连接在半H桥换流器(6)上的直流储能电容(5)电压的额定值。
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