[发明专利]一种模块化全直流光伏系统及其控制方法

说明书

【技术领域】

本发明属于太阳能光伏发电研究领域，特别涉及一种模块化全直流光伏系统及其控制方法。

【背景技术】

随着光伏发电规模的日益增大，光伏产能不再局限于作为补充能源，而是朝着可替代能源的方向迈进，关于大规模光伏发电的研究也引起了广泛的关注。

现行光伏发电的概念、光伏电场的结构、并网发电装置以及相应的运行技术在应对逐渐增大规模的可再生新能源的消纳方面越来越力不从心。目前主流的光伏电场的结构如图1所示，太阳能板通过串、并联的方式根据所需的输出直流电压和额定功率等级组成的不同的光伏阵列(100kW-500kW)，多个阵列在输出端通过汇流箱连接至光伏并网逆变器的直流侧，并网逆变器在输入端通过最大功率跟踪算法(Maximum Power Point Tracking，MPPT)使得光伏阵列输出最大功率，在逆变器的输出侧通过同步控制将能量以电流源形式向电网馈送能量，逆变器输出与电网电压同频率的电流源的形式将电能馈送至低压交流电网(220-380V)，再通过工频变压器逐级升压至高压(超高压)交流电网。实现能源的长距离输送。

该集中式的光伏发电、输电运行模式具有技术成熟、成本低廉等优势，然而随着新能源发电容量的不断增加，输电、配电技术的日益进步，该方案存在低压线路长、线路损耗大等问题，并且随着光伏发电规模的不断增大，该问题会进一步凸显。

【发明内容】

本发明从整个光伏发电场系统结构的角度着眼，提出一种模块化全直流光伏发电系统及其控制方法，尤其适用于大规模光伏发电应用。

本发明采用以下技术方案：

一种模块化全直流光伏系统，包括光伏电池组、n个DC-DC变换器模块，以及模块化级联多电平逆变器，所述每一个光伏电池为一个光伏阵列，每一个光伏阵列与一个DC-DC变换器模块的输入端相连，所述DC-DC变换器的输出端依次串联，所述多个DC-DC变换器输出端串联构建直流母线，所述模块化级联多电平逆变器直流侧为直流母线，通过开关控制将能量从直流形式逆变为交流形式。

所述的n个DC-DC变换器模块之间无信号线互联，n个DC-DC变换器模块与模块化级联多电平逆变器之间无信号线互连。

所以各个DC-DC变换器模块的输出端口电流值完全相同，其端口电压值的比例关系等于流过各个DC-DC变换器模块的功率值的比值。

所述的DC-DC变换器模块的输出电压值取决于母线电压值和端口电压值的比例。

所述的每一个DC-DC变换器连接有各自的控制回路，以控制光伏阵列的输入，保证DC-DC输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点。

一种基于所述的一种模块化全直流光伏系统的控制方法，所述模块化级联多电平逆变器对直流母线的给定信号Vref的平方求工频周期平均，然后与直流母线的实际电压信号的平方的工频周期平均值作差后反相经PI调节后除以网侧电压的D轴前馈信号，最后对齐限幅后作为网侧电流D轴给定信号I_dref，以控制模块化级联多电平逆变器输出有功功率。

所述网侧电流D轴给定信号和模块化级联多电平逆变器无功功率的网侧电流Q轴给定信号分别于网侧电流D轴和Q轴的反馈信号最差后经PI调节生成模块化级联多电平逆变器输出电压D轴和Q轴给定信号，最后经坐标转换并限幅后得到模块化级联多电平逆变器三相控制信号。

所述DC-DC变换器检测到光伏阵列的输出电压和输出电流后，经DC-DC变换器自身的MPPT计算单元调节后得到最大功率点处的电压信号值，通过闭环控制，保证DC-DC输入端工作在光伏阵列当前的最大功率点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)整个光伏电厂通过多个DC-DC变换器模块串联构建高压小电流系统结构，替代了传统的低压大电流并联连接方式，可以有效降低线路损耗，提高整体系统效率。

2)每个DC-DC变换器装置承受1/n的直流母线电压(n为串联DC-DC模块数)，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，通过高频化的方法降低了DC-DC装置模块的成本，提高了功率密度；此外，该模块化DC-DC变换器正常工作于单位电压增益工作点，转换效率高。

3)在系统扩容、减容情况下，新的光伏阵列或者储能装置仅需一级DC-DC变换电路，即可实现并网发电和能量管理。与传统结构相比，省去了逆变环节，有助于效率优化；同时直流母线接入方式无需追踪电网电压的相位，因此控制也得以简化。