[发明专利]基于三端口功率通道的模块化光伏并网系统及控制方法

说明书

本发明公开一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网系统及控制方法，包括：前级三端口隔离型DC/DC光伏变换器、后级三相半桥级联MMC及其组合。前级三端口DC/DC变换器采用三绕组高频变压器进行隔离，输入端口连接光伏阵列，两个输出端口分别连接至MMC各相单元上下桥臂的两个子模块。MMC的半桥级联结构使输出电压为各子模块输出电压的叠加，通过载波移相调制大大减小输出电流谐波，从而可以直接连接中压交流、中压直流电网。该拓扑通过功率解耦控制，可以将功率解耦电容容量降低数十倍，大大减小了系统的体积。此外，该拓扑相单元间的光伏功率通过直流链路以直流环流的形式平衡，因此很好的解决了光伏功率失配问题。

技术领域

本发明涉及一种基于三端口功率通道的新型模块化拓扑结构，特别涉及一种用于三相光伏并网发电系统的级联模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流侧电压波动抑制以及各桥臂之间光伏功率平衡的光伏发电系统，属于电力电子电能变换技术领域。

背景技术

太阳能作为一种可再生清洁能源，正越来越受到人们的重视，光伏发电站正向着大型化、并网化方向发展。传统的集中式光伏阵列易使最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)落入局部功率最大点，导致光伏利用率低。且随着电压、功率等级的提高，传统的两电平、三电平电压源型逆变器已经无法满足要求。而MMC有模块化、易拓展、输出电流谐波小等优点，且可以实现光伏本地交流并网的同时实现远距离直流输电，在大型光伏并网系统中具有很大的发展前景。通过将光伏阵列拆分为多个小模块，并分别经过DC/DC变换器连接至MMC的每个子模块，MPPT在各个模块分别实现，可以有效提高光伏利用率。

对于基于MMC的三相模块化光伏并网系统，通常需要解决几个关键问题。

光伏面板对地寄生电容易使系统产生泄漏电流，因此通常需要采用隔离型的光伏DC/DC变换器，这需要给MMC的每个子模块端口增加一个高频变压器，从而抑制泄漏电流。

MMC各个子模块的输出功率存在很大的一倍频、二倍频以及高频分量波动，通常需要在每个子模块的直流侧使用大容量的电解电容进行功率解耦，由于大容量电解电容体积庞大且寿命有限，使得整个系统的占地面积大，同时使用寿命短。因此需要采用功率解耦技术来尽可能的减小功率解耦电容的容量，从而以小容量、长寿命的薄膜电容来替代电解电容，主要分为：①外加功率解耦电路，但由于需要给每个端口都增加功率解耦电路，因此硬件实现比较复杂；②采用环流控制等控制方法减小功率波动，但对于MMC同一个相单元的上下桥臂而言，环流所补偿的功率是相等的，因此仅能补偿上下臂电容纹波的二倍频共模分量，而幅度更大的一倍频、三倍频差模分量纹波无法被抵消。

由于系统的各个模块分别进行MPPT控制，因此当光照强度不均匀或设备参数差异，各桥臂之间容易出现功率失配，使流入电网的电流不对称，极大限制了模块化光伏并网系统的应用。目前已有的研究主要采用基频环流注入法等功率失配消除策略来解决，但这种控制方法需要采集各个模块的光伏功率，增加了系统的复杂性。控制复杂且均为开环控制，平衡效果存在误差。

综上所述，现有技术的主要问题是：MMC系统通常需要采用容量体积较大的电解电容进行功率解耦，影响了光伏发电系统的寿命和可靠性；模块化光伏逆变器难以避免出现功率失配问题，现有的拓扑功率失配消除策略平衡能力小且平衡效果差，大大限制了这种结构的实际应用。

为提高模块化光伏并网系统工程应用的可靠性，需要很好的解决光伏功率失配问题。采用新的模块化拓扑使得各相光伏功率失配被自动或采用简单的控制策略消除，以在满足有效提高光伏利用率的同时实现系统的稳定运行。实现光伏并网系统的高效、高功率密度，必须要解决交直流功率解耦电容容量庞大的问题，因此需要提出新的技术以减小所需的电容容量，从而可以采用长寿命、高可靠性的薄膜电容代替电解电容，在提高系统功率密度的同时提高系统的寿命及可靠性。

发明内容