CN101702523A - 一种分布式模块化并网发电***及其控制方法 - Google Patents

一种分布式模块化并网发电***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式模块化并网发电***及其控制方法，属于电力电子变换及并网发电领域。该***包括由n个子直流电源组成的直流电源(1)、由n个子DC/DC变换器组成的DC/DC变换器(2)及由n个子DC/AC变换器组成的DC/AC变换器(3)，n为大于1的自然数，每个子直流电源均串接一个子DC/DC变换器后连入直流母线，每个子DC/AC变换器的输入端均接入直流母线，输出端均连入电网母线。本发明根据直流母线的电压大小，使所有子DC/AC变换器中的一个非满载工作，一部分满载工作，其余的自动关闭，使***始终工作在最大效率状态。该***应用于光伏并网发电则更具有意义。

Description

一种分布式模块化并网发电***及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电***，尤其涉及一种分布式模块化并网发电***及其控制方法，属于电力电子变换及并网发电领域。
背景技术
随着传统燃料能源的紧缺，太阳能、风能等可再生能源由于其具有环保、无能源消耗等诸多优点，逐渐得到了广泛的关注和研究。
目前的分布式光伏发电***主要是在DC/DC变换器处实现分布式并联，即一个光伏阵列分别与一个DC/DC变换器连接，实现最大功率跟踪，避免集中式的光伏阵列所导致的相互影响，提高最大功率跟踪的效率，DC/DC变换器输出并联后通过一个大容量集中式逆变器进行DC/AC变换，把能量送入电网，因此，在光伏阵列输出功率较小时，DC/AC变换器工作在轻载状态，导致DC/AC变换器的效率较低，降低了整个光伏发电***的效率。
针对这一缺点，有人提出了采用模块化的DC/DC和DC/AC模块作为并网逆变模块，通过集中显示控制模块将并网总功率除以并网逆变模块单模块功率，获得整数N；然后对各并网逆变模块进行控制，使第1号～第N号并网逆变模块处于满负荷工作状态，第N+1号并网逆变模块受MPPT调节控制，将大于N+1号的并网逆变模块全部关闭，从而使光伏并网发电***整机始终工作在最大效率状态。但是该方法需要控制信号互连线，增加了***的复杂性，且由于其采用集中式光伏阵列，降低了光伏阵列的最大功率跟踪效果。
发明内容
本发明针对背景技术中并网发电技术存在的缺陷，而提出一种无集中控制模块、无控制信号互连线、最大功率跟踪效率高、尤其适用于光伏发电的分布式模块化并网发电***及其控制方法。
本发明的分布式模块化并网发电***，包括直流电源、DC/DC变换器和DC/AC变换器，所述直流电源包括n个子直流电源，所述DC/DC变换器包括n个子DC/DC变换器，所述DC/AC变换器包括n个子DC/AC变换器，n为大于1的自然数，每个子直流电源的输出端均串接一个子DC/DC变换器后连入直流母线，每个子DC/AC变换器的输入端均接入直流母线，每个子DC/AC变换器的输出端均连入电网母线。
所述n个子DC/DC变换器之间无控制信号互连线，所述n个子DC/AC变换器之间也无控制信号互连线。
基于上述分布式模块化并网发电***的控制方法，所有子DC/DC变换器的控制过程相同，所有子DC/AC变换器的控制过程相同，具体内容如下：
(一)子DC/DC变换器的控制过程分如下两种情况：
A.当直流电源为可再生能源电源时，子DC/DC变换器的控制过程如下：
可再生能源电源的输出电压VPV和输出电流IPV经过MPPT调节后得到子DC/DC变换器的输入电压反馈信号，该信号与子DC/DC变换器的输入电压采样信号Vif经过电压调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器将能量输入直流母线；
B.当直流电源为直流电压源时，子DC/DC变换器的控制过程如下：
输入功率给定信号Pref除以输入电源电压采样信号Vi得到输入电流给定信号，该信号与输入电流反馈信号Ip经过电压调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器将能量输入直流母线；
(二)子DC/AC变换器的控制过程：
直流母线电压给定信号Vref与直流母线电压反馈信号BUS进行电压调节后，对电压调节器的输出进行限幅，以限定该子DC/AC变换器的满载输出功率；
当电压调节器正向饱和时，该子DC/AC变换器输出满载功率；
当电压调节器负向饱和时，该子DC/AC变换器输出功率为零；
限幅后的信号乘以电网电压相位信号PLL后与并网电流反馈信号If进行电流调节，电流调节后的输出信号与三角载波信号vst进行调制，得到该子DC/AC变换器四个开关管的驱动信号G1、G2、G3、G4；
当电压调节器的输出小于封锁驱动的阀值信号DRV时，封锁该子DC/AC变换器的开关管驱动；
当电压调节器的输出大于封锁驱动的阀值信号DRV时，开启该子DC/AC变换器的开关管驱动。
本发明具有如下有益效果：
1)由于***中只有一个子DC/AC变换器处于非满载工作状态，因此DC/AC功率转换效率始终处于最大状态，提高了整个***的工作效率，避免了采用集中式逆变或者模块均流输出所导致的轻载时转换效率低下的问题；
2)由于采用分布式直流电源，减小了各子直流电源之间的相互影响，提高了最大功率跟踪的效率；
3)由于***中各子DC/DC变换器间、各子DC/AC变换器间没有控制信号互连线，减小了***的复杂性，缩短了维护时间，增强了使用的灵活性；
本发明尤其对光伏并网发电具有很高的使用价值，在任何状态均能获得最大的转换效率，最大程度地利用太阳能。
附图说明
图1是本发明的实施例结构示意图，图中标号：1-直流电源；2-DC/DC变换器；3-DC/AC变换器。
图2是本发明输入为可再生能源电源时的子DC/DC变换器控制电路图。
图3是本发明输入为直流电压源时的子DC/DC变换器控制电路图。
图4是本发明中子DC/AC变换器的控制电路图。
图2、图3、图4中：VPV为可再生能源电源的输出电压；IPV为可再生能源电源的输出电流；Vif为子DC/DC变换器的输入电压采样信号；Pref为输入功率给定信号；Vi为输入电源电压采样信号；Ip为输入电流反馈信号；vst为三角载波信号；GS1为子DC/DC变换器开关管的驱动信号；Vref为直流母线电压给定信号；BUS为直流母线电压反馈信号；PLL为电网电压相位信号；If为并网电流反馈信号；DRV为封锁驱动的阀值信号；G1、G2、G3、G4分别为子DC/AC变换器中四个开关管的驱动信号。
图5是本发明输入为直流电压源时实施例的***电路原理图，图中：Vi1、Vi2、Vi3、Vi4分别为1至4号子直流电压源的电压采样信号；Ip1、Ip2、Ip3、Ip4分别为1至4号子DC/DC变换器的输入电流反馈信号；vGS1、vGS2、vGS3、vGS4分别为1至4号子DC/DC变换器开关管的驱动信号；BUS1、BUS2、BUS3、BUS4分别为1至4号子DC/AC变换器的母线电压反馈信号；q1～q4、q5～q8、q9～q12、q13～q16分别为1至4号子DC/AC变换器开关管的驱动信号；if1、if2、if3、if4分别为1至4号子DC/AC变换器的并网电流反馈信号；grid为交流电网。
具体实施方式
本发明实施例的***结构如图1所示，包括直流电源1、DC/DC变换器2和DC/AC变换器3，其中：直流电源1采用可再生能源电源中的光伏阵列，共包括n个子光伏阵列，DC/DC变换器2包括n个子DC/DC变换器，DC/AC变换器3包括n个子DC/AC变换器，n为大于1的自然数，各子DC/DC变换器之间、子DC/AC变换器之间均没有控制信号互连线，每个子光伏阵列的输出端均串接一个子DC/DC变换器组成发电单元后连入公共直流母线，每个子DC/AC变换器的输入端均接入公共直流母线，每个子DC/AC变换器的输出端均连入电网母线。
当直流电源为光伏阵列时，每个子DC/DC变换器对相连的子光伏阵列进行最大功率点跟踪，分别把每个子光伏阵列的能量以最大功率送入直流母线。每个子DC/AC变换器对直流母线电压的给定与反馈信号进行电压调节，对电压调节器的输出进行限幅，从而限定了该子DC/AC变换器能够输出的最大功率，该电压调节器的输出与封锁驱动的阀值信号比较，决定该子DC/AC变换器开关管驱动信号的开启和封锁。电压调节器的输出乘以电网电压的相位信号作为并网电流给定，从而把直流母线上的能量以单位功率因数送入电网，同时稳定直流母线的电压。由于模拟器件离散性的不同，导致各子DC/AC变换器的直流母线电压反馈系数不同。如果各有M个子DC/DC变换器和子DC/AC变换器，每个子DC/DC变换器和子DC/AC变换器的最大功率均是P1，由于模拟器件的离散性，每个子DC/AC变换器的直流母线电压的反馈系数为K1＞K2＞…＞KN＞KN+1＞…＞KM。假设此时光伏阵列能够输出的最大总功率为PT，为了保持母线电压的稳定，DC/AC变换器输出的总功率应该与光伏阵列输出的总功率相同，DC/AC变换器输出的总功率为N*P1+P2＝PT，其中P2＜P1，P1为母线电压反馈系数最大的N个子DC/AC变换器在其电压调节器正向饱和时处于满载工作状态的输出功率，P2为第N+1个子DC/AC变换器工作在非满载状态的输出功率；母线电压反馈系数较小的M-N-1个子DC/AC变换器的电压调节器输出为零，处于自动关闭状态。母线电压的大小由处于工作状态中的母线电压反馈系数最小的子DC/AC变换器决定。
如图2所示是本发明输入为可再生能源电源时的子DC/DC变换器控制电路图。可再生能源电源的输出电压VPV和输出电流IPV经过MPPT调节后得到子DC/DC变换器的输入电压反馈信号，该信号与子DC/DC变换器的采样信号Vif经过电压调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器以最大功率将能量输入直流母线。
如图3所示是本发明输入为直流电压源时的子DC/DC变换器控制电路图。输入功率给定信号Pref除以输入电源电压采样信号Vi得到输入电流给定信号，该信号与输入电流反馈信号Ip经过电压PI调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器将能量输入直流母线。
如图4所示是本发明中子DC/AC变换器的控制电路图。直流母线电压给定信号Vref与直流母线电压反馈信号BUS进行电压PI调节后，对PI调节器的输出进行限幅，以限定该子DC/AC变换器的满载输出功率。当PI调节器正向饱和时，该子DC/AC变换器输出满载功率；当PI调节器负向饱和时，该子DC/AC变换器输出功率为零；限幅后的信号乘以电网电压相位信号PLL后与并网电流反馈信号If进行电流P调节，电流调节后的输出信号与三角载波信号vst进行单极性倍频调制，得到该子DC/AC变换器四个开关管的驱动信号G1、G2、G3、G4；当PI调节器的输出小于封锁驱动的阀值信号DRV时，封锁该子DC/AC变换器的开关管驱动；当PI调节器的输出大于封锁驱动的阀值信号DRV时，开启该子DC/AC变换器的开关管驱动。
图5是本发明输入为直流电压源时实施例的***电路原理图。该并网发电***由四个子直流电压电源、四个子DC/DC变换器、四个子DC/AC变换器及电网组成。每个子DC/DC变换器的输入与电源相连，输出与直流母线相连，每个子DC/DC变换器之间无控制信号互连线，每个子DC/DC变换器的控制电路均与图3所示的控制电路相同，每个子DC/DC变换器控制电路的参数完全相同，由输入功率给定信号决定送入直流母线能量的大小；每个子DC/AC变换器的输入与直流母线相连，输出接隔离变压器后连入电网，每个子DC/AC变换器之间无控制信号互连线，每个子DC/AC变换器的控制电路均与图4所示的控制电路相同。每个子DC/AC变换器的最大功率均是1000W，考虑到模拟器件的离散性不完全相同，1至4号子DC/AC变换器的母线电压反馈系数分别为0.0102、0.0101、0.01、0.0099，其余控制参数完全相同，母线电压给定为4V，使得母线电压稳定在400V。当DC/DC变换器的给定总功率小于1000W时，1号子DC/AC变换器由于母线电压反馈系数最大，最先开始工作，其余的子DC/AC变换器的电压调节器负向饱和，开关管驱动被封锁；当DC/DC变换器的给定总功率大于1000W小于2000W时，1号子DC/AC变换器由于母线电压反馈系数最大，电压调节器最先正向饱和，以最大功率1000W满载工作，2号子DC/AC变换器的母线电压反馈系数大于3号和4号，2号子DC/AC变换器的电压调节器由负向饱和变为正常工作，开关管驱动被开启，3号和4号的电压调节器仍然负向饱和，开关管驱动仍被封锁；当DC/DC变换器的给定总功率大于2000W小于3000W时，母线电压反馈系数较大的1号和2号子DC/AC变换器的电压调节器正向饱和，3号的电压调节器正常工作，4号的电压调节器负向饱和，因此1号和2号子DC/AC变换器满载工作，3号非满载工作，4号自动关闭。同理，当DC/DC变换器的给定总功率大于3000W小于4000W时，1号至3号子DC/AC变换器满载工作，4号非满载工作，母线电压大小由处于工作状态的母线电压反馈系数最小的子DC/AC变换器决定，因此在该***中母线电压最终稳定在396V。当DC/DC变换器的给定总功率大于4000W时，由于1号至4号子DC/AC变换器均已达到最大功率，母线电压将不断升高，因此该分布式并网发电***正常工作的前提是DC/AC变换器的总功率应大于或等于DC/DC变换器的输入总功率。当DC/DC变换器的给定总功率不断变大时，子DC/AC变换器的启动顺序依次是1号、2号、3号、4号；当DC/DC变换器的给定总功率不断减小时，子DC/AC变换器的关断顺序依次是4号、3号、2号、1号。如果存在两个子DC/AC变换器的母线电压反馈系数相同，则这两个子DC/AC变换器同时启动和关断，但是由于模拟器件的离散性，这种情况一般不会出现。

Claims (4)

1.一种分布式模块化并网发电***，包括直流电源(1)、DC/DC变换器(2)和DC/AC变换器(3)，其特征在于：所述直流电源(1)包括n个子直流电源，所述DC/DC变换器(2)包括n个子DC/DC变换器，所述DC/AC变换器(3)包括n个子DC/AC变换器，n为大于1的自然数，每个子直流电源的输出端均串接一个子DC/DC变换器后连入直流母线，每个子DC/AC变换器的输入端均接入直流母线，每个子DC/AC变换器的输出端均连入电网母线。
2.根据权利要求1所述的分布式模块化并网发电***，其特征在于：所述直流电源(1)为直流电压源或可再生能源电源。
3.根据权利要求1所述的分布式模块化并网发电***，其特征在于：所述n个子DC/DC变换器之间无控制信号互连线，所述n个子DC/AC变换器之间也无控制信号互连线。
4.一种基于权利要求1所述的分布式模块化并网发电***的控制方法，其特征在于：所有子DC/DC变换器的控制过程相同，所有子DC/AC变换器的控制过程相同，具体内容如下：
(一)子DC/DC变换器的控制过程分如下两种情况：
A.当直流电源(1)为可再生能源电源时，子DC/DC变换器的控制过程如下：
可再生能源电源的输出电压VPV和输出电流IPV经过MPPT调节后得到子DC/DC变换器的输入电压反馈信号，该信号与子DC/DC变换器的输入电压采样信号Vif经过电压调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器将能量输入直流母线；
B.当直流电源(1)为直流电压源时，子DC/DC变换器的控制过程如下：
输入功率给定信号Pref除以输入电源电压采样信号Vi得到输入电流给定信号，该信号与输入电流反馈信号Ip经过电压调节后得到两者的误差信号，该误差信号与三角载波信号vst交截得到该子DC/DC变换器开关管的驱动信号GS1，控制该子DC/DC变换器将能量输入直流母线；
(二)子DC/AC变换器的控制过程：
直流母线电压给定信号Vref与直流母线电压反馈信号BUS进行电压调节后，对电压调节器的输出进行限幅，以限定该子DC/AC变换器的满载输出功率；
当电压调节器正向饱和时，该子DC/AC变换器输出满载功率；
当电压调节器负向饱和时，该子DC/AC变换器输出功率为零；
限幅后的信号乘以电网电压相位信号PLL后与并网电流反馈信号If进行电流调节，电流调节后的输出信号与三角载波信号vst进行调制，得到该子DC/AC变换器四个开关管的驱动信号G1、G2、G3、G4；
当电压调节器的输出小于封锁驱动的阀值信号DRV时，封锁该子DC/AC变换器的开关管驱动；
当电压调节器的输出大于封锁驱动的阀值信号DRV时，开启该子DC/AC变换器的开关管驱动。
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