CN104156028A - 一种光伏发电***的mppt补偿器 - Google Patents

一种光伏发电***的mppt补偿器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光伏发电***的MPPT补偿器，包括：DC/DC模块、逆变器和至少两个相互并联的组串，每一个组串均连接至DC/DC模块；所述DC/DC模块的一个输入端连接至母线正极，另一个输入端连接至母线负极；所述DC/DC模块的两个输出端分别与母线和组串相连接或分别通过组串连接至母线；当母线电压与任意一个组串的最大功率点所对应的电压不一致时，该组串所对应的DC/DC模块输出补偿电压，使得每一个组串均工作在其最大的功率点，其中，所述补偿电压。本发明通过每一个组串均与DC/DC模块相串联，进而能够针对每一个组串分别进行电压补偿，使得各个组串均工作在最大功率点，***的总发电量提高了3~5%。

Description

一种光伏发电***的MPPT补偿器
技术领域
本发明涉及一种MPPT补偿器，尤其涉及一种光伏发电***的MPPT补偿器。
背景技术
由于电池板本身的差异性，光伏发电***中的不同的组串即使串接相同个数的电池板，其光伏组串的输出总电压也不一定相同，这就会导致各个光伏组串的最大功率点也会有差异。而太阳能光伏发电***已经取得大规模应用，大型光伏电站是将所有组串电池板都并在一起，却只有一路MPPT，那么，这种大型光伏电站的发电***并不能使每个光伏组串都工作在最大功率点，进而降低了***发电量；而由于光伏组串的特性差异、污染程度和老化程度不一致，每个组串的最大功率点肯定会存在差异的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种针对每一个组串进行电压补偿的光伏发电***的MPPT补偿器，使得每一个组串均工作在最大功率点，提升光伏发电***的发电量，并合理控制成本。
对此，本发明提供一种光伏发电***的MPPT补偿器，包括：DC/DC模块、逆变器和至少两个相互并联的组串，每一个组串均连接至DC/DC模块；所述DC/DC模块的一个输入端连接至母线正极，另一个输入端连接至母线负极；所述DC/DC模块的两个输出端分别与母线和组串相连接或分别通过组串连接至母线；当母线电压V与任意一个组串的最大功率点所对应的电压Vn不一致时，该组串所对应的DC/DC模块输出补偿电压ΔVn，使得每一个组串均工作在其最大的功率点，其中，所述补偿电压ΔVn＝V-Vn。
本发明通过每一个组串均与DC/DC模块相串联，即一个组串或数个组串连接至一个一一对应的DC/DC模块中，进而能够针对每一个组串分别进行电压补偿，使得各个组串均工作在最大功率点，使得整个光伏发电***的总发电量提高了3～5％。。
所述组串为光伏发电***的光伏组串，每一个组串均与DC/DC模块相串联；所述DC/DC模块为具有多路输出的DC/DC模块，该DC/DC模块的每一路输出均与一个组串相串接并均带有MPPT功能，所述DC/DC模块作用于组串的外部；所述DC/DC模块的两个输出端分别与母线和组串相连接，或所述DC/DC模块的两个输出端分别通过组串连接至母线；所述补偿电压ΔVn为DC/DC模块的每一路输出端对各自连接的组串进行输出的补偿电压，该补偿电压能够使得被补偿的组串得以工作在最大功率点之下，而n是代表组串个数的自然数。
所述DC/DC模块通过输出端分别与组串相串联，进而能够针对每一个组串进行电压补偿，例如当母线电压为第二个组串的最大功率点对应的电压V2时，则第二组串达到了最大功率点，但此时第一组串的最大功率点在V1，那么与第一组串对应的DC/DC模块的输出端将输出补偿电压ΔV1＝V2-V1，使得第一组串工作在最大功率点v1；而第三组串对应的DC/DC模块的输出端将输出补偿电压ΔV3＝V2-V3，使得第三组串工作在最大功率点V3。通过本发明的MPPT补偿器，可以使得光伏发电***中的每一个组串均工作在最大功率点，提升了光伏发电***的发电量，同时，由于只是补充部分组串的部分电压差，所以，DC/DC模块的功率很小，成本低。
所述各个组串的最大功率点所对应的电压Vn是各有差异的，那么，在进行补偿之前，可以根据实时测量各个组串的电压和功率关系进而得到各个组串的最大功率点所对应的电压Vn；若测量得到某一个组串的功率随着电压的增大而增大，则说明该组串还未到达其最大功率点，此时，继续加大该组串的电压，比如每次增加2～5V，直到该组串的功率随着电压的增加而减小时，则说明该组串的最大功率点所对应的电压就在本次测量与上次测量之间；然后，逐步缩小对该组串本次测量的电压与上次测量的电压之间的差距，直到找到功率从随着电压的增大而增大转变为随着电压的增大而减小的转折点，则该转折点对应的电压就是该组串最大功率点所对应的电压Vn；因此，在得到每一个组串的最大功率点所对应的电压Vn，就可以得到DC/DC模块的每一路输出所需要对组串进行补偿的补偿电压ΔVn，进而保证每一个组串均工作在最大功率点；而对于最大功率点的误差，则主要取决于两个相邻测量之间的电压差。由于本发明补偿的方式是针对每一个组串进行单独和一对一的电压补偿，补偿反应速度快、效率高，补偿的速度能够达到毫秒级别，比如100毫秒，使得每一个组串均能够快速得到非常有效的电压补偿，真正提升了对光伏发电***的发电量。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线负极，所述DC/DC模块的另一个输出端分别连接至各个组串的负极，所述组串的正极与母线正极相连接。
也就是说，所述DC/DC模块的一个输入端都接到母线正极，另一个输入端都接到母线负极；所述DC/DC模块的一个输出端都接到母线负极，另一个输出端都接到各自的组串中，这样就将DC/DC模块串接放在组串的最下面，在实现了提升光伏发电***的发电量和控制成本的基础上，还使得布线简明、清晰，电路规范有序，不易出错。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线正极，所述DC/DC模块的另一个输出端连接至各个组串正极，所述组串的负极与母线负极相连接。
也就是说，所述DC/DC模块串接在组串的最上面，所述DC/DC模块的一个输入端都接到母线正极，另一个输入端都接到母线负极；所述DC/DC模块的一个输出端都接到母线正极，另一个输出端都接到各个组串的最上端，在实现了提升光伏发电***的发电量和控制成本的基础上，还使得布线简明、清晰，电路规范有序，不易出错。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC模块包括至少两个DC/DC单元，所述DC/DC单元的数量与组串的数量相等，每一个组串均连接一个一一对应的DC/DC单元。通过最基本的DC/DC单元构件多路输出的DC/DC模块，每一个组串均连接一个一一对应的DC/DC单元，每一个DC/DC单元均带有MPPT功能，使得对每一个组串的MPPT控制更为灵活有效，针对性强，效率高。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC单元的一个输出端均直接连接至母线，另一个输出端则与各自对应的组串相串接，所述DC/DC单元和与之串联的组串之间组成新组串，各个新组串之间相互并联。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC模块包括控制器、第一级变换器和第二级变换器，所述控制器分别与第一级变换器和第二级变换器相连接。其中，所述第一级变换器优选通过隔离型全桥移相单元来实现，所述第二级变换器优选通过降压单元来实现。
本发明的进一步改进在于，所述第二级变换器的数量与组串的数量相等，所述控制器和第一级变换器分别通过第二级变换器连接至一一对应的组串的工作回路。
本发明的进一步改进在于，所述控制器分别发送驱动信号至第一级变换器和第二级变换器；所述控制器分别采集第一级变换器的输入电压和第二级变换器的输出电压，进而控制每一个第二级变换器的输出电压，即进而控制对第二级变换器的输出电压调整。
本发明的进一步改进在于，所述DC/DC模块包括MPPT单元，所述MPPT单元包括以下步骤：首先，控制器采集组串的电压和电流，计算出当前组串的输出总功率；其次，第一级变换器和第二级变换器开始工作，尝试增大或减少当前组串的输出电压；然后，控制器再次采集该组串的电压和电流，如果该组串功率增加，则再次向同方向调整其输出电压；如果功率下降，则向反方向尝试调整其输出电压；直到找到该组串的最大功率点。
其中，所述MPPT单元用于实现对每一个组串的MPPT功能。
本发明的进一步改进在于，所述逆变器也包括MPPT模块，用于实现对母线电压的调整；所述逆变器的MPPT模块工作周期远大于DC/DC模块的MPPT单元的工作周期，两者的实现步骤一样。
逆变器的MPPT模块周期长，负责将母线电压调整至***最大功率输出点。而DC/DC模块的MPPT单元在稳定的母线电压之上，负责补偿组串之前最大功率点的电压差，使得每个组串工作在最大功率点。因为DC/DC模块输出电压较低，如果母线电压过低或过高，使得母线电压远离组串的最大功率点电压，则DC/DC模块无法将组串电压调整至最大功率点。因此，需要逆变器的MPPT模块和DC/DC模块的MPPT单元相互配合，才能使得组串输出最大功率。实际上，光伏逆变器自身的MPPT模块的速度为秒级，DC/DC模块的MPPT单元只需要小于100mS即可实现组串的最大功率跟踪。
因为DC/DC模块的输出电压远远低于母线，因此DC/DC模块的功率较小，成本低。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过所述DC/DC模块的多个输出端分别与每一个组串进行串联，进而能够针对每一个组串分别进行电压补偿，使得各个组串均工作在其最大功率点，提升了光伏发电***的发电量。
实际测试结果表明，引入DC/DC模块的MPPT补偿器，在西北大型地面光伏电站中，***的发电量能提升1～3％左右，每年收益增加可达8万/MW，MPPT补偿器0.5～2年即可回收成本，而光伏电站的运行寿命为25年，客户可持续获利多年。且使用年限越长，组件老化、污染差异性越大，MPPT补偿器效果就越好。因此，MPPT补充能够客户到来巨大的收益。而分布式的光伏发电***中，组件安装方位变化较大，遮挡位置情况差异大，呈现较大的特性差异，使用MPPT补偿器的光伏发电***的发电量提升可达3～5％，客户收益更加明显。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图；
图2是本发明一种实施例的组串的功率和工作电压的关系示意图；
图3是本发明另一种实施例的结构示意图；
图4是本发明另一种实施例的DC/DC模块的电路拓扑图；
图5是本发明再一种实施例的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本例提供一种光伏发电***的MPPT补偿器，包括：DC/DC模块、逆变器和至少两个相互并联的组串；所述DC/DC模块的一个输入端连接至母线正极，另一个输入端连接至母线负极；所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线，另一个输出端分别与各自的组串相串联，所述组串分别与母线相连接；所述母线正极和母线负极分别连接至逆变器；当母线电压V与任意一个组串的最大功率点所对应的电压Vn不一致时，所述DC/DC模块输出补偿电压ΔVn至该组串所在的工作回路，使得每一个组串工作在其最大的功率点，其中，所述补偿电压ΔVn＝V-Vn。图1只是一个简化的结构示意图，实际上，组串(光伏电池板)还需要经过汇流箱和配电柜，最后接入逆变器之中。
现有技术中，由于组串的特性差异、污染程度和老化程度不一致，每个组串的最大功率点均有可能存在差异。
如图2所示，第一组串的最大功率点所对应的电压在V1，第二组串的最大功率点所对应的电压在V2，第三组串的最大功率点所对应的电压在V3；当所有的组串都并联在一起时，每个组串的工作电压都一致，如***母线电压工作在V2时，则第二组串达到了最大功率点，而第一组串和第三组串均没有达到最大功率点，这样就会导致整个光伏发电***的发电量降低。
本例所述组串为光伏发电***的光伏组串，每一个组串均与DC/DC模块相串联；所述DC/DC模块为具有多路输出的DC/DC模块，其每一路输出均带有MPPT功能，MPPT为最大功率点跟踪；所述补偿电压ΔVn为DC/DC模块的每一路输出端对各自连接的组串进行输出的补偿电压，该补偿电压能够使得被补偿的组串得以工作在最大功率点之下，而n是代表组串个数的自然数。
本例所述DC/DC模块通过输出端分别与组串相串联，进而能够针对每一个组串进行电压补偿，例如当母线电压为第二个组串的最大功率点对应的电压V2时，则第二组串达到了最大功率点，但此时第一组串的最大功率点在V1，那么与第一组串对应的DC/DC模块的输出端将输出补偿电压ΔV1＝V2-V1，使得第一组串工作在最大功率点v1；而第三组串对应的DC/DC模块的输出端将输出补偿电压ΔV3＝V2-V3，使得第三组串工作在最大功率点V3。通过本例的MPPT补偿器，可以使得光伏发电***中的每一个组串均工作在最大功率点，提升了光伏发电***的发电量，同时，由于只是补充部分组串的部分电压差，所以，DC/DC模块的功率很小，成本低。
所述各个组串的最大功率点所对应的电压Vn是各有差异的，那么，在进行补偿之前，本例可以根据实时测量各个组串的电压和功率关系进而得到各个组串的最大功率点所对应的电压Vn；若测量得到某一个组串的功率随着电压的增大而增大，则说明该组串还未到达其最大功率点，此时，继续加大该组串的电压，比如每次增加2～5V，直到该组串的功率随着电压的增加而减小时，则说明该组串的最大功率点所对应的电压就在本次测量与上次测量之间；然后，逐步缩小对该组串本次测量的电压与上次测量的电压之间的差距，直到找到功率从随着电压的增大而增大转变为随着电压的增大而减小的转折点，则该转折点对应的电压就是该组串最大功率点所对应的电压Vn；因此，在得到每一个组串的最大功率点所对应的电压Vn，就可以得到DC/DC模块的每一路输出所需要对组串进行补偿的补偿电压ΔVn，进而保证每一个组串均工作在最大功率点；而对于最大功率点的误差，则主要取决于两个相邻测量之间的电压差。由于本例补偿的方式是针对每一个组串进行单独和一对一的电压补偿，因此，补偿反应速度快、效率高，补偿的速度能够达到毫秒级别，比如100毫秒，使得每一个组串均能够快速得到非常有效的电压补偿，真正提升了对光伏发电***的发电量和控制成本的目的。
如图1所示，本例所述DC/DC模块的一个输入端都接到母线正极，另一个输入端都接到母线负极；所述DC/DC模块的一个输出端都接到母线负极，另一个输出端都接到各自的组串中，这样就将DC/DC模块串接放在组串的最下面，在实现了提升光伏发电***的发电量和控制成本的基础上，还使得布线简明、清晰，电路规范有序，不易出错。
本例通过所述DC/DC模块的多个输出端分别与每一个组串进行串联，进而能够针对每一个组串分别进行电压补偿，使得各个组串均工作在最大功率点，提升了光伏发电***的发电量，同时，所述DC/DC模块的功率小，成本低。
实施例2：
如图3所示，与实施例1不同的是，本例所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线正极，所述DC/DC模块的另一个输出端连接至各个组串正极，所述组串的负极与母线负极相连接。
也就是说，所述DC/DC模块串接在组串的最上面，所述DC/DC模块的一个输入端都接到母线正极，另一个输入端都接到母线负极；所述DC/DC模块的一个输出端都接到母线正极，另一个输出端都接到各个组串的最上端，在实现了提升光伏发电***的发电量和控制成本的基础上，还使得布线简明、清晰，电路规范有序，不易出错。
实施例3：
在实施例1或实施例2的基础上，本例所述DC/DC模块包括至少两个DC/DC单元，所述DC/DC单元的数量与组串的数量相等，每一个组串均连接一个一一对应的DC/DC单元。通过最基本的DC/DC单元构件多路输出的DC/DC模块，每一个组串均连接一个一一对应的DC/DC单元，每一个DC/DC单元均带有MPPT功能，使得对每一个组串的MPPT控制更为灵活有效，针对性强，效率高。
本例所述至少两个DC/DC单元相互之间并联，所述DC/DC单元的一个输出端均直接连接至母线，另一个输出端则与各自对应的组串相串接。
实施例4：
如图4所示，在实施例1和实施例2的基础上，本例所述DC/DC模块包括控制器、第一级变换器和第二级变换器，所述控制器分别与第一级变换器和第二级变换器相连接。
本例所述第二级变换器的数量与组串的数量相等，所述控制器和第一级变换器分别通过第二级变换器连接至一一对应的组串的工作回路。所述控制器分别发送驱动信号至第一级变换器和第二级变换器；所述控制器分别采集第一级变换器的输入电压和第二级变换器的输出电压，进而控制每一个第二级变换器的输出电压。
本例也适用于实施例3。
实施例5：
在实施例4的基础上，所述DC/DC模块包括MPPT单元，所述MPPT单元包括以下步骤：首先，控制器采集组串的电压和电流，计算出当前组串的输出总功率；其次，第一级变换器和第二级变换器开始工作，尝试增大或减少当前组串的输出电压；然后，控制器再次采集该组串的电压和电流，如果该组串功率增加，则再次向同方向调整其输出电压，即原来是增大输出电压还继续增大其输出电压，原来是减少输出电压就继续减少其输出电压；如果功率下降，则向反方向尝试调整其输出电压，即原来是增大输出电压就改变为减少其输出电压，原来是减少输出电压就改变为增大其输出电压；直到找到该组串的最大功率点。如此循环工作，即可实现每一个组串的MPPT功能。
图5为本例的MPPT单元的实现工作流程图，如图5所示，初始化之后，控制器采集组串的电压Vk和电流值Ik，计算出当前组串的输出总功率；其次，第一级变换器和第二级变换器开始工作，尝试增大或减少当前组串的输出电压，即第二级变换器输出△V；然后，控制器再次采集该组串的电压Vk+1和电流值Ik+1，如果该组串功率增加，即Vk+1*Ik+1＞Vk*Ik，则再次向同方向调整其输出电压，即原来是增大输出电压△V还继续增大其输出电压△V，原来是减少输出电压△V就继续减少其输出电压△V；如果功率下降，则向反方向尝试调整其输出电压，即原来是增大输出电压△V就改变为减少其输出电压△V，原来是减少输出电压△V就改变为增大其输出电压△V；然后将当前新的输出电压/电流数值赋给Vk和Ik，即Vk＝Vk+1，Ik＝Ik+1，进入下一个循环。如此循环工作，即可实现每一个组串的MPPT功能，所述k为自然数。
其中，所述MPPT单元用于实现对每一个组串的MPPT功能。
本例的进一步改进在于，所述逆变器也包括MPPT模块，用于实现对母线电压的调整；所述逆变器的MPPT模块工作周期比DC/DC模块的MPPT单元的工作周期长。
所述逆变器也包括MPPT模块，所述逆变器的MPPT模块的反应速度要求较低，只要补偿的速度能够达到秒级别就已经足够支持母线的合理调整。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，包括：DC/DC模块、逆变器和至少两个相互并联的组串，每一个组串均连接至DC/DC模块；所述DC/DC模块的一个输入端连接至母线正极，另一个输入端连接至母线负极；所述DC/DC模块的两个输出端分别与母线和组串相连接或分别通过组串连接至母线；当母线电压V与任意一个组串的最大功率点所对应的电压Vn不一致时，该组串所对应的DC/DC模块输出补偿电压ΔVn，使得每一个组串均工作在其最大的功率点，其中，所述补偿电压ΔVn＝V-Vn。
2.根据权利要求1所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线负极，所述DC/DC模块的另一个输出端分别连接至各个组串的负极，所述组串的正极与母线正极相连接。
3.根据权利要求1所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC模块的一个输出端连接至母线正极，所述DC/DC模块的另一个输出端连接至各个组串正极，所述组串的负极与母线负极相连接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC模块包括至少两个DC/DC单元，所述DC/DC单元的数量与组串的数量相等，每一个组串均连接一个一一对应的DC/DC单元。
5.根据权利要求4所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC单元的一个输出端均直接连接至母线，另一个输出端则与各自对应的组串相串接，所述DC/DC单元和与之串联的组串之间组成新组串，各个新组串之间相互并联。
6.根据权利要求4所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC模块包括控制器、第一级变换器和第二级变换器，所述控制器分别与第一级变换器和第二级变换器相连接。
7.根据权利要求6所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述第二级变换器的数量与组串的数量相等，所述控制器和第一级变换器分别通过第二级变换器连接至一一对应的组串的工作回路。
8.根据权利要求6所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述控制器分别发送驱动信号至第一级变换器和第二级变换器；所述控制器分别采集第一级变换器的输入电压和第二级变换器的输出电压，进而控制对第二级变换器的输出电压调整。
9.根据权利要求6所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述DC/DC模块包括MPPT单元，所述MPPT单元包括以下步骤：首先，控制器采集组串的电压和电流，计算出当前组串的输出总功率；其次，第一级变换器和第二级变换器开始工作，尝试增大或减少当前组串的输出电压；然后，控制器再次采集该组串的电压和电流，如果该组串功率增加，则再次向同方向调整其输出电压；如果功率下降，则向反方向尝试调整其输出电压；直到找到该组串的最大功率点。
10.根据要求9所述的光伏发电***的MPPT补偿器，其特征在于，所述逆变器包括MPPT模块，用于实现对母线电压的调整；所述逆变器的MPPT模块工作周期比DC/DC模块的MPPT单元的工作周期长。
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