專利名稱：一種分布式模塊化并網發電系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種發電系統，尤其涉及
法，屬于電力電子變換及并網發電領域。
種分布式模塊化并網發電系統及其控制方
背景技術：
隨著傳統燃料能源的緊缺，太陽能、風能等可再生能源由于其具有環保、無能源消 耗等諸多優點，逐漸得到了廣泛的關注和研究。
目前的分布式光伏發電系統主要是在DC/DC變換器處實現分布式并聯，即一個光
伏陣列分別與一個DC/DC變換器連接，實現最大功率跟蹤，避免集中式的光伏陣列所導致
的相互影響，提高最大功率跟蹤的效率，DC/DC變換器輸出并聯后通過一個大容量集中式逆
變器進行DC/AC變換，把能量送入電網，因此，在光伏陣列輸出功率較小時，DC/AC變換器工
作在輕載狀態，導致DC/AC變換器的效率較低，降低了整個光伏發電系統的效率。 針對這一缺點，有人提出了采用模塊化的DC/DC和DC/AC模塊作為并網逆變模塊，
通過集中顯示控制模塊將并網總功率除以并網逆變模塊單模塊功率，獲得整數N;然后對
各并網逆變模塊進行控制，使第1號 第N號并網逆變模塊處于滿負荷工作狀態，第N+1號
并網逆變模塊受MPPT調節控制，將大于N+1號的并網逆變模塊全部關閉，從而使光伏并網
發電系統整機始終工作在最大效率狀態。但是該方法需要控制信號互連線，增加了系統的
復雜性，且由于其采用集中式光伏陣列，降低了光伏陣列的最大功率跟蹤效果。
發明內容
本發明針對背景技術中并網發電技術存在的缺陷，而提出一種無集中控制模塊、 無控制信號互連線、最大功率跟蹤效率高、尤其適用于光伏發電的分布式模塊化并網發電 系統及其控制方法。 本發明的分布式模塊化并網發電系統，包括直流電源、DC/DC變換器和DC/AC變換 器，所述直流電源包括n個子直流電源，所述DC/DC變換器包括n個子DC/DC變換器，所述 DC/AC變換器包括n個子DC/AC變換器，n為大于l的自然數，每個子直流電源的輸出端均 串接一個子DC/DC變換器后連入直流母線，每個子DC/AC變換器的輸入端均接入直流母線， 每個子DC/AC變換器的輸出端均連入電網母線。 所述n個子DC/DC變換器之間無控制信號互連線，所述n個子DC/AC變換器之間 也無控制信號互連線。 基于上述分布式模塊化并網發電系統的控制方法，所有子DC/DC變換器的控制過
程相同，所有子DC/AC變換器的控制過程相同，具體內容如下( — )子DC/DC變換器的控制過程分如下兩種情況 A.當直流電源為可再生能源電源時，子DC/DC變換器的控制過程如下 可再生能源電源的輸出電壓VPV和輸出電流IPV經過MPPT調節后得到子DC/DC變
換器的輸入電壓反饋信號，該信號與子DC/DC變換器的輸入電壓采樣信號Vif經過電壓調節后得到兩者的誤差信號，該誤差信號與三角載波信號vst交截得到該子DC/DC變換器開關管
的驅動信號Gw，控制該子DC/DC變換器將能量輸入直流母線； B.當直流電源為直流電壓源時，子DC/DC變換器的控制過程如下 輸入功率給定信號PMf除以輸入電源電壓采樣信號、得到輸入電流給定信號，該
信號與輸入電流反饋信號Ip經過電壓調節后得到兩者的誤差信號，該誤差信號與三角載波
信號vst交截得到該子DC/DC變換器開關管的驅動信號GS1，控制該子DC/DC變換器將能量
輸入直流母線； ( 二 )子DC/AC變換器的控制過程 直流母線電壓給定信號VMf與直流母線電壓反饋信號BUS進行電壓調節后，對電
壓調節器的輸出進行限幅，以限定該子DC/AC變換器的滿載輸出功率； 當電壓調節器正向飽和時，該子DC/AC變換器輸出滿載功率； 當電壓調節器負向飽和時，該子DC/AC變換器輸出功率為零； 限幅后的信號乘以電網電壓相位信號PLL后與并網電流反饋信號If進行電流調
節，電流調節后的輸出信號與三角載波信號vst進行調制，得到該子DC/AC變換器四個開關
管的驅動信號GpG2、G3、G4 ; 當電壓調節器的輸出小于封鎖驅動的閥值信號DRV時，封鎖該子DC/AC變換器的 開關管驅動； 當電壓調節器的輸出大于封鎖驅動的閥值信號DRV時，開啟該子DC/AC變換器的 開關管驅動。 本發明具有如下有益效果 1)由于系統中只有一個子DC/AC變換器處于非滿載工作狀態，因此DC/AC功率轉 換效率始終處于最大狀態，提高了整個系統的工作效率，避免了采用集中式逆變或者模塊 均流輸出所導致的輕載時轉換效率低下的問題； 2)由于采用分布式直流電源，減小了各子直流電源之間的相互影響，提高了最大 功率跟蹤的效率； 3)由于系統中各子DC/DC變換器間、各子DC/AC變換器間沒有控制信號互連線，減 小了系統的復雜性，縮短了維護時間，增強了使用的靈活性； 本發明尤其對光伏并網發電具有很高的使用價值，在任何狀態均能獲得最大的轉 換效率，最大程度地利用太陽能。
圖1是本發明的實施例結構示意圖，圖中標號l-直流電源；2-DC/DC變換器； 3-DC/AC變換器。 圖2是本發明輸入為可再生能源電源時的子DC/DC變換器控制電路圖。
圖3是本發明輸入為直流電壓源時的子DC/DC變換器控制電路圖。
圖4是本發明中子DC/AC變換器的控制電路圖。 圖2、圖3、圖4中Vpv為可再生能源電源的輸出電壓；Ipv為可再生能源電源的輸出 電流；Vif為子DC/DC變換器的輸入電壓采樣信號；PMf為輸入功率給定信號；、為輸入電源 電壓采樣信號；IP為輸入電流反饋信號；vst為三角載波信號；GS1為子DC/DC變換器開關管的驅動信號；Vref為直流母線電壓給定信號；BUS為直流母線電壓反饋信號；PLL為電網電壓 相位信號；If為并網電流反饋信號；DRV為封鎖驅動的閥值信號；G" G2、 G3、 G4分別為子DC/ AC變換器中四個開關管的驅動信號。 圖5是本發明輸入為直流電壓源時實施例的系統電路原理圖，圖中Vu、V『Vi3、Vw 分別為1至4號子直流電壓源的電壓采樣信號；Ipl、Ip2、Ip3、Ip4分別為1至4號子DC/DC變 換器的輸入電流反饋信號；vesi、V(;s2、V(;s3、V(;s4分別為1至4號子DC/DC變換器開關管的驅動 信號；BUS1、 BUS2、 BUS3、 BUS4分別為1至4號子DC/AC變換器的母線電壓反饋信號；qi q4、 q5 q8、 q9 q12、 q13 q16分別為1至4號子DC/AC變換器開關管的驅動信號；ifl、 if2、 if3、 if4分別為1至4號子DC/AC變換器的并網電流反饋信號；grid為交流電網。
具體實施例方式
本發明實施例的系統結構如圖1所示，包括直流電源1、 DC/DC變換器2和DC/AC 變換器3，其中直流電源l采用可再生能源電源中的光伏陣列，共包括n個子光伏陣列， DC/DC變換器2包括n個子DC/DC變換器，DC/AC變換器3包括n個子DC/AC變換器，n為 大于1的自然數，各子DC/DC變換器之間、子DC/AC變換器之間均沒有控制信號互連線，每 個子光伏陣列的輸出端均串接一個子DC/DC變換器組成發電單元后連入公共直流母線，每 個子DC/AC變換器的輸入端均接入公共直流母線，每個子DC/AC變換器的輸出端均連入電 網母線。 當直流電源為光伏陣列時，每個子DC/DC變換器對相連的子光伏陣列進行最大功 率點跟蹤，分別把每個子光伏陣列的能量以最大功率送入直流母線。每個子DC/AC變換器 對直流母線電壓的給定與反饋信號進行電壓調節，對電壓調節器的輸出進行限幅，從而限 定了該子DC/AC變換器能夠輸出的最大功率，該電壓調節器的輸出與封鎖驅動的閥值信號 比較，決定該子DC/AC變換器開關管驅動信號的開啟和封鎖。電壓調節器的輸出乘以電網 電壓的相位信號作為并網電流給定，從而把直流母線上的能量以單位功率因數送入電網， 同時穩定直流母線的電壓。由于模擬器件離散性的不同，導致各子DC/AC變換器的直流母 線電壓反饋系數不同。如果各有M個子DC/DC變換器和子DC/AC變換器，每個子DC/DC變 換器和子DC/AC變換器的最大功率均是Pn由于模擬器件的離散性，每個子DC/AC變換器的 直流母線電壓的反饋系數為& > K2 > > KN > KN+1 > > KM。假設此時光伏陣列能夠輸 出的最大總功率為PT，為了保持母線電壓的穩定，DC/AC變換器輸出的總功率應該與光伏陣 列輸出的總功率相同，DC/AC變換器輸出的總功率為，P,P2 = Pt，其中P2 < P工為母線 電壓反饋系數最大的N個子DC/AC變換器在其電壓調節器正向飽和時處于滿載工作狀態的 輸出功率，P2為第N+l個子DC/AC變換器工作在非滿載狀態的輸出功率；母線電壓反饋系 數較小的M-N-l個子DC/AC變換器的電壓調節器輸出為零，處于自動關閉狀態。母線電壓 的大小由處于工作狀態中的母線電壓反饋系數最小的子DC/AC變換器決定。
如圖2所示是本發明輸入為可再生能源電源時的子DC/DC變換器控制電路圖。可 再生能源電源的輸出電壓VPV和輸出電流IPV經過MPPT調節后得到子DC/DC變換器的輸入 電壓反饋信號，該信號與子DC/DC變換器的采樣信號Vif經過電壓調節后得到兩者的誤差信 號，該誤差信號與三角載波信號vst交截得到該子DC/DC變換器開關管的驅動信號GS1，控制 該子DC/DC變換器以最大功率將能量輸入直流母線。
如圖3所示是本發明輸入為直流電壓源時的子DC/DC變換器控制電路圖。輸入功 率給定信號Pref除以輸入電源電壓采樣信號、得到輸入電流給定信號，該信號與輸入電流 反饋信號Ip經過電壓PI調節后得到兩者的誤差信號，該誤差信號與三角載波信號vst交截 得到該子DC/DC變換器開關管的驅動信號GS1 ，控制該子DC/DC變換器將能量輸入直流母線。
如圖4所示是本發明中子DC/AC變換器的控制電路圖。直流母線電壓給定信號 Vref與直流母線電壓反饋信號BUS進行電壓PI調節后，對PI調節器的輸出進行限幅，以限 定該子DC/AC變換器的滿載輸出功率。當PI調節器正向飽和時，該子DC/AC變換器輸出滿 載功率；當PI調節器負向飽和時，該子DC/AC變換器輸出功率為零；限幅后的信號乘以電 網電壓相位信號PLL后與并網電流反饋信號If進行電流P調節，電流調節后的輸出信號與 三角載波信號vst進行單極性倍頻調制，得到該子DC/AC變換器四個開關管的驅動信號4、 G2、G3、G4 ;當PI調節器的輸出小于封鎖驅動的閥值信號DRV時，封鎖該子DC/AC變換器的開 關管驅動；當PI調節器的輸出大于封鎖驅動的閥值信號DRV時，開啟該子DC/AC變換器的 開關管驅動。 圖5是本發明輸入為直流電壓源時實施例的系統電路原理圖。該并網發電系統由 四個子直流電壓電源、四個子DC/DC變換器、四個子DC/AC變換器及電網組成。每個子DC/ DC變換器的輸入與電源相連，輸出與直流母線相連，每個子DC/DC變換器之間無控制信號 互連線，每個子DC/DC變換器的控制電路均與圖3所示的控制電路相同，每個子DC/DC變換 器控制電路的參數完全相同，由輸入功率給定信號決定送入直流母線能量的大小；每個子 DC/AC變換器的輸入與直流母線相連，輸出接隔離變壓器后連入電網，每個子DC/AC變換器 之間無控制信號互連線，每個子DC/AC變換器的控制電路均與圖4所示的控制電路相同。 每個子DC/AC變換器的最大功率均是IOOOW，考慮到模擬器件的離散性不完全相同，I至4 號子DC/AC變換器的母線電壓反饋系數分別為0. 0102、0. 0101、0. 01、0. 0099，其余控制參 數完全相同，母線電壓給定為4V，使得母線電壓穩定在400V。當DC/DC變換器的給定總功 率小于IOOOW時，I號子DC/AC變換器由于母線電壓反饋系數最大，最先開始工作，其余的 子DC/AC變換器的電壓調節器負向飽和，開關管驅動被封鎖；當DC/DC變換器的給定總功 率大于1000W小于2000W時，1號子DC/AC變換器由于母線電壓反饋系數最大，電壓調節器 最先正向飽和，以最大功率1000W滿載工作，2號子DC/AC變換器的母線電壓反饋系數大于 3號和4號，2號子DC/AC變換器的電壓調節器由負向飽和變為正常工作，開關管驅動被開 啟，3號和4號的電壓調節器仍然負向飽和，開關管驅動仍被封鎖；當DC/DC變換器的給定 總功率大于2000W小于3000W時，母線電壓反饋系數較大的1號和2號子DC/AC變換器的 電壓調節器正向飽和，3號的電壓調節器正常工作，4號的電壓調節器負向飽和，因此1號和 2號子DC/AC變換器滿載工作，3號非滿載工作，4號自動關閉。同理，當DC/DC變換器的給 定總功率大于3000W小于4000W時，1號至3號子DC/AC變換器滿載工作，4號非滿載工作， 母線電壓大小由處于工作狀態的母線電壓反饋系數最小的子DC/AC變換器決定，因此在該 系統中母線電壓最終穩定在396V。當DC/DC變換器的給定總功率大于4000W時，由于1號 至4號子DC/AC變換器均已達到最大功率，母線電壓將不斷升高，因此該分布式并網發電系 統正常工作的前提是DC/AC變換器的總功率應大于或等于DC/DC變換器的輸入總功率。當 DC/DC變換器的給定總功率不斷變大時，子DC/AC變換器的啟動順序依次是1號、2號、3號、 4號；當DC/DC變換器的給定總功率不斷減小時，子DC/AC變換器的關斷順序依次是4號、3號、2號、1號。如果存在兩個子DC/AC變換器的母線電壓反饋系數相同，則這兩個子DC/AC 變換器同時啟動和關斷，但是由于模擬器件的離散性，這種情況一般不會出現。
權利要求
一種分布式模塊化并網發電系統，包括直流電源(1)、DC/DC變換器(2)和DC/AC變換器(3)，其特征在于所述直流電源(1)包括n個子直流電源，所述DC/DC變換器(2)包括n個子DC/DC變換器，所述DC/AC變換器(3)包括n個子DC/AC變換器，n為大于1的自然數，每個子直流電源的輸出端均串接一個子DC/DC變換器后連入直流母線，每個子DC/AC變換器的輸入端均接入直流母線，每個子DC/AC變換器的輸出端均連入電網母線。
2. 根據權利要求l所述的分布式模塊化并網發電系統，其特征在于所述直流電源(1) 為直流電壓源或可再生能源電源。
3. 根據權利要求l所述的分布式模塊化并網發電系統，其特征在于所述n個子DC/DC 變換器之間無控制信號互連線，所述n個子DC/AC變換器之間也無控制信號互連線。
4. 一種基于權利要求1所述的分布式模塊化并網發電系統的控制方法，其特征在于 所有子DC/DC變換器的控制過程相同，所有子DC/AC變換器的控制過程相同，具體內容如 下( 一 )子DC/DC變換器的控制過程分如下兩種情況A. 當直流電源(1)為可再生能源電源時，子DC/DC變換器的控制過程如下 可再生能源電源的輸出電壓VPV和輸出電流IPV經過MPPT調節后得到子DC/DC變換器的輸入電壓反饋信號，該信號與子DC/DC變換器的輸入電壓采樣信號Vif經過電壓調節后得 到兩者的誤差信號，該誤差信號與三角載波信號vst交截得到該子DC/DC變換器開關管的驅 動信號G^，控制該子DC/DC變換器將能量輸入直流母線；B. 當直流電源(1)為直流電壓源時，子DC/DC變換器的控制過程如下 輸入功率給定信號Pref除以輸入電源電壓采樣信號、得到輸入電流給定信號，該信號與輸入電流反饋信號Ip經過電壓調節后得到兩者的誤差信號，該誤差信號與三角載波信號 vst交截得到該子DC/DC變換器開關管的驅動信號GS1，控制該子DC/DC變換器將能量輸入直 流母線；(二 )子DC/AC變換器的控制過程直流母線電壓給定信號VMf與直流母線電壓反饋信號BUS進行電壓調節后，對電壓調 節器的輸出進行限幅，以限定該子DC/AC變換器的滿載輸出功率； 當電壓調節器正向飽和時，該子DC/AC變換器輸出滿載功率； 當電壓調節器負向飽和時，該子DC/AC變換器輸出功率為零；限幅后的信號乘以電網電壓相位信號PLL后與并網電流反饋信號If進行電流調節，電 流調節后的輸出信號與三角載波信號vst進行調制，得到該子DC/AC變換器四個開關管的驅 動信號G^G2、G3、G4 ;當電壓調節器的輸出小于封鎖驅動的閥值信號DRV時，封鎖該子DC/AC變換器的開關 管驅動；當電壓調節器的輸出大于封鎖驅動的閥值信號DRV時，開啟該子DC/AC變換器的開關 管驅動。
全文摘要
本發明公開了一種分布式模塊化并網發電系統及其控制方法，屬于電力電子變換及并網發電領域。該系統包括由n個子直流電源組成的直流電源(1)、由n個子DC/DC變換器組成的DC/DC變換器(2)及由n個子DC/AC變換器組成的DC/AC變換器(3)，n為大于1的自然數，每個子直流電源均串接一個子DC/DC變換器后連入直流母線，每個子DC/AC變換器的輸入端均接入直流母線，輸出端均連入電網母線。本發明根據直流母線的電壓大小，使所有子DC/AC變換器中的一個非滿載工作，一部分滿載工作，其余的自動關閉，使系統始終工作在最大效率狀態。該系統應用于光伏并網發電則更具有意義。
文檔編號H02M7/537GK101702523SQ20091023450
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者馮蘭蘭, 張犁, 邢巖 申請人:南京航空航天大學