专利名称：一种分布式模块化并网发电系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种发电系统，尤其涉及
法，属于电力电子变换及并网发电领域。
种分布式模块化并网发电系统及其控制方
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系统主要是在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系统的效率。 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
发电系统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，增加了系统的
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 系统及其控制方法。 本发明的分布式模块化并网发电系统，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l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系统的控制方法，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( — )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Gw，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PMf除以输入电源电压采样信号、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VMf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GpG2、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)由于系统中只有一个子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，提高了整个系统的工作效率，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)由于系统中各子DC/DC变换器间、各子DC/AC变换器间没有控制信号互连线，减 小了系统的复杂性，縮短了维护时间，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。
图1是本发明的实施例结构示意图，图中标号l-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；PMf为输入功率给定信号；、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；G" 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系统电路原理图，图中Vu、V『Vi3、Vw 分别为1至4号子直流电压源的电压采样信号；Ipl、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；vesi、V(;s2、V(;s3、V(;s4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；qi 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；ifl、 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。
具体实施例方式
本发明实施例的系统结构如图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l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Pn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& > 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，P,P2 = Pt，其中P2 < P工为母线 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+l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-l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、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4、 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系统电路原理图。该并网发电系统由 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IOOOW，考虑到模拟器件的离散性不完全相同，I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IOOOW时，I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 系统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系 统正常工作的前提是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。
权利要求
一种分布式模块化并网发电系统，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l所述的分布式模块化并网发电系统，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l所述的分布式模块化并网发电系统，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系统的控制方法，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G^，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、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VMf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G^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。
全文摘要
本发明公开了一种分布式模块化并网发电系统及其控制方法，属于电力电子变换及并网发电领域。该系统包括由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，使系统始终工作在最大效率状态。该系统应用于光伏并网发电则更具有意义。
文档编号H02M7/537GK101702523SQ20091023450
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者冯兰兰, 张犁, 邢岩 申请人:南京航空航天大学