專利名稱：一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，特別涉及一種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)或熱電發(fā)電系統(tǒng)的串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)日漸成為滿足負荷增長需求、減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑。分布式發(fā)電系統(tǒng)中，新能源發(fā)電設備的接入方式直接影響系統(tǒng)發(fā)電效率。按照新能源發(fā)電設備實現(xiàn)最大功率跟蹤的方式，可以將新能源發(fā)電系統(tǒng)分為集中式和分布式。
集中式發(fā)電系統(tǒng)是將多個發(fā)電模塊串聯(lián)以形成較高的電壓等級，然后通過一個集中式變換器實現(xiàn)整個發(fā)電模塊組串的最大功率跟蹤。集中式系統(tǒng)最主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、功率變換效率高；然而，其存在的主要問題是發(fā)電模塊的電氣參數(shù)易失配，無法實現(xiàn)每個發(fā)電模塊準確的最大功率點跟蹤，即從發(fā)電模塊的角度，最大功率跟蹤效率低。分布式發(fā)電系統(tǒng)是通過為每一個發(fā)電模塊配備一個分布式直流變換器，保證各個發(fā)電模塊都工作在最大功率點，發(fā)電模塊本身發(fā)電效率高，即從發(fā)電模塊的角度，最大功率跟蹤效率高。然而，其相對于集中式系統(tǒng)存在的主要問題在于由于每個分布式直流變換器需要按照其相應的發(fā)電模塊的峰值功率來設計，每個直流變換器都存在由于自身控制、驅(qū)動引起的固有損耗，從而導致直流變換器在輕載工作時的變換效率迅速降低，使得系統(tǒng)在輕載工作時的發(fā)電量反而低于集中式系統(tǒng)。上述分析表明無論是集中式還是分布式的發(fā)電系統(tǒng)，都無法同時兼顧發(fā)電模塊在整個輸出功率范圍內(nèi)的最大的功率跟蹤效率和最優(yōu)的功率變換效率，難以實現(xiàn)整個發(fā)電系統(tǒng)在輸出功率范圍內(nèi)輸出功率的最大化。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠同時兼顧各發(fā)電模塊在整個輸出功率范圍內(nèi)的最大的功率跟蹤效率和最優(yōu)的功率變換效率的，串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于它包括若干發(fā)電模塊、一集中式直流變換器、若干分布式直流變換器、一最大功率跟蹤控制器、至少一直流負載或一蓄電池；所述若干發(fā)電模塊串聯(lián)連接形成一發(fā)電模塊組串，所述發(fā)電模塊組串的輸出端連接所述集中式直流變換器；每一所述發(fā)電模塊的輸出端分別連接一分布式直流變換器，各所述分布式直流變換器的輸出端并聯(lián)后，與所述集中式直流變換器的輸出端并聯(lián)連接所述直流負載或所述蓄電池；所述最大功率跟蹤控制器用于對所述集中式直流變換器的輸入電壓、輸入電流以及各所述分布式直流變換器的輸入電壓、輸入電流進行采樣，并根據(jù)采樣信號產(chǎn)生對所述集中式直流變換器的控制信號和對各所述分布式直流變換器的控制信號。
所述發(fā)電模塊為光伏組件或熱電池或燃料電池。所述集中式直流變換器是非隔離變換器或隔離變換器。所述分布式直流變換器是隔離變換器。一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，它包括以下步驟1)最大功率跟蹤控制器通過改變集中式直流變換器輸入電壓的方式，始終對模塊組串進行最大功率跟蹤；2)當集中式直流變換器進入穩(wěn)態(tài)工作后，最大功率跟蹤控制器按順序循環(huán)地對第I個、第2個…第N個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制；當最大功率跟蹤控制器通過改變第k(k〈N)個分布式直流變換器的輸入電流的方式，對第k個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制時，除第k個以外的分布式直流變換器保持其輸入電流不變；當?shù)趉個發(fā)電模塊達到最大功率點時，第k個分布式直流變換器保持其輸入電流不變，最大功率跟蹤控制器繼續(xù)對下一個新能源 發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制。所述步驟I)中，最大功率跟蹤控制器通過改變集中式直流變換器輸入電壓的方式，包括如下過程①如果增加集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變大，則繼續(xù)增加集中式直流變換器輸入電壓；②如果增加集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變小，則減小集中式直流變換器輸入電壓；③如果減小集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變大，則繼續(xù)減小集中式直流變換器輸入電壓；④如果減小集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變小，則增大集中式直流變換器輸入電壓。所述步驟2)中，最大功率跟蹤控制器通過改變第k (k〈N)個分布式直流變換器的輸入電流的方式，對第k個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制，包括以下過程①如果增加第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變大，則繼續(xù)增加第k個分布式直流變換器的輸入電流；②如果增加第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變小，則減小第k個分布式直流變換器輸入電流；③如果減小第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變大，則繼續(xù)減小第k個分布式直流變換器的輸入電流；④如果減小第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變小，則增大第k個分布式直流變換器輸入電流。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明系統(tǒng)由于發(fā)電模塊既與集中式直流變換器相連，又與分布式直流變換器相連，而且各分布式直流變換器的輸出端和集中式直流變換器的輸出端并聯(lián)后與直流負載5或蓄電池6相連；最大功率跟蹤控制器對集中式直流變換器和各分布式直流變換器的輸入電壓和輸入電流的進行采樣，并產(chǎn)生相應的控制信號；因此，本發(fā)明將集中式發(fā)電系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，使得其同時具備分布式發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤效率高以及集中式發(fā)電系統(tǒng)的功率變換效率高的優(yōu)點，從而改善新能源發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，達到提高發(fā)電量的目的。2、本發(fā)明的集中式直流變換器的工作方式、控制方式以及設計與傳統(tǒng)的集中式新能源發(fā)電系統(tǒng)中的直流變換器相同，當所有的分布式直流變換器都出現(xiàn)故障時，本發(fā)明系統(tǒng)仍能夠像傳統(tǒng)的集中式新能源發(fā)電系統(tǒng)一樣正常工作；因此，本發(fā)明系統(tǒng)具有可靠性較高的優(yōu)點。本發(fā)明能夠使各發(fā)電模塊在整個輸出功率范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率跟蹤效率和最優(yōu)功率變換效率，本發(fā)明可以廣泛地應用于各種發(fā)電系統(tǒng)。


圖I是本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的電路示意2是本發(fā)明所有分布式直流變換器關(guān)閉時的電路電路3是本發(fā)明實施例I第二個分布式直流變換器不工作時的電路示意4是本發(fā)明實施例2的電路示意5是本發(fā)明實施例2的具體電路示意6是本發(fā)明實施例2中第二個熱電池輸出電流小于第一個熱電池時的電路示意圖 圖7是本發(fā)明實施例2中兩個反激直流變換器全部關(guān)閉時的電路示意8是本發(fā)明實施例2中實驗波形圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖I所示，本發(fā)明包括若干發(fā)電模塊I (假設一共有N個)、一集中式直流變換器2、若干分布式直流變換器3、一最大功率跟蹤控制器4、至少一直流負載5或一蓄電池6。本發(fā)明的若干發(fā)電模塊I串聯(lián)連接形成一發(fā)電模塊組串7，發(fā)電模塊組串7的輸出端連接集中式直流變換器2 ;每一發(fā)電模塊I的輸出端分別連接一分布式直流變換器3，各分布式直流變換器3的輸出端并聯(lián)后，與集中式直流變換器2的輸出端并聯(lián)連接直流負載5或蓄電池6。最大功率跟蹤控制器4用于對集中式直流變換器2的輸入電壓、輸入電流
(ubus> ibus)以及各分布式直流變換器3的輸入電壓、輸入電流(U&、i0l> uo2> io2......uoN、ioN)
進行采樣，并根據(jù)采樣信號產(chǎn)生集中式直流變換器2的控制信號(Ugsftt)和各分布式直流變換器3的控制信號(ugsl、ugs2……ugsN)。上述實施例中，發(fā)電模塊I可以是光伏組件、熱電池、燃料電池等新能源發(fā)電設備；集中式直流變換器2可以是非隔離變換器，也可以是隔離變換器；分布式直流變換器3是隔離變換器。上述實施例中，集中式直流變換器2的工作方式、控制方式和設計與傳統(tǒng)的集中式新能源發(fā)電系統(tǒng)中的直流變換器相同，即當所有的分布式直流變換器3都出現(xiàn)故障時(如圖2所示)，或者在某一個或某幾個發(fā)電模塊I輸出功率較小時被關(guān)閉時，該系統(tǒng)仍能夠像傳統(tǒng)的集中式新能源發(fā)電系統(tǒng)一樣正常工作，因此，本發(fā)明系統(tǒng)具有較高的可靠性。本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法包括以下步驟I)最大功率跟蹤控制器4通過改變集中式直流變換器2輸入電壓Ubus的方式，始終對模塊組串7進行最大功率跟蹤，具體控制過程如下①如果增加集中式直流變換器2輸入電壓Ubus后，集中式直流變換器2的輸入功率變大，則繼續(xù)增加集中式直流變換器2輸入電壓Ubus ；②如果增加集中式直流變換器2輸入電壓Ubus后，集中式直流變換器2的輸入功率變小，則減小集中式直流變換器2輸入電壓Ubus ；③如果減小集中式直流變換器2輸入電壓Ubus后，集中式直流變換器2的輸入功率變大，則繼續(xù)減小集中式直流變換器2輸入電壓Ubus ；④如果減小集中式直流變換器2輸入電壓Ubus后，集中式直流變換器2的輸入功率變小，則增大集中式直流變換器2輸入電壓ubus。2)當集中式直流變換器2進入穩(wěn)態(tài)工作后，最大功率跟蹤控制器4通過改變分布式直流變換器3輸入電流的方式,按順序循環(huán)地對第I個、第2個…第N個發(fā)電模塊I進行最大功率跟蹤控制。當最大功率跟蹤控制器4通過改變第k (k〈N)個分布式直流變換器3的輸入電流iik的方式，對第k個發(fā)電模塊I進行最大功率跟蹤控制時，除第k個以外的分布式直流變換器3保持其輸入電流不變。最大功率跟蹤控制器4對第k個發(fā)電模塊I進行最大功率跟蹤控制的過程如下①如果增加第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik后，第k個發(fā)電模塊I的輸入功率變大，則繼續(xù)增加第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik ；②如果增加第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik后，第k個發(fā)電模塊I的輸入功率變小，則減小第k個分布式直流變換器3輸入電流iik ；③如果減小第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik后，第k個發(fā)電模塊I的輸入功率變大，則繼續(xù)減小第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik ；④如果減小第k個分布式直流變換器3的輸入電流iik后，第k個發(fā)電模塊I的輸入功率變小，則增大第k個分布式直流變換器3輸入電流iik。當?shù)趉個發(fā)電模塊I達到最大功率點時，第k個分布式直流變換器3保持其輸入電流不變，最大功率跟蹤控制器4繼續(xù)對下一個發(fā)電模塊I進行最大功率跟蹤控制。上述系統(tǒng)的工作原理分析如下由于各發(fā)電模塊I串聯(lián)連接，當集中式變換器2單獨進行最大功率跟蹤并進入穩(wěn)態(tài)時，集中式變換器2的輸入電流ibus將等于所有發(fā)電模塊 I中最大功率點電流最小的那個電流值。此時，進一步使各分布式直流變換器3分時工作，來檢測與其相連的發(fā)電模塊I的輸出電流是否達到了最大功率點電流；若與其相連的發(fā)電模塊I的電流已經(jīng)達到最大功率點電流，則分布式直流變換器3不工作；若與其相連的發(fā)電模塊I的電流小于當前模塊的最大功率點電流，則分布式直流變換器3工作。經(jīng)過上述過程且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，分布式直流變換器3的輸入電流將等于與之相連的發(fā)電模塊I的最大功率點電流與集中式直流變換器2輸入電流之差。實施例I :工作原理舉例如圖I所示，假設第二個發(fā)電模塊I的最大功率點電流是發(fā)電模塊組串7中最小的，則系統(tǒng)工作且達到穩(wěn)態(tài)后，與第二個發(fā)電模塊I相連的分布式直流變換器3不工作(如圖3所示)。在上述假設下，集中式直流變換器2和各分布式直流變換器3的輸入電壓、輸入電流，可以用下面各式表示集中式直流變換器2的輸入電壓Ubus
k:NUbus = YdUok(I)
k=\集中式直流變換器2的輸入電流ibus ibus=io2(2)式中，io2為第二個發(fā)電模塊I的輸出電流；ιιΛ為第k個發(fā)電模塊I的輸出電壓。假設第k個分布式直流變換器3的輸入電流為iik，則iik=iok-io2(3)
式中，iok為第k個發(fā)電模塊I的輸出電流。假設第k個分布式直流變換器3的輸入功率pik，則Pik=uokiik=uok (iok-io2)(4)那么集中式直流變換器2的輸入功率Pi。
根據(jù)上述分析可知，集中式直流變換器2處理了發(fā)電模塊組串7輸出功率中的大部分功率，而分布式直流變換器3僅處理由各發(fā)電模塊I的輸出電流差異引起的部分差異功率，即分布式直流變換器3的額定功率可以很小，因此可以針對性地優(yōu)化設計小功率分布式直流變換器3，使其在很低的功率時仍能達到較高的效率，從而使系統(tǒng)達到較高的功率變換效率。實施例2 :本發(fā)明一具體實施例如圖4、圖5所示，該系統(tǒng)包含由兩個發(fā)電模塊I組成的發(fā)電模塊組串7，每一發(fā)電模塊I的輸出端與一分布式直流變換器3的輸入端連接，發(fā)電模塊組串7的輸出端與集中式直流變換器2的輸入端連接，集中式直流變換器2和分布式直流變換器3的輸出端都與蓄電池6相連。其中，發(fā)電模塊I采用熱電池，集中式直流變換器2采用Boost變換器，而分布式直流變換器3采用反激直流變換器。每一熱電池的最大輸出功率為25W，因此Boost變換器的輸出功率設計為50W，考慮各熱電池之間最大存在20%的功率差異，因此反激變換器的設計額定功率為5W。假設第二個熱電池I的最大功率點電流小于第一個熱電池I的最大功率點電流，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時，與第二個熱電池I相連的反激直流變換器4不工作(如圖6所示)。當兩個反激直流變換器4都不工作時，系統(tǒng)等效于一集中式的熱電發(fā)電系統(tǒng)(如圖7所示)。如圖8所示，本發(fā)明系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)工作時的實驗波形圖。從波形圖中可以看到，集中式的Boost變換器2仍始終工作并進行最大功率跟蹤；同時，可以看出第一個反激變換器3處于工作狀態(tài)，而第二個反激變換器3保持關(guān)斷狀態(tài)，這表明此時第二個熱電池I的最大功率點電流小于第一個熱電池I的最大功率點電流。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 它包括若干發(fā)電模塊、一集中式直流變換器、若干分布式直流變換器、一最大功率跟蹤控制器、至少一直流負載或一蓄電池； 所述若干發(fā)電模塊串聯(lián)連接形成一發(fā)電模塊組串，所述發(fā)電模塊組串的輸出端連接所述集中式直流變換器；每一所述發(fā)電模塊的輸出端分別連接一分布式直流變換器，各所述分布式直流變換器的輸出端并聯(lián)后，與所述集中式直流變換器的輸出端并聯(lián)連接所述直流負載或所述蓄電池； 所述最大功率跟蹤控制器用于對所述集中式直流變換器的輸入電壓、輸入電流以及各所述分布式直流變換器的輸入電壓、輸入電流進行采樣，并根據(jù)采樣信號產(chǎn)生對所述集中式直流變換器的控制信號和對各所述分布式直流變換器的控制信號。
2.如權(quán)利要求I所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)電模塊為光伏組件或熱電池或燃料電池。
3.如權(quán)利要求I所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述集中式直流變換器是非隔離變換器或隔離變換器。
4.如權(quán)利要求2所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述集中式直流變換器是非隔離變換器或隔離變換器。
5.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述分布式直流變換器是隔離變換器。
6.如權(quán)利要求I 5所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，它包括以下步驟 1)最大功率跟蹤控制器通過改變集中式直流變換器輸入電壓的方式，始終對模塊組串進行最大功率跟蹤； 2)當集中式直流變換器進入穩(wěn)態(tài)工作后，最大功率跟蹤控制器按順序循環(huán)地對第I個、第2個…第N個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制； 當最大功率跟蹤控制器通過改變第k (k〈N)個分布式直流變換器的輸入電流的方式，對第k個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制時，除第k個以外的分布式直流變換器保持其輸入電流不變； 當?shù)趉個發(fā)電模塊達到最大功率點時，第k個分布式直流變換器保持其輸入電流不變，最大功率跟蹤控制器繼續(xù)對下一個新能源發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制。
7.如權(quán)利要求6所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，所述步驟I)中，最大功率跟蹤控制器通過改變集中式直流變換器輸入電壓的方式，包括如下過程 ①如果增加集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變大，則繼續(xù)增加集中式直流變換器輸入電壓； ②如果增加集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變小，則減小集中式直流變換器輸入電壓； ③如果減小集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變大，則繼續(xù)減小集中式直流變換器輸入電壓； ④如果減小集中式直流變換器輸入電壓后，集中式直流變換器的輸入功率變小，則增大集中式直流變換器輸入電壓。
8.如權(quán)利要求6或7所述的一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，所述步驟2)中，最大功率跟蹤控制器通過改變第k (k〈N)個分布式直流變換器的輸入電流的方式，對第k個發(fā)電模塊進行最大功率跟蹤控制，包括以下過程 ①如果增加第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變大，則繼續(xù)增加第k個分布式直流變換器的輸入電流； ②如果增加第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變小，則減小第k個分布式直流變換器輸入電流； ③如果減小第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變大，則繼續(xù)減小第k個分布式直流變換器的輸入電流； ④如果減小第k個分布式直流變換器的輸入電流后，第k個發(fā)電模塊的輸入功率變小，則增大第k個分布式直流變換器輸入電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種串聯(lián)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，它包括由若干發(fā)電模塊串聯(lián)連接形成的發(fā)電模塊組串，所述發(fā)電模塊組串的輸出端連接所述集中式直流變換器；每一所述發(fā)電模塊的輸出端分別連接一分布式直流變換器，各所述分布式直流變換器的輸出端并聯(lián)后，與所述集中式直流變換器的輸出端并聯(lián)連接所述直流負載或所述蓄電池；所述最大功率跟蹤控制器用于對所述集中式直流變換器的輸入電壓、輸入電流以及各所述分布式直流變換器的輸入電壓、輸入電流進行采樣，并根據(jù)采樣信號產(chǎn)生對所述集中式直流變換器的控制信號和對各所述分布式直流變換器的控制信號。本發(fā)明能夠使所有發(fā)電模塊都工作在各自的最大功率點，使系統(tǒng)自動實現(xiàn)最大功率輸出。
文檔編號H02J1/10GK102969707SQ20121044742
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者吳紅飛, 孫凱, 邢巖 申請人:清華大學