本發(fā)明涉及新能源發(fā)電領(lǐng)域與電力電子變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體地，涉及內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器及應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電是目前新能源發(fā)電最主要的形式之一，是我國(guó)未來實(shí)現(xiàn)可再生能源替代的主力軍。我國(guó)光照資源分布情況與電力系統(tǒng)格局決定大規(guī)模建設(shè)、集中并網(wǎng)接入將成為未來光伏開發(fā)利用的重要形式。

光伏發(fā)電存在功率密度小、出口電壓低、隨機(jī)波動(dòng)大的固有特征，必須經(jīng)過匯集系統(tǒng)的升壓匯聚方可達(dá)到并網(wǎng)條件。傳統(tǒng)光伏電站采取交流升壓匯集技術(shù)，即光伏陣列輸出經(jīng)過MPPT控制與光伏逆變器后得到穩(wěn)定低壓三相交流電，再通過母線匯聚后由升壓變壓器接入配電網(wǎng)。該方案應(yīng)用于大型光伏發(fā)電基地主要存在兩大缺點(diǎn)：

1)弱同步支撐下多逆變器并聯(lián)穩(wěn)定性問題突出，電壓越限與寬頻域振蕩頻發(fā)；

2)站內(nèi)與站間交流匯集線路損耗大，系統(tǒng)整體效率偏低。

為解決上述問題，可采用光伏直流升壓匯集系統(tǒng)構(gòu)建大型直流光伏發(fā)電基地，即光伏陣列輸出的低壓直流電直接由光伏直流升壓變流器泵升至直流配網(wǎng)電壓水平，經(jīng)過進(jìn)一步匯集后，由VSC換流站集中逆變接入交流大電網(wǎng)或者由大型升壓變流站將電壓進(jìn)一步抬升至HVDC水平，實(shí)現(xiàn)直流光伏發(fā)電基地遠(yuǎn)距離送出。該方案適用于大規(guī)模光伏電站開發(fā)建設(shè)，目前已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界廣泛關(guān)注，具有光明前景。國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃中已針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)設(shè)立專門課題，開展深入研究。典型光伏直流升壓匯集系統(tǒng)如圖1所示。

研制光伏直流升壓變流器是實(shí)現(xiàn)光伏直流升壓匯集接入的關(guān)鍵所在。該變流器需要滿足以下技術(shù)要求：

1)高升壓比，可實(shí)現(xiàn)從光伏陣列輸出端到直流中壓配電網(wǎng)的單級(jí)升壓變換；

2)良好的效率特性，確保光伏直流升壓匯集系統(tǒng)整體效率滿足設(shè)計(jì)要求；

3)滿足系統(tǒng)各類運(yùn)行控制需求、具備高可靠性與良好的運(yùn)行適應(yīng)性。

目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的高升壓比DC－DC變換器主要分為單體結(jié)構(gòu)與多模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種類型。受制于電路工作機(jī)理、器件工藝水平，單體型變流器升壓比有限，無法滿足光伏直流升壓匯集系統(tǒng)需求。模塊串聯(lián)型變流器一般以隔離型DC-DC作為子變流器單元，采用“獨(dú)立/并聯(lián)輸入-串聯(lián)輸出”的模式獲取高升壓比。

獨(dú)立輸入模式中(如圖2所示)，光伏直流升壓變流器輸出側(cè)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在理想情況下，變流器出口電壓Vout將均勻分配至各子模塊，且輸出電流處處相等。當(dāng)系統(tǒng)中各子模塊輸入功率不均衡(即：失配現(xiàn)象)時(shí)，由于Vout可視為恒定(受外部強(qiáng)電網(wǎng)支撐)，Vout將不再均勻分配，部分模塊輸出電壓較額定值降低，其余模塊輸出電壓將升高。為使光伏陣列工作在MPPT點(diǎn)，各子模塊輸入電壓基本保持恒定，這意味著各子模塊電壓增益將偏離額定數(shù)值。全橋變換單元最大升壓能力受制于高頻變壓器匝比，當(dāng)系統(tǒng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，進(jìn)一步提高電壓增益的空間往往很小，缺乏靈活的二次調(diào)節(jié)能力。因此，當(dāng)功率失配較為嚴(yán)重時(shí)，部分子模塊電壓增益將無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求，進(jìn)而導(dǎo)致輸入側(cè)MPPT控制失效，輸出側(cè)出現(xiàn)串聯(lián)電流取小效應(yīng)，造成系統(tǒng)發(fā)電能力下降，甚至無法正常運(yùn)行。為避免上述問題出現(xiàn)，必須消除子模塊間輸入功率失配，確保功率均衡。而不同光伏陣列間受光照條件，物理參數(shù)差異等多重因素影響，難以實(shí)現(xiàn)輸出功率實(shí)時(shí)均衡。

為解決前述固有矛盾，必須對(duì)圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖3所示，即：在光伏陣列與光伏直流升壓變流器間設(shè)置低壓直流母線，對(duì)能量進(jìn)行初步匯集。在此基礎(chǔ)上，將各子模塊輸入側(cè)并聯(lián)接入低壓直流母線并引入模塊間均衡控制策略。此時(shí)為保證光伏陣列最大功率追蹤精度，需要在低壓直流母線與光伏陣列間配置專用分布式MPPT裝置。

圖3所示方案雖然解決了輸入功率失配問題，但系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致可靠性下降。當(dāng)?shù)蛪褐绷髂妇€任何位置出現(xiàn)短路故障時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致全部光伏陣列將退出運(yùn)行。同時(shí)分布式MPPT裝置的引入給系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)帶來難度，也不利于外部故障條件下迅速執(zhí)行場(chǎng)站級(jí)協(xié)同控保動(dòng)作。

經(jīng)檢索

李娟、楊晨、謝少軍發(fā)表的名稱為：一種用于光伏直流模塊的高升壓比直流變換器(電力電子技術(shù)，2013(3):51-53.)，公開了針對(duì)光伏直流模塊，研究了一種非隔離高升壓比直流變換器，該變換器具有寬輸入電壓、高升壓比、高效率等特點(diǎn)。詳細(xì)分析了該變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行了相關(guān)理論公式推導(dǎo)，分析了光伏直流模塊的外特性要求并介紹了相應(yīng)的控制方案。結(jié)合直流光伏發(fā)電模塊的電氣技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于該非隔離高升壓比直流變換器的160W光伏模塊實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的特點(diǎn)及理論分析和樣機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。

上述文獻(xiàn)與本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)比較：該文獻(xiàn)研究的是基于直流母線的光伏發(fā)電系統(tǒng)，每塊光伏電池板配接一個(gè)DC-DC變換器，能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)MPPT，多個(gè)DC-DC變換器并聯(lián)形成直流母線，通過公用逆變器并入交流電網(wǎng)。這種基于直流母線的匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的升壓增益，但對(duì)于升壓要求高得多的直流并網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不適用。

Echeverría J,Kouro S,Perez M,et al.Multi-modular cascaded DC-DC converter for HVDC grid connection of large-scale photovoltaic power systems[C]//Industrial Electronics Society,IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE.IEEE,2013:6999-7005.

上述文獻(xiàn)與本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)比較：該文獻(xiàn)研究的應(yīng)用背景與本專利類似，都是用于并入高壓直流電網(wǎng)的光伏發(fā)電直流匯集系統(tǒng)，采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是模塊化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。但該文獻(xiàn)的各個(gè)模塊均包含兩級(jí)DC-DC變換器：前級(jí)是隔離型DC-DC變換器，后級(jí)是全橋或者半橋的輸出結(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在通過模塊級(jí)聯(lián)的方式來提高升壓比的同時(shí)，還通過前級(jí)DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)光伏MPPT。兩級(jí)DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電路中包含較多的開關(guān)器件，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗較大，電路結(jié)構(gòu)和控制策略也比較復(fù)雜。相比之下，本專利設(shè)計(jì)的基于Quasi阻抗網(wǎng)絡(luò)的DC-DC變換器能在一級(jí)DC-DC變換器內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高升壓與光伏MPPT功能，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本較低且易于維護(hù)。

Bratcu A I,Munteanu I,Bacha S,et al.Power optimization strategy for cascaded dc-dc converter architectures of photovoltaic modules[C]//Industrial Technology,2009.ICIT 2009.IEEE International Conference on.IEEE,2009:1-8.

上述文獻(xiàn)與本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)比較：該文獻(xiàn)的采用的光伏直流匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與本專利類似，都是采用多變流器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多個(gè)光伏陣列輸出的直流電經(jīng)過各自獨(dú)立的DC-DC變換器升壓之后，相互串聯(lián)，從而得到較高的直流電壓，再實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。該文獻(xiàn)選用的DC-DC裝置是非隔離型DC-DC變換器，這種變換器可達(dá)到的電壓增益范圍較小，當(dāng)各光伏模塊間的光照強(qiáng)度等外界條件出現(xiàn)較大差異時(shí)，會(huì)導(dǎo)致有的模塊無法實(shí)現(xiàn)光伏的最大功率點(diǎn)跟蹤。相比之下，本專利設(shè)計(jì)的基于Quasi阻抗網(wǎng)絡(luò)的DC-DC變換器具有靈活且范圍較大的升壓功能，可以很好地適應(yīng)各光伏陣列間的功率失配問題，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器及應(yīng)用方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器，包括多個(gè)依次串聯(lián)的光伏直流升壓變換器子模塊，所述光伏直流升壓變換器子模塊包括：混合儲(chǔ)能模塊、隔離型全橋DC-DC電路、雙向升/降壓變換器以及光伏陣列；光伏陣列的第一輸出端分別連接隔離型全橋DC-DC電路的第一輸入端和雙向升/降壓變換器的第一輸入端，光伏陣列的第二輸出端分別連接隔離型全橋DC-DC電路的第二輸入端和雙向升/降壓變換器的第二輸入端；所述雙向升/降壓變換器的輸出端與混合儲(chǔ)能模塊電連接，所述隔離型全橋DC-DC電路的第一輸出端、第二輸出端分別構(gòu)成光伏直流升壓變換器子模塊的兩端；其中：

所述混合儲(chǔ)能模塊，用于平衡光伏直流升壓變換器子模塊輸出的功率；

所述隔離型全橋DC-DC電路，用于實(shí)現(xiàn)升壓和最大功率點(diǎn)跟蹤，即MPPT控制；

所述雙向升/降壓變換器，用于對(duì)混合儲(chǔ)能模塊的輸出功率和隔離型全橋DC-DC電路的輸入功率進(jìn)行控制。

優(yōu)選地，所述混合儲(chǔ)能模塊包括：超級(jí)電容和蓄電池，所述超級(jí)電容用于承擔(dān)光伏發(fā)電輸出功率中的功率突變部分，即高頻波動(dòng)分量；所述蓄電池用于承擔(dān)光伏發(fā)電輸出功率中的平滑部分，即低頻波動(dòng)分量。

優(yōu)選地，所述隔離型全橋DC-DC電路包括：開關(guān)管V₁、開關(guān)管V₂、開關(guān)管V₃、開關(guān)管V₄、一次側(cè)電容C_i、二次側(cè)電感L、二次側(cè)電容C_o、變壓器、二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃、二極管D₄；一次側(cè)電容C_i的正極分別連接開關(guān)管V₁的集電極、開關(guān)管V₃的集電極，開關(guān)管V₁的發(fā)射極分別連接至開關(guān)管V₂的集電極、變壓器一次側(cè)的一端；開關(guān)管V₃的發(fā)射極分別連接至開關(guān)管V₄的集電極、變壓器一次側(cè)的另一端；所述開關(guān)管V₁的發(fā)射極、開關(guān)管V₃的發(fā)射極均連接至一次側(cè)電容C_i的負(fù)極；變壓器二次側(cè)的一端分別連接至二極管D₁的正極、二極管D₂的負(fù)極，變壓器二次側(cè)的另一端分別連接至二極管D₃的正極、二極管D₄的負(fù)極；二極管D₁的負(fù)極、二極管D₃的負(fù)極均通過二次側(cè)電感L連接至二次側(cè)電容C_o的正極，二次側(cè)電容C_o的負(fù)極與二極管D₂的正極、二極管D₄的正極相連；其中一次側(cè)電容C_i的兩端構(gòu)成隔離型全橋DC-DC電路的兩個(gè)輸入端，一次側(cè)電容C_o的兩端構(gòu)成隔離型全橋DC-DC電路的兩個(gè)輸出端。

優(yōu)選地，所述雙向升/降壓變換器采用Buck/Boost雙向變換器，即相當(dāng)于Buck變換器和Boost變換器的組合，能夠運(yùn)行在兩個(gè)象限，能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器的應(yīng)用方法，基于上述任一項(xiàng)所述的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器，包括如下步驟：

輸入電壓穩(wěn)定步驟：將多個(gè)光伏直流升壓變換器子模塊匯流的輸出電壓和電流輸送至單雙極性DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的單雙極性轉(zhuǎn)換，并控制單雙極性DC-DC變換器輸入電壓的穩(wěn)定；

輸出電壓穩(wěn)定步驟：根據(jù)隔離型全橋DC-DC電路輸出端的電壓波動(dòng)的高頻分量與低頻分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能單元的功率分配，并控制隔離型全橋DC-DC電路輸出電壓保持穩(wěn)定；

功率點(diǎn)跟蹤步驟：通過MPPT控制模塊采集多個(gè)光伏陣列的輸出電壓和電流，通過對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，使得光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處。

優(yōu)選地，采用變步長(zhǎng)的爬山法實(shí)現(xiàn)對(duì)MPPT的控制，具體地包括如下兩個(gè)階段：

第一階段，當(dāng)光伏陣列的工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)大于閾值S時(shí)，步長(zhǎng)保持恒定；

第二階段，當(dāng)光伏陣列的工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)小于等于閾值S時(shí)，步長(zhǎng)則開始逐漸減小；其中S的取值由多次重復(fù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明中采用在多模塊串聯(lián)式升壓變換器的子模塊單元中嵌入蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能裝置的方法，對(duì)各模塊輸入功率進(jìn)行實(shí)時(shí)再平衡，從而實(shí)現(xiàn)各模塊間輸出功率實(shí)時(shí)均衡，從根本上消除輸入功率失配對(duì)光伏直流升壓變換器正常運(yùn)行帶來的影響。

2、本發(fā)明所提出的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器及相應(yīng)匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中虛框部分即為本發(fā)明中所提出的新型變流器；相比于其他技術(shù)方案，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)通過在各變換器單元內(nèi)嵌入蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)模塊間輸入功率自動(dòng)再平衡，從而在輸入功率失配的條件下，維持輸出功率均衡，提升裝置運(yùn)行適應(yīng)性，亦可借助混合儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)裝置總輸出功率的平滑控制；

2)多個(gè)光伏陣列獨(dú)立接入變換器子模塊輸入端，無需設(shè)置低壓直流母線，可以簡(jiǎn)化匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，便于內(nèi)部故障隔離；

3)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能與升壓功能在同一級(jí)變換器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，無需伴隨光伏陣列設(shè)置匯流箱(分布式MPPT裝置)，便于系統(tǒng)維護(hù)，提高電站特殊情況下整體控制響應(yīng)速度。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為光伏直流升壓匯集系統(tǒng)概念圖；

圖2為簡(jiǎn)單獨(dú)立輸入式匯集系統(tǒng)示意圖；

圖3為含低壓直流母線的并聯(lián)輸入式匯集系統(tǒng)示意圖；

圖4為內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器及相應(yīng)匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為單雙極性變換器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為超級(jí)電容器和蓄電池的功率分配控制框圖；

圖8為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖；

圖9為變步長(zhǎng)爬山法流程圖；

圖10為隔離型全橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖11(a)為隔離型全橋DC-DC變換器狀態(tài)1(V1、V2導(dǎo)通)時(shí)的回路示意圖；

圖11(b)為隔離型全橋DC-DC變換器狀態(tài)2(開關(guān)全關(guān)斷)時(shí)的回路示意圖；

圖11(c)為隔離型全橋DC-DC變換器狀態(tài)3(V2、V3導(dǎo)通)時(shí)的回路示意圖；

圖11(d)為隔離型全橋DC-DC變換器狀態(tài)4(開關(guān)全關(guān)斷)時(shí)的回路示意圖；

圖12為隔離型全橋DC-DC變換器的MPPT控制算法流程示意圖；

圖13為單雙極性變換器控制框圖；

圖14為本發(fā)明中的系統(tǒng)的總體控制框圖；

圖15為光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化的示意圖；

圖16為各模塊的出口電壓仿真結(jié)果示意圖；

圖17(a)為光伏陣列1的輸出功率示意圖；

圖17(b)為光伏陣列8的輸出功率示意圖；

圖18(a)為模塊1的蓄電池組輸出功率示意圖；

圖18(b)為模塊1的超級(jí)電容器輸出功率示意圖；

圖18(c)為模塊8的蓄電池組輸出功率示意圖；

圖18(d)為模塊8的超級(jí)電容器輸出功率示意圖；

圖19為單雙極性變換器并網(wǎng)側(cè)的輸出電壓隨時(shí)間的變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器，基于該型變換器的匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中虛線框部分為本專利提出的內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器。采用隔離型全橋DC-DC電路，附加由蓄電池與超級(jí)電容構(gòu)成的混合儲(chǔ)能單元，共同構(gòu)成內(nèi)嵌儲(chǔ)能型DC-DC變換單元，作為光伏直流升壓變換器的子模塊單元。每個(gè)光伏陣列分別連接到升壓變換器的相應(yīng)的子模塊輸入端，各子模塊輸出側(cè)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。各光伏陣列直流輸出經(jīng)各子模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT與電壓抬升功能，并在輸出側(cè)串聯(lián)形成30kV單極性直流電壓。

進(jìn)而，30kV單極性直流輸出，經(jīng)由站級(jí)單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器(見圖5)轉(zhuǎn)換為±30kV雙極性直流輸出，從而與外部直流配電網(wǎng)的運(yùn)行方式相匹配(注：亦可通過DC-AC換流站接入中壓交流配電網(wǎng))。

假設(shè)外部直流配電網(wǎng)為強(qiáng)電網(wǎng)，計(jì)及光伏輸出的隨機(jī)波動(dòng)性，則對(duì)于所提出的直流升壓匯集系統(tǒng)，采用逐級(jí)向前的定電壓控制模式(注：針對(duì)每級(jí)電路，定義其功率注入側(cè)為前端，下同)。在此模式下，前級(jí)電路對(duì)后級(jí)呈電流源特性，系統(tǒng)對(duì)外部電網(wǎng)呈電流源特性。具體而言：匯集系統(tǒng)輸出電壓為±30kV，由外部電網(wǎng)支撐給定；直流單雙極性轉(zhuǎn)換變換器控制阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器的出口電壓為30kV；各子模塊則獨(dú)立控制相應(yīng)的光伏陣列出口電壓，實(shí)現(xiàn)各陣列MPPT運(yùn)行。

下面對(duì)系統(tǒng)各模塊的功能及控制進(jìn)行說明：

A.混合儲(chǔ)能模塊

在本方案提出的光伏直流升壓匯集系統(tǒng)中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)平衡多變流器串聯(lián)的光伏升壓變流器拓?fù)渲懈鱾€(gè)單體變換器輸出側(cè)的功率，從而穩(wěn)定單體變換器輸出側(cè)的端口電壓。(2)實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級(jí)電容之間功率的合理分配，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命。(3)通過對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量吸收和釋放的合理控制，減少光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的功率損失，提高運(yùn)行效率。

本方案采用超級(jí)電容與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具備了蓄電池能量密度高和超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，可以很好的達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。圖6為該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，本方案中采用Buck/Boost雙向變換器對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量流動(dòng)進(jìn)行控制。該電路在功能上相當(dāng)于Buck變換器和Boost變換器的組合，能夠運(yùn)行在兩個(gè)象限，能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。除此之外，該電路的器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有變壓器損耗，體積小，效率高，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

對(duì)Buck/Boost雙向變換器可以采用兩種控制PWM控制模式：(1)獨(dú)立PWM控制模式；(2)互補(bǔ)PWM控制模式。其中，獨(dú)立PWM控制模式在功率雙向切換的過程中電感電流會(huì)突變，從而會(huì)引起瞬時(shí)沖擊。而互補(bǔ)PWM控制模式則不會(huì)出現(xiàn)這一問題，該控制模式可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，適用于功率方向變化頻繁的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，本方案采用互補(bǔ)PWM控制模式對(duì)Buck/Boost變化器進(jìn)行控制。

為了充分發(fā)揮超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和安全性。本方案利用超級(jí)電容來承擔(dān)光伏發(fā)電輸出功率中的功率突變部分(即高頻波動(dòng)分量)，利用蓄電池來承擔(dān)光伏發(fā)電輸出功率中的平滑部分(即低頻波動(dòng)分量)。本方案中采用了一階巴特沃茲高通濾波器來實(shí)現(xiàn)這一功能，其傳遞函數(shù)為：

圖7為超級(jí)電容器和蓄電池的功率分配控制框圖。如圖7所示，功率波動(dòng)中通過高通濾波器的高頻部分由超級(jí)電容來進(jìn)行平衡，其余的部分將由蓄電池來控制。

由于在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，流過各個(gè)單體變換器的電流相等。由于P＝UI，當(dāng)功率出現(xiàn)不平衡時(shí)，由于流過各個(gè)單體變換器的電流I相同，其功率的不平衡現(xiàn)象將直接反映在出口電壓的不平衡上。因此，可以通過對(duì)電壓波動(dòng)的變化來對(duì)功率的變化進(jìn)行判斷，兩者是等價(jià)的。圖8為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制框圖。如圖8所示，采用了雙閉環(huán)的控制策略對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中電壓外環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)單體變換器的出口電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)能夠控制蓄電池的充放電電流，防止充放電電流過大損壞蓄電池和超級(jí)電容器。

B.MPPT算法

光伏電池的輸出功率受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響很大，通過采用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum power point tracking，MPPT)算法可以使光伏電池能夠在外部條件變化時(shí)也能工作在最大功率點(diǎn)。為了對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行較好的跟蹤，本方案用了變步長(zhǎng)的爬山法。

爬山法的實(shí)現(xiàn)原理是先記錄當(dāng)前光伏電池的輸出功率值，然后對(duì)原輸出電壓施加一個(gè)擾動(dòng)的小電壓信號(hào)△U，再測(cè)量輸出功率。通過對(duì)比加入擾動(dòng)電壓前后輸出功率的大小，即可得出功率變化的方向，從而判斷擾動(dòng)電壓的方向是否正確。若擾動(dòng)后的輸出功率大于擾動(dòng)前的，則說明所施加的擾動(dòng)電壓方向正確，可以繼續(xù)向同一方向施加擾動(dòng)電壓；若擾動(dòng)后的輸出功率小于擾動(dòng)前的，則說明所施加的擾動(dòng)電壓方向錯(cuò)誤，應(yīng)該向相反方向施加擾動(dòng)電壓。通過不斷的施加擾動(dòng)電壓，會(huì)使得光伏電池的工作點(diǎn)不斷向功率最大值點(diǎn)靠近，最終會(huì)能到達(dá)最大功率點(diǎn)附近。

傳統(tǒng)的爬山法采用定步長(zhǎng)的方式，盡管能夠達(dá)到最大功率點(diǎn)附近，但在最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)較大。這種波動(dòng)和步長(zhǎng)有關(guān)，步長(zhǎng)越小波動(dòng)越小，但是步長(zhǎng)太小會(huì)影響跟蹤速度。為了解決上述矛盾，可以采用變步長(zhǎng)的爬山法。所謂的變步長(zhǎng)其實(shí)是可以分為兩個(gè)階段的：第一階段，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，步長(zhǎng)保持恒定；第二階段，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，步長(zhǎng)則開始逐漸減小。其流程如圖9所示。

C.隔離型全橋DC-DC變換器控制及MPPT實(shí)現(xiàn)算法

考慮到光伏直流匯集系統(tǒng)工作在高電壓大容量的環(huán)境下，本方案采用隔離型全橋DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)升壓和MPPT控制，以提高系統(tǒng)的安全性能。圖10為隔離型全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

如圖10所示，該變換器的逆變側(cè)為4個(gè)開關(guān)管組成的H橋，同一半橋的兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通，相位差為180o，對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)管則同時(shí)導(dǎo)通；變換器的整流側(cè)為四個(gè)二極管組成的H橋。圖8為該變換器的工作狀態(tài)。

如圖11所示，該逆變器在一個(gè)工作周期內(nèi)有4個(gè)工作狀態(tài)。當(dāng)濾波電感L的值足夠大時(shí)，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，流過電感的電流大小近似不變。

設(shè)逆變器的一個(gè)工作周期為T，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為t_on，變壓器一次側(cè)電流大小為I₁，二次側(cè)的電流大小為I₂。由能量守恒有：

由上面兩式有：

令開關(guān)管的占空比D為：

則：

因此，在工作中通過調(diào)節(jié)該變換器逆變側(cè)開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)占空比D來對(duì)電路的輸入輸出進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)MPPT功能。圖12為利用隔離型全橋DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)MPPT控制的算法流程。

D.單雙極性變換器的控制

由圖5可知，本方案中的單雙極性DC-DC變換器由兩個(gè)隔離型全橋DC-DC變換器構(gòu)成。在本文中，單雙極性變換器的作用是實(shí)現(xiàn)電壓的單雙極性轉(zhuǎn)換并控制變換器輸入電壓的穩(wěn)定。由于單雙極性變換器的輸出并入直流電網(wǎng)，所以其輸出電壓穩(wěn)定不變，可以通過改變占空比D來對(duì)單雙極性變換器輸入電壓進(jìn)行控制。圖13為單雙極性變換器的控制框圖：

如圖13所示，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)直流母線電壓的穩(wěn)定，從而為光伏直流升壓變換器實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率跟蹤與升壓變換提供條件。

E.系統(tǒng)的總體控制

圖14為系統(tǒng)總體控制框圖，其中內(nèi)嵌儲(chǔ)能型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器部分選取子模塊#1為例。其中，“控制1”模塊采集單雙極性DC-DC變換器的輸入電壓和電流，實(shí)現(xiàn)電壓的單雙極性轉(zhuǎn)換并控制變換器輸入電壓U₀的穩(wěn)定?！翱刂?”模塊和“控制3”模塊是對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制，根據(jù)檢測(cè)到模塊出口電壓波動(dòng)的高頻分量與低頻分量，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配并控制模塊的出口電壓U₁穩(wěn)定。MPPT控制模塊采集了光伏陣列的輸出電壓和電流，通過對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，讓光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處。因此，本方案中對(duì)光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的控制是由電網(wǎng)側(cè)網(wǎng)發(fā)電側(cè)進(jìn)行控制的，通過對(duì)各個(gè)變換器的合理控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明的有益效果是：

1)內(nèi)嵌儲(chǔ)能型DC-DC變換單元中含有蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能單元，可以實(shí)現(xiàn)模塊間功率實(shí)時(shí)再平衡，抵消模塊間輸入功率失配帶來的影響，增強(qiáng)裝置運(yùn)行適應(yīng)性；

2)多個(gè)光伏陣列獨(dú)立接入子模塊，無需設(shè)置低壓直流母線，可以簡(jiǎn)化直流匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于內(nèi)部故障的隔離保護(hù)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性；

3)借助各子模塊中內(nèi)嵌的混合儲(chǔ)能單元，可以實(shí)現(xiàn)裝置總輸出功率的平滑控制；

4)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能與升壓變換功能在同一級(jí)變換器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，無需伴隨光伏陣列設(shè)置匯流箱(分布式MPPT裝置)，便于系統(tǒng)維護(hù)，提高電站特殊情況下整體控制響應(yīng)速度；

5)變流器整體采用基于各子模塊的分布式控制架構(gòu)，各子模塊獨(dú)立閉環(huán)控制，系統(tǒng)主控與子模塊之間無需通信，可提升系統(tǒng)可靠性；

6)設(shè)計(jì)方案具備良好的可拓展性，對(duì)于我國(guó)未來大型直流光伏電站與發(fā)電基地的開發(fā)建設(shè)具有潛在工程應(yīng)用價(jià)值。

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方案進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖4所示的多子模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用8個(gè)模塊的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真中所采用的光伏電池組件為SunPower SPR-305-WHT，利用該組件串并聯(lián)組成15×22(即每個(gè)光伏陣列包含并聯(lián)22個(gè)光伏串，每個(gè)光伏串由15個(gè)光伏電池組件串聯(lián)而成)的光伏陣列。該光伏陣列在光照強(qiáng)度為1000W/m2,溫度為25℃的條件下，最大功率點(diǎn)的電壓為820.5V，最大功率為約為100kW。蓄電池組的額定電壓為600V，額定容量為300Ah，內(nèi)阻1Ω；超級(jí)電容器額定電壓為600V，額定容量為30F，內(nèi)阻0.1Ω。

仿真電路的參數(shù)為：(1)Buck-Boost變換器的電感值L2＝5mH；(2)隔離型全橋DC-DC變換器的輸出電容C2＝2000μF,變壓器變比為1:4；(3)單雙極性轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)電容為C3＝6000μF,輸出側(cè)電容為C4＝6000μF，變壓器變比為1:2；(4)雙極性并網(wǎng)側(cè)電壓為±30kV。

在仿真過程中，維持光伏陣列的溫度條件恒定，通過改變各個(gè)光伏陣列的光照強(qiáng)度來模擬系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的功率失配情況。圖12為仿真過程中光照強(qiáng)度的變化情況圖。

如圖15所示，在t＝0-0.1s時(shí)，所有光伏陣列的光照強(qiáng)度相同，輸出功率相同；在0.1s之后，各個(gè)光伏陣列的光照強(qiáng)度發(fā)生變化，為了更好的驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，光伏陣列8的光照強(qiáng)度變成了0，從而檢驗(yàn)極端情況下系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

圖16為各個(gè)單體變換器模塊出口電壓的仿真波形。雖然在仿真過程中，在t＝0.1s之后，各光伏陣列的光照強(qiáng)度差異很大，這必然導(dǎo)致各個(gè)光伏陣列輸出功率嚴(yán)重不平衡，但是由圖16可以看出各個(gè)單體變換器模塊的出口電壓依然能夠維持穩(wěn)定均勻。在t＝0.1s處，各個(gè)單體變換器模塊的出口電壓會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，但在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)控下，出口電壓能夠迅速穩(wěn)定到原來的值。

在光照條件變化后，在本文的直流升壓匯集系統(tǒng)中，模塊1的光伏陣列輸出功率最大，模塊8的光伏陣列輸出功率為0，這兩個(gè)模塊的工作環(huán)境最惡劣。因此，下面對(duì)光照強(qiáng)度變化后，模塊1和模塊8進(jìn)行進(jìn)一步觀察。

圖17為光伏陣列1和光伏陣列8的輸出功率圖。由光伏組件的參數(shù)可知：在光照強(qiáng)度為1000W/m2，光伏陣列的最大輸出功率約為100kW；在光照強(qiáng)度為800W/m2，光伏陣列的最大輸出功率約為80kW；在光照強(qiáng)度為0W/m2，光伏陣列的輸出功率為零。

圖18為模塊1和模塊8的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率圖。由圖18可以看出：在光照變化后，模塊1中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存光伏陣列1中發(fā)出的能量，吸收的功率約為40kW；模塊8中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)則釋放能量，放電的功率約為60kW。由于在光照變化后，光伏陣列1是輸出功率為100kW，所以在經(jīng)過模塊1中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收之后，模塊1的輸出功率為60kW，而此時(shí)模塊8的輸出功率則完全由該模塊的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供，功率也為60kW，從而實(shí)現(xiàn)了模塊間輸出功率的平衡。由圖18(b)和(d)可以看出：當(dāng)各個(gè)光伏陣列的輸出功率突然不平衡時(shí)，超級(jí)電容器能夠迅速以大功率釋放能量，并能夠調(diào)節(jié)功率波動(dòng)中的高頻波動(dòng)部分。除此之外，圖18(a)和(c)反映了蓄電池組在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中輔助承擔(dān)功率波動(dòng)中的低頻部分。因此，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠起到對(duì)各模塊輸出功率的平衡作用，并且方案對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)了蓄電池組和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有較強(qiáng)的安全性和可靠性。

圖19為單雙極性變換器并網(wǎng)側(cè)的輸出電壓波形。由圖19可知，單雙極性變換器并網(wǎng)側(cè)的輸出電壓能夠很好的穩(wěn)定在±30kV，驗(yàn)證了并網(wǎng)的可靠性。

從上述仿真結(jié)果可以看出本方案提出的帶混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏直流升壓匯集系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性，能夠在各個(gè)光伏陣列輸出電壓非常不平衡時(shí)仍然維持系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。除此之外，該系統(tǒng)還具備對(duì)光伏陣列故障隔離功能，在單個(gè)光伏陣列輸出功率為零或者故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間以滿足檢修和維護(hù)需求。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。