基于串联型优化器的光伏并网系统中对优化器的控制方法

技术领域

本发明涉及分布式光伏并网发电技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于 串联型优化器的光伏并网系统中对优化器的控制方法。

背景技术

由于太阳能的可再生性及清洁性，光伏并网发电技术得以迅猛发展。串联型 优化器结构是其中一种高效的光伏并网方案，每个光伏组件连接一台可升降压的优 化器，将优化器的输出端串联后通过集中式逆变器将能量传递给电网。串联型优化 器结构将光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)解耦为各个光伏组件的最大功率点 跟踪，在解决光伏组件不匹配及部分遮蔽问题的同时，具有成本低、效率高、系统 配置灵活、扩展性好等优点。

光伏并网系统的直流母线电压记为V_bus，其为所有串联的优化器的输出端电压 总和，即

V_bus＝v_{out_1}+v_{out_2}+…+v_{out_N}

其中，v_{out_1}、v_{out_2}…v_{out_N}分别为所有串联的N台光伏优化器的输出电压。

光伏并网系统的直流母线电流记为I_bus，由于每台优化器的输出端串联，其输 出电流相等，均为I_bus。

在一个光伏并网系统中，除去输出功率最大化、传导效率及成本的考虑之外， 输入输出的功率平衡、系统的启动与保护也是系统工作的必要保障。每台优化器以 及集中式逆变器的启动时序都会对系统功能产生影响。传统的控制方法需要通讯或 集中式控制来保证系统的启动、保护及稳定运行，这势必增加了成本，提高了系统 控制的复杂度，对通讯系统的要求也很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于串联型优化器的光伏并网系统中 对优化器的控制方法，能够消除对通讯系统的需求，维持光伏并网系统的功率平衡， 保证稳定的启动和保护功能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于串联型优化器的光伏并网系统中 对优化器的控制方法，所述光伏并网系统包括多个光伏组件、多个优化器和一个集 中式逆变器，多个所述光伏组件各自对应地与多个所述优化器的输入端相连接，多 个所述优化器的输出端串联后通过所述逆变器将能量传输给一电网；

所述控制方法包括步骤：

A.检测一优化器的输入电压；

B.判断连接所述优化器的所述光伏组件是否工作；若否，则返回上述步骤A； 若是，则执行下一步骤C；

C.执行所述光伏组件的最大功率点跟踪；

D.检测所述优化器的输出电压；

E.判断所述优化器的输出电压是否大于一输出电压阈值的上限电压；若否， 则返回上述步骤C；若是，则执行下一步骤F；

F.所述优化器暂停一段时间；

G.判断所述优化器的输出电压是否小于一输出电压阈值的下限电压；若否， 则返回上述步骤F；若是，则返回上述步骤C。

可选地，当足够数量的所述光伏组件达到所述优化器的启动条件时，所述优 化器首先启动；当直流母线电压达到所述逆变器的启动电压时，所述逆变器随后启 动。

可选地，所述逆变器的启动流程包括步骤：

I.所述逆变器检测所述电网的运行参数；

II.判断所述电网是否运行正常；若否，则返回上述步骤I；若是，则执行下 一步骤III；

III.所述逆变器检测所述直流母线电压；

IV.判断所述直流母线电压是否达到所述逆变器的启动电压；若否，则返回 上述步骤III；若是，则执行下一步骤V；

V.启动所述逆变器。

可选地，在知道多个所述优化器的输出电压阈值的下限电压、上限电压以及 所述逆变器的启动电压的情况下，所述光伏并网系统的设计流程包括步骤：

a.记录所述优化器的输出电压阈值的上限电压；

b.记录所述优化器的输出电压阈值的下限电压；

c.设置并记录所述逆变器的启动电压；

d.记录所述光伏组件的最大功率点电压；

e.计算最优的所述优化器的台数；

f.判断是否采用最优的所述优化器的台数；若是，则直接完成设计；若否， 则执行下一步骤g；

g.计算最少的所述优化器的台数；

h.选择并确定所述优化器的台数，完成设计。

可选地，在所述优化器的台数已确定，并且知道多个所述优化器的输出电压 阈值的下限电压、上限电压的情况下，所述光伏并网系统的设计流程包括步骤：

a.记录所述优化器的输出电压阈值的上限电压；

b.记录所述优化器的输出电压阈值的下限电压；

c.记录所述优化器的台数；

d.计算最小的所述逆变器的启动电压；

e.设置所述逆变器的启动电压，完成设计。

可选地，多个所述优化器的输出电压阈值的下限电压和上限电压本身也是非 固定、可设置的参数。

可选地，所述优化器的输出电压阈值的所述上限电压由所述优化器器件的耐 压性能决定，所述下限电压由所述优化器的串联节数决定，所述上限电压和所述下 限电压满足如下公式：

$V_{\mathrm{off}}>V_{\mathrm{on}}>\frac{V_{\mathrm{bus}}}{N}$

其中，V_off为所述优化器的输出电压阈值的所述上限电压，Von为所述优化器 的输出电压阈值的所述下限电压，V_bus为所述直流母线电压，N为所述优化器的串 联节数。

可选地，所述光伏并网系统能够运行所需要的最少的所述优化器的台数为：

$N_{\min }>\frac{V_{\mathrm{bus}}}{V_{\mathrm{off}}}$

其中，N_min为所需要的最少的所述优化器台数，向上取整，V_bus为所述直流母 线电压，V_off为所述优化器的输出电压阈值的所述上限电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将光伏并网系统中优化器的输出端串联后并接在集中式逆变器的输入 端。该种控制方法的特点在于前级优化器在工作状态下始终在进行最大功率点跟踪 (MPPT)，而后级集中式逆变器稳定直流母线电压并传输功率。

这种控制方法不需要在优化器与优化器之间、优化器与逆变器之间增加任何 通讯系统，维持光伏并网系统的功率平衡，保证稳定的启动和保护功能，并且可以 实现优化器的分别启动，拓宽优化器串联结构的适用范围。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例 的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的简单结构示 意图；

图2a为本发明一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的设计流程 图；

图2b为本发明另一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的设计流程 图；

图3为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中优化器启动时 的输出电压波形曲线示意图；

图4a为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中对一个优化器 的控制方法流程图；

图4b为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中逆变器的启动 工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了 更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其 它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情 况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在本发明中，采用的是以下的技术方案：

光伏并网系统(简称“系统”)中的后级集中式逆变器向电网传输功率，同 时起到稳定直流母线电压到预定值V_bus的作用。该逆变器检测电网电压及频率无误 后，等待直流母线电压达到预定的启动值V_bus后则开始启动。

给前级优化器设置两个输出电压阈值的上限电压Vo_ff及下限电压Von：当输出 电压高于上限电压V_off时，优化器停止工作；等待输出电压低于下限电压Von时， 则优化器重新开始工作。上限电压V_off的设置由优化器的器件耐压性能决定，下限 电压V_on的值由优化器的串联节数决定：

$V_{\mathrm{off}}>V_{\mathrm{on}}>\frac{V_{\mathrm{bus}}}{N}$

其中，V_off为优化器的输出电压阈值的上限电压，V_on为优化器的输出电压阈 值的下限电压，V_bus为直流母线电压，N为优化器的串联节数。

优化器在正常工作条件下，始终进行最大功率点跟踪(MPPT)。

优化器启动时无需判断整个系统的运行状态，直接进入MPPT状态，其工作 与否由输出电压阈值V_off和V_on决定。如果该优化器启动时直流母线电压已经达到 预定值，系统开始工作，则所有优化器的输出电压根据功率关系自动分配。由于串 联优化器的输出端电流相等为I_bus，则输出电压与每台优化器传输的功率成正比：

$v_{\mathrm{out}\_i}=\frac{P_i}{P_1+P_2+...+P_N}\times V_{\mathrm{bus}}=\frac{P_i}{\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_x}\times V_{\mathrm{bus}}$

其中v_{out_i}为第i台优化器的输出电压，P₁、P₂…P_N分别为N台优化器的传输 功率，P_i为第i台优化器的传输功率，V_bus为直流母线电压的预定值。

如果该优化器启动时直流母线电压还没有达到其预定值V_bus，即整个系统还没 有正常工作，优化器的输出电压很快将达到上限电压V_off，此时其优化器停止工作。 其后优化器的输出电压将会下降，直到达到下限电压V_on时优化器再次启动。如此 循环往复，直到所有优化器的输出电压之和达到直流母线电压的预定值V_bus，则集 中式逆变器启动，系统向电网传输功率。

系统最优串联优化器的台数N为：

$N\approx \frac{V_{\mathrm{bus}}}{V_{\mathrm{MPP}}}$

其中V_MPP为光伏组件的最大功率点电压。

系统能够工作最少需要的优化器台数N_min为：

$N_{\min }>\frac{V_{\mathrm{bus}}}{V_{\mathrm{off}}}$

本发明通过对优化器以及集中式逆变器的控制方式设计，实现串联型优化器 结构的平稳启动，不需要使用通讯系统，对系统的正常状态运行没有影响，最大程 度利用了光伏组件的输出功率。

本发明主要涉及基于串联型优化器的光伏并网系统中对优化器的控制方法， 逆变器稳定直流母线电压并向电网输出功率，优化器解耦光伏组件的最大功率点跟 踪并由输出电压阈值的上限电压V_off及下限电压V_on控制工作状态。每台优化器可 以不同时启动。

图1为本发明一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的简单结构示 意图。如图1所示，该系统中共有N台串联的光伏优化器，设定的直流母线电压 为V_bus。此时，能维持整个系统运行工作的优化器的最少数量为：

$N_{\min }>\frac{V_{\mathrm{bus}}}{V_{\mathrm{off}}}$

其中，N_min为所需要的最少的优化器台数(向上取整)，V_bus为直流母线电压， V_off为优化器的输出电压阈值的上限电压。

对于图1所示的光伏并网系统，其包括多个光伏组件101₁、101₂…101_n、多个 优化器103₁、103₂…103_n和一个集中式逆变器105。其中，多个光伏组件101₁、 101₂…101_n各自对应地与多个优化器103₁、103₂…103_n的输入端相连接，而多个优 化器103₁、103₂…103_n的输出端串联后通过逆变器105将能量传输给电网。

在本发明中，该光伏并网系统可以是按照如下的流程设计的：

第一种情形：如果知道各优化器103₁、103₂…103_n的输出电压阈值的下限电 压V_on和上限电压V_off(假设系统中采用的多个优化器都相同)以及集中式逆变器 105的启动电压V_bus的情况下，该系统的设计任务主要是确定串联的优化器103₁、 103₂…103_n的台数。

图2a为本发明一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的设计流程 图。如图2a所示，该设计流程主要包括：

执行步骤S201，记录优化器的输出电压阈值的上限电压V_off；

执行步骤S202，记录优化器的输出电压阈值的下限电压V_on；

执行步骤S203，设置并记录逆变器的启动电压V_bus；

执行步骤S204，记录光伏组件的最大功率点电压V_MPP；

执行步骤S205，计算最优的串联优化器的台数N_opt＝V_bus/V_MPP；

执行步骤S206，判断是否采用最优的串联优化器的台数N_opt；若是，则直接 完成设计；若否，则执行下一步骤S207；

执行步骤S207，计算最少的串联优化器的台数N_min＝V_bus/V_off；

执行步骤S208，确定串联优化器的台数N，N>N_min，完成设计。

第二种情形：在串联的优化器103₁、103₂…103_n的台数已确定的情况下，知 道各优化器103₁、103₂…103_n的输出电压阈值的下限电压V_on和上限电压V_off(假 设系统中采用的多个优化器都相同)，该系统的设计任务主要是确定集中式逆变器 105的启动电压V_bus。

图2b为本发明另一个实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统的设计流程 图。如图2b所示，该设计流程主要包括：

执行步骤S211，记录优化器的输出电压阈值的上限电压V_off；

执行步骤S212，记录优化器的输出电压阈值的下限电压V_on；

执行步骤S213，记录串联优化器的台数N；

执行步骤S214，计算最小的逆变器启动电压V_bus＝N*V_off；

执行步骤S215，设置逆变器的启动电压V_bus，完成设计。

另外，优化器103₁、103₂…103_n的输出电压阈值的下限电压V_on和上限电压 V_off本身也可以是非固定、可设置的参数，方便于系统设计。

在光伏并网系统设计、组建完成之后，当第一台优化器103₁连接的光伏组件 101₁达到启动要求时，优化器103₁输出功率，输出电压V_out从t₁时刻开始上升。 图3为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中优化器启动时的输出 电压波形曲线示意图。如图3所示，此时的直流母线电压V_bus会等于第一台优化器 1031的输出电压v_{out_1}，由于其小于逆变器可以工作的母线电压，集中式逆变器105 不工作。在t₂时刻，优化器103₁的输出电压V_out高于上限电压V_off后停止工作；在 t₃时刻，优化器103₁的输出电压V_out低于下限电压V_on，优化器103₁又重新开始工 作。在t₄以及后续的其它时刻，情况也是类似的。因此，第一台优化器103₁的输 出电压v_{out_1}在上限电压V_on与下限电压V_off之间震荡。当第二台优化器103₂启动时， 直流母线电压V_bus为两台优化器103₁、103₂的输出电压之和，即v_{out_1}+v_{out_2}。若其 仍小于设定的逆变器的工作电压V_bus，则第二台优化器103₂的输出电压v_{out_2}也在 上限电压V_on与下限电压V_off之间震荡。

直到第N_min台优化器启动后，直流母线电压之和达到逆变器工作电压，逆变 器105启动，系统才开始向电网传输功率。

由于各优化器103₁、103₂…103_n的输出端串联，则直流母线电压V_bus为所有优 化器103₁、103₂…103_n的输出电压之和：

V_bus＝v_{out_1}+v_{out_2}+…+v_{out_N}

所有优化器103₁、103₂…103_n的输出电流相等，则优化器103₁、103₂…103_n的输出电压与其传输的功率P₁、P₂…P_n成正比：

$v_{\mathrm{out}\_i}=\frac{P_i}{P_1+P_2+...+P_N}\times V_{\mathrm{bus}}=\frac{P_i}{\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_x}\times V_{\mathrm{bus}}$

即系统正常工作时，后级集中式逆变器稳定直流母线电压，优化器控制输入 电压完成最大功率点跟踪功能，而每台优化器的输出电压满足上式关系。

图4a为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中对一个优化器 的控制方法流程图。如图4a所示，优化器的该控制方法主要包括：

执行步骤S401，检测优化器的输入电压；

执行步骤S402，判断连接该优化器的光伏组件是否工作；若否，则返回上述 步骤S401；若是，则执行下一步骤S403；

执行步骤S403，执行该光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)；

执行步骤S404，检测该优化器的输出电压v_out；

执行步骤S405，判断该优化器的输出电压v_out是否大于一输出电压阈值的上 限电压V_off；若否，则返回上述步骤S403；若是，则执行下一步骤S406；

执行步骤S406，该优化器暂停一段时间；

执行步骤S407，判断该优化器的输出电压v_out是否小于一输出电压阈值的下 限电压V_on；若否，则返回上述步骤S406；若是，则返回上述步骤S403。

当足够数量的光伏组件达到优化器的启动条件时，优化器首先启动；当直流 母线电压达到逆变器的启动电压时，逆变器随后启动。

而图4b为图1所示实施例的基于串联型优化器的光伏并网系统中逆变器的启 动工作流程图。如图4b所示，逆变器的该启动工作流程主要包括：

执行步骤S411，该逆变器检测电网的各项运行参数；

执行步骤S412，判断该电网是否运行正常；若否，则返回上述步骤S411；若 是，则执行下一步骤S413；

执行步骤S413，该逆变器检测系统的直流母线电压V_bus；

执行步骤S414，判断该直流母线电压是否达到该逆变器的启动电压；若否， 则返回上述步骤S413；若是，则执行下一步骤S415；

执行步骤S415，启动该逆变器，开始向该电网传输功率。

通过设定优化器的输出电压阈值的下限电压V_on以及上限电压V_off。优化器的 输出电压v_out达到可工作的最大值：上限电压V_off后优化器暂停运行；之后输出电 压v_out低于需工作的最小值：下限电压V_on后重新开始工作。优化器运行时无需判 断整个光伏并网系统的运行状态。

综上所述，本发明将光伏并网系统中优化器的输出端串联后并接在集中式逆 变器的输入端。该种控制方法的特点在于前级优化器在工作状态下始终在进行最大 功率点跟踪(MPPT)，而后级集中式逆变器稳定直流母线电压并传输功率。

这种控制方法不需要在优化器与优化器之间、优化器与逆变器之间增加任何 通讯系统，维持光伏并网系统的功率平衡，保证稳定的启动和保护功能，并且可以 实现优化器的分别启动，拓宽优化器串联结构的适用范围。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领 域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任 何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。