基于MMC的光伏发电系统新型拓扑结构技术方案

本发明专利技术涉及一种光伏发电系统新型拓扑结构，包括光伏阵列（PV）、最大功率跟踪器（MPPT）、直流变换电路（DC/DC）和模块化功率单元。最大功率跟踪控制器控制直流变换电路完成光伏阵列最大功率点跟踪，并将光伏阵列产生的电能进行输出，作为功率单元的能量来源，系统控制器根据采集的相关数据控制功率单元中各开关器件进行相应的导通和关断，进而维持各功率单元中电容电压的稳定，并在输出端获得由各投入功率单元电容电压叠加形成的高压直流电。此种新型拓扑结构的优点包括：每个光伏阵列都有最大功率跟踪模块，降低了遮挡或受照不均匀对其产生的影响，提高了效率；采用模块化功率单元，不仅能够通过功率单元相互叠加的方式达到高压直流输出，既可本地直接并网也可进行远距离输电，还可实现冗余控制，便于系统维护；控制策略简单可靠，占地面积小且传输功率大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子及用户电力领域，具体涉及一种光伏发电系统新型拓扑结构。
技术介绍
(1）无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。据预测，到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上；（2）2013年中国光伏发电新增装机容量达到了12WG，同比增长232%，占2013年全球光伏发电新增容量31.2%。与欧洲2013年光伏新增发电相比，中国2013年光伏新增发电装机容量接近欧洲总和，意味着中国超越德国成为全球最大的光伏市场。2013年，我国光伏新增发电容量中，93.81%是光伏发电，6.19%是分布式光伏。前瞻产业研究院发布的数据显示，截止2013年底，我国共有741个大型并网发电项目，60%以上分布在我国的西北地区。本专利技术可通过在控制策略中嵌入电能质量控制环节，实现有功并网、谐波抑制、无功补偿多功能复用，提高基于MMC的光伏发电系统利用率，使得电网清洁高效。同时提高电网消纳新能源发电的比例；（3）传统光伏发电系统容量小，占地面积大，而采用此新型拓扑结构，无需升压变压器即可将直流母线电压维持在较高等级，既可直接并网输电也可将光伏电能进行远距离传输。
技术实现思路
本专利技术目的提供一种光伏发电系统新型拓扑结构，该拓扑结构采用多个功率单元串联的形式实现高压输出，且每个光伏阵列都有MPPT单元，提高光伏阵列的效率，此外此种拓扑结构可将输出直流电压维持在较高等级，能够应用于远距离输电。为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：1、一种光伏发电系统新型拓扑结构，包括光伏阵列（PV）、最大功率跟踪控制器（MPPT）、直流变换电路（DC/DC）和模块化功率单元。最大功率跟踪控制器控制直流变换电路完成光伏阵列最大功率点跟踪，并将光伏阵列产生的电能进行输出，作为功率单元的能量来源，系统控制器根据采集的相关数据控制功率单元中各开关器件进行相应的导通和关断，进而维持各功率单元中电容电压的稳定，并在输出端获得由各投入功率单元电容电压叠加形成的高压直流电；2、最大功率跟踪控制器（MPPT）通过直流变换电路实现，从而达到光伏阵列工作在最大功率点的目的，使其效率最高，并给功率单元提供能量。最大功率跟踪控制器通过软件编程在FPGA中实现，直流变换电路由一个二极管、一个IGBT和一个电感实现；3、功率单元采用标准功率单元，其结构为半桥结构，由IGBT和二极管串联，再并联一个直流电容组成。其能量来自于光伏阵列功率输出，系统控制器控制功率单元进行充放电，从而维持电容电压稳定；4、换流器为三相，每相由2N个标准功率单元组成，分为上下两组，每组的功率单元数为N个，输出相电压电平阶梯数为N+1，上下两组功率单元之间以耦合或者非耦合的电感进行连接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、由于每个光伏阵列都有MPPT控制器，提高了光伏阵列效率；2、功率单元能够通过串联叠加到几十甚至几百个，能够有效提升换流器功率；3、通过功率单元的串联叠加，直流母线能够维持在很高的电压等级，使远距离高压直流输电成为可能，且控制策略相对简单；4、采用标准的功率单元，缩短了制造周期并节省成本；5、可灵活配置适应不同交流系统，提高了应用的便利性。图1是新型光伏输电拓扑结构示意图图2是直流变换电路示意图图3是功率单元结构示意图具体实施方式：1、见图1，包括交流系统、变压器、系统控制器、最大功率跟踪控制器、光伏阵列（PV）、直流变换电路（DC/DC）和模块化功率单元。光伏阵列产生的功率，通过最大功率跟踪控制器（MPPT）控制的直流变换电路进行输出，此功率作为功率单元的能量来源。系统控制器通过采集回来的相关数据控制功率单元中IGBT关断与导通，使电容充放电，维持其电压稳定。通过功率单元的串联叠加能够使直流母线维持在较高电压等级，能够直接应用于远距离输电，为太阳能应用于高压直流输电提供了一种可能；2、见图2，通过直流变换电路实现MPPT，测量光伏阵列输出电流及其两端电压，通过扰动观察法（PerturbandObserve）获得最大功率点电压参考值，将实际测得的光伏阵列两端电压与该电压进行比较，其差值经PI调节器，输出与三角波比较后作为直流变换电路中IGBT的触发信号，进而控制光伏阵列工作在最大功率点处；3、见图3，功率单元采用标准功率单元，其结构为1/4桥结构，由一个IGBT及二极管串联，再并联一个直流电容组成，功率单元相应输出端如图中所示，并与其他功率单元依次串接构成换流器的相单元，三个相单元并联后组成换流器；4、系统控制器通过采集回来的相关数据控制功率单元中相应的IGBT关断与导通，使电容充放电，维持其电压稳定；5、串联功率单元数目理论上可以为任意值，且上下桥臂通过换流电抗器进行相连，故直流母线电压可维持在较高电压等级，能够直接应用于高压直流输电。本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术涉及一种光伏发电系统新型拓扑结构，其特征在于包括光伏阵列（PV）、最大功率跟踪控制器（MPPT）、直流变换电路（DC/DC）和模块化功率单元；最大功率跟踪控制器控制直流变换电路完成光伏阵列最大功率点跟踪，并将光伏阵列产生的电能进行输出，作为功率单元的能量来源，系统控制器根据采集的相关数据控制功率单元中各开关器件进行相应的导通和关断，进而维持各功率单元中电容电压的稳定，并在输出端获得由各投入功率单元电容电压叠加形成的高压直流电。

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种光伏发电系统新型拓扑结构，其特征在于包括光伏阵列（PV）、最大功率跟踪控制器（MPPT）、直流变换电路（DC/DC）和模块化功率单元；最大功率跟踪控制器控制直流变换电路完成光伏阵列最大功率点跟踪，并将光伏阵列产生的电能进行输出，作为功率单元的能量来源，系统控制器根据采集的相关数据控制功率单元中各开关器件进行相应的导通和关断，进而维持各功率单元中电容电压的稳定，并在输出端获得由各投入功率单元电容电压叠加形成的高压直流电。
2.根据权利要求1所述光伏发电系统新型拓扑结构，其特征在于，光伏阵列规模的大小、新型拓扑结构的功率单元数量都可在系统额定功率范围内根据需求进行任意调整。
3.根据权利要求1所述光伏发电系统新型拓扑结构，其特征在于，最大功率跟踪控制（MPPT）通过直流变换电路实现，从而达到光伏阵列工作在最大功率点的目的，使其效率最高，并给功率单元提供能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚致清，赵倩，张群，陈朋，李志勇，杨慧霞，蒋冠前，胡晓静，
申请(专利权)人：许昌开普电气研究院，
类型：发明
国别省市：河南;41