集散式光伏并網發電系統的協同控制裝置及其控制方法與流程

本發明涉及一種共直流母線的集散式光伏并網發電系統的控制裝置及其控制方法，特別涉及一臺集中型并網逆變器與多臺具有最大功率跟蹤功能的匯流箱之間協同運行的任務調度控制裝置和控制方法。

背景技術：

與常規集中式光伏并網發電系統相比，現有的由一臺集中型并網逆變器102和多臺具備最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能的匯流箱101組成的集散式光伏并網發電系統，具有更高的系統發電效率、更好的系統經濟性，逐漸受到業界重視。如圖1所示，在該集散式光伏并網發電系統中，多臺具有最大功率跟蹤功能的匯流箱101的直流輸出端與一臺集中型并網逆變器102的直流輸入端連接，組成集散式光伏并網發電系統公共直流母線103，實現遠距離直流能量的傳輸。集中型并網逆變器102的控制目標是穩定公共直流母線103電壓，多臺具有最大功率跟蹤功能的匯流箱101負責按光照條件進行MPPT，并將功率傳送至公共直流母線103，集中型并網逆變器102為穩定公共直流母線103電壓，將自動完成電能向公共電網106的輸送。

但由于設備間物理距離104的限制，導致匯流箱與逆變器之間的協同控制成為集散式光伏并網發電系統性能提升的關鍵，依靠傳統的遠程通信線路105無法保證數據傳輸的快速性。目前集散式光伏并網發電系統產品和文獻大多采用基于遠程通信的協同控制方式，其單次信息傳遞周期均在百毫秒級以上，難以達到控制閉環所需的響應速度，不能實現理想的系統控制策略。尤其在公共電力系統向集散式光伏并網發電系統下達限制有功輸出功率調度指令后，難以達到傳統集中型并網發電系統快速、準確的響應效果。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術控制信息傳達緩慢，難以實現閉環式協同控制的缺點，提出一種集散式光伏并網發電系統的協同控制方法。

本發明集散式光伏并網發電系統的協同控制裝置為單臺集中型并網逆變器與多臺MPPT匯流箱共直流母線組成的集散式光伏并網發電系統，采用直流母線電壓作為任務調度系統的信息傳遞鏈路。

本發明在集中型并網逆變器中加入的電壓編碼模塊，所述的電壓編碼模塊位于單臺集中型并網逆變器側的公共直流母線上，一端連接直流母線，另一端分別連接多臺MPPT匯流箱。電壓編碼模塊根據輸入的集中型并網逆變器的當前指令狀態，向單臺集中型并網逆變器CPU輸出調節該逆變器側的公共直流母線電壓給定值，控制公共直流母線電壓變化，并將調節公共直流母線電壓給定值的指令以電壓的形式傳達至每一臺MPPT匯流箱。

本發明在每一臺MPPT匯流箱中加入電壓譯碼模塊。所述的電壓譯碼模塊位于匯流箱側的直流母線上。多個電壓譯碼模塊對應連接一個電壓編碼模塊，根據MPPT匯流箱直流母線電壓識別出集中型并網逆變器所下發調度指令，以此調度指令作為MPPT匯流箱的輸入，輸出控制指令使MPPT匯流箱根據此調度指令運行，包括匯流箱啟停機、限功率、低電壓穿越、休眠等。因而本發明能夠通過集中型并網逆變器對直流母線電壓進行編碼控制，協同控制多臺具有最大功率跟蹤(MPPT)功能的匯流箱的實時信息下達和任務調度。

公共直流母線電壓的信息傳遞具有快速性、實時性及連續性，同時，基于大功率能量流動所構建的信息傳遞系統相較串行通信等方式具有高度的抗擾性，不需考慮電磁兼容等因素。此外由于無需架設專用互聯線，降低了設備成本。

應用本發明的集散式光伏并網發電系統中，多臺MPPT匯流箱同時根據各自連接的光伏組件環境進行MPPT跟蹤，向公共直流母線提供光伏組件的最大功率，同時根據電壓譯碼模塊的指令進行動作。集中型并網逆變器將公共直流母線中的能量逆變輸送到電網，控制直流母線電壓穩定在電壓編碼模塊輸出的給定值上。電壓編碼模塊根據逆變器所需下發調度信息，給出公共直流母線電壓給定值。電壓譯碼模塊根據公共直流母線電壓值，向MPPT匯流箱給出所下發的調度指令。

本發明對集中型并網逆變器的控制對象為直流母線電壓，對MPPT匯流箱的控制對象為光伏輸出功率，兩者之間通過電壓編碼模塊和電壓譯碼模塊實現協同控制，使集中型并網逆變器能夠間接地控制MPPT匯流箱所連接的光伏組件的輸出功率。

本發明在集散式光伏并網發電系統加入電壓編碼模塊和電壓譯碼模塊，將MPPT匯流箱納入集中型并網逆變器的控制對象中，采用公共直流母線作為集中型并網逆變器向匯流箱傳遞任務調度信息的鏈路，通過簡單的編解碼的方式控制公共直流母線電壓值的變化，使匯流箱通過對公共直流母線電壓的識別，執行相應的調度任務。調度任務包括匯流箱的啟停機等邏輯指令和輸出功率限幅等線性連續變化指令。

本發明控制方法步驟如下：

1、確定控制目標

首先，確定對集散式光伏并網發電系統的控制目標為集散式光伏并網發電系統總輸出功率。為此，集中型并網逆變器的控制目標是公共直流母線電壓；電壓編碼模塊的控制目標是公共直流母線電壓給定值；電壓譯碼模塊的控制目標是根據公共直流母線電壓值，給出MPPT匯流箱所需指令；MPPT匯流箱的控制目標是進行光伏組件最大功率跟蹤，并執行“限功率”、“啟動”、“停機”、“低電壓穿越”、“系統休眠”等指令。

2、劃分公共直流母線電壓的編碼區域

其次，將公共直流母線電壓劃分為線性編碼區和非線性編碼區。線性編碼區和非線性編碼區均處于集散式光伏并網發電系統安全運行范圍內。所述的線性編碼區位于公共直流母線電壓額定值的±5％范圍內，為該集散式光伏并網發電系統正常運行的電壓區域；所述的非線性編碼區為額定電壓的90％-95％范圍和105％-110％范圍內，為設備短時運行的允許電壓區域。線性編碼區用于傳遞光伏輸出功率限幅指令，該指令為一個連續變化的數字量，通過控制公共直流母線電壓的連續變化來傳遞。非線性編碼區用于傳遞“啟動”、“停機”、“低電壓穿越”、“系統休眠”等邏輯動作，指令傳遞形式為短時間階躍式變化的公共直流母線電壓。

3、設計編碼規則

為統一集中型逆變器下達信息時操作公共直流母線電壓的動作，以及MPPT匯流箱識別公共直流母線電壓后所執行的動作，需要設計編碼規則。該編碼規則分別由電壓編碼模塊和電壓譯碼模塊實現，電壓編碼模塊通過控制直流母線電壓編碼，電壓譯碼模塊根據公共直流母線電壓的情況發出匯流箱動作指令，即實現譯碼。表1所示為所設計的集散式系統公共直流母線電壓控制編碼表，規定了對各指令及公共直流母線電壓動作方式。

表1集散式系統公共直流母線電壓控制編碼表

4、控制集中型并網逆變器

在集散式光伏并網發電系統運行過程中，集中型并網逆變器將接收的電力系統經后臺監控下達的“限制有功功率輸出”、“遠程啟/停機”等指令，以及集中型并網逆變器本地軟硬件自檢故障、逆變器總輸出功率等信息，匯總至集中型并網逆變器中的電壓編碼模塊，由電壓編碼模塊輸出直流母線電壓給定值，再經常規的直流電壓、交流電流雙閉環控制，實現并網輸出。

當集散式光伏并網發電系統正常運行時，電壓編碼模塊輸出的直流母線電壓給定值處于線性編碼區，所下達信息為線性變化的控制信息，如輸出功率限幅。此時電壓編碼模塊可識別集中型并網逆變器向電網輸送的功率，從而判斷輸出功率是否過高，若輸出功率過高，則控制公共直流母線電壓降低，MPPT匯流箱通過電壓譯碼模塊識別公共直流母線電壓降低后，相應下調輸出功率。

本發明將MPPT匯流箱作為執行機構納入到集中型并網逆變器自身的控制系統中，在傳統集散式并網發電系統的集中型并網逆變器控制環路中加入電壓編碼模塊，電壓編碼模塊采用帶有抗飽和功能的比例-積分(PI)調節器，反饋量為系統輸出功率，輸出量為直流母線電壓給定值。電壓編碼模塊的加入使集中型并網逆變器直接控制集散式光伏并網發電系統的輸出功率，達到完整的閉環控制效果。這種線性連續閉環控制的方法可避免多臺匯流箱個體差異、光伏組件個體差異、設備識別差異等誤差，并提高控制信息的下達速度，從而快速、準確地控制集散式光伏并網發電系統輸出功率。

當電壓編碼模塊識別整個集散式光伏并網發電系統出現故障、低電壓穿越、啟停機等邏輯狀態時，控制公共直流母線電壓進入非線性編碼區，通過對直流母線電壓的階躍式控制使MPPT匯流箱執行相應指令：控制公共直流母線電壓高于107％pu或低于93％pu，MPPT匯流箱立即停機；控制公共直流母線電壓在106％-108％pu范圍內連續兩次上升，則MPPT匯流箱進入低電壓穿越狀態，立即停止功率輸出，待公共直流母線電壓恢復后快速恢復至之前的輸出功率；集中型并網逆變器控制公共直流母線電壓在92％-94％pu范圍內連續兩次下降，MPPT匯流箱進入休眠狀態，經過一段延時后若集散式光伏并網發電系統仍不啟動則停機。此外，當集中型并網逆變器控制公共直流母線電壓進入95％-105％pu的線性編碼區后，MPPT匯流箱首先執行啟動命令，再執行相應的輸出功率調節動作。這種邏輯指令的下達方式，優點是保證了快速性，避免了大功率電力電子系統中的通信干擾問題，使控制指令的通信可靠性提升了一個等級。

因而，本發明所述的電壓編碼模塊，包含了集散式光伏并網發電系統輸出功率線性閉環控制和非線性邏輯控制的功能，對應集散式光伏并網發電系統公共直流母線電壓運行于線性編碼區與非線性編碼區，即電壓編碼模塊根據輸入的各種上位監控系統指令和逆變器本機狀態，輸出對應情況下的逆變器總輸出功率指令，分別進行線性或非線性閉環控制。

5、制訂MPPT匯流箱具體控制方法

在集散式光伏并網發電系統運行過程中，首先由MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊識別公共直流母線電壓，從而給出啟/停機和功率調度等指令，由MPPT模塊在進行最大功率跟蹤的同時相應執行，再經傳統MPPT匯流箱常用的PV電壓閉環控制，實現匯流箱的整體運行。

上述集散式光伏并網發電系統總輸出功率線性連續閉環控制的方法可避免多臺匯流箱個體差異、光伏組件個體差異、設備識別差異等誤差，并提高控制信息的下達速度，從而快速、準確地控制集散式光伏并網發電系統輸出功率。同時，上述邏輯指令的下達方式，優點是保證了快速性，避免了大功率電力電子系統中的通信干擾問題，使控制指令的通信可靠性提升了一個等級。

應用本發明的集散式光伏并網發電系統運行過程如下：

1、啟動集中型并網逆變器

在集中型并網逆變器和MPPT匯流箱均停機的狀態下，多臺MPPT匯流箱所連接的光伏組件的輸出電壓不經升壓直接并聯傳輸至公共直流母線，由集中型并網逆變器識別該電壓大于集散式光伏并網發電系統啟動電壓后，判定此時光照條件可進行逆變輸出，此時啟動集中型并網逆變器，由電壓編碼模塊在線性編碼區輸出直流母線電壓給定值，再由公共電網取能，將公共直流母線電壓控制于該電壓給定值。

2、啟動MPPT匯流箱

MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊檢測公共直流母線電壓在95％-105％pu范圍內，延時自檢后使能MPPT模塊進行跟蹤，將光伏組件功率進行升壓，并輸送至公共直流母線。此時為穩定直流母線電壓，集中型并網逆變器由控制環路調節后自動向公共電網逆變，轉入逆變狀態。

3、有功調度運行

集中型并網逆變器中的電壓編碼模塊檢測到MPPT匯流箱有輸出功率，已開始正常工作后，根據電力系統調度指令在95％-105％pu范圍內調節公共直流母線電壓，使集散式光伏并網發電系統輸出功率不大于電力系統所下達限值。MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊自動識別公共直流母線電壓，限制MPPT匯流箱的MPPT模塊的光伏輸出功率。

4、逆變器故障

若集中型并網逆變器檢測到發生故障，則電壓編碼模塊將公共直流母線電壓調節至93％pu以下，直到MPPT匯流箱全部停機，逆變器不再有輸出功率；若集中型并網逆變器失控，則公共直流母線電壓會被MPPT匯流箱的能量充高，MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊檢測電壓高于107％pu后自動停機；若集中型并網逆變器短路，則公共直流母線電壓會被直接拉低至93％pu以下，MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊檢測后自動使MPPT匯流箱的MPPT模塊停機，不使故障擴大。

5、匯流箱故障

集中型并網逆變器的指令下達為廣播方式，若個別MPPT匯流箱故障，則其他MPPT匯流箱正常工作，且在光照充足的情況下其他MPPT匯流箱將分擔故障匯流箱的輸出功率，使集散式光伏并網發電系統總輸出功率仍達到電力系統限值。

6、低電壓穿越

若集中型并網逆變器檢測到低電壓穿越，則電壓編碼模塊在106％-108％pu范圍內連續兩次上調公共直流母線電壓，MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊檢測到該指令后自動使MPPT模塊休眠，待公共直流母線電壓小于105％后快速恢復輸出功率。

7、逆變器休眠

若集中型并網逆變器檢測到集散式光伏并網發電系統輸出功率過低，則電壓編碼模塊將公共直流母線在92％-94％范圍內連續兩次降低，MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊檢測到后使MPPT模塊進入休眠狀態，停止功率輸出，延時一段時間后若公共直流母線電壓恢復至線性編碼區則啟動輸出，反之延時后停機。

8、系統停機

若集中型并網逆變器收到遠程停機指令，則電壓編碼模塊將公共直流母線電壓下調至93％pu以下，MPPT匯流箱中的電壓譯碼模塊識別后自動使MPPT匯流箱的MPPT模塊停止工作。

本發明所提出的技術方案可推廣應用于其他具有公共直流母線系統的調度、控制信息傳遞，其線性編碼區所傳遞信息可設為其他連續變化的調度指令，非線性編碼區所傳遞信息可設為其他邏輯控制信息。

附圖說明

圖1是集散式光伏并網發電系統拓撲圖；

圖2是多任務調度協議編碼分區示意圖；

圖3是逆變器運行控制框圖；

圖4是逆變器與匯流箱在線性編碼區運行時的整體閉環控制框圖；

圖5是匯流箱控制框圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

本發明實施例為1MW集散式光伏并網發電系統，系統總容量1MW，由1臺額定功率為1MW的集中型并網逆變器102和20臺額定功率為50kW的MPPT匯流箱101組成，公共直流母線103額定電壓為850V，所匹配光伏組件開路電壓約為750V。

如圖3所示，電壓編碼模塊108連接在集中型并網逆變器102和MPPT匯流箱101之間，位于集中型逆變器側的公共直流母線上，一端連接直流母線，另一端分別連接多臺MPPT匯流箱。

如圖5所示，電壓編碼模塊根據輸入的集中型并網逆變器102當前指令狀態，向逆變器CPU輸出調節逆變器的公共直流母線電壓給定值，控制公共直流母線電壓變化，將指令以電壓的形式傳達至每一臺MPPT匯流箱電壓譯碼模塊115位于MPPT匯流箱側的直流母線上，多個電壓譯碼模塊對應連接一個電壓編碼模塊，根據匯流箱直流母線電壓識別出集中型并網逆變器所下發的調度指令，MPPT匯流箱根據此調度指令運行，包括匯流箱啟停機、限功率、低電壓穿越、休眠等。

以下以實施例說明本發明控制方法：

1、確定控制目標

在此實施例中，確定對集散式光伏并網發電系統的控制目標為集散式光伏并網發電系統總輸出功率，集中型并網逆變器的控制目標是公共直流母線電壓；電壓編碼模塊的控制目標是公共直流母線電壓給定值；MPPT匯流箱的控制目標是進行光伏組件最大功率跟蹤，并執行“限功率”、“啟動”、“停機”、“低電壓穿越”、“系統休眠”等指令；電壓譯碼模塊的控制目標是根據公共直流母線電壓值，給出MPPT匯流箱所需指令。

2、劃分編碼區域

根據前述編碼區域劃分方法，將807.5-892.5V設為線性編碼區106，用于傳遞0-100％輸出有功功率限值；將765-807.5V和892.5-935V設為非線性編碼區107，用于傳遞邏輯指令。

3、設計編碼規則

表2所示為1MW集散式光伏并網發電系統公共直流母線103電壓控制編碼表。

表2 1MW集散式光伏并網發電系統公共直流母線電壓控制編碼表

表2對各指令及公共直流母線電壓動作方式作出了規定。由電壓編碼模塊108根據該編碼規則對公共直流母線電壓進行調度，由電壓譯碼模塊115識別公共直流母線電壓，從而將調度信息傳達至MPPT匯流箱101內部控制環路。

4、制訂集中型并網逆變器控制方法

圖3所示為集中型逆變器102控制框圖。集中型逆變器102在常規的直流電壓、交流電流雙閉環控制環路之外，加入電壓編碼模塊108，實現輸出功率閉環和邏輯指令下達等功能。

5、制訂MPPT匯流箱的具體控制方法

圖5所示為MPPT匯流箱101控制框圖，MPPT匯流箱在常規的MPPT模塊114和光伏組件電壓環113之外，加入電壓譯碼模塊115用于識別公共直流母線電壓所編碼下達的調度指令。

1MW集散式光伏并網發電系統實施例具體運行過程如下：

1、啟動逆變器

在集散式光伏并網發電系統停機狀態下，集中型并網逆變器102中的電壓編碼模塊108檢測公共直流母線103電壓高于300V并穩定5分鐘后，啟動逆變器并將公共直流母線103電壓控制于850V。

2、啟動匯流箱

MPPT匯流箱101中的電壓譯碼模塊115檢測公共直流母線103電壓在線性編碼區106范圍內，延時3min自檢故障后啟動MPPT匯流箱升壓，并進行MPPT跟蹤。由于此時公共直流母線103電壓為850V，MPPT匯流箱101最大輸出功率為25kW。

3、有功調度運行

電壓編碼模塊108檢測集散式光伏并網發電系統總輸出功率大于10kW后，投入輸出功率閉環控制，根據電力系統調度指令在線性編碼區106內調節公共直流母線電壓。20臺MPPT匯流箱101中的電壓譯碼模塊115自動識別公共直流母線103電壓，在0-50kW范圍內分別調節輸出功率。

4、逆變器故障

若電壓編碼模塊108檢測到逆變器102發生故障，則將公共直流母線103電壓調節至790.5V以下，直到檢測集散式光伏并網發電系統總輸出功率小于0再行停機；若逆變器102失控，則匯流箱101中的電壓譯碼模塊115檢測到公共直流母線103電壓高于909.5V或低于790.5V后，自動使匯流箱101停機。

5、匯流箱101故障

舉例說明，若電力系統下達總輸出功率限值為400kW指令至逆變器102，各MPPT匯流箱101所連接光伏組件當前最大功率為40kW。則經集散式光伏并網發電系統自動調節后，公共直流母線103電壓約為841.5V，各MPPT匯流箱101所發功率約為20kW。當單臺MPPT匯流箱101發生故障后自動停止運行，經集散式光伏并網發電系統自動調節后，公共直流母線103電壓約為843.3V，其余19臺MPPT匯流箱101所發功率約為21.05kW。

6、低電壓穿越

若1MW并網逆變器102中的電壓編碼模塊108檢測到電網發生低電壓穿越，則立即將公共直流母線103電壓控制到901V，20ms后控制到918V，匯流箱101中的電壓譯碼模塊115檢測到該指令后自動使匯流箱101休眠，待公共直流母線103電壓小于892V后快速恢復輸出功率。

7、逆變器休眠

若電壓編碼模塊108檢測到集散式光伏并網發電系統輸出功率低于3kW，則將公共直流母線103電壓調至799V，20ms后調節至782V。電壓譯碼模塊115檢測到該信息后使匯流箱101進入休眠狀態，停止功率輸出，若10min內逆變器102將公共直流母線103電壓調節至線性編碼區106則快速啟動，反之延時后停機。電壓編碼模塊115待檢測總輸出功率小于0后再使逆變器102停機。

8、系統停機

若集中型并網逆變器102收到集散式光伏并網發電系統停機指令，則電壓編碼模塊108將公共直流母線103電壓下調至790.5以下，電壓譯碼模塊115識別后自動使匯流箱101停機。電壓編碼模塊115待檢測總輸出功率小于0后再使逆變器102停機。

本發明在1MW集散式光伏并網發電系統中可以解決功率調度不及時、系統運行不可靠的問題。