CN101291069B - 一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统，主要包括至少一组光伏阵列、一个集中显示控制模块和两组及两组以上并网逆变模块，各光伏阵列及各模块间通过光伏直流母线实现电能的传输，通过通信母线实现信号数据的传输，各并网逆变模块输出电能至电网母线；由于该光伏阵列组与并网逆变模块通过集中显示控制模块进行MPPT集中控制以及最大效率控制，使整机能够共用一组光伏阵列，并且能够跟踪光伏电能的大小自动调节并网逆变模块的开启与关闭，使系统始终工作在最大效率状态；当用户需要进行扩容时，可以通过增加光伏阵列组及并网逆变模块来完成；且由于采用了模块化、热插拔设计，因此在维护、扩容等方面具有一定的实用性。

Description

一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统

技术领域

本发明涉及一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统。

背景技术

光伏并网发电技术是最近几年兴起来的新技术，与传统煤电、油电相比，具有环保、无能源消耗等诸多优点，成为今后发展的重点。但是作为电子产品同样存在可靠性、可维护性的相关问题。

目前市面上较为流行的光伏发电系统均采用的是单机工作，即光伏阵列只能为一台并网逆变器供电，不能同时为多台并网逆变器供电，原因是在最大功率跟踪上采用的是分散式控制手段，因此不能实现光伏阵列共用。当用户需要进行扩容时只能采用增加光伏阵列与并网逆变器的容量来完成，这样明显增加了二次投入成本。并且采用单机工作明显增加了系统工作维护量。当单机工作在低负载状态时，转换效率明显低下。

随着光伏发电系统的普及化中小型光伏发电系统进入家庭及村庄，光伏并网逆变器的模块化设计将成为今后中小型光伏发电的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够根据需要在线扩容，可实现光伏阵列共用，并网逆变器采用模块化设计的光伏并网发电系统。

本发明是一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统，主要包括至少一组光伏阵列、一个集中显示控制模块和两组及两组以上并网逆变模块，各光伏阵列及各模块间通过光伏直流母线实现电能的传输，通过通信母线实现信号数据的传输，各并网逆变模块输出电能至电网母线，其中：

该光伏阵列输出电能至光伏直流母线，输出信号数据至通信母线及从通信母线获取控制信号数据；

该集中显示控制模块主是对各个光伏阵列进行最大功率点跟踪集中控制，根据光伏阵列电能的大小，控制开启或关闭并网逆变模块，从而来进行最大效率控制，完成与每个并网逆变模块的数据通信，以及集中显示系统工作参数；

该并网逆变模块将从光伏直流母线获得的光伏阵列的输出电能直接转换成交流电，并输入到电网母线，其并入电网功率的大小受集中显示控制模块的控制，其运行的参数及数据通过通信母线输送至集中显示控制模块。

所述的集中显示控制模块主要由SPI通信模块、信号采集控制模块、并网功率计算模块、集中MPPT控制模块、最大效率控制模块、状态控制及显示模块和电源组成；其中：

该SPI通信模块主要通过通信母线完成与其它并网逆变模块的通信；

该信号采集控制模块主要是对SPI通信模块传送来的数据加以区分、分配，从数据中解码出所需要的各种信号及工作状态参数，以供并网功率计算模块或状态控制及显示模块使用；

该并网功率计算模块将信号采集控制模块解码出来的电流信号进行累加计算，完成对整机并网总功率及各并网逆变模块功率的计算，计算结果供集中MPPT控制模块或最大功率控制模块使用；

该集中MPPT控制模块用于整机的MPPT控制，对至少一组光伏阵列的最大功率进行跟踪扫描，从而确定其最大功率工作点，使光伏阵列输出最大功率；

该最大效率控制模块从并网功率计算模块中取得模块总功率，从集中MPPT控制模块中获取功率调节参数，然后根据并网逆变模块的数量及工作情况，对各并网逆变模块进行控制，以使每个工作的模块最大限度地处于满负荷状态，从而提升整机效率；

该状态控制及显示模块主要从信号采集控制模块中取出各并网逆变模块的实时工作数据进行显示，以供用户了解系统工作状态；

该电源为集中显示控制模块的控制电源部分，它从光伏直流母线及电网母线中取得电能进行变换后供电给各控制模块。

由于本发明的光伏并网发电系统采用模块化设计的并网逆变器，通过增加光伏阵列及增加相应的并网逆变器模块，就可以实现在线扩容，且由于运用集中式最大功率跟踪控制方式，可以避免传统分散式最大功率跟踪控制所带来的相互干扰的问题，能够实现最优最大功率跟踪控制。对光伏发电系统来说具有非常实用的使用价值，避免了传统单机工作的一些缺点，在任何状态均可获得最大的转换效率，能最大程度的利用太阳能，缩短了维护时间，增强了使用的灵活性。

附图说明

图1为本发明各部分的连接关系图；

图2为本发明中最大功率点跟踪控制的调节流程；

图3为本发明中实现高效率输出的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括至少一组光伏阵列1、一集中显示控制模块2和两组及两组以上并网逆变模块3，各光伏阵列1及各模块间通过光伏直流母线4实现电能的传输，通过通信母线5实现信号数据的传输，各并网逆变模块3输出电能至电网母线6，其中：

该光伏阵列1输出电能至光伏直流母线4，输出信号数据至通信母线5及从通信母线5获取控制信号数据；

该集中显示控制模块2用于集中最大功率点跟踪(MPPT)控制、最大效率控制、SPI通信及显示。主是对各个光伏阵列1进行MPPT控制，根据光伏阵列1电能的大小，控制开启或关闭并网逆变模块3，从而来进行最大效率控制，完成与每个并网逆变模块3的数据通信，以及集中显示系统工作参数；

该并网逆变模块3将从光伏直流母线4获得的光伏阵列1的输出电能直接转换成交流电，并输入到电网母线6，其并入电网功率的大小受集中显示控制模块2的控制，其运行的参数及数据通过通信母线5输送至集中显示控制模块2。

所述的集中显示控制模块2主要由SPI通信模块201、信号采集控制模块202、并网功率计算模块203、集中MPPT控制模块204、最大效率控制模块205、状态控制及显示模块206和电源207组成；其中：

SPI通信模块201主要通过通信母线5完成与其它并网逆变模块3的通信。该各并网逆变模块3由地址区分，将数据通过通信母线5上传至SPI通信模块201；该集中显示控制模块2对各并网逆变模块3的控制也是通过地址来区分，该SPI通信模块201与其他控制部分采用了光耦电气隔离，以减少信号干扰，具有很强的抗干扰特性，。

信号采集控制模块202主要是对SPI通信模块201传送来的数据加以区分、分配，从数据中解码出所需要的各种信号及工作状态参数，以供并网功率计算模块203或状态控制及显示模块206使用。

并网功率计算模块203将信号采集控制模块202解码出来的电流信号进行累加计算，完成对整机并网总功率及各并网逆变模块3功率的计算，计算结果供集中MPPT控制模块204或最大效率控制模块205使用。

集中MPPT控制模块204用于整机的MPPT控制，采用了扰动观测法对至少一组光伏阵列1的最大功率进行跟踪扫描，从而确定其最大功率工作点，使光伏阵列1输出最大功率；其MPPT调节流程如图2所示；首先，从信号采集控制模块202和并网功率计算模块203取得相关数据，根据这次光伏功率与上次光伏功率的比较结果来决定是否通过调节并网功率来增加或减少光伏电压，从而实现最大功率点的集中控制。

最大效率控制模块205从并网功率计算模块203中取得模块总功率，从集中MPPT控制模块204中获取功率调节参数，然后根据并网逆变模块3的数量及工作情况，对各并网逆变模块3进行控制，以使每个工作的模块最大限度地处于满负荷状态，进而提高系统工作的效率。

控制流程如图3所示。

首先，将并网总功率/并网逆变模块单模块额定功率，获得整数N；

然后，对各并网逆变模块3进行控制，使第1号-第N号并网逆变模块3处于满负荷工作状态，第(N+1)号并网逆变模块3受MPPT调节控制，将大于(N+1)号的并网逆变模块3全部关闭。

当整个系统的并网逆变模块3的额定总功率远大于光伏阵列最大功率时，若所有并网逆变模块皆处于工作状态(即采用模块均流输出的方案)，将出现低功率转换效率低的问题。通过上述最大效率的控制流程，本发明可以实时根据并网总功率的大小，使相对应数量的并网逆变模块3处于满负荷的工作状态，关闭其他多余的并网逆变模块3，从而提高整个系统的工作效率。另外，在取整数N的时候，可能尚余部分不足单模块额定功率的功率，由于要进行MPPT调节，为避免不让工作于满负载状态的模块执行MPPT调节从而产生低功率转换效率低的问题，因此由另一块非满载工作的并网逆变模块3，即(N+1)号模块受MPPT调节控制，从而实现将MPPT调节时所产生的不足模块额定功率的部分功率并入电网。

随着光照强度及环境温度的变化，光伏电池的电能是时刻在变化的，本发明的光伏并网发电系统采用了MPPT技术，这样在任一时刻就必须会有功率在扰动变化，这是MPPT技术固定的特性。由于1至N号并网逆变模块3均处于最大功率状态(即满负荷工作状态)，因此只能依靠没有处于额定功率的并网逆变模块3来执行MPPT调节，这样就不会产生同时进行MPPT调节致使每个并网逆变模块3输出功率小于额定功率的现象。受MPPT调节的逆变模块，与其它满负荷工作的逆变模块不同点在于，受MPPT调节的逆变模块输出功率总是小于额定功率，因为MPPT调节过程中并网功率是一直在扰动变化的。采用本发明的输出功率的控制方法后，可以避免所有逆变模块同时受扰动而处于非满负荷工作状态，从而避免使整机处于低转换效率工作状态。由于采用了单个并网逆变模块单独受MPPT调节技术，与统一MPPT技术相比，又可以提高MPPT的跟踪精度。

状态控制及显示模块206主要从信号采集控制模块202中取出各并网逆变模块3的实时工作数据进行显示，以供用户了解系统工作状态。

电源207为集中显示控制模块2的控制电源部分，它从光伏直流母线2及电网母线6中取得电能进行变换后供电给各控制模块。

本发明的设计重点在于：光伏阵列组与并网逆变模块不是一一对应的关系，它们通过集中显示控制模块进行MPPT集中控制以及最大效率控制，使整机(即所有的并网逆变模块)能够共用一组光伏方阵，并且能够跟踪光伏电能的大小自动调节并网逆变模块的开启与关闭，从而避免了采用模块均流输出而导致低功率转换效率低的问题，使系统始终工作在最大效率状态。当用户需要进行扩容时，可以通过增加光伏阵列组及并网逆变模块的来完成。且由于本发明采用了模块化、热插拔设计，因此在维护、扩容等方面具有一定的实用性。

Claims (1)

1.一种可实现在线扩容的光伏并网发电系统，其特征在于，包括至少一组光伏阵列、一个集中显示控制模块和两组或两组以上并网逆变模块，各光伏阵列及各模块间通过光伏直流母线实现电能的传输，通过通信母线实现信号数据的传输，各并网逆变模块输出电能至电网母线，其中：

该光伏阵列输出电能至光伏直流母线，输出信号数据至通信母线及从通信母线获取控制信号数据；

该集中显示控制模块主要对各个光伏阵列进行最大功率点跟踪集中控制，根据光伏阵列电能的大小，控制开启或关闭并网逆变模块，从而来进行最大效率控制，完成与每个并网逆变模块的数据通信，以及集中显示系统工作参数；

该并网逆变模块将从光伏直流母线获得的光伏阵列的输出电能直接转换成交流电，并输入到电网母线，其并入电网功率的大小受集中显示控制模块的控制，其运行的参数及数据通过通信母线输送至集中显示控制模块；

其中所述的集中显示控制模块主要由SPI通信模块、信号采集控制模块、并网功率计算模块、集中MPPT控制模块、最大效率控制模块、状态控制及显示模块和电源组成；其中：

该SPI通信模块主要通过通信母线完成与其它并网逆变模块的通信；

该信号采集控制模块主要是对SPI通信模块传送来的数据加以区分、分配，从数据中解码出所需要的各种信号及工作状态参数，以供并网功率计算模块或状态控制及显示模块使用；

该并网功率计算模块将信号采集控制模块解码出来的电流信号进行累加计算，完成对整机并网总功率及各并网逆变模块功率的计算，计算结果供集中MPPT控制模块或最大效率控制模块使用；

该集中MPPT控制模块用于整机的MPPT控制，对至少一组光伏阵列的最大功率进行跟踪扫描，从而确定其最大功率工作点，使光伏阵列输出最大功率；

该最大效率控制模块从并网功率计算模块中取得模块总功率，从集中MPPT控制模块中获取功率调节参数，然后根据并网逆变模块的数量及工作情况，对各并网逆变模块进行控制，以使每个工作的并网逆变模块最大限度得处于满负荷状态，从而使整机转换效率得到提高；

该状态控制及显示模块主要从信号采集控制模块中取得各并网逆变模块的实时工作数据进行显示，以供用户了解系统工作状态；

该电源为集中显示控制模块的控制电源部分，它从光伏直流母线及电网母线中取得电能进行变换后供电给各控制模块。