[发明专利]内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器及应用方法

说明书

本发明提供了一种内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器及应用方法，包括多个依次串联的光伏直流升压变换器子模块，光伏直流升压变换器子模块包括：混合储能模块、隔离型全桥DC‑DC电路、双向升/降压变换器以及光伏阵列；混合储能模块用于平衡光伏直流升压变换器子模块输出的功率；隔离型全桥DC‑DC电路用于实现升压和最大功率点跟踪；双向升/降压变换器用于对混合储能模块的输出功率进行控制。本发明中的系统能够从根本上消除输入功率失配对光伏直流升压变换器正常运行带来的影响，无需设置低压直流母线，同时增强系统的可靠性，便于内部故障隔离；无需设置汇流箱，便于系统维护，提高电站特殊情况下整体控制响应速度。

技术领域

本发明涉及新能源发电领域与电力电子变流器拓扑结构领域，具体地，涉及内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器及应用方法。

背景技术

光伏发电是目前新能源发电最主要的形式之一，是我国未来实现可再生能源替代的主力军。我国光照资源分布情况与电力系统格局决定大规模建设、集中并网接入将成为未来光伏开发利用的重要形式。

光伏发电存在功率密度小、出口电压低、随机波动大的固有特征，必须经过汇集系统的升压汇聚方可达到并网条件。传统光伏电站采取交流升压汇集技术，即光伏阵列输出经过MPPT控制与光伏逆变器后得到稳定低压三相交流电，再通过母线汇聚后由升压变压器接入配电网。该方案应用于大型光伏发电基地主要存在两大缺点：

1)弱同步支撑下多逆变器并联稳定性问题突出，电压越限与宽频域振荡频发；

2)站内与站间交流汇集线路损耗大，系统整体效率偏低。

为解决上述问题，可采用光伏直流升压汇集系统构建大型直流光伏发电基地，即光伏阵列输出的低压直流电直接由光伏直流升压变流器泵升至直流配网电压水平，经过进一步汇集后，由VSC换流站集中逆变接入交流大电网或者由大型升压变流站将电压进一步抬升至HVDC水平，实现直流光伏发电基地远距离送出。该方案适用于大规模光伏电站开发建设，目前已经得到国内外学术界、工程界广泛关注，具有光明前景。国家“十三五”重点研发专项计划中已针对该项技术设立专门课题，开展深入研究。典型光伏直流升压汇集系统如图1所示。

研制光伏直流升压变流器是实现光伏直流升压汇集接入的关键所在。该变流器需要满足以下技术要求：

1)高升压比，可实现从光伏阵列输出端到直流中压配电网的单级升压变换；

2)良好的效率特性，确保光伏直流升压汇集系统整体效率满足设计要求；

3)满足系统各类运行控制需求、具备高可靠性与良好的运行适应性。

目前用于光伏发电系统的高升压比DC－DC变换器主要分为单体结构与多模块串联结构两种类型。受制于电路工作机理、器件工艺水平，单体型变流器升压比有限，无法满足光伏直流升压汇集系统需求。模块串联型变流器一般以隔离型DC-DC作为子变流器单元，采用“独立/并联输入-串联输出”的模式获取高升压比。

独立输入模式中(如图2所示)，光伏直流升压变流器输出侧为串联结构。在理想情况下，变流器出口电压Vout将均匀分配至各子模块，且输出电流处处相等。当系统中各子模块输入功率不均衡(即：失配现象)时，由于Vout可视为恒定(受外部强电网支撑)，Vout将不再均匀分配，部分模块输出电压较额定值降低，其余模块输出电压将升高。为使光伏阵列工作在MPPT点，各子模块输入电压基本保持恒定，这意味着各子模块电压增益将偏离额定数值。全桥变换单元最大升压能力受制于高频变压器匝比，当系统静态工作点确定后，进一步提高电压增益的空间往往很小，缺乏灵活的二次调节能力。因此，当功率失配较为严重时，部分子模块电压增益将无法满足系统运行需求，进而导致输入侧MPPT控制失效，输出侧出现串联电流取小效应，造成系统发电能力下降，甚至无法正常运行。为避免上述问题出现，必须消除子模块间输入功率失配，确保功率均衡。而不同光伏阵列间受光照条件，物理参数差异等多重因素影响，难以实现输出功率实时均衡。