本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電設(shè)備直流匯聚的電力電子設(shè)備，具體為一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

2015年底，我國(guó)光伏裝機(jī)容量達(dá)4318萬千瓦，居世界第一，其中75％為分布在“三北”地區(qū)的集中式光伏。預(yù)計(jì)2020年我國(guó)光伏總?cè)萘繉⒊^1.5億千瓦，受太陽能和土地資源約束，2/3以上的光伏將在“三北”地區(qū)集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送?！笆濉逼陂g，光伏電站容量將繼續(xù)向大型化方向發(fā)展。單個(gè)光伏電站容量將達(dá)到GW級(jí)，包含500kW逆變器2000臺(tái)、35kV交流電纜近200公里。大量逆變器與長(zhǎng)距離電纜相互耦合，電壓越限和寬頻域振蕩問題制約光伏電站送出能力，交流線路損耗大影響系統(tǒng)整體效率。

隨著電力電子和直流輸電技術(shù)的發(fā)展和成熟，光伏電站采用直流升壓匯集送出成為可能。直流匯集系統(tǒng)穩(wěn)定性更高、無需無功補(bǔ)償，且同樣電壓等級(jí)下輸送能力更強(qiáng)、損耗更小。光伏電站直流升壓匯集技術(shù)，有望成為解決目前光伏電站穩(wěn)定問題和整體效率低下的有效途徑。

直流升壓變流技術(shù)是構(gòu)建直流光伏電站的核心，目前關(guān)于直流升壓變流技術(shù)主要集中于中低壓小功率場(chǎng)合。傳統(tǒng)直流升壓變流器因?yàn)檎伎毡仍酱螅O管的損耗越大，反向恢復(fù)時(shí)間的要求越短，所以電壓增益較小，一般僅為2-4，高效高壓的大容量直流升壓變流器多為多模塊級(jí)聯(lián)模式，然而多個(gè)模塊的串并聯(lián)給系統(tǒng)的控制帶來了很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于數(shù)百千瓦級(jí)的大容量單體研究尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且成本較高。

2016年，清華大學(xué)的Zhao B等在《IEEE Transactions on Power Electronics》中發(fā)表的《High-Frequency-Link DC Transformer Based on Switched Capacitor for Medium-Voltage DC Power Distribution Application》(《中壓配電網(wǎng)中基于開關(guān)電容的高頻直流變壓器》)中研究了應(yīng)用于中壓直流配電系統(tǒng)的DAB串并聯(lián)直流變壓器，研制了3個(gè)模塊的試驗(yàn)樣機(jī)，升壓比為2，電壓等級(jí)200V-400V，額定功率為1kW，開關(guān)頻率為20kHz，最高效率96％。升壓比、電壓等級(jí)、功率等級(jí)和整體效率均較低，未解決工程化應(yīng)用難題。

大功率高壓直流升壓變流器裝置的在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力巨大，但是現(xiàn)有的大功率高壓直流升壓變流器裝置存在如下的特點(diǎn)：

1)：?jiǎn)误w容量較小、升壓比低、效率較低。

2)：成本較高，高壓下的開關(guān)管選型困難。

3)：結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜，工程化實(shí)現(xiàn)較為困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置控制復(fù)雜、成本高效、率較低、難以工程化實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，提出了一種針對(duì)光伏發(fā)電直流傳輸?shù)目刂坪?jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置及其控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明提供了一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，所述的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括：N路光伏發(fā)電單元以及與之對(duì)應(yīng)的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元，其中：

每一路光伏發(fā)電單元的輸出端串聯(lián)一路boost變換單元的輸入端，N路光伏發(fā)電單元中的的輸出端串聯(lián)對(duì)應(yīng)的N路boost變換單元的輸入端，N路boost變換單元的輸出端之間相互并聯(lián)后與大功率三相方波逆變器的輸入端相串聯(lián)；

大功率三相方波逆變器包括6個(gè)開關(guān)管，即開關(guān)管S_i，i＝1,2……6，其中,開關(guān)管S1與開關(guān)管S4串聯(lián)、開關(guān)管S3與開關(guān)管S6串聯(lián)、開關(guān)管S5與開關(guān)管S2串聯(lián)并分別構(gòu)成大功率三相方波逆變器的三相橋臂，三相橋臂間并聯(lián)作為大功率三相方波逆變器的輸入端；開關(guān)管S1與開關(guān)管S4的串聯(lián)連接點(diǎn)、開關(guān)管S3與開關(guān)管S6的串聯(lián)連接點(diǎn)、開關(guān)管S5與開關(guān)管S2的串聯(lián)連接點(diǎn)分別引出作為大功率三相方波逆變器的輸出端，大功率三相方波逆變器的輸出端與模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端串聯(lián)；

模塊化高頻三相升壓變壓器單元由M個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊構(gòu)成,M為偶數(shù)，取值范圍為2-10，每一個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組均為星型連接、高壓繞組均為三角形連接，M個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的低壓輸入端之間相互并聯(lián)作為模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端；

模塊化三相二極管整流橋單元包括M個(gè)三相二極管整流橋模塊，每一個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的高壓輸出端串聯(lián)一個(gè)對(duì)應(yīng)的三相二極管整流橋模塊，每一個(gè)三相二極管整流橋模塊的輸出端均并聯(lián)一個(gè)濾波電容,M個(gè)三相二極管整流橋模塊的輸出端之間相互串聯(lián)作為模塊化三相二極管整流橋單元的輸出端接入高壓直流電網(wǎng)，其中模塊化三相二極管整流橋單元的第M/2個(gè)與第1+M/2個(gè)二極管整流橋模塊之間通過導(dǎo)線引出接地。

優(yōu)選地，N為正整數(shù)，取值范圍為4-14。

本發(fā)明還提供了一種大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置的控制方法，主要步驟如下：

步驟1：采樣第n路光伏發(fā)電單元的輸出電壓U_{n_pv}、輸出電流I_{n_pv},經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié)得到第n路占空比偏差量信號(hào)ΔD_n,其中n＝1、2…N,最大功率點(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié)的表達(dá)式為：

${\mathrm{\ΔD}}_n=(\frac{{\mathrm{dI}}_{n\_pv}}{{\mathrm{dU}}_{n\_pv}}+\frac{I_{n\_pv}}{U_{n\_pv}})\×\left(\frac{K_{n\_MPPT}}{S}\right)$

式中dI_{n_pv}為第n路光伏發(fā)電單元輸出電流I_{n_pv}的微分，dU_{n_pv}為第n路光伏發(fā)電單元輸出電流U_{n_pv}的微分，K_{n_MPPT}為第n路boost變換單元的比例增益，S為拉普拉斯算子；

步驟2：給定第n路光伏發(fā)電單元的功率指令P_{n_ref}，第n路光伏發(fā)電單元的額定功率P_n，第n路占空比額定參考信號(hào)

步驟3：將步驟1中的第n路占空比偏差量信號(hào)ΔD_n與步驟2中的第n路占空比額定參考信號(hào)相加得到第n路boost變換單元的占空比控制信號(hào)D_n，D_n經(jīng)過PWM環(huán)節(jié)生成第n路boost變換單元的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWM_{n_boost}，控制產(chǎn)生第n路boost變換單元的輸入電壓波動(dòng)量ΔU_{n_pv},則第n路boost變換單元的輸出電壓波動(dòng)量ΔU_n＝K_{n_MPPT}×ΔU_{n_pv}，其中K_{n_MPPT}為第n路boost變換單元的比例增益,則N路boost變換單元的總的輸出電壓波動(dòng)量ΔU為：

$\mathrm{\Δ}U=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔU}}_n;$

步驟4：N路boost變換單元的輸出電壓波動(dòng)量ΔU與大功率三相方波逆變器輸入電壓設(shè)定值U^*相加得到大功率三相方波逆變器的輸入電壓，即U＝U^*+ΔU；

步驟5：給定大功率三相方波逆變器開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、開關(guān)管S3、開關(guān)管S4、開關(guān)管S5、開關(guān)管S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為固定占空比50％、同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)、不同橋臂間開關(guān)管互相移相120°的脈沖信號(hào)，由步驟4中大功率三相方波逆變器的輸入電壓U作為大功率三相方波逆變器開環(huán)脈沖幅值調(diào)制的幅值控制信號(hào)，開環(huán)控制大功率三相方波逆變器的輸出信號(hào)，完成對(duì)大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置能量傳輸?shù)目刂啤?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)基于大功率三相方波逆變器與模塊化高頻三相升壓變壓器的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置，可以利用變壓器漏感實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，和LLC，LCC等諧振變換電路相比減少了一個(gè)諧振腔，有助于效率的提升。

2)大功率三相方波逆變器和單相方波逆變器相比可以減小輸入輸出電流脈動(dòng)，降低了功率器件電流有效值，集中式單臺(tái)逆變可以降低系統(tǒng)成本；模塊化高頻三相升壓變壓器減小了變壓器體積，提高了變壓器功率密度，模塊化設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)的方式減輕變壓器設(shè)計(jì)壓力，減小單臺(tái)變壓器原副邊匝比，避免寄生電容對(duì)拓?fù)溥\(yùn)行的影響，冗余性強(qiáng)。

3)大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置的控制結(jié)合光伏發(fā)電的特點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)時(shí)工作于固定占空比的開環(huán)狀態(tài)，通過boost單元實(shí)現(xiàn)功率調(diào)度傳輸。大功率三相方波逆變器、高頻變壓器、二極管硅堆整流單元的工程技術(shù)均較為成熟，易于工程化實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2為大功率升壓變流器裝置的控制框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

由圖1可見，本發(fā)明的大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置包括：N路光伏發(fā)電單元以及與之對(duì)應(yīng)的N路boost變換單元、大功率三相方波逆變器、模塊化高頻三相升壓變壓器單元和模塊化三相二極管整流橋單元。其中：

每一路光伏發(fā)電單元的輸出端串聯(lián)一路boost變換單元的輸入端，N路光伏發(fā)電單元中的的輸出端串聯(lián)對(duì)應(yīng)的N路boost變換單元的輸入端，N路boost變換單元的輸出端之間相互并聯(lián)后與大功率三相方波逆變器的輸入端相串聯(lián)。

大功率三相方波逆變器包括6個(gè)開關(guān)管，即開關(guān)管S_i，i＝1,2……6，其中,開關(guān)管S1與S4串聯(lián)、S3與S6串聯(lián)、S5與S2串聯(lián)依次構(gòu)成大功率三相方波逆變器的三相橋臂，三相橋臂間并聯(lián)作為大功率三相方波逆變器的輸入端；S1與S4串聯(lián)連接點(diǎn)、S3與S6串聯(lián)連接點(diǎn)、S5與S2串聯(lián)連接點(diǎn)依次引出作為大功率三相方波逆變器的輸出端，大功率三相方波逆變器的輸出端與模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端串聯(lián)。

模塊化高頻三相升壓變壓器單元由M個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊構(gòu)成,M為偶數(shù)，取值范圍為2-10，每一個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組均為星型連接、高壓繞組均為三角形連接，M個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的低壓輸入端之間相互并聯(lián)作為模塊化高頻三相升壓變壓器單元的輸入端。

模塊化三相二極管整流橋單元由M個(gè)三相二極管整流橋模塊構(gòu)成，每一個(gè)高頻三相升壓變壓器模塊的高壓輸出端串聯(lián)一個(gè)對(duì)應(yīng)的三相二極管整流橋模塊，每一個(gè)三相二極管整流橋模塊的輸出端均并聯(lián)一個(gè)濾波電容,M個(gè)三相二極管整流橋模塊的輸出端之間相互串聯(lián)作為模塊化三相二極管整流橋單元的輸出端，接入高壓直流電網(wǎng)，其中模塊化三相二極管整流橋單元的第M/2個(gè)與第1+M/2個(gè)二極管整流橋模塊之間通過導(dǎo)線引出接地。

本發(fā)明的實(shí)施例的具體參數(shù)如下：

功率為500kW,每路光伏發(fā)電單元的boost變換單元的功率為50kW，共10路，即N＝10；10路boost變換單元的輸出端之間相互并聯(lián)作為boost變換單元的輸出，boost變換單元的輸出串聯(lián)大功率三相方波逆變器的輸入端；大功率三相方波逆變器工作于開環(huán)的固定占空比為50％的脈沖幅值調(diào)制模式，開關(guān)頻率為5kHz；每一路光伏發(fā)電單元獨(dú)立進(jìn)行最大功率點(diǎn)控制，光能利用率高，集中式大功率三相方波逆變器成本低、損耗小，大功率三相方波逆變器與模塊化高頻三相升壓變壓器可以利用變壓器漏感實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓軟開關(guān))進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率；

大功率三相方波逆變器的輸出端串聯(lián)接入模塊化高頻三相升壓變壓器單元，高頻三相升壓變壓器單元的單個(gè)模塊為125kW、5kHz、780V/6480V的高頻三相升壓變壓器，即M＝4，高頻三相升壓變壓器模塊的低壓繞組為星形連接，高壓繞組為三角型連接，模塊化高頻三相升壓變壓器單元不同模塊間的低壓繞組并聯(lián)在一起與到大功率三相方波逆變器的輸出端串聯(lián)，模塊化高頻三相升壓變壓器單元的每一個(gè)模塊的高壓繞組輸出串聯(lián)一個(gè)對(duì)應(yīng)三相二極管整流橋模塊，不同的三相二極管整流橋模塊的輸出端相互串聯(lián)作為模塊化三相二極管整流橋模塊的輸出端連接至±35KV高壓直流電網(wǎng)，其中三相二極管整流橋第2與第3模塊的輸出端引出接地形成零電平輸出端。高壓直流電網(wǎng)電壓等級(jí)為±35KV、模塊化三相二極管整流橋單元的電壓利用率為1.35、高頻三相升壓變壓器模塊的電壓變比780V/6480V、大功率三相方波逆變器的電壓利用率為0.78，所以大功率三相方波逆變器輸入電壓設(shè)定值U^*＝1000V，光伏能量傳輸通道建立后，大功率三相方波逆變器輸入電壓被高壓直流電網(wǎng)鉗位在U^*附近變化；

高頻三相升壓變壓器減小了變壓器體積，提高了變壓器功率密度，模塊化設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)的方式減輕變壓器設(shè)計(jì)壓力，減小單臺(tái)變壓器原副邊匝比，避免寄生電容對(duì)拓?fù)溥\(yùn)行的影響，冗余性強(qiáng)。

由圖2可見，大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置的控制方法，主要步驟如下：

步驟1：采樣第n路光伏發(fā)電單元的輸出電壓U_{n_pv}、輸出電流I_{n_pv},經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)環(huán)節(jié)得到第n路占空比偏差量信號(hào)ΔD_n,其中n＝1、2…N,最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)環(huán)節(jié)的表達(dá)式為：

${\mathrm{\ΔD}}_n=(\frac{{\mathrm{dI}}_{n\_pv}}{{\mathrm{du}}_{n\_pv}}+\frac{I_{n\_pv}}{U_{n\_pv}})\×\left(\frac{K_{n\_MPPT}}{S}\right)$

式中dI_{n_pv}為第n路光伏發(fā)電單元輸出電流I_{n_pv}的微分，dU_{n_pv}為第n路光伏發(fā)電單元輸出電流U_{n_pv}的微分，K_{n_MPPT}為第n路boost變換單元的比例增益，S為拉普拉斯算子。

步驟2：給定第n路光伏發(fā)電單元的功率指令P_{n_ref}，第n路光伏發(fā)電單元的額定功率P_n，第n路占空比額定參考信號(hào)

步驟3：將步驟1中的第n路占空比偏差量信號(hào)ΔD_n與步驟2中的第n路占空比額定參考信號(hào)相加得到第n路boost變換單元的占空比控制信號(hào)D_n，D_n經(jīng)過PWM環(huán)節(jié)生成第n路boost變換單元的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWM_{n_boost}，控制產(chǎn)生第n路boost變換單元的輸入電壓波動(dòng)量ΔU_{n_pv},ΔU_{n_pv}為最大功率點(diǎn)跟蹤與功率調(diào)度所產(chǎn)生的第n路boost變換單元的輸入電壓波動(dòng)量，則第n路boost變換單元的輸出電壓波動(dòng)量ΔU_n＝K_{n_MPPT}×ΔU_{n_pv}，其中K_{n_MPPT}為第n路boost變換單元的比例增益,則N路boost變換單元的總的輸出電壓波動(dòng)量ΔU：boost變換單元控制光伏發(fā)電單元的輸出電壓，boost變換單元的輸出電壓采用開環(huán)的控制方法。

步驟4：N路boost變換單元的輸出電壓波動(dòng)量ΔU與大功率三相方波逆變器輸入電壓設(shè)定值U^*相加作為大功率三相方波逆變器輸入電壓U。

步驟5：大功率三相方波逆變器采用開環(huán)脈沖幅值調(diào)制，大功率三相方波逆變器運(yùn)行于開環(huán)狀態(tài)，通過給定大功率三相方波逆變器開關(guān)管S1、S2、S3、S4、S5、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為固定占空比50％、同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)、不同橋臂間開關(guān)管互相移相120°的方波脈沖，由步驟4中得到的大功率三相方波逆變器的輸入電壓U作為大功率三相方波逆變器開環(huán)脈沖幅值調(diào)制的幅值控制信號(hào)，開環(huán)控制大功率三相方波逆變器的輸出，完成對(duì)大功率高壓光伏直流升壓變流器裝置能量傳輸?shù)目刂啤?/p>