本發(fā)明涉及一種直流供電系統(tǒng)，尤其涉及一種分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)及其控制方法，屬于電力電子變換及直流供電系統(tǒng)領域。

背景技術：

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的加劇，光伏、風電等分布式新能源發(fā)電得到越來越廣泛的關注。目前新能源發(fā)電通常接入交流大電網，但是由于光伏等新能源發(fā)電裝置輸出為直流且電壓較低，為了將其輸出功率并入交流大電網需要經過多個功率變換環(huán)節(jié)且需要體積笨重的變壓器。近年來，直流技術已經在發(fā)電、輸電、配電和用電等電能變換的各個環(huán)節(jié)得到了越來越廣泛的應用，如果將新能源發(fā)電輸出的直流電直接接入中高壓直流配電網，不僅使得電網能夠更好地接納分布式電源和直流負荷，減少功率變換環(huán)節(jié)，提高電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電滲透率和運行效率，而且可以顯著提高配電網的可靠性和設備利用率、降低并網系統(tǒng)的復雜性，因此分布式電源的高壓直流接入技術得到了越來越多的關注。

為了解決高壓側功率器件電壓應力過高的問題，分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)通常采取多功率變換模塊在高壓輸出側串聯(lián)的結構，如專利(公開號：CN105553273A)和專利(公開號：CN105610325A)中都采用了多變換器模塊輸出側串聯(lián)的結構。在上述結構中，主要需要解決兩個關鍵問題：(1)高壓直流輸出側的串聯(lián)均壓問題；(2)分布式電源的獨立控制問題。然而，上述兩個問題都尚未能在已經公開的方案中得到有效的解決。對于專利(公開號：CN105553273A)公開的技術方案，其各個分布式電源是各自相互獨立的，因此理論上能夠實現各分布式電源的獨立控制。然而，由于各變換器模塊在高壓直流側串聯(lián)連接，各模塊的輸出電壓與各模塊的輸出功率完全成正比，因此，分布式電源的獨立功率控制必然導致高壓直流側各模塊的不均壓，如果各模塊在直流輸出側是完全均壓的，那么與各功率模塊相連的分布式電源則很難實現獨立控制、無法使得每個分布式電源都工作在最大功率輸出狀態(tài)。對于專利(公開號：CN105610325A)公開的技術方案，其采用了模塊化的輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)結構，因此高壓直流側的串聯(lián)均壓不存在問題，但是該系統(tǒng)所有的功率模塊都連接至公共的輸入源，無法實現多個分布式電源的接入。除了上述問題，分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)的分布式控制是需要解決的另外一個關鍵問題。如果能在不依賴于任何通訊、不采用任何集中控制器并且在各功率模塊不共享任何控制信息的前提下，實現各功率模塊完全分布式、獨立的控制，在分布式控制前提下每個模塊獨立自主實現各分布式電源的獨立控制和高壓直流輸出側的串聯(lián)均壓，則可以最大程度的保證整個分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)的可靠性和模塊化。然而，到目前為止，在公開的技術資料中尚未查閱到針對該問題的有效解決方案。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是針對現有技術的不足，提供一種分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)及其控制方法，實現各分布式電源的獨立控制、各功率變換子模塊的自主均壓控制以及各功率變換子模塊完全獨立自主的分布式控制。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發(fā)明所述的分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)由N個三端口功率變換子模塊、N個獨立的低壓直流輸入源(V_{in_1}、V_{in_2}……V_{in_N})和一個高壓直流源(V_G)構成，N為大于1的自然數；所述三端口功率變換子模塊包含一個輸入端口、一個輸出端口和一個雙向端口，其中輸出端口與輸入端口是電氣隔離的；每個三端口功率變換子模塊的輸入端口相互獨立并分別連接一個獨立的低壓直流輸入源，每個三端口功率變換子模塊的雙向端口彼此并聯(lián)連接，各個三端口功率變換子模塊的輸出端口依次串聯(lián)連接、且串聯(lián)連接后的總輸出并聯(lián)連接至高壓直流源(V_G)。

所述三端口功率變換子模塊的實現方式采用以下三種方式中的任意一種：

方式一：采用一個集成的三端口直流變換器同時提供輸入端口、輸出端口和雙向端口；

方式二：采用非隔離變換器與隔離變換器組合提供輸入端口、輸出端口和雙向端口，其中非隔離變換器的輸入作為三端口功率變換子模塊的輸入端口，非隔離變換器的輸出連接至隔離變換器的輸入，并將非隔離變換器的輸出與隔離變換器的輸入共同作為三端口功率變換子模塊的雙向端口，隔離變換器的輸出作為三端口功率變換子模塊的輸出端口；

方式三：采用兩個隔離變換器組合提供輸入端口、輸出端口和雙向端口，其中一個隔離變換器的輸入作為三端口功率變換子模塊的輸入端口，同時該隔離變換器的輸出連接至另外一個隔離變換器的輸入、并作為三端口功率變換子模塊的雙向端口，另外一個隔離變換器的輸出作為三端口功率變換子模塊的輸出端口。

所述分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中各個三端口功率變換子模塊的控制是相互獨立的，每個三端口功率變換子模塊的具體控制方法如下：

(1)輸入端口電壓、電流和功率的控制完全獨立于輸出端口和雙向端口電壓、電流和功率的控制，即輸入端口僅根據各自所連接低壓直流輸入源的特性決定其輸入端口電壓、電流和功率的大?。?/p>

(2)三端口功率變換子模塊實時采樣其輸出端口的電壓V_{o_i}(i＝1，2，...，N)，采樣得到的輸出端口的電壓首先乘以固定的、大于零的比例系數k，然后將得到的結果疊加到雙向端口預先設定的電壓基準V_ref中，由此得到該三端口功率變換子模塊雙向端口新的電壓基準V_{ref_new}，即V_{ref_new}＝V_ref+V_{o_i}*k，三端口功率變換子模塊實時采樣其雙向端口的電壓V_{b_i}(i＝1，2，...，N)，并將采樣得到的雙向端口的電壓V_{b_i}與新的電壓基準V_{ref_new}比較得到誤差信號，該誤差信號經過誤差調節(jié)器后形成三端口功率變換子模塊雙向端口的控制信號，該控制信號作用于三端口功率變換子模塊并用于其雙向端口電壓、電流或功率的調節(jié)，最終使得雙向端口的電壓與新的電壓基準V_{ref_new}相等。

每個三端口功率變換子模塊的控制中，各三端口功率變換子模塊雙向端口所預先設定的電壓基準V_ref相等，各三端口功率變換子模塊中與輸出端口采樣電壓相乘的比例系數是k相等的。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)能夠實現各個分布式低壓直流電源的獨立控制，即各個分布式低壓直流電源的電壓、電流和功率的控制不僅相互之間完全解耦的，而且與三端口功率變換子模塊中輸出端口和雙向端口的控制也是相互解耦的；

(2)采用本發(fā)明技術方案能夠自動實現各三端口功率變換子模塊輸出端口電壓和功率的均衡，即能夠自動實現各三端口功率變換子模塊輸出端口的均壓；

(3)各三端口功率變換子模塊的控制是相互獨立的，即各三端口功率變換子模塊僅根據模塊自身輸入端口、雙向端口和輸出端口的信息實現其自身的控制，因此實現了各三端口功率變換子模塊的完全分布式自主控制；

(4)系統(tǒng)模塊化程度高，控制簡單、易于實現，具有很強的容錯能力和可擴展性，系統(tǒng)可靠性高。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)結構示意圖；

附圖2為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中三端口功率變換子模塊實現方式一的結構示意圖；

附圖3為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中三端口功率變換子模塊實現方式二的結構示意圖；

附圖4為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中三端口功率變換子模塊實現方式三的結構示意圖；

附圖5為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中三端口功率變換子模塊的輸出端口和輸入端口電壓控制框圖；

附圖6為本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中三端口功率變換子模塊具體實施例的電路原理圖；

附圖7為本發(fā)明具體實施例實驗結果圖；

以上附圖中的符號名稱：V_{in_1}、V_{in_2}和V_{in_N}分別為對應第1個、第2個和第N個三端口功率變換子模塊輸入端口的電壓；V_{o_1}、V_{o_2}、V_{o_3}和V_{o_N}分別為對應第1個、第2個、第3個和第N個三端口功率變換子模塊輸出端口的電壓；V_{b_1}、V_{b_2}和V_{b_N}分別為對應第1個、第2個和第N個三端口功率變換子模塊雙向端口的電壓；V_G為高壓直流源；V_in、V_b和V_o分別為三端口功率變換子模塊輸入端口、雙向端口和輸出端口的電壓；V_ref為雙向端口的電壓基準；V_{o_i}和V_{b_i}為第i個三端口功率變換子模塊輸出端口和雙向端口的電壓；V_{ref_new}為電壓基準V_ref與采樣的輸出端口電壓疊加后生成的新的電壓基準；S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆為開關管；D₁、D₂為二極管；L₁、L₂和L₃為電感；C₁、C₂和C₃為電容；T為變壓器；p_{in_1}、p_{in_2}和p_{in_3}分別為第1個、第2個和第3個分布式低壓直流源輸入的功率；t₀為時間。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明所述的一種分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)結構示意圖如附圖1所示。所述分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)由N個三端口功率變換子模塊、N個獨立的低壓直流輸入源(V_{in_1}、V_{in_2}……V_{in_N})和一個高壓直流源(V_G)構成，N為大于1的自然數。其中，每個三端口功率變換子模塊均包含一個輸入端口、一個輸出端口和一個雙向端口，輸出端口與輸入端口是電氣隔離的，每個三端口功率變換子模塊的輸入端口相互獨立并分別連接一個獨立的低壓直流輸入源，每個三端口功率變換子模塊的雙向端口彼此并聯(lián)連接，各個三端口功率變換子模塊的輸出端口依次串聯(lián)連接、且串聯(lián)連接后的總輸出并聯(lián)連接至高壓直流源(V_G)。

在本發(fā)明所述的分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中，所述三端口功率變換子模塊的實現方式采用以下三種方式中的任意一種。

實施方式一：采用一個集成的三端口直流變換器同時提供輸入端口、輸出端口和雙向端口，其結構示意圖如附圖2所示。在具體實施時，三端口直流變換器可供選擇的電路拓撲類型很多，例如文獻“Hongfei Wu，Junjun Zhang，Xiaoqing Qin，Tiantian Mu，Yan Xing.Secondary-Side-Regulated Soft-Switching Full-Bridge Three-Port Converter Based on Bridgeless Boost Rectifier and Bidirectional Converter For Multiple Energy Interface.IEEE Transactions on Power Electronics，vol.31，no.7，pp.4847-4860，July 2016.”中所提出的各類三端口直流變換器電路拓撲，以及文獻“Hongfei Wu，Runruo Chen，Junjun Zhang，Yan Xing，Haibing Hu，Hongjuan Ge.A family of Three-Port Half-Bridge Converters for a Stand-Alone Renewable Power System.IEEE Transactions on Power Electronics，vol.26，no.9，pp.2697-2706，Sept.2011.”和文獻“Hongfei Wu，Kai Sun，Runruo Chen，Haibing Hu，Yan Xing.Full-Bridge Three-Port Converters with Wide Input Voltage Range for Renewable Power Systems.IEEE Transactions on Power Electronics，vol.27，no.9，pp.3965-3974，Sept.2012.”所提出的各類三端口直流變換器拓撲等。

實施方式二：采用非隔離變換器與隔離變換器組合提供輸入端口、輸出端口和雙向端口，其中非隔離變換器的輸入作為三端口功率變換子模塊的輸入端口，非隔離變換器的輸出連接至隔離變換器的輸入，并將非隔離變換器的輸出與隔離變換器的輸入共同作為三端口功率變換子模塊的雙向端口，隔離變換器的輸出作為三端口功率變換子模塊的輸出端口。實施方式二的結構示意圖如附圖3所示。在具體實施時，任意的非隔離直流變換器和隔離型直流變換器都可以用來構建三端口功率變換子模塊。例如，非隔離變換器選用Boost變換器，隔離變換器選用LLC諧振變換器。

實施方式三：采用兩個隔離變換器組合提供輸入端口、輸出端口和雙向端口，其中一個隔離變換器的輸入作為三端口功率變換子模塊的輸入端口，同時該隔離變換器的輸出連接至另外一個隔離變換器的輸入、并作為三端口功率變換子模塊的雙向端口，另外一個隔離變換器的輸出作為三端口功率變換子模塊的輸出端口。實施方式三的結構示意圖如附圖4所示。在具體實施時，任意的隔離直流變換器都可以用來構建三端口功率變換子模塊，兩個隔離直流變換器的電路拓撲可以相同，也可以不同。例如，兩個隔離變換器都選用LLC諧振變換器。

本發(fā)明所述的分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中各個三端口功率變換子模塊的控制是相互獨立的，每個三端口功率變換子模塊的具體控制方法如下：

(1)輸入端口電壓、電流和功率的控制完全獨立于輸出端口和雙向端口電壓、電流和功率的控制，即輸入端口僅根據各自所連接低壓直流輸入源的特性決定其輸入端口電壓、電流和功率的大小；

(2)三端口功率變換子模塊實時采樣其輸出端口的電壓V_{o_i}(i＝1，2，...，N)，采樣得到的輸出端口的電壓首先乘以固定的、大于零的比例系數k，然后將得到的結果疊加到雙向端口預先設定的電壓基準V_ref中，由此得到該三端口功率變換子模塊雙向端口新的電壓基準V_{ref_new}，即V_{ref_new}＝V_ref+V_{o_i}*k，三端口功率變換子模塊實時采樣其雙向端口的電壓V_{b_i}(i＝1，2，...，N)，并將采樣得到的雙向端口的電壓V_{b_i}與新的電壓基準V_{ref_new}比較得到誤差信號，該誤差信號經過誤差調節(jié)器后形成三端口功率變換子模塊雙向端口的控制信號，該控制信號作用于三端口功率變換子模塊并用于其雙向端口電壓、電流或功率的調節(jié)，最終使得雙向端口的電壓與新的電壓基準V_{ref_new}相等。三端口功率變換子模塊對應輸出端口和雙向端口的電壓控制框圖如附圖5所示。

在具體實施時，各三端口功率變換子模塊雙向端口所預先設定的電壓基準V_ref都是相等的，同時，各三端口功率變換子模塊中與輸出端口采樣電壓相乘的比例系數也是k相等的。只有V_ref和k都相等時才能有效保證各三端口功率變換子模塊輸出端口的電壓是自動均衡的。

通過上述描述可知，本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)中，各三端口功率變換子模塊輸出端口的電壓并沒有施加直接的控制，而是通過各三端口功率變換子模塊雙向端口電壓的控制來間接實現各輸出端口電壓的自動均衡控制。本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)相比于已有系統(tǒng)解決方案的突出創(chuàng)新點和進步之處體現在：創(chuàng)造性的引入了雙向端口并通過雙向端口將各三端口功率變換子模塊并聯(lián)連接，雙向端口成功實現了三端口功率變換子模塊輸入端口電壓、電流和功率調節(jié)與輸出端口電壓均衡調節(jié)的解耦，而雙向端口的并聯(lián)連接則實現了各三端口功率變換子模塊端口電壓信息的共享，為各三端口功率變換子模塊輸出電壓的自動均衡控制創(chuàng)造了條件。本發(fā)明分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)控制方法的突出創(chuàng)新點和進步之處體現在：將各三端口功率變換子模塊輸出電壓與雙向端口的電壓關聯(lián)起來，即各三端口功率變換子模塊雙向端口的電壓控制信息里包含了其輸出端口電壓的信息。由于各三端口功率變換子模塊的雙向端口直接并聯(lián)，因此各三端口功率變換子模塊雙向端口的電壓在穩(wěn)態(tài)時必然相等，而雙向端口所預設的電壓V_ref和輸出端口電壓疊加系數k又都相等，則穩(wěn)態(tài)時各輸出端口的電壓也必然是自動均衡的。因此，各三端口功率變換子模塊之間無需任何通訊或者輔助信息交流，也不需要任何集中式的控制器，僅通過各三端口功率變換子模塊的完全獨立自主的分布式控制，就能夠自動實現各輸出端口的電壓均衡。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，三端口功率變換子模塊采用附圖6所示的集成三端口直流變換器來實現，搭建了由三個三端口功率變換子模塊構成的分布式電源高壓直流接入系統(tǒng)。每個三端口功率變換子模塊的輸入端口分別連接太陽能光伏電池，通過調節(jié)附圖6所示三端口直流變換中第一至第四開關管(S₁～S₄)的占空比來實現太陽能光伏電池的最大功率跟蹤控制，通過調節(jié)第五和第六開關管(S₅、S₆)相對于第一至第四開關管(S₁～S₄)驅動信號的移相角來實現每個三端口功率變換子模塊雙向端口和輸出端口的電壓控制。附圖7給出了該具體實施例中采用本發(fā)明控制方法的仿真實驗實施效果圖。附圖7(a)中可以看到，由于各個太陽能光伏電池的輸出功率是通過每個三端口功率變換子模塊獨立調節(jié)的，每個模塊所連接的太陽能光伏電池都可以始終工作于最大功率點，而且每個模塊所連接的太陽能光伏電池的輸出功率是不相同的。在圖7(a)所示的t₀時刻之前，沒有應用本發(fā)明所述的控制方法，從圖中可以看到，此時每個功率變換子模塊輸出端口的電壓與對應模塊所連接太陽能光伏電池的功率成正比，即各功率變換子模塊的輸出端口電壓不能均衡。在t₀時刻開始引入本發(fā)明所述的控制策略，顯然，各功率變換子模塊輸出端口的電壓很快達到自動均衡，表明了本發(fā)明控制方法的有效性。從圖7(b)可以看到，采用本發(fā)明所述控制方法后，即便某個三端口功率變換子模塊的輸入端口的功率發(fā)生突變，各個輸出端口的電壓仍然能夠很好的保持均衡，進一步說明了本發(fā)明所述控制方法的有效性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。