1.本发明属于新能源稳定及控制技术领域，更具体地，涉及一种分布式光伏电站内直流优化器的设计方法。
背景技术：2.太阳能作为主要清洁能源之一，具有可永续利用，应用范围广的特点，近年在发电领域得到快速发展。据国家能源局统计数据显示，2013-2021年，全国光伏发电累计装机容量已超过10倍增长。未来，光伏领域也将持续保持快速发展。
3.由于光伏电站工作原理导致其受环境影响较大，周围建筑物、树木、云层遮蔽以及面板积灰等更多使光伏面板产生局部阴影遮挡，进而发生失配问题。然而，集中式gmppt控制的光伏电站在发生失配情况时存在明显产能效率下降。因此，大规模分布式光伏电站将成为未来新型电力系统发展中的重要组成部分，该类型光伏电站通常在光伏阵列中部署面板级的直流优化器(dc optimizer，dco)，故电站内部将包含大量的电力电子设备，其对光伏系统运行的暂态稳定性影响不可忽略。
4.当分布式光伏电站面对内部发生严重失配扰动时，现有光伏面板级dco可能出现“热斑”现象，严重影响光伏系统正常稳定运行。
技术实现要素：5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分布式光伏电站内直流优化器的设计方法，其目的在于，通过分析不同拓扑dco在面对光伏电站内部发生严重失配扰动时的动态特性，分别得出boost型直流优化器和buck型直流优化器的改进目标：根据改进目标设计直流优化器，以使其在面对局部遮挡导致的分布式光伏电站内部发生严重失配扰动及后续恢复过程中，光伏电站能维持稳定运行，避免出现“热斑”等现象，由此解决面对严重失配扰动时光伏电站稳定差的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分布式光伏电站内直流优化器的设计方法，所述直流优化器适用于分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的场景，所述设计方法包括：
7.s1：按照拓扑结构不同将待设计直流优化器分为boost型直流优化器或buck型直流优化器；
8.s2：确定所述boost型直流优化器和所述buck型直流优化器各自对应的设计目标；
9.s3：当所述待设计直流优化器为所述boost型直流优化器时，根据其设计目标执行如下操作：
10.将输出端口并联反向二极管；当所述反向二极管导通时，将输入端口并联耗能电阻；当所述boost型直流优化器的输出电压v
dc
小于阈值v
min
时，判定所述boost型直流优化器所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动限制本单元igbt关断，以使系统工作于受迫平衡点，同时退出最大功率点跟踪mppt控制从而断开控制环节积分器输入；
11.s4：当所述待设计直流优化器为所述buck型直流优化器时，根据其设计目标执行如下操作：
12.当其输出电压v
dc
大于阈值v
max
时，判定所述buck型直流优化器所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动限制本单元igbt导通，以使系统工作于受迫平衡点，同时退出mppt控制从而断开控制环节积分器输入。
13.在其中一个实施例中，所述s3还包括：当面对严重失配扰动且boost拓扑光伏串发生严重阴影遮挡时，所述boost拓扑光伏串对应单元始终工作于光伏面板mpp的左侧；所述boost拓扑光伏串的理论最大输出功率为其处于受迫平衡点对应的输出功率。
14.在其中一个实施例中，所述s3还包括：当系统工作于受迫平衡点时，igbt持续关断。
15.在其中一个实施例中，s3中并联的耗能电阻rd由与其串联的逻辑开关sw1决定是否投入；
16.当所述反向二极管d
bw
导通时，sw1闭合以使并联电阻rd投入电路；
17.当所述反向二极管d
bw
未导通时，sw1断开以使所述并联电阻rd退出。
18.在其中一个实施例中，所述s4还包括：当所述buck型直流优化器的输出电压v
dc
大于v
max
时，判定存在其他单元所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动控制本单元igbt导通以使系统工作于受迫平衡点，退出mppt控制，断开控制环节积分器输入。
19.在其中一个实施例中，所述s4还包括：当面对严重失配扰动且buck拓扑光伏串发生严重局部阴影遮挡时，所述buck拓扑光伏串对应单元工作于mpp工作点，其余单元工作于mpp右侧；所述的理论最大输出功率为其处于受迫平衡点对应的输出功率。
20.在其中一个实施例中，所述s4还包括：当单元工作于受迫平衡点时igbt持续导通，工作于受迫平衡点的单元退出mppt控制，从而断开其控制环节积分器输入。
21.在其中一个实施例中，所述s2包括：
22.根据所述boost型直流优化器面对严重失配扰动时动态特性确定其设计目标；
23.根据所述buck型直流优化器面对严重失配扰动时动态特性确定其设计目标。
24.在其中一个实施例中，所述boost型直流优化器的设计目标为：防止直流优化器的输出电压反极性，防止控制环节积分器出现饱和。
25.在其中一个实施例中，所述buck型直流优化器的设计目标为：防止控制环节积分器出现饱和。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
27.(1)本发明通过分析不同拓扑dco在面对光伏电站内部发生严重失配扰动时的动态特性，分别得出boost型直流优化器和buck型直流优化器改进的目标：boost型直流优化器需要解决“热斑”问题和控制环节积分器饱和问题；buck型直流优化器需要解决控制环节积分器饱和问题。基于上述设计目标设计boost型直流优化器和buck型直流优化器，以使其在面对局部遮挡导致的分布式光伏电站内部发生严重失配扰动及后续恢复过程中，光伏电站能维持稳定运行，避免出现“热斑”等现象，由此解决面对严重失配扰动时光伏电站稳定差的技术问题。本发明提供的改进方案，能很好实现改进设计的目标，加强分布式光伏电站面对严重失配扰动时稳定运行的能力，具有较强工程实用性。
28.(2)本发明为boost型直流优化器设计出口处反接二极管，成功避免出现“热斑”问题；设计并联耗能电阻，成功抑制因二极管接入导致的谐振问题；设计控制环节优化方案，成功避免积分器饱和。
29.(3)本发明为buck型直流优化器设计控制环节优化方案，成功避免积分器饱和。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的一种针对分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的改进直流优化器设计流程图；
31.图2为m
×
n-dmppt大规模分布式光伏并网系统拓扑结构；
32.图3为本发明中两种dco拓扑电路结构图；
33.图4为dco控制系统的内部结构图；
34.图5为boost型直流优化器在失配过程中的mpp及工作点变化情况图；
35.图6为buck型直流优化器在失配过程中的mpp及工作点变化情况图；
36.图7为本发明设计的改进boost型直流优化器拓扑结构示意图；
37.图8为本发明设计的改进boost型直流优化器控制器拓扑结构示意图；
38.图9为本发明设计的改进buck型直流优化器控制器拓扑结构示意图；
39.图10a、图10b、图10c为本发明一实施例中方案一的仿真结果示意图；
40.图11a、图11b、图11c为本发明一实施例中方案二与方案一仿真结果对比示意图；
41.图12为本发明一实施例中方案三与方案一仿真结果对比示意图；
42.图13为本发明另一实施例中方案二与方案一仿真结果对比示意图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.本发明提供了一种分布式光伏电站内直流优化器的设计方法，直流优化器适用于分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的场景，设计方法包括：
45.s1：按照拓扑结构不同将待设计直流优化器分为boost型直流优化器或buck型直流优化器；
46.s2：确定boost型直流优化器和buck型直流优化器各自对应的设计目标；
47.s3：当待设计直流优化器为boost型直流优化器时，根据其设计目标执行如下操作：将输出端口并联反向二极管；当反向二极管导通时，将输入端口并联耗能电阻；当boost型直流优化器的输出电压v
dc
小于阈值v
min
时，判定boost型直流优化器所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动限制本单元igbt关断，以使系统工作于受迫平衡点，同时退出最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)mppt控制从而断开控制环节积分器输入；
48.s4：当待设计直流优化器为buck型直流优化器时，根据其设计目标执行如下操作：当其输出电压v
dc
大于阈值v
max
时，判定buck型直流优化器所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动限制本单元igbt导通，以使系统工作于受迫平衡点，同时退出mppt控制从而断开控
制环节积分器输入。
49.其中，步骤s2具体包括：
50.s21：确定boost型直流优化器面对严重失配扰动时动态特性；
51.s22：依照动态特性结论确定boost型直流优化器改进设计目标；
52.s23：确定buck型直流优化器面对严重失配扰动时动态特性；
53.s24：依照s21结论确定改进buck型直流优化器设计目标；
54.进一步地，步骤s21中，boost拓扑下，光伏串中所有光伏发电单元在任何时刻均应满足如下关系(i为光伏发电单元的索引)：
55.进一步地，步骤s21中，当光伏串局部阴影遮挡的程度较为严重时(为便于表述，此处设pv2被严重遮挡)，由受遮挡的光伏面板最大功率点(maximum power point，mpp)mpp电流值i
pvm
将随周围环境光照强度的大幅度衰减而显著下降，假设扰动后各光伏单元仍能稳定工作在mppt模式，则有如下不等式关系：其中p
pvm,i
为各光伏面板mpp功率，v
dc
为直流母线电压额定值，i
dc*
代表n个光伏面板全部工作在mppt模式时的光伏串理想输出直流电流稳态值。考虑dco为boost拓扑结构，i
d,2
和i
dc
的稳态值相等，又由于稳态时光伏串的输出电流i
dc
不能大于dco输入电流i
pv,2
，该不等关系不成立。故受严重遮挡的单元将始终工作在mpp左侧，无法达到扰动后的mppt运行点。
56.进一步地，步骤s21中，受扰单元dco控制器的输入差分信号(v
pv,2-v
pvm,2
)始终保持小于0。图4所示，控制环节(comp)中的积分器将持续负向积分，使得控制系统输出的igbt占空比信号d减小到其下限值0。dco电路的igbt将持续工作在阻断状态(受迫运行点)。此情况下，该dco控制系统将无法调节光伏面板运行电压v
pv
，v
pv
和v
dc
将被迫同步下降到同一电压值后并在mpp左侧保持稳定，此状态设为受迫运行点，如图5所示。
57.进一步地，步骤s21中，伏串中各发电单元出现极度不匹配情况时，由光伏串输出电流i
dc
可能大于所有被阴影遮挡光伏面板的短路电流中的最小值(min i
sc,c
，对应于环境光强最小的光伏面板)，dco输出电压将为负数，使得具有最小短路电流值的光伏面板工作电压出现相反的极性，最终导致该光伏单元由电源属性转变为负载属性，进而引发“热斑”现象。
58.进一步地，步骤s21中，控制环节中的积分器将持续负向积分，会出现饱和现象，不利于遮挡解除后系统恢复正常运行。
59.进一步地，步骤s22中，确定boost型直流优化器改进设计目标为：防止dco输出电压反极性；防止控制环节积分器出现饱和。
60.进一步地，步骤s23中，buck拓扑下，光伏串中所有光伏发电单元在任何时刻均应满足如下关系(i为光伏发电单元的索引)：
61.进一步地，步骤s23中，当光伏串局部阴影遮挡的程度较为严重时(为便于表述，此处设pv2被严重遮挡，其余(pvk)正常运行)，整个光伏串各单元的mpp功率p
pvm,i
之和将明显下降，假设扰动后各光伏单元仍能稳定在各自mppt运行点，则正常单元的mpp电流i
pvm,k
将满
足如下不等式关系：
62.其中p
pvm,i
为各光伏面板mpp功率，v
dc
为直流母线电压额定值，i
dc*
代表n个光伏面板全部工作在mppt模式时的光伏串理想输出直流电流稳态值。考虑到dco为buck拓扑结构，i
l,k
和i
dc
的稳态值相等，稳态时光伏串的输出电流i
dc
应大于dco输入电流i
pv,k
，但这有悖于上述不等式关系。因此，正常单元将始终工作在mpp右侧，无法达到扰动后的mppt运行点。
63.进一步地，步骤s23中，受扰单元dco控制器的输入差分信号(v
pv,k-v
pvm,k
)始终保持大于0。控制环节(comp)中的积分器将持续正向积分，使得控制系统输出的igbt占空比信号d增加到其上限值1。dco电路的igbt将持续工作在持续导通状态(受迫运行点)。此情况下，该dco控制系统将无法调节光伏面板运行电压v
pv
，v
pv
和v
dc
将被迫同步下降到同一电压值后并在mpp右侧保持稳定，此状态设为受迫运行点，如图6。
64.进一步地，步骤s23中，控制环节中的积分器将持续正向积分，会出现饱和现象，不利于遮挡解除后系统恢复正常运行。
65.进一步地，步骤s24中，确定buck型直流优化器改进设计目标为：防止控制环节积分器出现饱和。
66.步骤s3设计了针对分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的改进boost型直流优化器，包括以下设计：
67.d1：输出端口并联反向二极管d
bw
；
68.d2：dco输入端口并联耗能电阻rd，该电阻由其串联逻辑开关sw1控制是否投入，如图7；
69.d3：设计阈值v
min
，直流优化器输出电压v
dc
小于v
min
时，判定该单元所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动限制igbt关断，系统工作于受迫平衡点，退出mppt控制，断开控制环节积分器输入。
70.进一步地，设计d1中，反向二极管d
bw
在光伏发电单元输出电压v
dc
过零时导通，控制v
dc
不持续下降，从而避免v
dc
极性反转，光伏单元出现“热斑”现象。
71.进一步地，设计d1中，反向二极管d
bw
导通时，dco回路可能发生并联谐振，需要进行进一步设计。
72.进一步地，设计d2中，当识别到二极管d
bw
关断时，逻辑开关导通，耗能电阻接入电路，用以消耗过余能量，增加系统阻尼，抑制上述并联振荡现象，当识别到二极管d
bw
导通时，逻辑开关关断，耗能电阻退出电路，不影响dco正常运行。
73.进一步地，设计d3中，通过直流优化器输出电压v
dc
与阈值对比，快速判定光伏串是否处于严重阴影遮挡情况，在出现严重遮挡时，主动限制igbt关断，加速使电路工作于受迫平衡点。为解决dco控制缓解积分器饱和问题，退出被严重遮挡单元的mppt控制及积分环节输入，如图8。
74.步骤s4设计了针对分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的改进buck型直流优化器，包括以下设计：
75.设定阈值v
max
，直流优化器输出电压v
dc
大于v
max
时，判定存在其他单元所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动控制本单元igbt导通，系统工作于受迫平衡点，退出mppt控制，断开控制环节积分器输入，如图9。
76.与boost型直流优化器类似，通过直流优化器输出电压v
dc
与阈值v
max
对比，快速判定光伏串是否处于严重阴影遮挡情况，在出现严重遮挡时，主动限制igbt关断，加速使电路工作于受迫平衡点。为解决dco控制缓解积分器饱和问题，退出被严重遮挡单元的mppt控制及积分环节输入。
77.在其中一个实施例中，一种针对分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的改进boost型直流优化器设计方案，如图1所示，与原有boost型直流优化器相比，为解决光伏电站内部发生严重失配扰动下可能出现的电压极性反转引起的输出功率下降及“热斑”问题，在其输出端口并联反向二极管(d
bw
)；
78.为进一步抑制上述boost型直流优化器在严重失配期间可能出现的并联谐振问题，加入并联耗能电阻(rd)及逻辑开关sw1；
79.为防止直流优化器dco控制环节积分器长期处于饱和状态，对boost型直流优化器分别设计阈值v
min
，当系统检测到光伏单元的工作电压v
pv
小于v
min
时，判定该单元的光伏面板处于严重阴影遮挡情况，将dco控制系统输出的占空比信号置零，主动控制其boost电路工作在igbt阻断运行状态，退出mppt环节并停止控制系统积分器，避免积分器反向积分饱和；当光伏串严重失配扰动恢复后，退出并联耗能电阻rd，投入mppt环节及控制系统积分器。
80.为了验证本发明提供控制方法的技术效果，针对具体工况对比改进设计前后进行仿真实验，模型如图2所示。基于matlab/simulink仿真平台建立基于dco-dmppt的分布式光伏电站接入交流电网的电磁暂态仿真模型。其中光伏电站由包含1个分布式光伏串的发电系统构成，光伏串中串联连接的pv-dco发电单元数量设置为10个，光伏阵列、dco及其控制系统、光伏逆变器及其控制系统的参数见表1和表2。
81.表1光伏阵列参数
[0082][0083]
表2dco及vsc参数(含控制系统)
[0084][0085][0086]
由于控制环节设计的推出mppt及积分器与实例2中对buck型直流优化器设计思想及效果相似，故本实例中不在验证该部分效果。
[0087]
对比三种dco方案：
[0088]
方案1：使用原始boost型直流优化器，如图3中(a)所示；
[0089]
方案2：在方案1的基础上，增加本发明设计中dco输出端口反向二极管d
bw
；
[0090]
方案3：在方案2的基础上，增加本发明设计中dco输入端口并联耗能电阻rd；
[0091]
对比三种boost型直流优化器设计方案下，面对光伏电站内部发生严重失配扰动时系统的响应情况，设计仿真环境如下：
[0092]
初始运行时，光伏串中各光伏面板的环境光照强度和温度均设置为标准测试条件(stc)下的数值，所有光伏发电单元均工作在mppt模式，光伏串额定输出功率为2500w。当t＝1s时，设置pv4和pv5发生-450w/m2和-700w/m2的光强阶跃扰动，模拟光伏电站的极度失配场景。
[0093]
使用方案1的dco在上述环境下仿真，测得各光伏面板运行电压v
pv
、dco输出电压v
dc
、mppt环节输出信号v
pvm
、dco控制器输出占空比信号d、光伏串输出电流i
dc
以及光伏串输出总功率p
out
如图10a、图10b、图10c所示(其中以pv1作为正常光照的光伏单元代表，仿真波形中0～1s的振荡为电磁暂态模型的初始化过程)
[0094]
当部分光伏串被严重遮挡，光伏电站出现极度失配情况时，虽然未被遮挡的光伏单元仍然运行于mppt模式，但阴影遮挡最严重的pv5的dco输出电压及光伏面板工作电压
(v
dc,5
和v
pv,5
)将下降至负值，且后续仍继续保持同步下降。此时pv5由电源属性转变为负载属性，即出现了光伏串“热斑”现象。为了维持直流母线电压的恒定，正常单元的dco输出电压(v
dc,1
)将持续上升。此外，由于pv5消耗了其他光伏发电单元输出的能量，故整个光伏串的输出电流和功率(i
dc
和p
out
)将逐渐下降，导致光伏电站产能效率降低，出现严重异常状况。
[0095]
使用方案2的dco在上述环境下仿真，测得各光伏面板运行电压v
pv
、dco输出电压v
dc
、mppt环节输出信号v
pvm
、光伏串输出电流i
dc
以及光伏串输出总功率p
out
如图11a、图11b、图11c所示(其中以pv1作为正常光照的光伏单元代表，仿真波形中0～1s的振荡为电磁暂态模型的初始化过程)
[0096]
与图10a、图10b、图10c相比，在出现极度失配扰动后，阴影遮挡最严重的pv5的dco输出电压(v
dc,5
)快速下降并稳定在0v附近。由此，本发明设计的boost型直流优化器中反向二极管d
bw
有效避免了分布式光伏电站内部发生严重失配扰动时boost型直流优化器输出电压极性反转的情况，成功避免“热斑”现象发生。但与此同时，由于d
bw
导通，pv5发电单元的dco出现并联谐振现象，pv5发电单元输出电压v
pv,5
出现明显振荡。
[0097]
使用方案3的dco在上述环境下仿真，在出现极度失配扰动系统判定二极管d
bw
导通时，逻辑开关sw1动作，投入耗能电阻。将pv5发电单元输出电压v
pv,5
与使用方案2时的相对比，如图12所示(仿真波形中0～1s的振荡为电磁暂态模型的初始化过程)。
[0098]
由对比可知，出现极度失配扰动后，使用方案2时，pv5发电单元的dco出现并联谐振现象；在方案3下，该振荡迅速衰减，v
pv,5
稳定在0v。由此，本发明设计的boost型直流优化器中并联耗能电阻有效抑制了d
bw
导通时出现的并联谐振。
[0099]
由上述三种dco设计方案对比表明，本发明设计的boost型直流优化器，可在分布式光伏电站内部出现极度失配扰动时有效避免“热斑”现象，并抑制并联谐振。
[0100]
在其中一个实施例中，一种针对分布式光伏电站内部发生严重失配扰动的改进buck型直流优化器设计方案，包括：
[0101]
为防止直流优化器dco控制环节积分器长期处于饱和状态，对buck型直流优化器分别设计阈值v
max
，当系统检测到光伏单元的工作电压v
pv
大于v
max
时，判定存在其他单元的光伏面板处于严重阴影遮挡情况，将本单元dco控制系统输出的占空比信号置一，主动控制其boost电路工作在igbt持续导通状态，退出mppt环节并停止控制系统积分器，避免积分器反向积分饱和；当光伏串严重失配扰动恢复后，投入mppt环节及控制系统积分器。
[0102]
为了验证本发明提供控制方法的技术效果，针对具体工况对比改进设计前后进行仿真实验。由于控制环节设计的推出mppt及积分器与实例2中对buck型直流优化器设计思想及效果相似，故本实例中不在验证该部分效果。
[0103]
对比两种dco方案：
[0104]
方案1：使用原始buck型直流优化器，如图3中(b)所示；
[0105]
方案2：在方案1的基础上，增加本发明设计中dco控制环节优化设计，即识别到buck型直流优化器输出电压v
dc
大于v
max
时，判定存在其他单元所属光伏串处于严重阴影遮挡情况，主动控制本单元igbt导通，系统工作于受迫平衡点，退出mppt控制，断开控制环节积分器输入；
[0106]
对比两种dco设计方案下，面对光伏电站内部发生严重失配扰动时系统的响应情
况，设计仿真环境如下：
[0107]
初始运行时，光伏串中各光伏面板的环境光照强度和温度均设置为标准测试条件(stc)下的数值，所有光伏发电单元均工作在mppt模式，光伏串额定输出功率为2500w。当t＝1.5s时，设置pv4和pv5发生-600w/m2、pv6和pv7发生-500w/m2的光强阶跃扰动，t＝3s时清除pv4～pv7的光强扰动，对比采用控制器改进设计前后的光伏系统输出总功率p
out
波形如图13所示。
[0108]
由上述对比可知，采用本发明设计的dco控制环节改进方案，光伏发电系统恢复mppt工作模式的耗时更短，且期间振荡幅度更小，证明本发明提设计的dco控制环节改进方案的有效性。
[0109]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
