基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统中递进分层均压方法

摘要

本发明涉及一种基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统中递进分层均压方法，属于电路技术领域。在模块间相互独立控制的基础上，提出了一种适用于模块均压的后级层级递进拓扑结构，以解决光伏串联汇集单元中不均匀光照导致的模块不能正常升压的问题。汇集系统中的各光伏阵列通过后级均压模块来调整模块的分压，从而扩大变换器不均匀光照下输出电压调节范围，提升其不均匀光照下对功率扰动的适应性。通过Simulink搭建了四个模块级联的仿真模型，仿真结果验证了该拓扑结构的有效性。

说明书

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统中递进分层均压方法。

背景技术

光伏并网规模逐年增加，但是传统交流汇集系统具有无功传输、谐振谐波等问题，对并网以及实际运行造成危害。由于直流汇集系统不存在汇集系统的功角稳定或谐波谐振等稳定性问题，且光伏发电单元本身输出的直流电经过直流升压汇集后再进行传输，无需直流-交流变换环节，同样电压等级下损耗更小。

由于光伏输出电压较低，将光伏接入直流电网一般有三种方案。

第一种方案是光伏先经过逆变，然后输出通过变压器升压，最后经换流器整流后接入直流电网。此方案易于实现，但存在投入大、器件复杂等不足。

第二种方案为光伏模块经隔离型升压变换器升压后直接并到10kV的直流电网。该方案结构简单并且控制技术成熟，但器件开关电压应力较高。

第三种方案是模块化级联结构，通过串联多个模块将整个系统的输出电压抬高，以便直流并网，但光伏发电单元端电压随输出功率而变化，随光伏发电阵列输出波动变化，损坏该部分光伏发电单元。此外有多电平变换器技术、高压开关技术、高压端绕组串联技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统中递进分层均压方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统中递进分层均压方法，该方法包括以下步骤：

S1：建立前级直流汇集系统；

S2：均压模块拓扑结构与建模分析；

S3：系统控制。

可选的，所述S1中，系统的前级单元是DC/DC全桥变换器，后级单元则是由相应的均压单元组成内外层结构；使用Boost的全桥隔离式变换器BFBIC作为基本子模块；

BFBIC控制全桥开关管的控制时序和Boost电感稳态时两端电压，稳态工作时开关管占空比0.5

可选的，所述S2中，单个均压单元由电感和开关管构成；前级单元电压分别为U

以K

工作模态分为四个阶段：

阶段1：0≤t＜t

阶段2：t

解得

阶段3：t

解得

阶段4：t＝t

当阶段4完成后，在之后的任意时刻t

可选的，所述S3中，光伏发电直流汇集系统由两级单元组成，控制由两部分组成：一是由前级DC/DC全桥变换器实现光伏发电MPPT的控制；二是有后级均压单元实现各个模块的均压控制，具体包括以下步骤：

S31：DC/DC全桥变换器的MPPT控制；

通过采集光伏输出的电压及电流信息，分析电压电流与其导数之间的关系来确定最大功率运行点；假设光伏输出的最大功率点处电压为U

得：

式中dU

S32：后级单元均压控制

S321：里层均压模块控制

两个模块K

情况1：U

情况2：U

S322：均压单元的参数与运行特性

两个模块K

均压电路处于周期性工作状态，取t

ΔT＝t

则T为：

在一个均压周期内，U

由式(4)知，在阶段3中U

均压电路工作一个均压周期，造成U

均压模块所连的两个单元的能量差为W，忽略均压前后U

由式(9)，功率器件的开关频率为：

在实验系统中，根据器件的开关频率、电压输出特性和负载特性确定L；

S333：外层模块以及奇数模块均压的均压；

内层均压模块K

在级联个数增大后，根据级联个数，从内层到外层加入均压模块，并且根据每层模块个数的奇偶，调节比较的系数，实现级间均压。

本发明的有益效果在于：解决光伏串联汇集单元中不均匀光照导致的模块不能正常升压的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为BFBIC拓扑结构；

图2为开关管控制时序及Boost电感两端电压；

图3为汇集系统后级均压拓扑简图；

图4为不同阶段的均压模块；图4(a)为0＜t≤t

图5为DC/DC MPPT控制框图；

图6为后级均压系统控制流程图；

图7为后级均压过程波形图；

图8为奇数模块的均压电路；

图9为光伏输出电压仿真波形；

图10为功率波形；

图11为未加入均压后级控制后的输出电压；

图12为加入一级均压模块后输出电压；

图13为两级均压控制输出电压。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为BFBIC拓扑结构；图2为开关管控制时序及Boost电感两端电压；图3为汇集系统后级均压拓扑简图；图4为不同阶段的均压模块；图4(a)为0＜t≤t

针对基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统，本文提出一种新的均压均流控制策略，其具有控制简单、易于实现、可靠性高、可扩展性强等优点。在Simulink搭建了四个光伏阵列通过模块化级联的仿真模型，结果验证了该拓扑结构的有效性。

1前级直流汇集系统基本结构

如图1所示，模块的前级单元是DC/DC全桥变换器，后级单元则是由相应的均压单元组成内外层结构。考虑到变换器需要完成光伏MPPT功能并且需要的升压等级较大，所以使用了Boost的全桥隔离式变换器(BFBIC)作为基本子模块。

BFBIC可控全桥开关管的控制时序和Boost电感稳态时两端电压如图2所示，可知稳态工作时开关管占空比0.5

2均压模块拓扑结构与建模分析

如图3所示，单个均压单元由电感和开关管构成。前级单元电压分别为U

以K

阶段1：等效电路如图4(a)，0≤t＜t

阶段2：等效电路如图4(b)，t

解得

阶段3：等效电路如图4(c)，t

解得

阶段4：等效电路如图4(d)，t＝t

当阶段4完成后，可以在之后的任意时刻t

3系统控制策略

在图1中本文提出的光伏发电直流汇集系统由两级单元组成，其控制也由两部分组成：一是由前级DC/DC全桥变换器实现光伏发电MPPT的控制；二是有后级均压单元实现各个模块的均压控制。

3.1 DC/DC全桥变换器的MPPT控制

为了提高光伏发电的效率，需实现其最大功率输出。实现MPPT的控制方法有很多种，如Buciarelli等人提出的扰动观察法(P&O)和Hussein等人提出的增量电导法(IncCond)；有用遗传算法对MPPT进行研究，但对于光伏板存在遮挡情况下的多峰值情况不能解决；采用粒子群算法，但该算法中粒子位置是随机产生的，容易产生丢失造成结果不收敛，导致跟踪失败，为了简单起见，本文采用增量电导法(IncCond)。

增量电导法的主要依据是光伏特性曲线中最大功率点处光伏输出功率与电压的导数为0。通过采集光伏输出的电压及电流信息，分析电压电流与其导数之间的关系来确定最大功率运行点。假设光伏输出的最大功率点处电压为U

由此可得：

式中dU

3.2后级单元均压控制

3.2.1里层均压模块控制

以两个模块K

情况1：U

情况2：U

3.2.2均压单元的参数与运行特性

以两个模块K

ΔT＝t

则T为：

在一个均压周期内，U

由式(4)可知，在阶段3中U

因此均压电路工作一个均压周期，将会造成U

假定均压模块所连的两个单元的能量差为W，忽略均压前后U

由式(9)，功率器件的开关频率为：

由此可知，在实验系统中，可根据器件的开关频率、电压输出特性和负载特性确定L。

3.3.3外层模块以及奇数模块均压的均压策略

对于图2所示的内层均压模块K

所以在级联个数增大后，根据级联个数，从内层到外层加入均压模块，并且根据每层模块个数的奇偶，调节比较的系数，可以实现级间均压。

3仿真验证

本节主要搭建了基本模块和DC/DC变换器(包含四个模块)的详细仿真模型来验证前文所提的均压策略的有效性。通过基本模块的仿真模型来验证MPPT的可行性，通过四个模块级联以加入均压模块拓扑验证均压控制策略的有效性。

在Simulink中搭建基本模块的仿真，其中各个元器件的参数以及均压模块的主要参数参数如表1所示。

表1模块主要参数表

BFBIC的能量由光伏阵列提供。设定光伏阵列在标准情况(温度25℃，光照强度165W/m

图9和图10反映了在外界环境发生变化时，光伏板的mppt模块能够自适应以找到新的最大功率点所在的输出电压处，且输出电压可以较好地跟随指令值。证明了电导增量法可以快速有效地跟踪最大功率点。

对于整个4块级联的组合变换器而言，设定一组外界环境变化值，通过对比加入递进分层均压控制模块前后负载端各个子模块输出电压的波形变化来仿真验证均压策略的效果。给定各个模块光照强度随时间变化如表2所示。

表2光伏光照强度变化表

仿真结果如下：

图11给出了无均压控制电路时各子模块的输出电压，从结果波形可以看出，随着光照强度在某一点进行突变后，输出电压也随之变化，各模块提供给后端的电压差距大，不稳定。

图12表示仅使用一级均压电路后的各模块输出电压，与使用两级均压模块的仿真结果比较，其仅在1s后稳定了输出电压，均压性能较差。

图13为4个子模块级联时两级均压控制负载端输出电压，从0.2s开始，模块4的光照强度突变，至1.5s仿真结束均稳定实现了各模块之间的均压，期间的最大压差ΔU

4结论

本文在各个光伏模块间相互独立控制的基础上，提出了一种适用于模块均压的后级递进拓扑结构，以解决光伏串联汇集单元中不均匀光照导致的模块不能正常升压的问题。通过由结果可以看出，论文提出的均压拓扑结构工作有效可行，控制算法正确且易于工程实现，可以实现级联变换器输出端的均压。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。