基于耦合电感的自均衡光伏变换器及其控制方法

1.本发明涉及光伏多端口直流变换器技术领域，尤其涉及基于耦合电感的自均衡光伏变换器及其控制方法。


背景技术：

[0002]“输入独立、输出串联”型变换器组合系统架构简单清晰、输出增益高，适用于大功率容量、大空间范围、分布式一体化光伏发电直流汇集场合。但该类变换器受制于其固有物理特性，存在输出功率不均衡导致的输出电压偏移问题，限制了该类变换器的进一步推广与应用。针对此类缺陷，在拓扑结构层面目前的解决办法主要包括：增加额外开关网络进行功率传输、通过器件复用构造功率流通路径等，为了实现变换器的高效率、高经济性与低成本，有必要对其功率均衡方法进行深入研究，为其实际应用提供有效解决方案。


技术实现要素：

[0003]
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器及其控制方法。
[0004]
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0005]
基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器，其特征在于，包括n个子模块变换器和一个并网电抗器lg，n为大于等于2的自然数；
[0006]
所述变换模块包含光伏阵列、滤波电容c
pv
、电感l、开关管q1～q4、变压器t、电感lr、电容c1～c4、耦合电感绕组n
sb
；
[0007]
所述开关管q1的源极分别和所述开关管q2的漏极、电感l的一端、变压器原边a端相连，开关管q1的漏极与电容c1正极相连；
[0008]
所述开关管q2的源极分别和所述电容c2的负极、滤波电容c
pv
的负极相连；
[0009]
所述光伏阵列的一端分别和所述滤波电容c
pv
的正极、电感l的另一端相连，光伏阵列的另一端与滤波电容c
pv
的负极相连；
[0010]
所述电容c1的正极和所述开关管q1的漏极相连、电容c1的负极分别与变压器原边b端、电容c2的正极相连；
[0011]
所述电容c2的正极与所述变压器另一端相连，电容c2的负极分别与开关管q2的源极、滤波电容c
pv
的负极、光伏阵列的另一端相连；
[0012]
所述开关管q3的漏极分别和所述滤波电容c3的正极相连，开关管q3的源极分别与变压器副边b端、耦合电感绕组n
sb,1
负端、开关管q4的漏极相连；
[0013]
所述开关管q4的漏极分别和所述变压器副边b端、耦合电感绕组n
sb,1
负端相连，开关管q4的源极与电容c4的负极相连；
[0014]
所述电容c3的正极和所述开关管q3的漏极相连，电容c3的负极分别与电感lr一端、耦合电感绕组n
sb,1
正端、电容c4的正极相连；
[0015]
所述电容c4的正极与所述电感lr一端、耦合电感绕组n
sb,1
正端相连，电容c4的负极
与开关管q4的源极相连；
[0016]
所述第m个变换模块的连接点b和第m+1个变换模块的连接点a相连，m为大于等于1小于等于n的自然数；
[0017]
所述第1个变换模块的连接点a和所述并网电抗器lg的一端相连，并网电抗器lg的另一端作为变换器的一个输出端；所述第n个变换模块的连接点b作为变换器的另一个输出端。
[0018]
所述耦合电感绕组n
sb,1
～n
sb,n
共用同一个磁芯。
[0019]
本发明还公开了基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器的驱动方法，对各个变换模块实行独立的mppt控制，对于每个变换模块，其mppt控制的具体步骤如下：
[0020]
步骤1)，采用占空比为50％的高频脉冲信号1作为变换模块开关管q
3,1
～q
3,n
的栅极触发信号；
[0021]
步骤2)，将高频脉冲信号1输入到反相器，得到高频脉冲信号2；
[0022]
步骤3)，将高频脉冲信号2作为变换模块开关管q
4,1
～q
4,n
的栅极触发信号；
[0023]
步骤4)，采集变换模块的输入侧电流i
in
、输入侧电压v
in
并将其输入到mppt控制器，mppt控制器输出变换模块的移相角dr；
[0024]
步骤5)，将高频脉冲信号1与移相角dr输入到移相器，得到高频脉冲信号3；
[0025]
步骤6)，将高频脉冲信号3作为变换模块开关管q1的栅极触发信号；
[0026]
步骤7)，将高频脉冲信号3输入到反相器，得到高频脉冲信号4；
[0027]
步骤8)，将高频脉冲信号4作为变换模块开关管q2的栅极触发信号。
[0028]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0029]
本发明是基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器，该变换器子模块原边采用半桥结构隔离boost单元，输入电流纹波小，适用于光伏发电场合；副边将均衡单元开关管与子模块副边开关管集成，进一步减少了有源开关数量，降低了器件成本；相比现有的lc自均衡结构，该结构无需自均衡电容且将多个自均衡电感集成到共用同一磁芯的耦合电感中，减小了变换器体积、损耗和成本。将在其光伏阵列功率失配时均衡各模块的输出电压，避免了器件过压损坏，保证了mppt有效运行，提高了经济性。
附图说明
[0030]
图1为本发明的电路拓扑结构示意图；
[0031]
图2为本发明的控制信号以及触发脉冲示意图；
[0032]
图3为本发明正常工作的电路波形示意图；
[0033]
图4(a)至图4(f)分别为本发明在一个开关周期内某两个变换模块k、j的第一个到第六个工作模态的等效电路图；
[0034]
图5(a)为t＝0.43s、t＝0.67s时六个变换模块光伏阵列输入功率出现变化时其输出电压波形对比示意图；
[0035]
图5(b)为t＝0.43s、t＝0.67s时六个变换模块光伏阵列输入功率出现变化时其各端口输入电流对比示意图；
[0036]
图5(c)是本发明在稳态工作下第一个变换模块电感l
r,1
的电压电流及触发脉冲仿真波形图；
[0037]
图5(d)是开关管q
1,1
的电压电流以及触发脉冲波形的零电压开通示意图；
[0038]
图5(e)是开关管q
3,1
的电压电流以及触发脉冲波形的零电压开通示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0040]
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0041]
如图1所示，本发明公开了一种基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器，包括n个子模块变换器和一个并网电抗器lg，n为大于等于2的自然数；
[0042]
所述变换模块包含光伏阵列、滤波电容c
pv
、电感l、开关管q1～q4、变压器t、电感lr、电容c1～c4、耦合电感绕组n
sb
；
[0043]
所述开关管q1的源极分别和所述开关管q2的漏极、电感l的一端、变压器原边a端相连，开关管q1的漏极与电容c1正极相连；
[0044]
所述开关管q2的源极分别和所述电容c2的负极、滤波电容c
pv
的负极相连；
[0045]
所述光伏阵列的一端分别和所述滤波电容c
pv
的正极、电感l的另一端相连，光伏阵列的另一端与滤波电容c
pv
的负极相连；
[0046]
所述电容c1的正极和所述开关管q1的漏极相连、电容c1的负极分别与变压器原边b端、电容c2的正极相连；
[0047]
所述电容c2的正极与所述变压器另一端相连，电容c2的负极分别与开关管q2的源极、滤波电容c
pv
的负极、光伏阵列的另一端相连；
[0048]
所述开关管q3的漏极分别和所述滤波电容c3的正极相连，开关管q3的源极分别与变压器副边b端、耦合电感绕组n
sb,1
负端、开关管q4的漏极相连；
[0049]
所述开关管q4的漏极分别和所述变压器副边b端、耦合电感绕组n
sb,1
负端相连，开关管q4的源极与电容c4的负极相连；
[0050]
所述电容c3的正极和所述开关管q3的漏极相连，电容c3的负极分别与电感lr一端、耦合电感绕组n
sb,1
正端、电容c4的正极相连；
[0051]
所述电容c4的正极与所述电感lr一端、耦合电感绕组n
sb,1
正端相连，电容c4的负极与开关管q4的源极相连；
[0052]
所述第m个变换模块的连接点b和第m+1个变换模块的连接点a相连，m为大于等于1小于等于n的自然数；
[0053]
所述第1个变换模块的连接点a和所述并网电抗器lg的一端相连，并网电抗器lg的另一端作为变换器的一个输出端；所述第n个变换模块的连接点b作为变换器的另一个输出端。
[0054]
所述耦合电感绕组n
sb,1
～n
sb,n
共用同一个磁芯。
[0055]
如图2所示，本发明还公开了一种基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器及方法的驱动方法，对各个变换模块实行独立的mppt控制，对于每个变换模块，其mppt控制的具体步骤如下：
[0056]
步骤1)，采用占空比为50％的高频脉冲信号1作为变换模块开关管q
3,1
～q
3,n
的栅
极触发信号；
[0057]
步骤2)，将高频脉冲信号1输入到反相器，得到高频脉冲信号2；
[0058]
步骤3)，将高频脉冲信号2作为变换模块开关管q
4,1
～q
4,n
的栅极触发信号；
[0059]
步骤4)，采集变换模块的输入侧电流i
in
、输入侧电压v
in
并将其输入到mppt控制器，mppt控制器输出变换模块的移相角d
sm
；
[0060]
步骤5)，将高频脉冲信号1与移相角d
sm
输入到移相器，得到高频脉冲信号3；
[0061]
步骤6)，将高频脉冲信号3作为变换模块开关管q1的栅极触发信号；
[0062]
步骤7)，将高频脉冲信号3输入到反相器，得到高频脉冲信号4；
[0063]
步骤8)，将高频脉冲信号4作为变换模块开关管q2的栅极触发信号。
[0064]
图3为本发明正常工作的电路波形示意图，第k个变换模块开关管q
1,k
、q
2,k
、q
3,k
、q
4,k
驱动信号分别为g
q1,k
、g
q2,k
、g
q3,k
、g
q4,k
，第j个变换模块开关管q
1,j
、q
2,j
、q
3,j
、q
4,j
驱动信号分别为g
q1,j
、g
q2,j
、g
q3,j
、g
q4,j
，第k个变换模块的变压器原副边电压波形为v
r,k
，第j个变换模块的变压器原副边电压波形为v
r,j
，第k个变换模块的电感l
r，k
电流为i
r,k
，第j个变换模块的电感l
r,j
电流为i
r,j
，第j个变换模块的电感lj电流为i
lj
，第k个变换模块的电感lk电流为i
lk
。
[0065]
在一个开关周期(ts，t
0-t6)内，电路的工作波形如图3所示，假设第j个变换模块的输出功率大于第k个变换模块的输出功率，p
oj
》p
ok
，电路可以被分成6个状态：
[0066]
图4(a)中，t＝(t0,t1)，输入侧开关管q
1,j
、输出侧的开关管q
3,j
反并联二极管开通，变压器漏感电流i
r,j
为正且维持不变，第k个变换模块副边开关管q
3,k
开通，输入侧电感lj放电，该模态持续到原边开关管q
1,j
关断。
[0067]
图4(b)中，t＝(t1,t2)，在t＝t1时，断开开关管q
1,j
，由于变压器漏感电流i
r,j
不可突变，开关管q
2,j
反并联二极管被迫导通，开关管q
2,j
端电压被箝位为0v，在此时给开关管q
2,j
、q
3,j
触发脉冲即可实现零电压开通，变压器漏感电流i
r,j
为正且线性减小，输入侧电感lj充电，该模态持续到漏感电流过零时刻。
[0068]
图4(c)中，t＝(t2,t3)，在t＝t2时，变压器漏感电流i
r,j
由正过零变负，开关管q
2,j
、q
3,j
零电压开通，电容c
2,j
、c
3,j
向变压器漏感充电，变压器漏感电流i
r,j
为负且线性增大。
[0069]
图4(d)中，t＝(t3,t4)，在t＝t3时，输出侧的开关管q
3,j
触发脉冲消失，由于变压器漏感电流i
r,j
不可突变，输出侧的开关管q
4,j
反并联二极管被迫导通，变压器漏感电流i
r,k
维持不变，该模态一直持续到原边开关管q
2,j
关断。
[0070]
图4(e)中，t＝(t4,t5)，在t＝t4时，断开开关管q
2,j
，由于变压器漏感电流i
r,j
不可突变，开关管q
1,j
反并联二极管被迫导通，开关管q
1,j
端电压被箝位为0v，在此时给开关管q
1,j
、q
4,j
触发脉冲即可实现零电压开通，变压器漏感电流i
lsm,k
为负且线性增大。
[0071]
图4(f)中，t＝(t5,t6)，在t＝t5时，变压器漏感电流i
r,k
由负过零，开关管q
1,j
、q
4,j
零电压开通，电容c
1,j
、c
4,j
向变压器漏感充电，变压器漏感电流i
r,k
为正且线性增大。
[0072]
如图5(a)所示，n为6、额定输出电压1000v、直流母线6kv时，第1个变换模块的输入电流在t＝0.43s时从25kw变化到32.5kw，第二到第六个变换模块的输入功率均为25kw，第2个变换模块的输入电流在t＝0.67s时从25kw变化到9kw，各输出电压的变化趋势图。由于光照发生变化，变换模块输出电压出现波动，但是通过耦合电感对失配功率进行调节，输出电压趋于均衡，调节时间约为30ms，最大电压波动约为1％(9.6v)。
[0073]
图5(b)为n为6、额定输出电压1000v、直流母线6kv时，第1个变换模块的输入电流在t＝0.43s时从50a变化到65a，第二到第六个变换模块的输入电流均为50a，第2个变换模块的输入电流在t＝0.67s时从50a变化到18a，各模块输入电流的变化趋势图。
[0074]
图5(c)是本发明在稳态工作下第一个变换模块电感l
r,1
的电压电流及触发脉冲仿真波形图。
[0075]
图5(d)是开关管q
1,1
的电压电流以及触发脉冲波形示意图，可以看出在开关管在触发脉冲到来前管压降被箝位为0v，故可实现零电压开通，由于变换模块boost隔离单元的开关管工作过程相似，因此在变换模块boost隔离单元的开关管均可实现零电压开通。
[0076]
图5(e)是开关管q
3，1
的电压以及触发脉冲波形示意图，可以看出在开关管在触发脉冲到来前管压降被为0v，故可实现零电压开通，由于变换模块半有源整流单元的开关管工作过程相似，因此在子模块半有源整流单元的开关管均可实现零电压开通；因此所述基于耦合电感的模块化功率自均衡光伏直流变换器所有开关管均可实现软开关，开关损耗小，提高了变换器效率。
[0077]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0078]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。