一种光伏直流升压汇集用IPOS单级式变换器及控制方法

一种光伏直流升压汇集用ipos单级式变换器及控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，主要应用于光伏能量的直流升压汇集，涉及单级式变换器及控制方法。


背景技术：

2.在“双碳”目标引领和全球清洁能源加速应用的背景下，太阳能作为主要的清洁能源之一，发展迅猛，光伏能源的直流汇集方式因其效率高、可控性强和可靠性好等显著优点已成为主流的光伏能源汇集方式。由于光伏阵列板输出电压较低，为与直流母线侧电压相匹配，通常采用ipos级联的结构，以增大输出电压的同时，减小器件的应力，目前应用于光伏直流升压汇集的ipos级联变换器按结构可以分为两种形式，一种是两级式，即子模块分为两级，前一级为boost变换器，后一级为隔离型dcdc变换器，文献(s.lu,k.sun,g.cao,y.li,j.-i.ha and g.-h.min,"a high step-up modular isolated dc-dc converter for large capacity photovoltaic generation system integrated into mvdc grids,"2019 10th international conference on power electronics and ecce asia，2019)提出的大规模光伏中压直流汇集系统就是如此，其存在成本高、损耗大和传输效率低等问题；另一种是单级式，文献(x.huang et al.,"large-scale photovoltaic generation system connected to hvdc grid with centralized high voltage and high power dc/dc converter,"20th international conference on electrical machines and systems(icems),2017)应用的就是单级式dcdc变换器，由于所有开关管为硬关断，开关损耗大，除此之外，还需要额外的均压均流控制，使得最大功率点跟踪与均压均流控制相耦合，控制比较困难。专利(宁光富,戴犇,安凯强,粟梅,刘永露,许国,王辉.一种单级式零电流开关全桥升压直流变换器及其控制方法[p].湖南省：cn114285286a,2022-04-05.)和文献(w.xiong,m.wang,g.ning and m.su,"a single-stage zcs boost module for mvdc collection converters,"in ieee journal of emerging and selected topics in power electronics,2022,)都可以作为ipos单级式变换器的子模块，其虽然能够实现开关管的软开关，降低开关损耗，提高传输效率，但采用变频控制，而且得分段控制，较为复杂。


技术实现要素：

[0003]
为了克服上述光伏直流升压汇集用ipos单级式变换器和两级式变换器的缺点，本发明提出了一种光伏直流升压汇集用ipos单级式变换器及控制方法，该ipos单级式变换器能够实现开关管的软开关，传输效率高，同时由于boost单元的电压增益只与占空比d相关，而与负载和升压电感的大小无关，且全桥lc串联谐振单元工作于直流变压器模式，电压增益只与高频变压器变比有关，因此，在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下，每个子模块采用相同占空比即可实现输出自然均压。
[0004]
ipos单级式变换器的子模块包括两个升压电感l
b1
、l
b2
，全桥逆变单元q1～q4，中间
电容cm，高频变压器tr，串联谐振腔lr、cr，全桥不控整流电路d
r1
～d
r4
和输出电容co。其中全桥逆变单元的第一桥臂由第一开关管q1和第二开关管q2正向串联组成，第二桥臂由第三开关管q3和第四开关管q4正向串联组成，两个桥臂正向并联；中间电容cm正向并联于两个桥臂两端；两个升压电感l
b1
、l
b2
的一端连接输入的正极，一端分别连接于第一桥臂和第二桥臂的中点a、b；高频变压器tr的原边绕组连接到第一桥臂和第二桥臂的中点a、b，副边绕组与由谐振电容cr和谐振电感lr串联组成的谐振腔串联后连接到全桥不控整流电路的a、b两点，作为全桥不控整流电路的输入。子模块实际上是由交错并联boost单元和全桥lc串联谐振单元集成的单级式变换器。
[0005]
子模块采用脉宽调制方式，其中第一开关管q1和第三开关管q3的占空比为d，第一开关管q1和第二开关管q2的驱动信号互补，第二桥臂驱动信号相位滞后于第一桥臂驱动信号相位半个开关周期，除此之外，第一开关管q1和第二开关管q2驱动信号的持续导通时间均需大于半个谐振周期；另外，子模块间的驱动信号是交错的。
[0006]
变换器的结构是将n个子模块的输入侧并联接入光伏阵列，n个子模块的输出侧串联接到输出直流母线上，该变换器为单级式光伏直流升压汇集变换器，具有传输效率高、控制方法简单和成本低等特点。
[0007]
变换器的控制方法在于变换器采集光伏阵列的电压v
pv
和电流i
pv
，之后通过最大功率点跟踪算法，得出统一占空比d，该占空比d即为每个子模块第一开关管q1和第三开关管q3的占空比d，由于boost单元的电压增益只与占空比d相关，而与负载和升压电感的大小无关，且全桥lc串联谐振单元工作于直流变压器模式，电压增益只与高频变压器变比有关，因此，在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下，每个子模块采用相同占空比即可实现输出自然均压。
[0008]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)采用所提到的单级式变换器，相较于两级式变换器，其所用器件较少，成本低；同时与现有单级式变换器相比，开关管能够实现软开关，损耗少，输入电压范围宽，传输效率高。2)当采用相同占空比的控制方法时，能够在实现最大功率点跟踪的同时，在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下，也能够实现变换器的输出均压，相较于目前单级式模块变换器的耦合控制，具有显著的优点。
附图说明
[0009]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0010]
图1是本发明的ipos单级式变换器结构；
[0011]
图2是本发明所用子模块工作时的典型波形图；
[0012]
图3是本发明系统控制框图；
[0013]
图4是本发明系统光伏曲线(时间t＝1s时，光照强度变强)；
[0014]
图5是本发明子模块参数差异时(子模块2谐振电感lr在t＝0.25s时变化)，各子模块输出电压波形。
具体实施方式
[0015]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0016]
实施方案：本发明ipos单级式变换器结构如图1所示，其构成形式是将n个子模块输入并联，输出串联，其子模块包括两个升压电感l
b1
、l
b2
，全桥逆变单元q1～q4，中间电容cm，高频变压器tr，串联谐振腔lr、cr，全桥不控整流电路d
r1
～d
r4
和输出电容co。其中全桥逆变单元的第一桥臂由第一开关管q1和第二开关管q2正向串联组成，第二桥臂由第三开关管q3和第四开关管q4正向串联组成，两个桥臂正向并联；中间电容cm正向并联于两个桥臂两端；两个升压电感l
b1
、l
b2
的一端连接输入的正极，一端分别连接于第一桥臂和第二桥臂的中点a、b；高频变压器tr的原边绕组连接到第一桥臂和第二桥臂的中点a、b，副边绕组与由谐振电容cr和谐振电感lr串联组成的谐振腔串联后连接到全桥不控整流电路的a、b两点，作为全桥不控整流电路的输入。该子模块实际是由交错并联boost单元与全桥lc串联谐振单元集成的单级式变换器。
[0017]
子模块采用脉宽调制方式，其中第一开关管q1和第三开关管q3的占空比为d，第一开关管q1和第二开关管q2的驱动信号互补，第二桥臂的驱动信号滞后于第一桥臂的驱动信号半个周期，除此之外，第一开关管q1和第二开关管q2驱动信号的持续导通时间均需大于半个谐振周期，以保证子模块正常工作；另外子模块间的驱动信号是交错的。在此调制方式下，子模块工作时的典型波形图如图2所示。
[0018]
根据每个子模块驱动信号的特点，占空比d需满足式(1)的关系，以保证全桥lc串联谐振单元工作在直流变压器模式，式中fs为驱动信号频率，fr为谐振腔频率，因此实际实施时，需要对占空比d范围进行约束。
[0019][0020]
在升压电感l
b1
和升压电感l
b2
上，根据伏秒平衡关系，有式(2)成立，式中vm为中间电容cm两端的电压，因此，交错并联boost单元的电压增益表达式可以用式(3)表示。
[0021]
(v
m-v
in
)d＝v
in
(1-d)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0022][0023]
在全桥lc串联谐振单元上运用能量守恒定律，见式(4)，进一步可以得出电压增益表达式为式(5)，式中n为变压器变比，因此全桥lc串联谐振单元工作在直流变压器模式。
[0024][0025]vo
＝nvmꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
要使得全桥lc串联谐振单元工作于直流变压器模式，谐振电容上的电压最大值v
crmax
需满足式(6)，才能保证子模块的lc串联谐振腔只工作半个谐振周期。
[0027]vcrmax
＜voꢀꢀꢀ
(6)
[0028]
另外，由波形图不难看出可以实现开关管开通时的软开关，传输效率高。
[0029]
变换器的结构是将n个子模块的输入侧并联接入光伏阵列，n个子模块的输出侧串联接到输出直流母线上，该变换器为单级式光伏直流升压汇集变换器，具有传输效率高、控
制方法简单和成本低等特点。
[0030]
ipos单级式变换器的控制方法是采集光伏阵列的电压v
pv
和电流i
pv
，之后运用最大功率点跟踪算法得到占空比信号d，该占空比信号d通过脉宽信号产生器输出脉宽信号到每一个子模块，进而实现最大功率点跟踪，变换器控制框图如图3所示。
[0031]
由式(3)和式(5)可知，子模块是由交错并联boost单元与全桥lc串联谐振单元集成的单级式变换器，boost单元的电压增益只与占空比d相关，而lc串联谐振单元工作于直流变压器模式，电压增益只与高频变压器变比有关，子模块增益表达式如式(7)所示，，因此在不同模块给定相同输入电压和相同占空比d后，在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下，各子模块输出能够自然均压。
[0032][0033]
表1子模块参数
[0034][0035]
以3个子模块搭建的ipos单级式变换器为例进行仿真，单个子模块仿真参数如表1所示，光伏阵列当光照最大时，输出最大功率为2kw，变换器输出连接750v直流母线。
[0036]
图4表示了当光照变化时，光伏曲线的变化过程，由曲线不难看出，该变换器在光照变化时，能够自动跟踪最大功率点。
[0037]
图5表征了子模块谐振电感的差异不影响变换器的输出自然均压。
[0038]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。