CN102158094A - 一种光伏发电dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法，涉及带有中间变换为交流的直流功率输入变换为直流功率输出的变换器，以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器构成一个组成结构单元，将N个上述的组成结构单元并联，组成光伏发电DC-DC变换器，其中N≥2。当光伏并网发电系统中若干个光伏阵列模块发生问题使得其输出的最大功率大幅下降时，光伏发电DC-DC变换器的相数不做调整，但要调整发生问题的光伏伏阵列模块的输出电压为其他所有正常的光伏阵列模块输出电压的平均值。本发明克服了现有光伏并网发电系统中因“串联中的某个光伏电池发生故障，会降低整个系统的效率”的缺点。

Description

一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明的技术方案涉及带有中间变换为交流的直流功率输入变换为直流功率输出的变换器，具体地说是一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法。

背景技术

太阳能光伏发电技术是新能源和可再生能源中最具有发展前途的方式，光伏并网发电技术已成为太阳能光伏应用的主流。最新统计资料表明：截止2008年底，光伏系统全球总的装机容量已经达到了13.4GW；较之2007年，2008年光伏系统总的装机容量增长了50％；光伏并网系统在2008年大约占光伏系统总的装机容量的99％。

对于特定的太阳光辐射、温度及电池类型，太阳能光伏系统都相应有唯一的最大功率点，如果不实现最大功率点跟踪，系统的效率就非常低。

现有的光伏发电系统是由许多紧密相连的太阳电池板组成。这些电池板先分组串联，再将不同的串联电池组并联起来，以满足发电需要。现有的光伏发电系统的缺点是，如果串联电池组中的某个电池发生故障，会导致整个电池组失效。

现有的光伏发电系统更为常见的问题是，当光伏阵列模块受到局部阴影或碎杂物体遮蔽时，或因日照不均以及太阳电池特性不均导致局部输出功率下降，会进而引起整个太阳电池板电池组的输出功率大幅降低。例如只要几块电池板有阴影或树叶遮蔽，整个光伏发电系统的发电量便会大幅地下跌。更具体举例，只要有10％的电池板面积被遮盖，系统的总发电量便会下跌50％。

CN101976952A公开了光伏发电系统的串联谐振DC-DC变换器，而该DC-DC变换器是单相，其输出纹波大，并且不能解决光伏系统发电中“串联中的某个光伏电池发生故障，会导致整个电池组失效”以及“光伏阵列模块受局部阴影或碎杂物体遮蔽而降低整个系统的效率”这两个问题。

CN1346535、CN101051789和CN101610033所公开的DC-DC变换器不是针对光伏发电系统的，也不能解决光伏系统发电中“串联中的某个光伏电池发生故障，会导致整个电池组失效”以及“光伏阵列模块受局部阴影或碎杂物体遮蔽而降低整个系统的效率”这两个问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法，通过将各个光伏阵列模块与光伏发电DC-DC变换器中的组成结构单元进行并联，克服了现有技术的光伏并网发电系统中因“串联中的某个光伏电池发生故障，会导致整个电池组失效”以及“光伏阵列模块受局部阴影或碎杂物体遮蔽而降低整个系统的效率”的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种光伏发电DC-DC变换器，以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器，即该高频变压器再连接在由2个二极管组成的一对桥臂的中点构成一个组成结构单元，将N个上述的组成结构单元并联，组成光伏发电DC-DC变换器，它包括N个DC-AC变换器、N个高频变压器和由N个单相二极管整流器即N对桥臂形成的N相的二极管整流器，其中N≥2。

上述一种光伏发电DC-DC变换器，所述的DC-AC变换器是基于MOSFET的全桥逆变器。

上述一种光伏发电DC-DC变换器，所述的DC-AC变换器、高频变压器和二极管整流器是本技术领域常用的普通元器件；DC-AC变换器、高频变压器和二极管整流器之间的连接方式是本技术领域的普通技术人员所熟知的。

一种光伏发电DC-DC变换器的控制方法，步骤是：

第一，上述一种光伏发电DC-DC变换器在光伏并网发电系统中的连接方式。

下面用A表示光伏并网发电系统中的光伏阵列模块组，用B表示其中的DC-AC变换器组，用C表示其中的高频变压器组，用D表示其中的二极管整流器组，用E表示其中的全桥并网逆变器，用F表示其中的电网；在A中包括N个光伏阵列模块Aj，B中包括N个DC-AC变换器Bj，C中包括N个高频变压器Cj，D中包括N对由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2；其中N≥2，j＝1～N；

将A中的每一个光伏阵列模块Aj与B中相应的每一个DC-AC变换器Bj连接，B中的每一个DC-AC变换器Bj与C中相应的每一个Cj连接，C中每一个Cj与D中相对应的由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2连接，D中的整流桥的直流输出端再与E的直流输入端连接在一起，E的输出端与F连接在一起，由此组成光伏并网发电系统；

N个DC-AC变换器Bj1-Bj4产生N相交流电，每一个DC-AC变换器Bj1-Bj4分别与对应的高频变压器Cj连接，N个高频变压器Cj也产生N相交流电，N个DC-AC变换器Bj1-Bj4与N个高频变压器Cj相连接后再与N相的D中相对应的由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2连接，进行N相AC-DC变换，由此完成N相光伏发电DC-DC变换器的DC-DC变换过程；

B中的每一个DC-AC变换器Bj的具体构成如下：

B1由开关管B11、B12、B13和B14组成，用B11-B14表示，

B2由开关管B21、B22、B23和B24组成，用B21-B24表示，

B3由开关管B31、B32、B33和B34组成，用B31-B34表示，

………………………………………，

BJ由开关管BJ1、BJ2、BJ3和BJ4组成，用BJ1-BJ4表示，

………………………………………，

BN由开关管BN1、BN2、BN3和BN4组成，用BN1-BN4表示，

E由开关管E1、E2、E3和E4组成；

第二，光伏并网发电系统运行中出现问题的检测和判断

上述光伏并网发电系统的A输出的最大功率点所对应的电压、电流和功率对应如下：

A1的输出电压、电流和功率分别是：V1，I1，P1，

A2的输出电压、电流和功率分别是：V2，I2，P2，

A3的输出电压、电流和功率分别是：V3，I3，P3，

……………………………………，

AJ的输出电压、电流和功率分别是：VJ，IJ，PJ，

……………………………………，

AN的输出电压、电流和功率分别是：VN，IN，PN；

当该光伏并网发电系统在运行中出现某一或多个光伏阵列模块发生损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题时，通过检测每一个光伏阵列模块的输出电压和输出功率来判断每一个光伏阵列模块所处的状况，采用比较各光伏阵列最大功率点所对应的电压V1、V2、V3、…、VJ、…和VN，并比较各光伏阵列模块最大功率点所对应的功率P1、P2、P3、…、PJ、…和PN的方法来发现上述问题之所在，具体检测结果和判断如下：

①各个光伏阵列模块的输出电压、电流和功率应该近似相等，即：V1≈V2≈V3≈…≈VJ≈…≈VN，I1≈I2≈I3≈…≈IJ≈…≈IN，P1≈P2≈P3≈…≈PJ≈…≈PN，表明所有光伏阵列模块工作正常；

②当某一个光伏阵列模块的输出电压为零或当某一个光伏阵列模块的输出功率远小于其它光伏阵列模块的输出功率时，表明该光伏阵列模块出现了光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题；

第三，光伏发电DC-DC变换器的控制方法，即对上述检测结果和判断②的问题的解决方法如下：

I.调整N相光伏发电DC-DC变换器中的各个DC-AC变换器的相角

因上述光伏并网发电系统中N相光伏发电DC-DC变换器的相数变化而引起的该光伏发电DC-DC变换器中的DC-AC变换器B的相角相差的计算

A1和B1连接，B1再与C1连接，

A2和B2连接，B2再与C2连接，

……，……

AJ和BJ连接，BJ再与CJ连接，

……，……

AN和BN连接，BN再与CN连接，

在该光伏并网发电系统中共有N个上述相同的单元组合，但各个单元组合中的DC-AC变换器Bj的相角不同：

B1的相角为

度，

B2的相角为度，

…………………，

BJ的相角为

度，

………………，

BN的相角为

度，

由此产生N相交流电的相角依次相差N相交流电通过上述N相光伏发电DC-DC变换器中的N相二极管整流器组D后将得到很小的电流纹波，并且相数N越大，电流纹波越小。

当该光伏并网发电系统中某1个光伏阵列模块损坏，那么该光伏并网发电系统中的N相光伏发电DC-DC变换器的将变为(N-1)相，相角差为

度，当该光伏并网发电系统中有x个光伏阵列模块损坏，那么该光伏并网发电系统中的N相光伏发电DC-DC变换器将变为(N-x)相，相角差为

度，x＜N；

通过调整N相光伏发电DC-DC变换器中的各个DC-AC变换器Bj的相角，使得N相光伏发电DC-DC变换器所输出的纹波最小。

II.当上述光伏并网发电系统中某一个或某几个光伏阵列模块受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽使得该个或该几个光伏阵列模块输出的最大功率大幅下降时，对于这种情况，该光伏并网发电系统中的N相光伏发电DC-DC变换器的相数不做调整，但要调整受局部阴影或碎杂物体遮蔽的光伏伏阵列模块的输出电压为其他所有正常的光伏阵列模块输出电压的平均值。

本发明的有益效果是：

A.本发明一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法的实质性特点是：

(1)本发明的一种光伏发电DC-DC变换器通过设置N个DC-AC变换器，即B1、B2、B3、…、BJ、…和BN的相角：

B1的相角为

度，

B2的相角为

度，

…………………，

BJ的相角为

度，

………………，

BN的相角为

度，

由此产生N相交流电的相角依次相差

N相交流电通过本发明的一种光伏发电DC-DC变换器中的N相二极管整流器组D后将得到很小的电流纹波，并且相数N越大，电流纹波越小。

(2)在采用本发明一种光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中，当其中某1个光伏阵列模块损坏，那么如图2中的虚线框内所示的N相光伏发电DC-DC变换器将变为N-1相，图2中的各个DC-AC变换器，即B11-B14、B21-B24、B31-B34、…BJ1-BJ4、…和BN1-BN4之间的相角差为

度；如果某2个光伏阵列模块损坏，那么该N相光伏发电DC-DC变换器将变为N-2相，各个DC-AC变换器即B11-B14、B21-B24、B31-B34、…BJ1-BJ4、…和BN1-BN4之间的相角差为

度；依次类推，通过调整N相光伏发电DC-DC变换器中的各个DC-AC变换器，即B11-B14、B21-B24、B31-B34、…、BJ1-BJ4、…和BN1-BN4的相角，使得本发明的光伏发电DC-DC变换器所输出的纹波最小。

(3)当某一个或某几个光伏阵列模块受局部阴影或碎杂物体遮蔽的问题而使得该光伏阵列模块或该几个光伏阵列模块的最大输出功率下降时，由于上述光伏并网发电系统中的光伏阵列模块是并联装置的，不会影响其它的光伏阵列模块，提高了光伏并网发电系统的可靠性。对于这种情况，光伏并网发电系统中的本发明N相光伏发电DC-DC变换器的相数不做调整，只要调整出现问题的光伏阵列模块的输出电压为其他所有正常的光伏阵列模块输出电压的平均值，以保证本发明的DC-DC变换器所输出的纹波最小，并提高光伏并网发电系统的最大功率就可以保证整个光伏并网发电系统的正常运行。

B.本发明一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法突出的显著进步是：

(1)由于采用本发明一种光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中的光伏阵列模块是并联装置的，所以当某一光伏阵列模块发生损坏时，不会影响其它的光伏阵列模块，提高了光伏并网发电系统的可靠性；

(2)在采用本发明一种光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中，当其中某1个或某几个光伏阵列模块损坏、受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽，使得该1个或该几个光伏阵列模块输出的最大功率降低时，不会影响其它的模块，保证了光伏并网发电系统的最大功率跟踪；

(3)通过对N相光伏发电DC-DC变换器进行指定的相角控制，可以使得该光伏阵列DC-DC变换器得到最小纹波，改善发电质量，提高光伏并网发电系统效率、并减小相关器件的体积、重量和成本。

本发明的一种光伏发电DC-DC变换器及其控制方法，尤其适用于光伏并网发电系统的DC-DC变换器，完全克服了采用现有技术的光伏并网发电系统中“串联中的某个光伏电池发生故障，会导致整个电池组失效”以及“光伏阵列模块受局部阴影或碎杂物体遮蔽而降低整个系统的效率”的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种光伏发电DC-DC变换器的组成结构单元的构成示意图。

图2是光伏并网发电系统和N相光伏发电DC-DC变换器的构成示意图。

图3是光伏并网发电系统和3相光伏发电DC-DC变换器的构成示意图。

图4是光伏并网发电系统和6相光伏发电DC-DC变换器的构成示意图。

图5是本发明一种光伏发电DC-DC变换器的组成结构单元的单相整流波形示意图。

图6是本发明一种光伏发电DC-DC变换器的3相整流波形示意图。

图7是本发明一种光伏发电DC-DC变换器的6相整流波形示意图。

具体实施方式

实施例1

图1所示实施例表明本发明一种光伏发电DC-DC变换器的一个组成结构单元，它是由一个DC-AC变换器BJ连接一个高频变压器CJ，该高频变压器CJ再连接一个单相二极管整流器DJ，即该高频变压器CJ再连接在由2个二极管DJ1-DJ2组成的一对桥臂的中点构成。其中DC-AC变换器BJ由4个开关管BJ1-BJ4(即BJ1、BJ2、BJ3和BJ4)按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法相连接组成全桥逆变器(下同)；单相二极管整流器DJ由两个二极管DJ1-DJ2按本技术领域的一般技术人员所熟知的一对桥臂的方法相连接组成(下同)。

图5是本发明光伏发电DC-DC变换器的组成结构单元的单相整流波形示意图，该图表明，在单相时电压输出的纹波较大。

实施例2

图2所示实施例表示包含本发明的N相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统的构成。其中本发明的N相光伏发电DC-DC变换器的结构如图2中的虚线框内所示，N相光伏发电DC-DC变换器由图2中的圆点虚线框内所示的B部分的N个DC-AC变换器、图2中的圆点虚线框内所示的C部分的N个高频变压器和图2中的圆点虚线框内所示的D部分的2N个二极管组成的N相二极管整流器构成；其中，B部分的DC-AC变换器包含N个全桥逆变器：B11-B14、B21-B24、B31-B34、…、BJ1-BJ4、…和BN1-BN4，C部分的高频变压器包含N个高频变压器：C1、C2、C3、C4、C5、C6、…、CJ、…和CN，D部分的N相二极管整流器包含N对桥臂：D11-D12、D21-D22、D31-D32、D41-D42、D51-D52、D61-D62、…、DJ1-DJ2、…和DN1-DN2；B部分的DC-AC变换器中的每一个DC-AC变换器和C部分的高频变压器中的每一个高频变压器按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法相连接成为一个单元，然后将N个单元并联成为B-C部分；将D部分的N相二极管整流器中的N对桥臂按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法装置成为一个N相二极管整流器D部分；最后将B-C部分和D部分按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法相连接组成本发明的N相光伏发电DC-DC变换器。在图2所示的光伏并网发电系统中，较密小点虚线框内所示的A部分包括N个光伏阵列模块A1、A2、A3、A4、A5、A6、…、AJ、…和AN；另一个较密小点虚线框内所示的E部分包括4个开关管E1、E2、E3和E4；F部分为外接电网。

将图2中的较密小点虚线框内所示的A部分的N个光伏阵列模块A1、A2、A3、A4、A5、A6、…、AJ、…和AN中的每一个光伏阵列模块与B部分中的相对应的每一个DC-AC全桥逆变器B11-B14、B21-B24、B31-B34、…、BJ1-BJ4、…和BN1-BN4按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法连接；N相二极管整流器D中的桥臂的直流输出端与图2中的圆点虚线框内所示的由4个开关管E1、E2、E3和E4按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法连接组成的全桥并网逆变器E(下同)的直流输入端连接在一起，该全桥并网逆变器E的输出端与电网F连接在一起，由此构成整个光伏并网发电系统。

上述B部分的每个全桥逆变器均由4个开关管组成，全桥逆变器B11-B14，表示由开关管B11、B12、B13和B14按本技术领域的一般技术人员所熟知的方法连接组成，其他全桥逆变器的构成以此类推，下面实施例中所述的全桥逆变器相同。

实施例3

本发明的3相光伏发电DC-DC变换器及其控制方法。

本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的组成结构如图3中的虚线框内所示。

该3相光伏发电DC-DC变换器，以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器，即该高频变压器再连接在由2个二极管组成的一对桥臂的中点构成一个组成结构单元，将3个上述的组成结构单元并联，组成3相光伏发电DC-DC变换器，它包括图3中的圆点虚线框内所示的B部分的3个DC-AC变换器、图3中的圆点虚线框内所示的C部分的3个高频变压器和图3中的圆点虚线框内所示的D部分的6个二极管组成的3相二极管整流器构成；其中，B部分的DC-AC变换器包含3个全桥逆变器：B11-B14、B21-B24和B31-B34，C部分的高频变压器包含3个高频变压器：C1、C2和C3，D部分的3相二极管整流器包含3对桥臂：D11-D12、D21-D22和D31-D32。

上述3个DC-AC变换器B11-B14、B21-B24和B31-B34均为基于MOSFET的全桥逆变器，型号是IRF121；3个高频变压器C1、C2和C3的匝数比为1/13；3相二极管整流器中的6个二极管D11、D12、D21、D22、D31和D32的型号均是1N5405。

上述本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的控制方法是：

第一，上述3相光伏发电DC-DC变换器在光伏并网发电系统中的连接方式

本实施例的具有3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统的构成如图3所示，其中的虚线框内的B部分+C部分+D部分构成3相光伏发电DC-DC变换器，较密小点虚线框内所示的A部分包括3个光伏阵列模块A1、A2和A3，另一个较密小点虚线框内所示的E部分为包括4个开关管E1、E2、E3和E4的全桥并网逆变器，F部分为外接电网。

上述光伏并网发电系统的电路的连接关系为：DC-AC变换器B11-B14的直流端与光伏阵列模块A1输出相连接，DC-AC变换器B11-B14的交流端为高频变压器C1的输入；DC-AC变换器B21-B24直流端与光伏阵列模块A2输出相连接，DC-AC变换器B21-B24的交流端为高频变压器C2的输入；DC-AC变换器B31-B34直流端与光伏阵列模块A3输出相连接，DC-AC变换器B31-B34的交流端为高频变压器C3的输入；二极管D12的阴极和二极管D11的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D22的阴极和二极管D21的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D32的阴极和二极管D31的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D11、二极管D21和二极管D31的阴极连接在一起，二极管D12、二极管D22和二极管D32的阳极连接在一起，由上述6个二极管构成3相二极管整流器的桥臂；高频变压器C1、高频变压器C2和高频变压器C3的一个同相端连接在一起，高频变压器C1的另一端连接于二极管D11和二极管D12的中点，高频变压器C2的另一端连接于二极管D21和二极管D22的中点，高频变压器C3的另一端连接于二极管D31和二极管D32的中点；上述3相二极管整流器的桥臂的直流输出端与基于MOSFET的全桥并网逆变器E的直流输入端连接在一起；基于MOSFET的全桥并网逆变器E的输出端与电网F连接在一起，由此组成整个具有本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统。

第二，具有本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统运行中出现问题的检测和判断

在图3所示的具有本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中，3个光伏阵列模块输出的最大功率点所对应的电压、电流和功率对应如下：

A1的输出电压、电流和功率分别是：V1、I1，P1，

A2的输出电压、电流和功率分别是：V2、I2，P2，

A3的输出电压、电流和功率分别是：V3、I3，P3；

当上述光伏并网发电系统在运行中出现某一或两个光伏阵列模块发生损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题时，通过检测每一个光伏阵列模块的输出电压和输出功率来判断每一个光伏阵列模块所处的状况，采用比较各光伏阵列最大功率点所对应的电压V1、V2和V3，并比较各光伏阵列模块最大功率点所对应的功率P1、P2和P3的方法来发现上述问题之所在，具体检测结果和判断如下：

①各个光伏阵列模块的输出电压、电流和功率应该近似相等，即：V1≈V2≈V3，I1≈I2≈I3，P1≈P2≈P3，表明所有光伏阵列模块工作正常；

②当某一个光伏阵列模块的输出电压为零或当某一个光伏阵列模块的输出功率远小于其它光伏阵列模块的输出功率时，表明该光伏阵列模块出现了光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题；

第三，本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的控制方法，即对上述检测结果和判断②的问题的解决方法如下：

I.因上述光伏并网发电系统中的本发明的3相光伏发电DC-DC变换器相数变化而引起的其中的DC-AC变换器的相角相差的计算

上述3相光伏发电DC-DC变换器中，

第1个DC-AC变换器B11-B14的相角为φ1＝0度，

第2个DC-AC变换器B21-B24的相角为

第3个DC-AC变换器B31-B34的相角为

DC-AC变换器B11-B14、DC-AC变换器B21-B24和DC-AC变换器B31-B34的相角依次相差360/3＝120度，即：φ1＝0度，φ2＝-120度，φ3＝-240度；

当上述具有本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某1个光伏阵列模块损坏，那么图3中的3相光伏发电DC-DC变换器将变为2相光伏发电DC-DC变换器，相角差为180度。

当上述具有本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某2个光伏阵列模块损坏，那么图3中的3相光伏发电DC-DC变换器将变为单相光伏发电DC-DC变换器。

II.当上述具有3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中的A1受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽使得该个光伏阵列模块输出的最大功率大幅下降时，对于这种情况，该3相光伏并网发电系统的相数不做调整，但要调整A1的输出电压为其他两个未被遮蔽的光伏阵列模块输出电压的平均值为

当上述具有3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中的A1和A2受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽使得该两个光伏阵列模块输出的最大功率大幅下降时，调整A1和A2的输出电压为未被遮蔽的A3的输出电压

图6是本发明的3相光伏发电DC-DC变换器的3相整流波形示意图，该图表明，较之单相整流，3相整流电压纹波减小。

实施例4

本发明的6相光伏发电DC-DC变换器及其控制方法。

本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的组成结构如图4中的虚线框内所示。

该6相光伏发电DC-DC变换器，以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器，即该高频变压器再连接在由2个二极管组成的一对桥臂的中点构成一个组成结构单元，将6个上述的组成结构单元并联，组成6相光伏发电DC-DC变换器，它包括图4中的圆点虚线框内所示的B部分的6个DC-AC变换器、图4中的圆点虚线框内所示的C部分的6个高频变压器和图4中的圆点虚线框内所示的D部分的12个二极管组成的6相二极管整流器构成；其中，B部分的DC-AC变换器包含6个全桥逆变器：B11-B14、B21-B24、B31-B34、B41-B44、B51-B54和B61-B64，C部分的高频变压器包含6个高频变压器：C1、C2、C3、C4、C5和C6，D部分的6相二极管整流器包含6对桥臂：D11-D12、D21-D22、D31-D32、D41-D42、D51-D52和D61-D62。

上述6个DC-AC变换器B11-B14、B21-B24、B31-B34、B41-B44、B51-B54和B61-B64均为基于MOSFET的全桥逆变器，型号是IRF121；6个高频变压器C1、C2、C3、C4、C5和C6匝数比为1/13；6相二极管整流器中的12个二极管D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42、D51、D52、D61和D62的型号均是1N5405。

第一，上述6相光伏发电DC-DC变换器在光伏并网发电系统中的连接方式

本实施例的具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统的构成如图4所示，其中的虚线框内的B部分+C部分+D部分构成6相光伏发电DC-DC变换器，较密小点虚线框内所示的A部分包括6个光伏阵列模块A1、A2、A3、A4、A5和A6，另一个较密小点虚线框内所示的E部分为包括4个开关管E1、E2、E3和E4的全桥并网逆变器，F部分为外接电网。

上述光伏并网发电系统的电路的连接关系为：：DC-AC变换器B11-B14的直流端与光伏阵列模块A1输出相连接，DC-AC变换器B11-B14的交流端为高频变压器C1的输入；DC-AC变换器B21-B24的直流端与光伏阵列模块A2输出相连接，DC-AC变换器B21-B24的交流端为高频变压器C2的输入；DC-AC变换器B31-B34直流端与光伏阵列模块A3输出相连接，DC-AC变换器B31-B34的交流端为高频变压器C3的输入；DC-AC变换器B41-B44的直流端与光伏阵列模块A4输出相连接，DC-AC变换器B41-B44的交流端为高频变压器C4的输入；DC-AC变换器B51-B54直流端与光伏阵列模块A5输出相连接，DC-AC变换器B51-B54的交流端为高频变压器C5的输入；DC-AC变换器B61-B64直流端与光伏阵列模块A6输出相连接，DC-AC变换器B61-B64的交流端为高频变压器C6的输入；二极管D12的阴极和二极管D11的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D22的阴极和二极管D21的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D32的阴极和二极管D31的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D42的阴极和二极管D41的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D52的阴极和二极管D51的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D62的阴极和二极管D61的阳极串联在一起形成一条支路；二极管D11、二极管D21、二极管D31、二极管D41、二极管D51和二极管D61的阴极连接在一起，二极管D11、二极管D21、二极管D31、二极管D41、二极管D51和二极管D61的阴极连接在一起；二极管D22的阴极和二极管D21的阳极串联在一起形成一条支路；二极管D32的阴极和二极管D31的阳极串联在一起形成一条支路；二极管D11、二极管D21、二极管D31、二极管D41、二极管D51和二极管D61的阴极连接在一起，二极管D12、二极管D22、二极管D32、二极管D42、二极管D52和二极管D62的阳极连接在一起；由上述12个二极管构成6相二极管整流器的桥臂；高频变压器C1、高频变压器C2、高频变压器C3、高频变压器C4、高频变压器C5和高频变压器C6的一个同相端连接在一起，高频变压器C1的另一端连接于二极管D11和二极管D12的中点，高频变压器C2的另一端连接于二极管D21和二极管D22的中点，高频变压器C3的另一端连接于二极管D31和二极管D32的中点，高频变压器C4的另一端连接于二极管D41和二极管D42的中点，高频变压器C5的另一端连接于二极管D51和二极管D52的中点，高频变压器C6的另一端连接于二极管D61和二极管D62的中点；上述6相二极管整流器的桥臂的直流输出端与基于MOSFET的全桥并网逆变器E的直流输入端连接在一起；MOSFET的全桥并网逆变器E的输出端与电网F连接在一起，由此组成整个具有本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统。

上述本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的的控制方法是：

第一，具有本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统运行中出现问题的检测和判断

在图4所示的具有本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中，6个光伏阵列模块输出的最大功率点所对应的电压、电流和功率对应如下：

A1的输出电压、电流和功率分别是：V1、I1，P1，

A2的输出电压、电流和功率分别是：V2、I2，P2，

A3的输出电压、电流和功率分别是：V3、I3，P3；

A4的输出电压、电流和功率分别是：V4、I4，P4，

A5的输出电压、电流和功率分别是：V5、I5，P5，

A6的输出电压、电流和功率分别是：V6、I6，P6；

当上述光伏并网发电系统在运行中出现某一或2～5光伏阵列模块发生损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题时，通过检测每一个光伏阵列模块的输出电压和输出功率来判断每一个光伏阵列模块所处的状况，采用比较各光伏阵列最大功率点所对应的电压V1、V2、V3、V4、V5和V6，并比较各光伏阵列模块最大功率点所对应的功率P1、P2、P3、P4、P5和P6的方法来发现上述问题之所在，具体检测结果和判断如下：

①各个光伏阵列模块的输出电压、电流和功率应该近似相等，即：V1≈V2≈V3≈V4≈V5≈V6，I1≈I2≈I3≈I4≈I5≈I6，P1≈P2≈P3≈P4≈P5≈P6，表明所有光伏阵列模块工作正常；

②当某一个光伏阵列模块的输出电压为零或当某一个光伏阵列模块的输出功率远小于其它光伏阵列模块的输出功率时，表明该光伏阵列模块出现了光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题；

第二，本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的控制方法，即对上述检测结果和判断②的问题的解决方法如下：

I.因上述光伏并网发电系统中的本发明的6相光伏发电DC-DC变换器相数变化而引起的其中的DC-AC变换器的相角相差的计算

上述6相光伏发电DC-DC变换器中，

第1个DC-AC变换器B11-B14的相角为φ1＝0度，

第2个DC-AC变换器B21-B24的相角为

第3个DC-AC变换器B31-B34的相角为

第4个DC-AC变换器B41-B44的相角为

第5个DC-AC变换器B51-B54的相角为

第6个DC-AC变换器B61-B64的相角为

DC-AC变换器B11-B14、DC-AC变换器B21-B24、DC-AC变换器B31-B34、DC-AC变换器B41-B44、DC-AC变换器B51-B54和DC-AC变换器B61-B64的相角依次相差360/6＝60度，即：φ1＝0度，φ2＝-60度，φ3＝-120度，φ4＝-180度，φ5＝-240度，φ6＝-300度；

当上述具有本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某1个光伏阵列模块损坏，那么图4中的具有本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统将变为具有5相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电，相角差为360/5＝72度；

当上述具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某2个光伏阵列模块损坏，那么图4中的具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统将变为具有4相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电，相角差为360/4＝90度；

当上述具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某3个光伏阵列模块损坏，那么图4中的具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统将变为具有3相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电，相角差为360/3＝120度；

当上述具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某4个光伏阵列模块损坏，那么图4中的具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统将变为具有2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电，相角差为360/2＝180度；

当上述具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某5个光伏阵列模块损坏，那么图4中的具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统将变为具有单相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电；

II.当上述具有6相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某一个或2～5个光伏阵列模块受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽使得该个光伏阵列模块输出的最大功率大幅下降时，对于这种情况，该光伏并网发电系统的相数不做调整，但要调整发生损坏、受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽的光伏阵列模块的输出电压为其他所有正常的光伏阵列模块输出电压的平均值。

例如，当光伏阵列模块A1受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽时，A1的输出电压调整为 $\frac{V_2+V_3+V_4+V_5+V_6}{5},$

当A1和A2出现类似问题时，A1和A2的输出电压调整为

当A1和A2和A3出现类似问题时，A1和A2和A3的输出电压调整为

当A1和A2和A3和A4出现类似问题时，A1和A2和A3和A4的输出电压调整为

当A1和A2和A3和A4和A5出现类似问题时，A1和A2和A3和A4和A5的输出电压调整为

图7是本发明的6相光伏发电DC-DC变换器的6相整流波形示意图，该图表明，较之单相整流和3相整流，6相整流电压纹波进一步减小。

对比图5、图6和图7，可以看出，本发明一种光伏发电DC-DC变换器采用多相并联、对采用了该光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中的各个光伏阵列模块实现最大功率点跟踪、相角控制和与电压控制相结合的控制方法，不仅克服了现有技术的光伏系统发电中“串联中的某个光伏电池发生故障，会导致整个电池组失效”的致命缺陷，还能确保光伏发电系统的最大功率跟踪，同时可得到较小的电压纹波，从而改善发电质量，提高系统效率，有效地克服了“光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影或碎杂物体遮蔽而降低整个系统的效率”的缺点，并且减小相关器件的体积、重量和成本。

实施例5

本发明的2相光伏发电DC-DC变换器及其控制方法。

该2相光伏发电DC-DC变换器，以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器，即该高频变压器再连接在由2个二极管组成的一对桥臂的中点构成一个组成结构单元，将2个上述的组成结构单元并联，组成2相光伏发电DC-DC变换器，它包括2个DC-AC变换器、2个高频变压器和4个二极管组成的2相二极管整流器构成；2个全桥逆变器为：B11-B14和B21-B24，高频变压器为：C1和C2，2相二极管整流器包含2对桥臂：D11-D12和D21-D22。

上述2个DC-AC变换器B11-B14和B21-B24均为基于MOSFET的全桥逆变器，型号是IRF121；2个高频变压器C1和C2的匝数比为1/13；2相二极管整流器中的4个二极管D11、D12、D21和D22的型号均是1N5405。

上述本发明的2相光伏发电DC-DC变换器的控制方法是：

第一，上述2相光伏发电DC-DC变换器在光伏并网发电系统中的连接方式

本实施例的具有2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统包括：上述的2相光伏发电DC-DC变换器，2个光伏阵列模块A1和A2，由4个开关管E1、E2、E3和E4的构成的全桥并网逆变器E1-E4，以及外接电网F。

上述光伏并网发电系统的电路的连接关系为：DC-AC变换器B11-B14的直流端与光伏阵列模块A1输出相连接，DC-AC变换器B11-B14的交流端为高频变压器C1的输入；DC-AC变换器B21-B24直流端与光伏阵列模块A2输出相连接，DC-AC变换器B21-B24的交流端为高频变压器C2的输入；二极管D12的阴极和二极管D11的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D22的阴极和二极管D21的阳极串联在一起形成一条支路，二极管D11和二极管D21的阴极连接在一起，二极管D12和二极管D22的阳极连接在一起，由上述4个二极管构成2相二极管整流器的桥臂；高频变压器C1和高频变压器C2的一个同相端连接在一起，高频变压器C1的另一端连接于二极管D11和二极管D12的中点，高频变压器C2的另一端连接于二极管D21和二极管D22的中点；上述2相二极管整流器的桥臂的直流输出端与基于MOSFET的全桥并网逆变器E的直流输入端连接在一起；基于MOSFET的全桥并网逆变器E的输出端与电网F连接在一起，由此组成整个具有本发明的2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统。

第二，具有本发明的2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统运行中出现问题的检测和判断

在具有本发明的2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中，2个光伏阵列模块输出的最大功率点所对应的电压、电流和功率对应如下：

A1的输出电压、电流和功率分别是：V1、I1，P1，

A2的输出电压、电流和功率分别是：V2、I2，P2；

当上述光伏并网发电系统在运行中出现某一个光伏阵列模块发生损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题时，通过检测每一个光伏阵列模块的输出电压和输出功率来判断每一个光伏阵列模块所处的状况，采用比较各光伏阵列最大功率点所对应的电压V1和V2，并比较各光伏阵列模块最大功率点所对应的功率P1和P2的方法来发现上述问题之所在，具体检测结果和判断如下：

①各个光伏阵列模块的输出电压、电流和功率应该近似相等，即：V1≈V2，I1≈I2，P1≈P2，表明所有光伏阵列模块工作正常；

②当某一个光伏阵列模块的输出电压为零或当某一个光伏阵列模块的输出功率远小于其它光伏阵列模块的输出功率时，表明该光伏阵列模块出现了光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题；

第三，本实施例的2相光伏发电DC-DC变换器的控制方法，即对上述检测结果和判断②的问题的解决方法如下：

I.因上述光伏并网发电系统中的本发明的2相光伏发电DC-DC变换器相数变化而引起的其中的DC-AC变换器的相角相差的计算

上述2相光伏发电DC-DC变换器中，

第1个DC-AC变换器B11-B14的相角为φ1＝0度，

第2个DC-AC变换器B21-B24的相角为φ2＝-180度，

DC-AC变换器B11-B14和DC-AC变换器B21-B24的相角相差360/2＝180度，即：φ1＝0度，φ2＝-180度；

当上述具有本实施例的2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中某1个光伏阵列模块损坏，2相光伏发电DC-DC变换器将变为单相光伏发电DC-DC变换器。

II.当上述具有2相光伏发电DC-DC变换器的光伏并网发电系统中的A1受局部阴影遮蔽或碎杂物体遮蔽使得该个光伏阵列模块输出的最大功率大幅下降时，对于这种情况，该3相光伏并网发电系统的相数不做调整，但要调整A1的输出电压为另一个未被遮蔽的光伏阵列模块A2的输出电压V₂。

上述实施例中所涉及的二极管、开关管、DC-AC变换器、高频变压器和二极管整流器是本技术领域常用的普通元器件；DC-AC变换器、高频变压器和二极管整流器之间的连接方式是本技术领域的普通技术人员所熟知的。

Claims (3)

1.一种光伏发电DC-DC变换器，其特征在于：以一个DC-AC变换器连接一个高频变压器，该高频变压器再连接一个单相二极管整流器，即该高频变压器再连接在由2个二极管组成的一对桥臂的中点构成一个组成结构单元，将N个上述的组成结构单元并联，组成光伏发电DC-DC变换器，它包括N个DC-AC变换器、N个高频变压器和由N个单相二极管整流器即N对桥臂形成的N相的二极管整流器，其中N≥2。

2.根据权利要求1所说一种光伏发电DC-DC变换器，其特征在于：其中所述的DC-AC变换器是基于MOSFET的全桥逆变器。

3.一种光伏发电DC-DC变换器的控制方法，其特征在于步骤是：

第一，上述一种光伏发电DC-DC变换器在光伏并网发电系统中的连接方式。

下面用A表示光伏并网发电系统中的光伏阵列模块组，用B表示其中的DC-AC变换器组，用C表示其中的高频变压器组，用D表示其中的二极管整流器组，用E表示其中的全桥并网逆变器，用F表示其中的电网；在A中包括N个光伏阵列模块Aj，B中包括N个DC-AC变换器Bj，C中包括N个高频变压器Cj，D中包括N对由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2；其中N≥2，j＝1～N；

将A中的每一个光伏阵列模块Aj与B中相应的每一个DC-AC变换器Bj连接，B中的每一个DC-AC变换器Bj与C中相应的每一个Cj连接，C中每一个Cj与D中相对应的由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2连接，D中的整流桥的直流输出端再与E的直流输入端连接在一起，E的输出端与F连接在一起，由此组成光伏并网发电系统；

N个DC-AC变换器Bj1-Bj4产生N相交流电，每一个DC-AC变换器Bj1-Bj4分别与对应的高频变压器Cj连接，N个高频变压器Cj也产生N相交流电，N个DC-AC变换器Bj1-Bj4与N个高频变压器Cj相连接后再与N相的D中相对应的由2个二极管组成的一对桥臂Dj1-Dj2连接，进行N相AC-DC变换，由此完成N相光伏发电DC-DC变换器的DC-DC变换过程；

B中的每一个DC-AC变换器Bj的具体构成如下：

B1由开关管B11、B12、B13和B14组成，用B11-B14表示，

B2由开关管B21、B22、B23和B24组成，用B21-B24表示，

B3由开关管B31、B32、B33和B34组成，用B31-B34表示，

………………………………………，

BJ由开关管BJ1、BJ2、BJ3和BJ4组成，用BJ1-BJ4表示，

………………………………………，

BN由开关管BN1、BN2、BN3和BN4组成，用BN1-BN4表示，

E由开关管E1、E2、E3和E4组成；

第二，光伏并网发电系统运行中出现问题的检测和判断

上述光伏并网发电系统的A输出的最大功率点所对应的电压、电流和功率对应如下：

A1的输出电压、电流和功率分别是：V1，I1，P1，

A2的输出电压、电流和功率分别是：V2，I2，P2，

A3的输出电压、电流和功率分别是：V3，I3，P3，

……………………………………，

AJ的输出电压、电流和功率分别是：VJ，IJ，PJ，

……………………………………，

AN的输出电压、电流和功率分别是：VN，IN，PN；

当该光伏并网发电系统在运行中出现某一或多个光伏阵列模块发生损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题时，通过检测每一个光伏阵列模块的输出电压和输出功率来判断每一个光伏阵列模块所处的状况，采用比较各光伏阵列最大功率点所对应的电压V1、V2、V3、…、VJ、…和VN，并比较各光伏阵列模块最大功率点所对应的功率P1、P2、P3、…、PJ、…和PN的方法来发现上述问题之所在，具体检测结果和判断如下：

①各个光伏阵列模块的输出电压、电流和功率应该近似相等，即：V1≈V2≈V3≈…≈VJ≈…≈VN，I1≈I2≈I3≈…≈IJ≈…≈IN，P1≈P2≈P3≈…≈PJ≈…≈PN，表明所有光伏阵列模块工作正常；

②当某一个光伏阵列模块的输出电压为零或当某一个光伏阵列模块的输出功率远小于其它光伏阵列模块的输出功率时，表明该光伏阵列模块出现了光伏阵列模块本身损坏、受局部阴影、灰尘或碎杂物遮蔽的问题；

第三，光伏发电DC-DC变换器的控制方法，即对上述检测结果和判断②的问题的解决方法如下：

I.调整N相光伏发电DC-DC变换器中的各个DC-AC变换器的相角

因上述光伏并网发电系统中N相光伏发电DC-DC变换器的相数变化而引起的该光伏发电DC-DC变换器中的DC-AC变换器B的相角相差的计算

A1和B1连接，B1再与C1连接，

A2和B2连接，B2再与C2连接，

……，……

AJ和BJ连接，BJ再与CJ连接，

……，……

AN和BN连接，BN再与CN连接，

在该光伏并网发电系统中共有N个上述相同的单元组合，但各个单元组合中的DC-AC变换器Bj的相角不同：

B1的相角为

度，

B2的相角为

度，

…………………，

BJ的相角为

度，

………………，

BN的相角为

度，

由此产生N相交流电的相角依次相差

N相交流电通过上述N相光伏发电DC-DC变换器中的N相二极管整流器组D后将得到很小的电流纹波，并且相数N越大，电流纹波越小。

当该光伏并网发电系统中某1个光伏阵列模块损坏，那么该光伏并网发电系统中的N相光伏发电DC-DC变换器的将变为(N-1)相，相角差为

度，当该光伏并网发电系统中有x个光伏阵列模块损坏，那么该光伏并网发电系统中的N相光伏发电DC-DC变换器将变为(N-x)相，相角差为

度，x＜N；

通过调整N相光伏发电DC-DC变换器中的各个DC-AC变换器Bj的相角，使得N相光伏发电DC-DC变换器所输出的纹波最小。

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