CN106026162B - 双输入单管Boost型光伏接口变换器及其控制方法 - Google Patents
双输入单管Boost型光伏接口变换器及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双输入单管Boost型光伏接口变换器及其控制方法，该变换器包括第一输入滤波电容、第二输入滤波电容、输出滤波电容、电感、开关管和二极管，开关管的一端分别连接有电感和第二输入滤波电容的一端，电感的另一端连接有第一输入滤波电容的一端，第二输入滤波电容的另一端连接有二极管的阳极，二极管的阴极连接有输出滤波电容的一端，输出滤波电容、开关管、第一输入滤波电容的另一端共同连接。本发明的变换器通过调节占空比和输出电流，分别实现了两个光伏串的独立MPPT控制。且与现有的双输入Boost变换器相比，本变换器的元件数量达到了最低，因此可以显著提高分布式光伏发电系统的效率和集成度，并降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏接口变换器，具体涉及一种双输入单管Boost型光伏接口变换器及其控制方法。
背景技术
发展分布式光伏并网发电系统已成为世界各国促进节能减排的重要举措之一。为了抑制电气参数失配时的多峰效应，提升光伏阵列的电能转化效率，分布式光伏并网发电系统常采用多串式架构，如说明书附图2所示。然而，该架构需要多个光伏接口变换器，元件数量多，成本较高，且效率和集成度难以提升。为此，研究人员提出了各种多输入光伏接口变换器拓扑。尽管这些方案能够实现每个光伏串的独立MPPT，提高了系统效率和集成度，但是功率管数量仍然较多，这限制了系统性能的进一步提升。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种元件数量少、提高分布式光伏发电系统的效率和集成度，并降低系统成本，且通过调节占空比和输出电流，分别实现了两个光伏串的独立MPPT控制的双输入单管Boost型光伏接口变换器及其控制方法。
技术方案：本发明所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器，包括第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2、输出滤波电容Co、电感L、开关管S和二极管D，所述开关管S的一端分别连接有电感L和第二输入滤波电容Ci2的一端，所述电感L的另一端连接有第一输入滤波电容Ci1的一端，所述第二输入滤波电容Ci2的另一端连接有二极管D的阳极，所述二极管D的阴极连接有输出滤波电容Co的一端，所述输出滤波电容Co、开关管S、第一输入滤波电容Ci1的另一端共同连接。
进一步的，所述第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2的输入端分别与两个光伏串连接；所述输出滤波电容Co连接有DC/AC转换器。
进一步的，所述电感L侧接入的光伏串的输出电流大于另一个光伏串的输出电流。
本发明还公开了上述一种双输入单管Boost型光伏接口变换器的控制方法，利用控制量开关管S的驱动信号实现第一个光伏串的MPPT控制；将接口变换器的输出电流转为控制量，借助后级并网逆变器来完成另外一个光伏串的MPPT控制。
进一步的，具体控制步骤包括：
对于第一个光伏串的MPPT控制：首先分别采样接口变换器中该光伏串的输出电压和电流，通过功率计算来不断调整电压基准upv1,ref，由upv1,ref和采样电压upv1得到的误差信号送入调节器1，调节器1输出的信号经过PWM调制送入驱动电路，产生PWM驱动信号，用于控制开关管S的开通关断，从而实现光伏组件1的MPPT控制；
对于另一个光伏串的MPPT控制：同样通过采样光伏串输出电压、电流和功率计算来调整电压基准upv2,ref，由upv2,和采样电压upv2得到的误差信号送入调节器2，调节后得到输出电流环的基准信号io,ref，此为MPPT控制外环；进一步的，由io,ref和输出电流采样信号io得到的误差信号送入调节器3，经过调节得到并网电流环的幅值基准信号，再将该信号和与电网电压同频同相的单位正弦信号相乘得到并网电流的基准信号ig,ref，由该基准信号和并网电流采样信号ig,求差得到的误差信号送入调节器4，实现并网电流环的控制；最终，调节器4输出的正弦调制信号经过SPWM调制送入驱动电路，产生SPWM驱动信号，用于控制后级DC/AC变换器4个开关管的开通关断，从而实现了光伏组件2的MPPT控制。
进一步的，所述调节器1、调节器2、调节器3、调节器4采用PI、PID等线性调节器。
有益效果：本发明的变换器通过调节占空比和输出电流，分别实现了两个光伏串的独立MPPT控制。且与现有的双输入Boost变换器相比，本变换器的元件数量达到了最低，因此可以显著提高分布式光伏发电系统的效率和集成度，并降低系统成本。
附图说明
图1为本发明的变换器主电路拓扑图；
图2为现有技术中的两串式架构图；
图3为本发明变换器中的功率管电流波形图；
图4为本发明的控制系统结构示意图；
图5为本发明对一个光伏串的MPPT控制框图；
图6为本发明对另一个光伏串的MPPT控制框图；
图7为本发明仿真验证电路结构示意图；
图8为仿真验证中的开关管和二极管的电压应力波形图；
图9为仿真验证中的开关管和二极管的电流应力波形图；
图10为仿真验证中的电感的电流应力波形图；
图11为仿真验证中的电容的电压应力波形图；
图12为仿真验证中的光伏组件1的输出电压波形图；
图13为仿真验证中的光伏组件2的输出电压波形图；
图14为仿真验证中的变换器的输出电流波形图。
具体实施方式
本发明所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器如图1中虚线框所示。具体的，该变换器包括第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2、输出滤波电容Co、电感L、开关管S和二极管D，所述开关管S的一端分别连接有电感L和第二输入滤波电容Ci2的一端，所述电感L的另一端连接有第一输入滤波电容Ci1的一端，所述第二输入滤波电容Ci2的另一端连接有二极管D的阳极，所述二极管D的阴极连接有输出滤波电容Co的一端，所述输出滤波电容Co、开关管S、第一输入滤波电容Ci1的另一端共同连接。所述第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2的输入端分别与两个光伏串连接；所述输出滤波电容Co连接有DC/AC转换器。
可以看出，与附图2所示的传统架构相比，该变换器同样可以实现两光伏串的接入，并实现各串的独立MPPT控制，但是功率管和电感的数量均下降一半，极大的提高了系统的集成度，将降低了成本。
下面对图1所示的本发明的变换器进行特性分析：
①电压增益
稳态时，双输入Boost变换器在一个开关周期Ts内的工作过程分为两个模态。当t∈[0,DTs)时，开关管S开通，电感L的端电压(参考方向为左+，右-)为：
uL＝UPV1 (1)
当t∈[DTs,Ts)时，开关管S关断，有：
uL＝UPV1+UPV2-Uo (2)
根据伏秒平衡原理，则：
DUPV1+(UPV1+UPV2-Uo)(1-D)＝0 (3)
化简可得双输入Boost变换器输入、输出电压关系为：
可以看出，输出电压Uo的最小值为(UPV1+UPV2)。
②功率管的电压应力
开关管S关断时，其端电压(参考方向为上+，下-)为：
开关管S开通时，二极管端电压(参考方向为右+，左-)为：
③功率管的电流应力
若认为P1+P2＝Po，P1＝UPV1IPV1，P2＝UPV2IPV2，IPV2＝Io。则有：
IPV2＝(1-D)IPV1 (7)
所以，该变换器要能正常工作，要求两个电源的输出电流必须满足以下条件：IPV1＞IPV2。功率管电流波形如图3所示。开关管S开通时，其电流平均值为：
开关管S关断时，流经二极管D的电流平均值为：
ID＝(1-D)IPV1＝Io＝IPV2 (10)
表1所示为本发明提出的双输入Boost变换器和传统的两Boost并联结构的性能对比。
表1性能比较
上表中的Pmax1和Pmax2分别代表光伏串1和光伏串2的最大输出功率。
下面针对本变换器的MPPT控制方法作进一步详细说明：
传统的单输入光伏接口变换器通过调节占空比，实现输入电压UPV的闭环控制，最终实现光伏电池的MPPT控制。然而，单管两输入Boost变换器需要同时实现两个光伏电池串的MPPT控制，即始终存在两个输出量和然而，其仅有一个控制量无法同时控制两个输出量，故必须再寻找一个控制量。为此，单管两输入Boost变换器将采用如图4所示的MPPT控制策略：利用控制量实现光伏串PV1的MPPT控制；将输出电流转为控制量，借助后级并网逆变器来完成光伏串PV2的MPPT控制。图5和图6给出了MPPT模式下光伏接口系统的结构和控制框图。
为了验证理论分析的正确性，进一步构建了一台420W/100kHz的仿真样机，如图7所示。图中，光伏组件1和2的电气参数见表2、表3。
表2 PV1的参数
表3 PV2的参数表
图8—图14给出了系统仿真结果，其中光伏电池组件的仿真参数与表2、表3提供的数据一致。图8-图11为接口变换器相关电应力的仿真结果。可以看出，图8中开关管S和二极管D的电压应力分别为：59.893V和56.04V；图9中电流应力分别为：4.5554A和4.3971A。图10中电感的电流应力为8.9453A，图11中电容的电压应力为90.548V。这些仿真结果与理论分析相吻合。图12-图14给出了光伏组件和变换器的输出电流仿真波形。可以看出，光伏组件1的输入电压控制为31.207V，光伏组件2的输入电压控制为31.828V。显然，该变换器分别实现了两个光伏串的MPPT控制，从而验证了本发明所采用的MPPT控制策略的可行性。
本发明提出了一种新型的双输入Boost光伏接口变换器，并使用Saber软件进行了仿真验证。研究结果表明，该变换器能实现两个光伏串的独立MPPT控制，且具有元件数量少、集成度高、成本低等优点。需要注意的是，该变换器接入的两个光伏串必须满足下列使用条件：若由电感侧接入的光伏串为PV1，升压二极管侧接入的光伏为PV2，则PV1的输出电流必须大于PV2的输出电流，否则该变换器无法正常工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种双输入单管Boost型光伏接口变换器，其特征在于：包括第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2、输出滤波电容Co、电感L、开关管S和二极管D，所述开关管S的一端分别连接有电感L和第二输入滤波电容Ci2的一端，所述电感L的另一端连接有第一输入滤波电容Ci1的一端，所述第二输入滤波电容Ci2的另一端连接有二极管D的阳极，所述二极管D的阴极连接有输出滤波电容Co的一端，所述输出滤波电容Co、开关管S、第一输入滤波电容Ci1的另一端共同连接；
所述电感L侧接入的光伏串的输出电流大于另一个光伏串的输出电流。
2.根据权利要求1所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器，其特征在于：所述第一输入滤波电容Ci1、第二输入滤波电容Ci2的输入端分别与一个光伏串连接；所述输出滤波电容Co连接有DC/AC转换器。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器的控制方法，其特征在于：利用控制量开关管S的驱动信号实现对光伏串PV1的MPPT控制；将接口变换器的输出电流转为控制量，借助后级并网逆变器来完成对光伏串PV2的MPPT控制。
4.根据权利要求3所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器的控制方法，其特征在于：具体控制步骤包括：
对于光伏串PV1的MPPT控制：首先分别采样接口变换器中该光伏串的输出电压和电流，通过功率计算来不断调整电压基准upv1,ref，由upv1,ref和采样电压upv1得到的误差信号送入调节器1，调节器1输出的信号经过PWM调制后送入驱动电路，产生PWM驱动信号，用于控制开关管S的开通关断，从而实现光伏串PV1的MPPT控制；
对于光伏串PV2的MPPT控制：同样通过采样光伏串输出电压、电流和功率计算来调整电压基准upv2,ref，由upv2,ref和采样电压upv2得到的误差信号送入调节器2，调节后得到输出电流环的基准信号io,ref，此为MPPT控制外环；由io,ref和输出电流采样信号io得到的误差信号送入调节器3，经过调节得到并网电流环的幅值基准信号，再将该信号和与电网电压同频同相的单位正弦信号相乘得到并网电流的基准信号ig,ref，由该基准信号和并网电流采样信号ig,求差得到的误差信号送入调节器4，实现并网电流环的控制；最终，调节器4输出的正弦调制信号经过SPWM调制送入驱动电路，产生SPWM驱动信号，用于控制后级DC/AC变换器4个开关管的开通关断，从而实现了光伏串PV2的MPPT控制。
5.根据权利要求4所述的一种双输入单管Boost型光伏接口变换器的控制方法，其特征在于：所述调节器1、调节器2、调节器3、调节器4采用PI、PID线性调节器。
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