CN108448633A - 一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光伏发电领域内的一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，包括多组级联的光伏发电控制组件，所述光伏发电控制组件包括光伏组件、Boost升压电路、输出电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，所述Boost升压电路的输入端接光伏组件，输出端接滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost升压电路相串联，最终输出系统电压，Boost升压电路的输出端还接有隔离型双向DC/DC变换器的原边，隔离型双向DC/DC变换器的副边接均压电容，同时均压电容两端引出两个端子与上一级的滤波电容相并联，第一级的滤波电容两端短路，本发明避免了光伏系统因限压而导致功率的损失，用于光伏发电中。

Description

一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器

技术领域

本发明涉及一种光伏组件，特别涉及一种光伏组件控制器。

背景技术

在实际光伏应用场合中，光伏系统往往会由于光照情况而产生失配问题，而失配问题主要由以下的原因造成：太阳能光伏板之间的制造特性不一致、光伏系统被周围物体遮挡产生阴影和光伏电池板的具体安装朝向不同等原因。光伏电池的失配问题不仅会使得整个光伏系统发生不可忽视的功率损失，同样也会使得一部分光伏板内反并联旁路二极管发生导通，从而让整体的光伏输出特性曲线呈现出了多个局部最大功率点，这就导致了MPPT算法的困难，MPPT算法可能只找到一个局部最大功率，从而限制了光伏系统的功率输出。基于集成光伏组件的发电系统通过每块光伏组件DC/DC控制器实现了分布式MPPT(DMPPT)，避免了光伏系统运行在局部最大功率点。

每块光伏组件的功率小，输出电压电流也小，为组成功率更大的光伏发电系统，经常需要将光伏集成组件进行级联。光伏集成组件运行在最大功率点时表现为恒功率电源，对于功率不同的恒功率电源级联后满足电流相等约束，使得功率不同组件的输出电压不同，功率输出越大，电压相差越大，由此可能会导致功率大的集成组件输出电压过大，超出了控制器输出电压的控制范围或者使得期间耐压不够而损坏。实际应用中DC/DC控制器应进行限压控制，但限压控制相应限制了输出功率。因此集成光伏组件发电系统理论上能实现全局最大功率点运行，但实际运行中组件功率不同时仍然不能实现每个组件各自运行在最大功率点上。这样限制了光伏发电系统的应用，特别是光伏组件因尺寸、光照不同而输出功率不同的场合，如光伏建筑一体化即BIPV系统中不同墙面因光线角度不同而输出功率不同，光伏组件可移动等场合。

针对各种不同型号、不同功率的光伏组件需要互联组成更大功率的光伏发电系统，为克服上述问题，需要实现组件输出的均压控制。这就需要在各集成组件之间有相互的功率传递，实现整个系统中的每个集成光伏组件输出的电压都相同，从而解决失配问题，同时这种方法还可以让光伏集成组件实现独立完成MPPT的优化过程，克服了因环境变化而导致系统整体效率降低的问题。它不仅能解决失配问题，对大型光伏阵列安全、可靠和高效运行也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，使得不同功率组件能够级联组成功率更大的光伏发电系统。

本发明的目的是这样实现的：一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，包括多组级联的光伏发电控制组件，所述光伏发电控制组件包括光伏组件、Boost升压电路、输出电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，所述Boost升压电路的输入端接光伏组件，输出端接滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost升压电路相串联，最终输出系统电压，Boost升压电路的输出端还接有隔离型双向DC/DC变换器的原边，隔离型双向DC/DC变换器的副边接均压电容，同时均压电容两端引出两个端子与上一级的滤波电容相并联，第一级的滤波电容两端短路。

作为本发明的进一步限定，所述Boost升压电路可实现MPPT功能，其采用内环为电流环、外环为MPPT环的方式，MPPT控制策略采用经典的扰动观察法。保证了光伏组件输出最大功率。

作为本发明的进一步限定，所述双向隔离型半桥DC/DC变换器通过移相控制能够实现能量从高电压一侧传递到低电压一侧，直至两两相邻的Boost升压电路输出电压相等。

作为本发明的进一步限定，所述双向隔离型半桥DC/DC变换器内的隔离变压器的变比设定为1:1。

作为本发明的进一步限定，各电路的启动时序为：

首先，级联后的Boost升压电路接入直流母线，使Boost升压电路输出电容充电，得到基本相等初始电压；

然后，双向隔离型半桥DC/DC变换器工作，实现Boost升压电路输出电容均压；

最后，Boost升压电路工作，实现MPPT，使各组件在最大功率点工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明配备双向隔离型半桥DC/DC变换器与均压电容组合成的均压控制器的集成光伏组件系统能够始终使各级联组件Boost升压电路输出电压相等，在遇到类似遮挡情况下导致的光伏组件功率不匹配时能快速地均衡各级组件电压，避免了光伏系统因限压而导致功率的损失。本发明可用于光伏发电中。

附图说明

图1为本发明的串并联系统主电路结构示意图。

图2为本发明的基于Boost电路的MPPT控制及变量关系。

图3为本发明的双向隔离型半桥DC/DC变换器电路原理图。

图4为本发明的均压控制的输出曲线图。

图5为本发明的理想变压器的电压与电流波形图。

图6为本发明的输出功率与移相角关系曲线。

具体实施方式

一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，包括多组级联的光伏发电控制组件，光伏发电控制组件包括光伏组件、Boost升压电路、输出电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，Boost升压电路的输入端接光伏组件，输出端接滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost升压电路相串联，最终输出系统电压，Boost升压电路的输出端还接有隔离型双向DC/DC变换器的原边，隔离型双向DC/DC变换器的副边接均压电容，同时均压电容两端引出两个端子与上一级的滤波电容相并联，第一级的滤波电容两端短路，Boost升压电路可实现MPPT功能，其采用内环为电流环、外环为MPPT环的方式，MPPT控制策略采用经典的扰动观察法，双向隔离型半桥DC/DC变换器通过移相控制能够实现能量从高电压一侧传递到低电压一侧，直至两两相邻的Boost升压电路输出电压相等，双向隔离型半桥DC/DC变换器内的隔离变压器的变比设定为1:1，各电路的启动时序为：首先，级联后的Boost升压电路接入直流母线，使Boost升压电路输出电容充电，得到基本相等初始电压；然后，双向隔离型半桥DC/DC变换器工作，实现Boost升压电路输出电容均压；最后，Boost升压电路工作，实现MPPT，使各组件在最大功率点工作。

下面结合实施例与原理对本发明作进一步详细描述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图1，图2，图3和图4，本发明实施例包括：

1.级联均压结构

根据拓扑结构的不同，集成光伏组件系统可以分为串联型、并联型和串并联型结构；如图1所示，其中PV是光伏电池板，Boost电路为升压电路，通过程序控制Boost电路开关管的通断实现光伏电路的MPPT功能，在Boost电路后串接双向隔离型半桥DC/DC变换器，实现能量的双向流动，上一级的双向隔离型半桥DC/DC变换器的输入端连接至下一级的双向隔离型半桥DC/DC变换器的输出端并联的均压电容上，保证相连的两端电压相等，为了实现上下级Boost电路的输出电压相等，这里的隔离型DC/DC电路中的变压器变比为1:1。

其中Boost电路采用电流内环、MPPT外环的双反馈控制方式，MPPT控制策略选用经典的扰动观察法。

由于

因此U_i＝P_i/I_s (2)

其中P_i为第i个组件的最大输出功率；U_i为第i个Boost电路的输出电压；I_pvi为第i个组件运行在最大功率时的输出电流；I_ini为第i个Boost电路的输出电路；I_s为系统输出电流。

根据公式(2)可知，Boost电路输出电压与组件最大功率成正比，功率不同，输出电压也不同。

参见图2，各Boost电路参数相等，以相邻的第1个组件和第2个组件为例，第1个组件和第2个组件的Boost电路的输出端电容C₂的微分方程分别为：

令ΔU₁＝U₁-U₂，I_t1＝k_PΔU₁+k_i∫ΔU₁dt，根据移相半桥均压电路的功率平衡原则U₁I_t1＝U₂I_f2得：

这样，当ΔU₁＞0时，组件1和组件2之间级联的双向DC/DC均压电路通过移相控制产生I_t1电流，从BOOST电路的输出滤波电容吸收电能；产生I_f2电流，组件2的BOOST电路的输出滤波电容充电，从而维持相邻组件的BOOST电路的输出滤波电容电压相等。

2.移相半桥双向DC/DC均压控制

如图3所示，U₁是双向隔离型半桥DC/DC变换器输入端的电压，即该级联Boost电路的输出端，U₂是双向隔离型半桥DC/DC变换器输出端的电压，即上一级级联Boost电路的输出端，当光伏组件出现功率不均衡现象时，即U₁≠U₂，在没有均压控制的光伏系统中，为防止某一光伏组件两端电压过大损坏电路，一般程序中会有限压控制，相比较如果将组件功率大的电压传递给组件功率小的，使得各电路输出功率一致，前者的光伏系统总功率小于后者的总功率。本文提出的移相半桥双向DC/DC均压控制电路，通过移相控制，可以使相邻的两级Boost电路输出电压一致，即U₁＝U₂，最终系统在较短的时间内达到各级电压均衡。

实现光伏集成组件的均压电路的基本要求是各组件间的联络应尽量减少，本发明仅相邻组件间有联络，因此只知道相邻组件的Boost电路的输出值，这样利用双向DC/DC电路，实现相邻组件Boost电路的输出电压相等，依次传递，可以实现所有Boost电路的输出电压相等。具有对称结构的隔离式半桥双向DC/DC，如图3所示。

图5是变压器理想情况下的一个周期内的电压与电流波形，在这个周期内变换器有4个模态，其中I_p是变压器原边电流，U₁，-U₁，U₂，-U₂分别是原副边电容电压，变压器漏电感值和移相角分别为L_s和φ₁。公式(3)是在占空比为0.5时，变压器原边电流I_p在每一模态下的表达式：

其中θ＝ωt，又因为在一个周期内变压器的正负半周应满足伏秒平衡原理，所以：

又由于，在一个周期内，变换器的输出功率为：

其中，U_p是分段函数：

且满足

当占空比D＝50％时，结合(3)～(7)可得输出功率：

根据(8)可知，双向DC/DC变换器的输出功率可通过调节相角φ₁来控制功率双向流动。当驱动信号V1(V2)超前V3(V4)时，能量由Boost电路传向均压电容，反之，均压电容向Boost电路输出端的电容充电，具体功率传输曲线如图6所示。

如图4所示，图2、3表明组件1、2的输出电压平均值几乎一致，但组件1的输出电流接近组件2输出电流的两倍，即相邻光伏组件1、2的接收功率不均衡，通过隔离型双向DC/DC均压控制后，图4表明组件1、2的Boost电路的输出电压基本保持一致，达到本发明提出的预期效果。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，其特征在于，包括多组级联的光伏发电控制组件，所述光伏发电控制组件包括光伏组件、Boost升压电路、输出电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，所述Boost升压电路的输入端接光伏组件，输出端接滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost升压电路相串联，最终输出系统电压，Boost升压电路的输出端还接有隔离型双向DC/DC变换器的原边，隔离型双向DC/DC变换器的副边接均压电容，同时均压电容两端引出两个端子与上一级的滤波电容相并联，第一级的滤波电容两端短路。

2.根据权利要求1所述的一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，其特征在于，所述Boost升压电路可实现MPPT功能，其采用内环为电流环、外环为MPPT环的方式，MPPT控制策略采用经典的扰动观察法。

3.根据权利要求1或2所述的一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，其特征在于，所述双向隔离型半桥DC/DC变换器通过移相控制能够实现能量从高电压一侧传递到低电压一侧，直至两两相邻的Boost升压电路输出电压相等。

4.根据权利要求1或2所述的一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，其特征在于，所述双向隔离型半桥DC/DC变换器内的隔离变压器的变比设定为1:1。

5.根据权利要求1或2所述的一种适合不同功率组件级联的光伏集成组件控制器，其特征在于，各电路的启动时序为：

首先，级联后的Boost升压电路接入直流母线，使Boost升压电路输出电容充电，得到基本相等初始电压；

然后，双向隔离型半桥DC/DC变换器工作，实现Boost升压电路输出电容均压；

最后，Boost升压电路工作，实现MPPT，使各组件在最大功率点工作。