CN108574301B - 一种具备分布式均压的光伏集成组件控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光伏发电领域内的一种具备分布式均压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电路、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，Boost电路的输入端接光伏组件，输出端引出两个端子与相邻的Boost电路相串联，最终输出系统电压，Boost电路的输出端还接有双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边，双向隔离型半桥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均压电容相并联，本发明仅利用了并联均压电容的电压相等特性和并联电容之间能量快速流动的特性，既不需要测量直流母线的电压，也不要测量其它级联模块的输出电压，减少了模块之间的耦合，有利于实现光伏集成组件的模块化，可用于光伏发电中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏控制系统，特别涉及一种集成光伏组件控制系统。
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算法只能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串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具备分布式均压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：一种具备分布式均压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电路、输出滤波电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，所述Boost电路的输入端接光伏组件，输出端接输出滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost电路相串联，最终输出系统电压，Boost电路的输出端还接有双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边，双向隔离型半桥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均压电容相并联。
作为本发明的进一步限定，所述Boost电路用以实现光伏电路的MPPT功能；并联均压电容配合双向隔离型半桥DC/DC变换器用以保证相邻两个双向隔离型半桥DC/DC变换器副边电压一致，能量通过双向隔离型半桥DC/DC变换器进行双向传递，由能量高的一级传向低的一级，最终实现双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边电压一致，即Boost电路的输出电压一致。
作为本发明的进一步限定，单个光伏发电控制组件中Boost电路输出电压与均压电容上的电压满足以下公式，
Uoi＝kcUC
其中，Uoi是单个光伏组件Boost电路输出电压，Uc是均压电容上的电压，kc为均压控制系数。
本发明工作时，比较输出滤波电容与均压电容值，通过调节双向隔离型半桥DC/DC变换器内的相位角，实现能量由能量高的一级传向低的一级，最终实现双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边电压一致。与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明仅利用了并联均压电容的电压相等特性和并联电容之间能量快速流动的特性，既不需要测量直流母线的电压，也不要测量其它级联模块的输出电压，减少了模块之间的耦合，有利于实现光伏集成组件的模块化，本发明中配备有双向隔离型半桥DC/DC变换器和均压电容的集成光伏组件系统能够使各级联组件Boost电路的输出电压相等，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为本发明的理想变压器的电压与电流波形图。
图2为本发明的输出功率与移相角关系曲线。
图3为本发明系统结构图。
图4为本发明中的双向隔离型半桥DC/DC变换器电路原理图。
图5为本发明中变换器输出电压图。
图6为本发明中Boost电路输出电流图。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及原理对本发明做进一步说明。
请参阅图1，图2，图3和图4，本发明实施例包括：
1.电容并联均压结构
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3所示，其中PV是光伏电池板，Boost电路为升压电路，通过双环PI控制Boost电路开关管的通断实现光伏电路的MPPT功能，PV和Boost电路之间并联前置电容，在Boost电路后经输出滤波电容串接双向隔离型半桥DC/DC变换器，实现能量的双向流动，同时Boost电路输出端引出两个端子与相邻的Boost电路相串联，最终输出系统电压；并联均压电容与双向隔离型DC/DC变换器的副边相连接，同时引出两个端子与上一级的均压电容相并联，保证相邻两个双向隔离型半桥DC/DC变换器副边电压一致，能量通过变换器进行双向传递，由能量高的一级传向低的一级，最终实现变换器的原边电压一致，即Boost电路的输出电压一致。
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Ui＝Pi/Is (2)
其中，Pi为第i个组件的最大输出功率；Ui为第i个Boost电路的输出电压；Ipvi为第i个组件运行在最大功率时的输出电流；Iini为第i个Boost电路的输出电电流；Is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。
其中为实现均压目的，采用双向隔离型半桥DC/DC变换器将Boost电路输出端功率进行重新分配；以图3为例，假设光伏组件1的功率大，光伏组件2的功率小，那么组件2的BOOST输出电压低于均压电容上的电压，通过移相控制，功率从均压电容流向组件2的BOOST输出滤波电容，给组件2的BOOST电路的输出滤波电容充电，组件2的BOOST电路的输出滤波电容电压升高，这也使得均压电容电压下降，此时组件1的BOOST电路的输出滤波电容电压大于均压电容电压，通过移相控制，功率从均压电容流向组件1的BOOST输出滤波电容流向均压电容，均压电容电压升高，同时组件1的BOOST输出滤波电容电压下降；通过组件1和组件2的均压电路，实现了组件1的BOOST电路的输出滤波电容给组件2的BOOST电路的输出滤波电容充电，最终达到两个组件的BOOST电路的输出滤波电容电压相等；电压高的一端向电压低的一端进行功率传递，直到相邻Boost电路输出电压相等；为了消除相邻组件间功率传递连接通路对原电路连接的影响，均压电路采用隔离式结构。
2.移相半桥双向DC/DC均压控制
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，但这样会导致各个组件不知道级联支路中的其它组件的输出电压值；本发明提出均压电路的输出端通过均压电容并联，利用了并联的均压电容的电压值相等，且并联均压电容之间的能量传递具有快速性的特点，通过控制Boost电路的输出端与均压电容的电压值具有线性关系来实现Boost电路输出端的均压；同时为实现Boost电路输出端串联，均压电路的输出并联，需要将均压电路输入输出隔离，因此选用具有对称结构的隔离式半桥双向DC/DC，如图4所示；Uoi是隔离双向DC/DC电路原边电压，即该串联Boost电路的输出端，Uc是隔离双向DC/DC电路副边电压，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，相比较本发明提出的均压策略下的光伏系统，前者的光伏系统总功率小于后者的总功率；本发明提出的并联均压电容拓扑结构，可以有效地使得各级双向隔离型半桥DC/DC变换器副边电压保持一致，通过移相控制达到Uoi＝kcUC目的，即双向DC/DC变换器原副边电压一致，也就是各级Boost电路的输出端电压一致，最终使得光伏系统在较短的时间内达到各级输出电压均衡。
图1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Ip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Ls和φ1。公式(3)是在占空比为0.5时，变压器原边电流Ip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，Up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配合PID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2所示。
为验证本文提出的均压控制策略，采用PSIM进行仿真验证。在仿真过程中，通过设置同一系统中各光伏电池板的额定工作电压及电流不同来模拟在实际工作中受阴影遮挡的情况，即各光伏输出电压不等，然后分析其输出电压在经过均压控制后是否在允许范围内相一致来验证本方案的有效性。依次设定两块光伏组件工作在最大功率点处时的电流电压分别为40V，5A和40V，2.5A，蓄电池母线电压为160V，同时令kc＝0.8。
图5是Boost电路经MPPT控制后的输出电压，模块1#和模块2#的输出电压在一段时间后趋于均衡，且在总输出电压二分之一值80V大小处上下波动，模块电压处于动态稳定状态，达到本文提出的均压控制要求。
图6是光伏变换器模块1#和模块2#最终输出的平均电流，其值分别与对应输出电压(如图5所示)相乘可以看出组件1、2都是工作在最大功率点处，大功率组件没有受限压影响而导致功率降低。从仿真结果可以看出该控制策略能够完全实现既定目标，同时均衡过程调节时间短，单位为毫秒级别，具有很好的快速性。
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 (2)
1.一种具备分布式均压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电路、输出滤波电容、双向隔离型半桥DC/DC变换器以及均压电容，所述Boost电路的输入端接光伏组件，输出端接输出滤波电容，同时引出两个端子与相邻的Boost电路相串联，最终输出系统电压，Boost电路的输出端还接有双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边，双向隔离型半桥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均压电容相并联，所述Boost电路用以实现光伏电路的MPPT功能；并联均压电容配合双向隔离型半桥DC/DC变换器用以保证相邻两个双向隔离型半桥DC/DC变换器副边电压一致，能量通过双向隔离型半桥DC/DC变换器进行双向传递，由能量高的一级传向低的一级，最终实现双向隔离型半桥DC/DC变换器的原边电压一致，即Boost电路的输出电压一致。
2.根据权利要求1所述的一种具备分布式均压的光伏集成组件控制器，其特征在于，单个光伏发电控制组件中Boost电路输出电压与均压电容上的电压满足以下公式，
其中，U oi是单个光伏组件Boost电路输出电压，U c 是均压电容上的电压，k c为均压控制系数。
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