CN109599855A - 级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法。光伏阵列的输出侧与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器的输出侧并联稳压电容C1；第一二极管D1负极端连接级联DC/DC的输出侧上端，第一二极管D1正极端连接IGBT的集电极；IGBT与所述第二二极管D2并联，IGBT集电极连接第二二极管D2负极，IGBT发射极连接第二二极管D2正极；第一级联单元中的DC/DC输出侧上端串联LC滤波器的电感Lf，电容Cf上端连接滤波器电感Lf的输出端，电容Cf下端连接第n个级联单元中的DC/DC输出侧的下端。本发明能够在实现后级电容均压的基础上减少了并网电流的纹波，保障传输线路上的电压稳定。

Description

级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法。
背景技术
当电站容量较大且规模化后，本地负荷并不能完全消纳，此时光伏电站发出的电能需要经过输电线路进行外送。考虑到我国目前的电网结构，交流输电线路网架建设较为完备，直流输电线路因其较交流线路具有输送容量大、损耗低等优点，其建设规模得到大力发展，尤其是伴随着数量越来越多的大规模陆上及海上风力发电场的建设，直流输电线路网络在逐步丰富完善。分布式电源与电力电子设备渗透率不断增加，传统的交流配电网在供电效率、电能质量以及输送容量等方面存在的问题日益凸显。而直流配电网凭借运行成本低、控制灵活、新能源利用率高等优点，将在未来电网中发挥重要作用。
因为光伏发电存在功率密度小、出口电压低、随机波动大的固有特征，需经过汇集系统的升压汇聚方可达到并网条件。传统光伏电站采取交流升压汇集技术，即光伏阵列输出经过最大功率点跟踪(MPPT)控制与光伏逆变器后得到稳定的低压三相交流电，再通过母线汇聚后由升压变压器接入配电网。该方案应用于大型光伏发电基地主要存在两大缺点：①弱同步支撑下多逆变器并联不稳定性问题突出，电压越限与宽频域振荡频发；②站内与站间交流汇集线路损耗大，系统整体效率偏低。所以采用直流升压汇集技术是解决上述问题的有效途径，已经得到业界广泛重视。
多个光伏发电单元经串联连接以提高支路总的输出电压，从而达到高压直流电网的电压等级要求，再经换流站逆变后接入交流电网。隔离型DC/DC变换器既能实现高升压比又能实现电气隔离，因此被广泛应用于分布式发电、可再生能源发电等领域。相对于每个发电单元独立接入直流电网，采用模块化级联形式系统的能量传输效率会更高，而且由于各DC/DC模块串联接入直流电网，因此每个DC/DC模块的升压比不会太大，变压器的变比较小(通常为3～4)，从而减小了系统的造价。其中，每个单元可以通过控制DC/DC变换器的占空比来改变光伏阵列的工作点，各个单元之间不会互相影响。
针对独立输入串联输出的模块化级联DC/DC系统，当输入侧光照不均衡时，也即DC/DC输入侧输入功率不同时，假设隔离型DC/DC变换器传输效率相同，由于输出侧串联，输出侧电流相同，输入功率的不同会导致输出侧的均压问题，为此,有学者在原有的DC/DC拓扑基础上增加一个后级均压单元，由一个二极管和IGBT组成。只要调节后级IGBT的占空比，就可以调节电容的充放电时间，从而控制光伏模块向直流电网传输的能量，以此达到均压的效果。但是与此同时，由于后级单元的引入，级联输出侧电压呈现大跨度、多电平的现象，进而导致并网电流的纹波较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法，在级联DC/DC拓扑增加后级单元的基础上，增设LC滤波器，在实现后级电容均压的基础上减少了并网电流的纹波，保障传输线路上的电压稳定。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种级联直流变直流汇集并网拓扑，包括：级联模块和LC滤波器；所述级联模块包括n个级联单元，各所述级联单元包括一个前级单元和一个后级单元，所述前级单元包括光伏阵列PV1、DC/DC变换器和电容C1，所述后级单元包括第一二极管D1，第二二极管D2和绝缘栅双极型晶体管IGBT；一个所述后级单元为一个开关管；所述LC滤波器包括一个电感Lf和一个电容Cf；所述光伏阵列的输出侧与所述DC/DC变换器连接，所述DC/DC变换器的输出侧并联电容C1；所述第一二极管D1负极端连接所述级联DC/DC的输出侧上端，所述第一二极管D1正极端连接IGBT的集电极；所述IGBT与所述第二二极管D2并联，所述IGBT集电极连接所述二极管D2负极，所述IGBT发射极连接所述第二二极管D2正极；第一级联单元中的所述DC/DC输出侧上端串联LC滤波器的电感Lf，所述电容Cf上端连接滤波器电感Lf的输出端，所述电容Cf下端连接第n个级联单元中的所述DC/DC输出侧的下端。
可选的，所述DC/DC变换器采用隔离升压全桥变换器。
可选的，所述电容C1采用稳压电容C1。
可选的，所述级联直流变直流汇集并网拓扑还包括等效直流电源Vg、并网电感Lg和等效电阻Rg；所述电感Lf输出端与所述并网电感Lg的输入端连接，所述并网电感Lg的输出端与所述等效电阻Rg的输入端连接，所述等效电阻Rg的输出端与所述等效直流电源Vg的正极端连接，所述等效直流电源 Vg的负极端分别与所述第n个级联单元中的所述第一二极管D1的正极端，所述第二二极管D2的负极端和所述IGBT的集电极端连接。
一种移相控制方法，包括：
获取级联模块中级联单元的数目n；
根据所述数目n对级联单元进行分组；
根据分组后的级联单元，检测各个级联单元的后级单元中IGBT的占空比；
从n-2k个所述占空比中遍历任意两个占空比，得到第一占空比Dx和第二占空比Dy，k≥0，k为整数；
根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，确定距离△L；
根据各所述距离△L筛选出最小的距离△L，将所述最小的距离△L对应的第一占空比Dx和第二占空比Dy在遍历中挑选出来；
将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，得到第一占空比Dx对应的开关管移相角或第二占空比Dy对应的开关管移相角；
将所述第一占空比Dx对应的开关管移相角或所述第二占空比Dy对应的开关管移相角作为后级单元开关管的移相角。
可选的，所述根据所述数目n对级联单元进行分组，具体包括：
根据所述数目n对级联单元进行分组，若n为偶数则划分为M＝n/2组，若n为奇数则划分为M＝(n-1)/2组。
可选的，所述根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，确定距离△L，具体包括：
根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，采用距离△L＝|Dx+Dy-1|确定距离△L。
可选的，所述将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，得到第一占空比Dx对应的开关管移相角和第二占空比Dy对应的开关管移相角，具体包括：
将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，若第一占空比 Dx>第二占空比Dy，则第一占空比Dx的开关管移相角Sx置为0；第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为(1-Dy)T，T为后级单元开关器件的开关周期；若第一占空比Dx<第二占空比Dy，则第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为 0；第一占空比Dx的开关管移相角Sx置为(1-Dx)。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种级联直流变直流汇集并网拓扑，包括：级联模块和LC滤波器；所述级联模块包括n个级联单元，各所述级联单元包括一个前级单元和一个后级单元，所述前级单元包括光伏阵列PV1、DC/DC变换器和电容C1，所述后级单元包括第一二极管D1，第二二极管D2和绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述LC滤波器包括一个电感Lf和一个电容Cf；所述光伏阵列的输出侧与所述DC/DC变换器连接，所述DC/DC变换器的输出侧并联电容C1；所述第一二极管D1 负极端连接所述级联DC/DC的输出侧上端，所述第一二极管D1正极端连接 IGBT的集电极；所述IGBT与所述第二二极管D2并联，所述IGBT集电极连接所述第二二极管D2负极，所述IGBT发射极连接所述第二二极管D2正极；第一级联单元中的所述DC/DC输出侧上端串联LC滤波器的电感Lf，所述电容Cf上端连接滤波器电感Lf的输出端，所述电容Cf下端连接第n个级联单元中的所述DC/DC输出侧的下端。通过在级联DC/DC拓扑增加后级单元的基础上，又增设LC滤波器，在实现后级电容均压的基础上减少了并网电流的纹波，从而保障了传输线路上的电压稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明级联直流变直流汇集并网拓扑结构组成图；
图2是本发明级联直流变直流汇集并网拓扑中后级单元开关管的开通状态图；
图3是本发明级联直流变直流汇集并网拓扑中后级单元开关管的关断状态图；
图4是本发明移相控制方法流程图；
图5是本发明开关管S1-Sn驱动信号图；
图6是本发明经过组合后的开关管S1-Sn驱动信号图；
图7是本发明组合前的级联输出电压；
图8是本发明组合后的级联输出电压；
图9是本发明组合后且增加滤波装置的级联输出电压。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种级联直流变直流汇集并网拓扑及移相控制方法，在级联DC/DC拓扑增加后级单元的基础上，增设LC滤波器，在实现后级电容均压的基础上减少了并网电流的纹波，保障传输线路上的电压稳定。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明级联直流变直流汇集并网拓扑结构组成图。如图1所示，一种级联直流变直流汇集并网拓扑，包括：级联模块和LC滤波器；所述级联模块包括n个级联单元，各所述级联单元包括一个前级单元1和一个后级单元2，所述前级单元包括光伏阵列PV、DC/DC变换器和稳压电容C，所述DC/DC 变换器采用隔离升压全桥变换器；所述后级单元包括第一二极管D1，第二二极管D2和绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述LC滤波器包括一个电感Lf和一个电容Cf；所述光伏阵列的输出侧与所述DC/DC变换器连接，所述DC/DC 变换器的输出侧并联稳压电容C；所述第一二极管D1负极端连接所述级联 DC/DC的输出侧上端，所述第一二极管D1正极端连接IGBT的集电极；所述 IGBT与所述第二二极管D2并联，所述IGBT集电极连接所述第二二极管D2 负极，所述IGBT发射极连接所述第二二极管D2正极；第一级联单元中的所述DC/DC输出侧上端串联LC滤波器的电感Lf，所述电容Cf上端连接滤波器电感Lf的输出端，所述电容Cf下端连接第n个级联单元中的所述DC/DC输出侧的下端。
所述级联直流变直流汇集并网拓扑还包括等效直流电源Vg、并网电感Lg 和等效电阻Rg；所述电感Lf输出端与所述并网电感Lg的输入端连接，所述并网电感Lg的输出端与所述等效电阻Rg的输入端连接，所述等效电阻Rg的输出端与所述等效直流电源Vg的正极端连接，所述等效直流电源Vg的负极端分别与所述第n个级联单元中的所述第一二极管D1的正极端，所述第二二极管D2的负极端和所述IGBT的集电极端连接。
系统正常工作时，假设输入侧光照不均衡，即级联DC/DC输入功率不同，通过控制后级单元的开通和关断可以控制光伏是否向电网传输功率，进而实现输出侧的均压。
图2是本发明级联直流变直流汇集并网拓扑中后级单元开关管的开通状态图；图3是本发明级联直流变直流汇集并网拓扑中后级单元开关管的关断状态图。后级单元开关管的开通和关断情况如图3和图4所示，由于后级单元的引入，级联DC/DC输出侧电压呈现大跨度、多电平的特性，进而使并网电流的纹波值较大。
整个系统在实现前级MPPT和后级均压控制的基础上，增设减小并网电流纹波的移相控制方法，图4是本发明移相控制方法流程图。如图4所示，一种移相控制方法，包括：
步骤101：获取级联模块中级联单元的数目n；
步骤102：根据所述数目n对级联单元进行分组；
步骤103：根据分组后的级联单元，检测各个级联单元的后级单元中IGBT 的占空比；
步骤104：从n-2k个所述占空比中遍历任意两个占空比，得到第一占空比Dx和第二占空比Dy，k≥0，k为整数；
步骤105：根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，确定距离△L；
步骤106：根据各所述距离△L筛选出最小的距离△L，将所述最小的距离△L对应的第一占空比Dx和第二占空比Dy在遍历中挑选出来；
步骤107：将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，得到第一占空比Dx对应的开关管移相角或第二占空比Dy对应的开关管移相角；
步骤108：将所述第一占空比Dx对应的开关管移相角或所述第二占空比 Dy对应的开关管移相角作为后级单元开关管的移相角。
步骤102，具体包括：
根据所述数目n对级联单元进行分组，若n为偶数则划分为M＝n/2组，若n为奇数则划分为M＝(n-1)/2组。
步骤105，具体包括：
根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，采用距离△L＝|Dx+Dy-1|确定距离△L。它的含义就是两个占空比之和接近1的距离，这样距离△L才能作为一个筛选指标筛选出来两个占空比之和最接近1的结果。
步骤107，具体包括：
将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，若第一占空比 Dx>第二占空比Dy，则第一占空比Dx的开关管移相角Sx置为0；第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为(1-Dy)T；若第一占空比Dx<第二占空比Dy，则第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为0；第一占空比Dx的开关管移相角 Sx置为(1-Dx)。这里的T指的是后级开关器件的开关周期，如果为1-Dx，那么它表示的占空比，并不是给到开关器件里移相值，(1-Dx)T是在控制层面给到后级开关器件的一个周期内的移相值。
规定级联输出电压为Vo，等效直流电网电压为Vg，每个DC/DC后级输出电压在稳态的额定值为Voref，因为后级单元中的IGBT在稳态时占空比接近 0.5，所以等效直流电网电压为Vg约为(n/2)*Voref。假设在光照不均衡时，后级单元中的IGBT的占空比由于输入功率的不同按照均压控制策略计算出的结果必然也不同，假设n个模块输入功率从高到低，此时的后级单元中的IGBT 占空比分别为D1-Dn，D1>D2>……>Dn。图5是本发明开关管S1-Sn驱动信号图。图6是本发明经过组合后的开关管S1-Sn驱动信号图。如图5所示，如果不加任何移相控制，那么此时级联输出电压Vo的输出波形电平为0、Voref、 2Voref……nVoref多个电平，或远大于Vg＝(n/2)*Voref，或远小于Vg＝(n/2)*Voref，波动较大。如果按照一定的控制方法，使级联输出电压Vo可以尽可能的在数值上接近等效直流电网电压为Vg，那么并网电流的纹波值就可以大大减小。经过如图4所示的控制方法后，在保障前级MPPT控制和后级均压控制的基础上，增设了后级开关移相控制方法，通过对n个级联模块后级开关管占空比的实时检测，再按照图4所示控制思想进行重新组合赋值，如图6所示，这样就使级联输出电压Vo可以尽可能的在数值上接近等效直流电网电压为Vg，那么并网电流的纹波值就可以大大减小。在拓扑结构的基础上，增设LC滤波器，这样可以保障传输线路的电压稳定。图7是本发明组合前的级联输出电压。图 8是本发明组合后的级联输出电压。图9是本发明组合后且增加滤波装置的级联输出电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种级联直流变直流汇集并网拓扑，其特征在于，包括：级联模块和LC滤波器；所述级联模块包括n个级联单元，各所述级联单元包括一个前级单元和一个后级单元，所述前级单元包括光伏阵列PV1、DC/DC变换器和电容C1，所述后级单元包括第一二极管D1，第二二极管D2和绝缘栅双极型晶体管IGBT；一个所述后级单元为一个开关管；所述LC滤波器包括一个电感Lf和一个电容Cf；所述光伏阵列的输出侧与所述DC/DC变换器连接，所述DC/DC变换器的输出侧并联电容C1；所述第一二极管D1负极端连接所述级联DC/DC的输出侧上端，所述第一二极管D1正极端连接IGBT的集电极；所述IGBT与所述第二二极管D2并联，所述IGBT集电极连接所述二极管D2负极，所述IGBT发射极连接所述第二二极管D2正极；第一级联单元中的所述DC/DC输出侧上端串联LC滤波器的电感Lf，所述电容Cf上端连接滤波器电感Lf的输出端，所述电容Cf下端连接第n个级联单元中的所述DC/DC输出侧的下端。
2.根据权利要求1所述的级联直流变直流汇集并网拓扑，其特征在于，所述DC/DC变换器采用隔离升压全桥变换器。
3.根据权利要求1所述的级联直流变直流汇集并网拓扑，其特征在于，所述电容C1采用稳压电容C1。
4.根据权利要求1所述的级联直流变直流汇集并网拓扑，其特征在于，所述级联直流变直流汇集并网拓扑还包括等效直流电源Vg、并网电感Lg和等效电阻Rg；所述电感Lf输出端与所述并网电感Lg的输入端连接，所述并网电感Lg的输出端与所述等效电阻Rg的输入端连接，所述等效电阻Rg的输出端与所述等效直流电源Vg的正极端连接，所述等效直流电源Vg的负极端分别与所述第n个级联单元中的所述第一二极管D1的正极端，所述第二二极管D2的负极端和所述IGBT的集电极端连接。
5.根据权利要求1-4所述的级联直流变直流汇集并网拓扑的移相控制方法，其特征在于，包括：
获取级联模块中级联单元的数目n；
根据所述数目n对级联单元进行分组；
根据分组后的级联单元，检测各个级联单元的后级单元中IGBT的占空比；
从n-2k个所述占空比中遍历任意两个占空比，得到第一占空比Dx和第二占空比Dy，k≥0，k为整数；
根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，确定距离△L；
根据各所述距离△L筛选出最小的距离△L，将所述最小的距离△L对应的第一占空比Dx和第二占空比Dy在遍历中挑选出来；
将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，得到第一占空比Dx对应的开关管移相角或第二占空比Dy对应的开关管移相角；
将所述第一占空比Dx对应的开关管移相角或所述第二占空比Dy对应的开关管移相角作为后级单元开关管的移相角。
6.根据权利要求5所述的移相控制方法，其特征在于，所述根据所述数目n对级联单元进行分组，具体包括：
根据所述数目n对级联单元进行分组，若n为偶数则划分为M＝n/2组，若n为奇数则划分为M＝(n-1)/2组。
7.根据权利要求5所述的移相控制方法，其特征在于，所述根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，确定距离△L，具体包括：
根据各所述第一占空比Dx和对应的所述第二占空比Dy，采用距离△L＝|Dx+Dy-1|确定距离△L。
8.根据权利要求5所述的移相控制方法，其特征在于，所述将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，得到第一占空比Dx对应的开关管移相角和第二占空比Dy对应的开关管移相角，具体包括：
将挑选出来的第一占空比Dx和第二占空比Dy进行比较，若第一占空比Dx>第二占空比Dy，则第一占空比Dx的开关管移相角Sx置为0；第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为(1-Dy)T，T为后级单元开关器件的开关周期；若第一占空比Dx<第二占空比Dy，则第二占空比Dy的开关管移相角Sy置为0；第一占空比Dx的开关管移相角Sx置为(1-Dx)。
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