CN110350864A - 一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑，包括LLC谐振逆变器、倍压器；所述LLC逆变器包括MOSFET管Qa、Qb和谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器，所述MOSFET管Qa、Qb分别带有寄生输出电容Ca、Cb和体二极管Da、Db；所述倍压器由能量传输的n个电容器C1～Cn和2n个二极管D1～D2n组成；n个串联的光伏模块PV1～PVn组成光伏组串两端连接到LLC逆变器的输入，LLC逆变器的变压器Lmg次级绕组连接倍压器，倍压器的各个输出连接到每个光伏模块。本发明消除光伏组串发生部分遮蔽或者其他光伏模块问题造成的不匹配情况下造成的光伏曲线多峰的情况，提高光伏组串在部分遮蔽情况下的最大输出功率，并且可以为后期的光伏最大功率输出进行算法上的简化。

Description

一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑。
背景技术
随着光伏发电(Photovoltaic Generation，PVG)技术的发展，光伏发电成为可再生能源发电系统(Renewable Energy Generation System，REGS)中不可或缺的一员。考虑到日常使用中对电压以及电流要求，会通过对光伏模块(PV Module)进行串联以及并联以达到增加光伏阵列(PV Array)的输出电压和电流的目的。然而，随着光伏模块串联数量的增多，光伏组串(PV String)将容易受到环境因素，例如部分遮蔽，热斑，或者光伏模块的生产误差等影响，造成光伏组串子模块的不匹配(Mismatch)问题。其中，由于光伏组串部分遮蔽造成的不匹配现象会明显降低光伏组串的输出功率，降低发电效率。
假设当前光伏组串由4个光伏模块串联组成，每个光伏模块自带一个旁路二极管(Bypass Diode)，这一光伏组串的结构如图1(a)中所示。在光伏组串中的光伏模块没有受到阴影遮挡(Unshaded)且接收到的光照一致的时候，光伏组串不会发生不匹配的现象，这个情况下，串电流Istring的将直接在4个光伏模块中流过，不会流过旁路二极管，如图1(b)中所示，其中Vstring是组串电压；如果其中两个光伏模块发生阴影遮挡现象，如图1(c)所示，那么Istring将会流过两个被遮挡的光伏模块的旁路二极管后再流经两个没被遮挡的光伏模块，这两种情况的光伏特性曲线如图2中所示。
在组串没有发生部分遮蔽的情况下，光伏组串的功率电压(P-V)曲线Unshaded呈现出一个单峰的形态，而电流电压(I-V)曲线并没有出现多级平台，即旁路二极管并没有生效。这种单峰的光伏特性曲线形态对于光伏最大功率点追踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)是有利的，单峰的形态可以有效地降低光伏MPPT算法的复杂度，降低系统成本。然而，在光伏系统的正常运行中，这种理想情况很容易受到外界环境因素的影响，形成部分遮蔽的情况。当光伏组串发生如图1(c)中所示部分遮蔽情况时，光伏组串的功率电压曲线shaded将会出现双峰的情况，电流电压曲线也出现了两个平台，如图2中所示。多峰形态的出现对光伏MPPT追踪是不利的，即使最终成功，也会导致光伏组串的功率损失。
发明内容
针对光伏组串中常见的部分遮蔽现象，本发明提出一种新型的双开关电压均衡拓扑，消除光伏组串发生部分遮蔽或者其他光伏模块问题造成的不匹配情况下造成的光伏曲线多峰的情况。
本发明的技术方案是：
一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑，所述光伏组串由n个串联光伏模块PV1～PVn组成，其特征在于，双开关电压均衡拓扑包括LLC谐振逆变器、倍压器；
所述LLC逆变器包括MOSFET管Qa、Qb和谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器，所述MOSFET管Qa、Qb分别带有寄生输出电容Ca、Cb和体二极管Da、Db；
所述倍压器由能量传输的n个电容器C1～Cn和2n个二极管D1～D2n组成；
n个串联的光伏模块PV1～PVn组成光伏组串两端连接到LLC逆变器的输入，LLC逆变器的变压器Lmg次级绕组连接倍压器，并且倍压器的各个输出连接到每个光伏模块。
具体的，所述LLC逆变器由光伏组串的光伏模块PV1～PVn的串联连接供电，并在变压器Lmg次级绕组处产生交流电，驱动倍压器优先向光伏组串中具有最低电压的光伏模块提供能量。
例如，当光伏模块PV1被部分遮蔽时，其电压vpv,1在vpv,1～vpv,n中最低，MOSFET管Qa和Qb以不到50％的固定占空比交替驱动，分别驱动对应的MOSFET管并形成软开关。
双开关电压均衡拓扑有8个运行模式，在模式1中，谐振电感L和谐振电容Cr共振，并且Lr的电流iLr正弦变化，而变压器Lmg中的原边电流iLmg线性增加；在电压倍增器中，对应的奇数二极管D1导通并对C1充电，此时倍压器中的电流iVM和iD1也是正弦波；当iLr和iLmg的值相等时，进入模式2；在模式2中，Lmg开始参与共振，假设iLmg保持线性增加iLr和iLmg都以相同的速率线性增加，而倍压器中没有电流流过；通过去除vGSa的门控信号，Qa在零电压时实现关闭状态，实现零电压开关，并且进入到模式3；在模式3中，Lmg和开关管的寄生电容Ca、Cb共振；iLmg假定是恒定的，Ca和Cb分别通过iLmg充电和放电，并且Qa和Qb的电压，即vDSa和vDSb分别上升和下降。当vDSa和vDSb分别达到Vstring和零时，电压均衡拓扑开始进入模式4运行；在模式4中，iLr通过Db续流，同时偶数编号的二极管D2，开始导通以使倍压器中的C1放电；当iLr减小并变为负值时，拓扑进入模式5；在模式5中，Db停止导通并且iLr开始流过Qb，实现零电压和零电流切换；模式5到8与模式1～4对称。
在只有PVi被部分遮蔽的时候，只有D2i、D2i-1和Ci这些连接到PVi的阴影模块的部分才会运行。上述PVi被部分遮蔽的情况作为一个例子可以扩展到一般情况，即倍压器中的电流流过连接到阴影模块的电容器和二极管。
本发明的优点是：
本发明针对光伏组串中常见的部分遮蔽现象，提出一种新型的双开关电压均衡拓扑，消除光伏组串发生部分遮蔽或者其他光伏模块问题造成的不匹配情况下造成的光伏曲线多峰的情况，使光伏组串的特性曲线由多封变为单峰，提高光伏组串在部分遮蔽情况下的最大输出功率，并且可以为后期的光伏最大功率输出进行算法上的简化。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为光伏组串在未遮蔽和部分遮蔽的情况下电流流向示意图；
图2光伏组串特性曲线图；
图3光伏组串部分遮蔽情况下的新型双开关电压均衡拓扑；
图4光伏模块PV1出现遮挡时系统拓扑的关键波形；
图5实施例中测试拓扑图；
图6实施例光伏阵列部分遮蔽测试一特性曲线；
图7实施例光伏阵列部分遮蔽测试二特性曲线；
图8实施例光伏阵列部分遮蔽测试三特性曲线。
具体实施方式
本发明中提出的电压均衡拓扑基本上是由LLC谐振逆变器(LLC ResonantInverter)和倍压器(Voltage Multiplier)的组合。图3中展示了在n个串联光伏模块中的应用方式。LLC逆变器中的Ca、Cb和Da、Db分别是MOSFET Qa、Qb的寄生输出电容和体二极管。倍压器由能量传输电容器C1到Cn和二极管D1到D2n组成。串联的光伏模块连接到LLC逆变器的输入，并且倍压器的各个输出连接到每个光伏模块。LLC逆变器由光伏组串的光伏模块PV1到PVn的串联连接供电，并在其输出端(即，在变压器次级绕组处)产生交流电压/电流。二级的倍压器则是由LLC逆变器产生的交流电驱动，理论上在每个输出端都会产生平衡的电压。倍压器会优先向光伏组串中具有最低电压的模块提供能量。换句话说，通过本发明中提出的电压均衡拓扑，光伏模块PV1到PVn的串联而成的光伏组串会为优先为具有最低电压的模块提供能量，以解决组串中光伏模块不匹配的问题。
虽然，在图3中的变压器的副边是与倍压器的中点相连的，但是实际上副边可以与输出电容Cout,1到Cout,n中的其他任意点相连。考虑到变压器绕组在稳态下的平均电压为零，所以选择电容Cout,1到Cout,n的中点有利于降低电容C1到Cn所需要承受的最大电压。
当以光伏模块PV1被部分遮蔽时，其电压vpv,1在vpv,1到vpv,n中最低，系统运行中的关键波形如图4中所示。开关管Qa和Qb以不到50％的固定占空比交替驱动，分别驱动对应的开关管并形成软开关(Soft Switching)。在模式1中，谐振电感(又，变压器的漏感)Lr和谐振电容Cr共振，并且Lr的电流iLr正弦变化，而变压器磁感Lmg中的电流iLmg线性增加。相反，在电压倍增器中，对应的奇数二极管(即D1)会导通并对C1充电，此时倍压器中的电流iVM和iD1也是正弦波。当iLr和iLmg的值相等时，进入下一个运行模式。
在模式2中，Lmg开始参与共振，但是因为共振频率，可以假设iLmg保持线性增加。此时，iLr和iLmg都以相同的速率线性增加，而倍压器中没有电流流过，即电流为零。通过去除vGSa的门控信号，Qa在零电压时实现关闭状态，实现零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)，并且进入到模式3，其中Lmg和开关管的寄生电容Ca、Cb共振。尽管存在共振，但iLmg可以假定是恒定的，因为与Cr的电容值相比，Ca和Cb的电容大小可忽略不计。Ca和Cb分别通过iLmg充电和放电，并且Qa和Qb的电压，即vDSa和vDSb分别上升和下降。当vDSa和vDSb分别达到Vstring(即，VPV,1到VPV,n的总和或LLC逆变器的输入电压)和零时，电压均衡拓扑开始进入模式4运行，其中iLr通过Db续流。同时，偶数编号的二极管，即D2，开始导通以使倍压器中的C1放电。当iLr减小并变为负值时，拓扑进入模式5，其中Db停止导通并且iLr开始流过Qb，实现零电压和零电流切换(Zero Current Sitch，ZCS)。总的来说，模式5到8与模式1到4对称。在只有PV1被部分遮蔽的时候，只有D1、D2和C1这些连接到PV1的阴影模块的部分才会运行。这可以作为一个例子可以扩展到一般情况，即倍压器中的电流流过连接到阴影模块的电容器和二极管。
如图5所示，本发明测试的系统拓扑中包含四个串联的光伏模块，一个电压平衡拓扑。结果如图6、图7和图8所示。
如图6所示，在测试一中，部分遮蔽情况只在光伏模块PV1中出现，如果不使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为wo/Equalizer)，光伏组串的功率电压曲线会出现双峰的情况，电流电压曲线则会出现两个平台期；当使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为w/Equalizer)后，光伏组串的功率电压曲线会被平滑为单峰，电流电压曲线只会存在一个平台。
如图7所示，在测试二中，部分遮蔽情况出现在光伏模块PV1和PV2且PV1光强小于PV2，如果不使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为wo/Equalizer)，光伏组串的功率电压曲线会出现三峰的情况，电流电压曲线则会出现三个平台期；当使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为w/Equalizer)后，光伏组串的功率电压曲线会被平滑为单峰，电流电压曲线会被平滑并只会存在一个平台。
如图8所示，在测试三中，部分遮蔽情况出现在光伏模块PV1、PV2和PV3且PV1、PV2、PV3的遮挡情况依次降低，如果不使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为wo/Equalizer)，光伏组串的功率电压曲线会出现四峰的情况，电流电压曲线则会出现四个平台期；当使用本发明中的电压平衡拓扑(表示为w/Equalizer)后，光伏组串的功率电压曲线会被平滑为单峰，电流电压曲线会被平滑并只会存在一个平台。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于光伏组串部分遮蔽情况下的双开关电压均衡拓扑，所述光伏组串由n个串联光伏模块PV1～PVn组成，其特征在于，双开关电压均衡拓扑包括LLC谐振逆变器、倍压器；
所述LLC逆变器包括MOSFET管Qa、Qb和谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器，所述MOSFET管Qa、Qb分别带有寄生输出电容Ca、Cb和体二极管Da、Db；
所述倍压器由能量传输的n个电容器C1～Cn和2n个二极管D1～D2n组成；
n个串联的光伏模块PV1～PVn组成光伏组串两端连接到LLC逆变器的输入，LLC逆变器的变压器Lmg次级绕组连接倍压器，并且倍压器的各个输出连接到每个光伏模块。
2.根据权利要求1所述的双开关电压均衡拓扑，其特征在于，所述LLC逆变器由光伏组串的光伏模块PV1～PVn的串联连接供电，并在变压器Lmg次级绕组处产生交流电，驱动倍压器优先向光伏组串中具有最低电压的光伏模块提供能量。
3.根据权利要求2所述的双开关电压均衡拓扑，其特征在于，当光伏模块PV1被部分遮蔽时，其电压vpv,1在vpv,1～vpv,n中最低，MOSFET管Qa和Qb以不到50％的固定占空比交替驱动，分别驱动对应的MOSFET管并形成软开关。
4.根据权利要求3所述的双开关电压均衡拓扑，其特征在于，双开关电压均衡拓扑有8个运行模式，在模式1中，谐振电感L和谐振电容Cr共振，并且Lr的电流iLr正弦变化，而变压器Lmg中的原边电流iLmg线性增加；在电压倍增器中，对应的奇数二极管D1导通并对C1充电，此时倍压器中的电流iVM和iD1也是正弦波；当iLr和iLmg的值相等时，进入模式2；在模式2中，Lmg开始参与共振，假设iLmg保持线性增加iLr和iLmg都以相同的速率线性增加，而倍压器中没有电流流过；通过去除vGSa的门控信号，Qa在零电压时实现关闭状态，实现零电压开关，并且进入到模式3；在模式3中，Lmg和开关管的寄生电容Ca、Cb共振；iLmg假定是恒定的，Ca和Cb分别通过iLmg充电和放电，并且Qa和Qb的电压，即vDSa和vDSb分别上升和下降。当vDSa和vDSb分别达到Vstring和零时，电压均衡拓扑开始进入模式4运行；在模式4中，iLr通过Db续流，同时偶数编号的二极管D2，开始导通以使倍压器中的C1放电；当iLr减小并变为负值时，拓扑进入模式5；在模式5中，Db停止导通并且iLr开始流过Qb，实现零电压和零电流切换；模式5到8与模式1～4对称。
5.根据权利要求4所述的双开关电压均衡拓扑，其特征在于，在只有PVi被部分遮蔽的时候，只有D2i、D2i-1和Ci这些连接到PVi的阴影模块的部分才会运行。
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