CN111211679A - 空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统 - Google Patents

空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流变换器技术领域，具体提供了一种空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统，旨在解决如何将空间太阳能发电站输出的超大功率电能传输至高压直流母线并保证该直流母线稳定运行的问题。本发明中高压直流变换器包括多个直流变换模块，直流变换模块包括一个或多个并联的直流变换子模块，每个直流变换模块的直流输入侧分别形成变换器的多个直流输入侧端口，而直流输出侧通过冗余开关顺次连接形成变换器的直流输出侧端口，以实现对直流变换模块的输出电压串联升压，满足后面连接的微波发射器的传输需求。当直流变换模块发生故障时，可以导通相应的冗余开关将直流变换模块旁路，从而不影响微波发射器正常传输，保证系统正常运行。

Description

空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统
技术领域
本发明涉及直流变换器技术领域，具体涉及一种空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统。
背景技术
空间太阳能发电站(Solar Power from Space)主要是利用光电转换原理将太空中的太阳能转换成电能并将电能以微波的形式传输到地球上。例如：将电能通过直流汇集至高压直流母线，再传输至微波发射器，使用微波发射器将电能传输至地球上的相关设备以接收电能。空间太阳能发电站的高压直流变换器结构将直接影响电能传输的可靠性，进而影响微波发射器的正常传输。并且，为了满足航天器日益增加的大功率供电需求(例如：兆瓦级功率需求或吉瓦级功率需求等)，必须提高空间太阳能发电站的直流母线电压。然而，当前应用于地面的高压大功率直流变换器，由于可靠性、体积/重量较大以及太空环境恶劣(例如：环境温度在-180℃至80℃之间)等原因，无法应用于空间太阳能发电站。
相应地，本领域需要一种新的高压直流变换器方案来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决如何将空间太阳能发电站输出的超大功率电能传输至高压直流母线并保证高压直流母线稳定运行的问题的空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统。
第一方面，提供一种空间用大功率高变比高压直流变换器，该高压直流变换器包括多个直流变换模块，所述直流变换模块包括一个或多个并联的直流变换子模块；
每个直流变换模块的直流输入侧分别接入汇流箱形成所述高压直流变换器的多个直流输入侧端口，每个直流变换模块的直流输出侧依次通过一个冗余开关顺次连接形成所述高压直流变换器的直流输出侧端口；
其中，所述直流变换子模块是非隔离式DC/DC变换器或隔离式DC/DC变换器，所述隔离式DC/DC变换器包括隔离型Weinberg直流变换子模块。
在上述空间用大功率高变比高压直流变换器的一个实施方式中，所述高压直流变换器还包括变换器控制器以及每个直流变换模块各自对应的模块控制器；
所述变换器控制器被配置成对所述高压直流变换器进行启停控制以及在启动所述高压直流变换器后根据系统主控制器下发的功率分配指令向每个模块控制器发送输出功率控制指令；
所述模块控制器被配置成根据所述输出功率控制指令控制相应直流变换模块的输出功率，以及在检测到直流变换模块发生故障时控制相应的冗余开关导通，以将发生故障的直流变换模块旁路；
在上述空间用大功率高变比高压直流变换器的一个实施方式中，所述模块控制器包括均压补偿信号获取模块、PWM信号生成模块和驱动模块；
所述均压补偿信号模块被配置成获取所述高压直流变换器中当前正常运行的所有直流变换模块的模块输出电压均值以及当前模块控制器对应的直流变换模块的模块输出电压之间的电压偏差信号，根据所述电压偏差信号获取所述当前模块控制器对应的直流变换模块的均压补偿信号；
所述PWM信号生成模块被配置成获取所述输出功率控制指令中的高压直流变换器的输出电流控制信号，根据所述输出电流控制信号与所述均压补偿信号之间的偏差信号获取所述当前模块控制器对应的直流变换模块的PWM信号占空比并且根据所述PWM信号占空比生成PWM信号；
所述驱动模块被配置成根据所述PWM信号生成模块生成的PWM信号控制相应直流变换模块进行功率输出。
在上述空间用大功率高变比高压直流变换器的一个实施方式中，还包括：当所述直流变换子模块是隔离型Weinberg直流变换子模块时，所述模块控制器被配置成根据所述变换器控制器下发的输出功率控制指令对所述隔离型Weinberg直流变换子模块中的第一开关桥臂与第二开关桥臂进行交错并联控制，以实现对所述直流变换模块的输出功率控制。
在上述空间用大功率高变比高压直流变换器的一个实施方式中，所述隔离型Weinberg直流变换子模块包括主电感、推挽变压器、第一开关桥臂和第二开关桥臂，所述推挽变压器包括在同一磁芯上同向绕制的第一原边绕组与第一副边绕组以及在所述磁芯上同向绕制的第二原边绕组与第二副边绕组，所述主电感包括在同一磁芯上反向绕制的第三原边绕组与第三副边绕组，所述第一开关桥臂包括多个并联的第一电力电子器件，所述第二开关桥臂包括多个并联的第二电力电子器件；
所述主电感中第三原边绕组的首端与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧正极连接，所述第三原边绕组的末端分别与所述推挽变压器中第一原边绕组的末端以及第二原边绕组的首端连接；所述主电感中第三副边绕组的首端分别与第一二极管的阴极以及第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极与所述推挽变压器中第一副边绕组的末端连接，所述第二二极管的阳极与所述推挽变压器中第二副边绕组的首端连接；
所述第一开关桥臂的电源输入侧与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，所述第一开关桥臂的电源输出侧与所述推挽变压器中第一原边绕组的首端连接；所述第二开关桥臂的电源输入侧与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，所述第二开关桥臂的电源输出侧与所述推挽变压器中第二原边绕组的末端连接；
所述推挽变压器中第一副边绕组的首端与所述直流输出侧负极连接，所述第一副边绕组的末端与第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述直流输出侧正极连接；所述推挽变压器中第二副边绕组的首端与第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阳极与所述直流输出侧正极连接，所述第二副边绕组的末端与所述直流输出侧负极连接。
在上述空间用大功率高变比高压直流变换器的一个实施方式中，所述冗余开关是机械开关或基于电力电子器件构建的开关。
第二方面，提供一种光伏发电系统，该光伏发电系统包括上述实施方式中的空间用大功率高变比高压直流变换器以及多个光伏阵列模块，每个光伏阵列模块分别通过所述汇流箱与所述高压直流变换器的直流输入侧端口连接，所述高压直流变换器的直流输出侧端口与高压直流母线连接；
所述光伏阵列模块被配置成将光能转换为直流电能并将所述直流电能输出至所述高压直流变换器；
所述高压直流变换器被配置成将所述光伏阵列模块输出的直流电能转换为满足所述高压直流母线的电能传输需求的直流电能并将转换后的直流电能输出至所述高压直流母线。
在上述光伏发电系统的一个实施方式中，所述光伏阵列模块包括多个光伏模组，所有光伏模组串联形成一个光伏模组串联支路，所述光伏模组串联支路通过所述汇流箱与所述高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接。
在上述光伏发电系统的一个实施方式中，所述光伏阵列模块包括多个光伏模组，所述多个光伏模组串联形成多个光伏模组串联支路，所有光伏模组串联支路并联形成一个光伏模组串并联支路，所述光伏模组串并联支路通过所述汇流箱与所述高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接。
在上述光伏发电系统的一个实施方式中，所述光伏发电系统还包括系统主控制器，所述系统主控制器被配置成接收上级控制系统下发的供电协调控制指令，根据所述供电协调控制指令向所述高压直流变换器中的变换器控制器发送功率分配指令，以便所述变换器控制器能够根据所述功率分配指令对所述高压直流变换器进行输出功率控制。
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
在实施本发明的技术方案中，空间用大功率高变比高压直流变换器包括多个直流变换模块，直流变换模块包括一个或多个并联的直流变换子模块，通过调整直流变换模块和/或直流变换子模块的数量，可以很容易地对高压直流变换器进行功率扩容与缩减。进一步，每个直流变换模块的直流输入侧分别接入汇流箱形成高压直流变换器的多个直流输入侧端口，光伏阵列等电源通过汇流箱与高压直流变换器连接，当某个电源发生故障时可以控制汇流箱快速切断这个电源与相应直流输入侧端口的连接，以防影响后面连接的直流变换模块。每个直流变换模块的直流输出侧依次通过一个冗余开关顺次连接形成高压直流变换器的直流输出侧端口，当某个直流变换模块发生故障，可以导通相应的冗余开关，将这个直流变换模块旁路，从而不影响后面连接的微波发射器正常传输。此外，将每个直流变换模块的直流输出侧依次串联，还实现了对这些直流变换模块输出电压的串联升压，使得高压直流变换器能够输出较高的直流电压，满足后面连接的微波发射器的传输需求。
进一步，在实施本发明的技术方案中，直流变换子模块可以采用隔离型Weinberg直流变换子模块，该隔离型Weinberg直流变换子模块包括主电感、推挽变压器(包括在同一磁芯上同向绕制的第一原边绕组与第一副边绕组以及在所述磁芯上同向绕制的第二原边绕组与第二副边绕组)、第一开关桥臂和第二开关桥臂，通过对第一开关桥臂与第二开关桥臂进行交错并联控制(控制第一开关桥臂与第二开关桥臂交替导通与关断)，可以实现对直流变换模块的输出功率控制。现有技术中为了提高直流变换结构的频率宽度(带宽，BandWidth)，往往是通过增大电力电子器件的导通/关断频率来实现，然而这种方法会极大增大电力电子器件损耗，缩短电力电子器件使用寿命。在实施本发明的技术方案中，通过对隔离型Weinberg直流变换子模块进行等效电路分析可知，如果将第一开关桥臂与第二开关桥臂等效为一个开关桥臂，将推挽变压器等效为具有一个原边绕组以及一个副边绕组的变压器，那么等效之后的开关桥臂中电力电子器件的导通/关断频率将会是等效之前第一开关桥臂与第二开关桥臂中电力电子器件的导通/关断频率的2倍，也就是说在隔离型Weinberg直流变换子模块等效电路的一个开关周期内将会进行两次第一开关桥臂与第二开关桥臂的导通与关断，当以等效电路的开关频率作为控制频率对隔离型Weinberg直流变换子模块中的第一开关桥臂与第二开关桥臂进行交错并联控制时，相当于增加了一倍的桥臂导通/关断频率，从而无需通过增大电力电子器件的导通/关断频率就可以有效提高直流变换子模块整体的带宽，进而基于这种高带宽有效提高了直流变换子模块的电能转换能力。进一步，由于没有为了提高直流变换子模块的带宽而增加电力电子器件的数量，不仅简化了直流变换子模块的电力电子器件控制逻辑、降低了高压直流变换器的制造/设计成本，相比于具有相同带宽的直流变换器，还能够极大缩小变换器的尺寸和体积，从而能够更好地应用于空间太阳能发电站。此外，直流变换子模块除了可以采用隔离型Weinberg直流变换子模块，还以采用其他隔离型直流变换结构如DAB变换器，基于上述隔离型Weinberg直流变换子模块、DAB变换器等隔离型直流变换结构，可以实现高压直流变换器输入侧与输出侧的电气隔离，从而显著提高高压直流变换器的工作可靠性；也可以采用非隔离DC/DC拓扑(例如非隔离型Weinberg变换器、Super boost变换器、Coupled Inductor Boost变换器、HE-boost等)结合直流故障限流器或者直流断路器的方式，限制故障电流，同时通过冗余开关旁路，实现系统稳定工作。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的具体实施方式，附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的高压直流变换器的主要结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的隔离型Weinberg直流变换子模块的主要结构示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的隔离型Weinberg直流变换子模块在第一工作阶段的电流流通路径示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的隔离型Weinberg直流变换子模块在第二、四工作阶段的电流流通路径示意图；
图5是根据本发明的一个实施例的隔离型Weinberg直流变换子模块在第三工作阶段的电流流通路径示意图；
图6是根据本发明的一个实施例的光伏阵列模块的主要结构示意图；
图7是根据本发明的另一个实施例的光伏阵列模块的主要结构示意图；
图8是根据本发明的一个实施例的采用图7所示光伏阵列模块的高压直流变换器的主要结构示意图；
图9是根据本发明的另一个实施例的采用图7所示光伏阵列模块的高压直流变换器的主要结构示意图；
图10是根据本发明的一个实施例的光伏发电系统的控制器连接示意图；
图11是根据本发明的一个实施例的光伏发电系统的控制逻辑示意图；
图12是空间太阳能发电站的发电系统的主要结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，“模块”可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。术语“A和/或B”表示所有可能的A与B的组合，比如只是A、只是B或者A和B。术语“至少一个A或B”或者“A和B中的至少一个”含义与“A和/或B”类似，可以包括只是A、只是B或者A和B。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参阅附图12，图12是一种空间太阳能发电站的发电系统的主要结构示意图。如图12所示，空间太阳能发电站的发电系统主要包括多个光伏电池阵列(光伏电池阵列1-6)、多个升压模块、分阵母线(分阵母线1-2)和导电旋转开关等设备。光伏电池阵列将太阳能转换为电能后输出至升压模块，升压模块对电能升压后输出至分压母线，负载通过导电旋转开关接入分压母线获取电能。然而，由于每个升压模块都是直接接入分压母线中，当某个升压模块或与其连接的光伏电池阵列发生故障，故障很容易通过分压母线蔓延到其他升压模块以及与这些升压模块连接的光伏阵列上，进而导致整个发电系统无法正常运行。
在本发明实施例中，将每个直流变换模块的直流输入侧分别接入汇流箱形成高压直流变换器的多个直流输入侧端口，光伏阵列等电源通过汇流箱与高压直流变换器连接，当某个电源发生故障时可以控制汇流箱快速切断这个电源与相应直流输入侧端口的连接，以防影响后面连接的直流变换模块。进一步，每个直流变换模块的直流输出侧依次通过一个冗余开关顺次连接形成高压直流变换器的直流输出侧端口，当某个直流变换模块发生故障，可以导通相应的冗余开关，将这个直流变换模块旁路，以防影响后面连接的微波发射器的正常传输，保证系统正常运行。
参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例高压直流变换器的主要结构图。如图1所示，本发明实施例中高压直流变换器主要包括多个直流变换模块(直流变换模块1-n)，每个直流变换模块包括一个或多个并联的直流变换子模块(直流变换子模块1-m)。例如：直流变换模块1包括并联的直流变换子模块11-1m。每个直流变换模块的直流输入侧分别接入汇流箱形成高压直流变换器的多个直流输入侧端口(直流输入侧端口1-n)，每个直流变换模块的直流输出侧依次通过一个冗余开关(冗余开关S1-Sn)顺次连接形成高压直流变换器的直流输出侧端口。
在本发明实施例中，直流变换子模块包括但不限于：非隔离式DC/DC变换器(例如非隔离型Weinberg变换器、Super boost变换器、Coupled Inductor Boost变换器、HE-boost等)和隔离式DC/DC变换器(例如DAB变换器以及基于Weinberg拓扑构建的隔离型Weinberg直流变换子模)。冗余开关包括但不限于：机械开关如快速机械开关以及基于电力电子器件(Power Electronic Device)构建的开关。电力电子器件包括但不限于：IGBT、MOSFET等器件。非隔离式DC/DC变换器以及DAB变换器均可以采用直流变换器领域中的常规变换器，例如：非隔离式DC/DC变换器可以采用常规的非隔离式变换器，DAB变换器可以采用华北电力大学的专业硕士学位论文“光伏发电直流并网拓扑及其控制策略研究”中图2-3公开的移相全桥DC-DC变换器等其他变换器。
在本发明实施例中，将多个直流变换子模块并联形成一个直流变换模块，可以根据高压直流变换器实际的输出功率需求，增加或减少直流变换子模块的数量，实现对高压直流变换器的功率扩容与删减。
在一个实施方式中，参阅附图2，隔离型Weinberg直流变换子模块包括主电感(p3-s3)、推挽变压器(p1-s1、p2-s2)、第一开关桥臂和第二开关桥臂。具体地，推挽变压器包括在同一磁芯上同向绕制的第一原边绕组p1与第一副边绕组s1以及在所述磁芯上同向绕制的第二原边绕组p2与第二副边绕组s2；主电感包括在同一磁芯上反向绕制的第三原边绕组p3与第三副边绕组s3，第一开关桥臂包括多个并联的第一电力电子器件(Q11-Q1n)，第二开关桥臂包括多个并联的第二电力电子器件(Q21-Q2n)。主电感中第三原边绕组p3的首端(图中黑色圆点示意的一端)与隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧正极“+”连接，第三原边绕组的末端(图中没有黑色圆点示意的一端)分别与推挽变压器中第一原边绕组p1的末端(图中没有黑色圆点示意的一端)以及第二原边绕组p2的首端(图中黑色圆点示意的一端)连接；主电感中第三副边绕组s3的首端(图中黑色圆点示意的一端)分别与第一二极管D1的阴极以及第二二极管D2的阴极连接，第一二极管的阳极D1与推挽变压器中第一副边绕组s1的末端(图中没有黑色圆点示意的一端)连接，第二二极管的阳极D2与推挽变压器中第二副边绕组s2的首端(图中黑色圆点示意的一端)连接。推挽变压器中第一副边绕组s1的首端(图中黑色圆点示意的一端)与直流输出侧负极连接，第一副边绕组s1的末端(图中没有黑色圆点示意的一端)与第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与直流输出侧正极连接；推挽变压器中第二副边绕组s2的首端与第四二极管D4的阳极连接，第四二极管D4的阳极与直流输出侧正极连接，第二副边绕组的末端(图中没有黑色圆点示意的一端)与直流输出侧负极连接。第一开关桥臂的电源输入侧与隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，第一开关桥臂的电源输出侧与推挽变压器中第一原边绕组p1的首端连接；第二开关桥臂的电源输入侧与隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，第二开关桥臂的电源输出侧与推挽变压器中第二原边绕组p2的末端连接。
在本实施方式中，第一开关桥臂中的所有第一电力电子器件(Q11-Q1n)均同时导通或同时关断，第二开关桥臂中的所有第二电力电子器件(Q21-Q2n)也均同时导通或同时关断。下面以第一开关桥臂包括一个电力电子器件Q1以及第二开关桥臂包括一个电力电子器件Q2为例，对在一个开关周期内隔离型Weinberg直流变换子模块的工作过程作具体说明。
1、第一工作阶段(Q1导通、Q2关断)
参阅附图3，图3是隔离型Weinberg直流变换子模块在第一工作阶段的电流流通路径示意图。如图3所示，在隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧，电流的流通路径是：由直流输入侧正极开始，顺次流经主电感(p3-s3)的第三原边绕组p3、推挽变压器的第一原边绕组p1、Q1之后返回至直流输入侧负极，在此过程中主电感(p3-s3)存储能量。在隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧，推挽变压器的能量由第一原边绕组p1传递至第一副边绕组s1，电流的流通路径是：由第一副边绕组s1开始，流经第三三极管D3至隔离型Weinberg直流变换子模块直流输出侧的负载。
2、第二工作阶段(Q1、Q2关断)
参阅附图4，图4是隔离型Weinberg直流变换子模块在第二、四工作阶段的电流流通路径示意图。如图4所示，在此阶段中推挽变压器的第一副边绕组s1和第二副边绕组s2均导通，但是由于二者绕向相反且两个绕组中通过的电流大小相等，致使推挽变压器发生磁短路，推挽变压器整体输出电动势为0。主电感(p3-s3)的电感电压为负输出电压，主电感(p3-s3)释放能量，能量经过第三二极管D3和第四二极管D4传递至隔离型Weinberg直流变换子模块直流输出侧的负载。
3、第三工作阶段(Q1关断、Q2导通)
参阅附图5，图5是隔离型Weinberg直流变换子模块在第三工作阶段的电流流通路径示意图。如图5所示，在此阶段中主电感(p3-s3)继续存储能量，电流流通路径与第一工作阶段类似，为了描述简洁，在此不再赘述。
4、第四工作阶段(Q1、Q2关断)
继续参阅附图4，在此阶段中主电感(p3-s3)继续释放能量能量传递过程与第二工作阶段类似，为了描述简洁，在此不再赘述。
在一个实施方式中，图1所示的高压直流变换器还可以包括变换器控制器以及每个直流变换模块各自对应的模块控制器。
具体而言，变换器控制器可以被配置成对高压直流变换器进行启停控制以及在启动高压直流变换器后根据系统主控制器下发的功率分配指令向每个模块控制器发送输出功率控制指令。模块控制器可以被配置成根据输出功率控制指令控制相应直流变换模块的输出功率，以及在检测到直流变换模块发生故障时控制相应的冗余开关导通，以将发生故障的直流变换模块移除(对直流变换模块进行旁路)。
在一个实施方式中，模块控制器可以包括均压补偿信号获取模块、PWM信号生成模块和驱动模块。
具体而言，均压补偿信号模块可以被配置成获取高压直流变换器中当前正常运行的所有直流变换模块的模块输出电压均值以及当前模块控制器对应的直流变换模块的模块输出电压之间的电压偏差信号，根据电压偏差信号获取当前模块控制器对应的直流变换模块的均压补偿信号。PWM信号生成模块可以被配置成获取输出功率控制指令中的高压直流变换器的输出电流控制信号，根据输出电流控制信号与均压补偿信号之间的偏差信号获取当前模块控制器对应的直流变换模块的PWM信号占空比并且根据PWM信号占空比生成PWM信号。驱动模块可以被配置成根据PWM信号控制相应直流变换模块进行功率输出。例如：驱动光模块根据PWM信号控制隔离型Weinberg直流变换子模块中的电力电子器件进行导通/关断控制，以调整或控制隔离型Weinberg直流变换子模块的输出功率值。
进一步，在一个实施方式中，当直流变换子模块是图2所示的隔离型Weinberg直流变换子模块时，模块控制器可以被配置成根据变换器控制器下发的输出功率控制指令对隔离型Weinberg直流变换子模块中的第一开关桥臂与第二开关桥臂进行交错并联控制，以实现对直流变换模块的输出功率控制。交错并联控制指的是控制第一开关桥臂与第二开关桥臂交替导通与关断，交错并联控制的具体控制过程，参见前述结合附图3-5描述的隔离型Weinberg直流变换子模块中Q1、Q2的工作过程，在此不再赘述。
下面结合附图对本发明的光伏发电系统实施例作具体说明。在该光伏发电系统实施例中，光伏发电系统包括前述高压直流变换器实施例所述的高压直流变换器以及多个光伏阵列模块，每个光伏阵列模块分别通过前述高压直流变换器实施例所述的汇流箱与高压直流变换器的直流输入侧端口连接，高压直流变换器的直流输出侧端口与高压直流母线连接。光伏阵列模块可以被配置成将光能转换为直流电能并将直流电能输出至高压直流变换器；高压直流变换器被配置成将光伏阵列模块输出的直流电能转换为满足高压直流母线的电能传输需求的直流电能并将转换后的直流电能输出至高压直流母线，进而可以通过该高压直流母线将电能传输至微波发射器，再使用微波发射器将电能传输至地球上的相关设备以接收电能。其中，高压直流母线的电能传输需求包括高压直流母线传输电能的电压值或电压等级(如kV级别以上的电压)。高压直流变换器的具体实现功能的描述可以参见前述高压直流变换器实施例所述。
在一个实施方式中，参阅附图6，光伏阵列模块包括多个光伏模组(光伏模组1-k)，所有光伏模组串联形成一个光伏模组串联支路，该光伏模组串联支路通过前述汇流箱与高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接。
在一个实施方式中，参阅附图7，光伏阵列模块包括多个光伏模组(光伏模组11-1r、……、光伏模组s1-sr)，多个光伏模组串联形成多个光伏模组串联支路(例如：光伏模组11-1r形成一个光伏模组串联支路，光伏模组21-2r形成一个光伏模组串联支路等)，所有光伏模组串联支路并联形成一个光伏模组串并联支路，光伏模组串并联支路通过前述汇流箱与高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接，通过对光伏模组串联升压可以提高高压直流变换器的输入侧电压，进而提高高压直流变换器的输出侧电压，满足高压直流母线的电能传输需求。
在一个实施方式中，参阅附图8，每个光伏阵列模块通过前述高压直流变换器实施例所述的汇流箱(图8未示出)与高压直流变换器的直流输入侧端口直接连接。进一步，参阅附图9，每个光伏阵列模块不仅通过前述高压直流变换器实施例所述的汇流箱(图9未示出)与高压直流变换器的直流输入侧端口直接连接，所有光伏阵列模块都还并联连接，当一个光伏阵列模块发生故障时，其他光伏阵列模块还可以继续向高压直流变换器传输电能，从而提高光伏发电系统的工作可靠性。
在一个实施方式中，光伏发电系统还可以包括系统主控制器，该系统主控制器可以被配置成接收上级控制系统下发的供电协调控制指令，根据供电协调控制指令向高压直流变换器中的变换器控制器发送功率分配指令，以便变换器控制器能够根据功率分配指令对高压直流变换器进行输出功率控制。参阅附图10，以高压直流变换器包括N个直流变换模块、每个直流变换模块包括n个直流变换子模块，以及N个变换器控制器与n×N个模块控制器为例，系统主控制器在接收到上级控制系统下发的供电协调控制指令，向变换器控制器1-N发送功率分配指令，每个变换器控制器再向各自对应的n个模块控制器发送输出功率控制指令，模块控制器根据该输出功率控制指令控制相应直流变换模块的输出功率。进一步，参阅附图11，图11是光伏发电系统的控制逻辑示意图。如图11所示，变换器控制器首先对高压直流变换器进行启停控制，在启动高压直流变换器后根据系统主控制器下发的功率分配指令，选择对高压直流变换器进行MPPT控制或限功率控制，对MPPT控制或限功率控制的输出结果进行PI控制得到高压直流变换器的输出电流控制信号Io-ct1，将该输出电流控制信号Io-ct1发送至模块控制器。模块控制器获取当前模块控制器对应的直流变换模块的电压偏差信号ΔVo_n，对电压偏差信号ΔVo_n进行PI控制得到当前直流变换模块的均压补偿信号V*n；其中，
Figure BDA0002385968110000131
Figure BDA0002385968110000132
Vo是高压直流变换器的变换器输出电压，n是高压直流变换器中当前正常运行的直流变换模块的数量，Vo_n是高压直流变换器中第n个直流变换模块的模块输出电压。进一步，计算Io-ct1与V*n的偏差并将该偏差设定为PWM信号占空比，进而对该PWM信号占空比进行PI控制生成PWM信号，最后根据PWM信号生成每个直流变换子模块(直流变换子模块1-n)的驱动信号，以控制相应直流变换模块的输出功率。
在本实施方式中，MPPT控制指的是最大功率点跟踪控制(Maximum Power PointTracking)，限功率控制指的是根据接收到的功率分配指令中的修正信号(该修正信号大于零且小于1)对MPPT控制中的最大功率跟踪信号进行修正，使得在限功率控制下的高压直流变换器的输出功率偏离(小于)在MPPT控制下的高压直流变换器的输出功率，达到限制功率输出的目的。MPPT控制与限功率控制均是直流变换器控制领域中的常规控制方法，为了描述简洁，本发明不再对MPPT控制与限功率控制的具体控制原理作进一步展开说明。
本领域技术人员能够理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的系统的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。
本领域技术人员能够理解的是，可以对系统中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。
至此，已经结合附图所示的一个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，所述高压直流变换器包括多个直流变换模块，所述直流变换模块包括一个或多个并联的直流变换子模块；
每个直流变换模块的直流输入侧分别接入汇流箱形成所述高压直流变换器的多个直流输入侧端口，每个直流变换模块的直流输出侧依次通过一个冗余开关顺次连接形成所述高压直流变换器的直流输出侧端口；
其中，所述直流变换子模块是非隔离式DC/DC变换器或隔离式DC/DC变换器，所述隔离式DC/DC变换器包括隔离型Weinberg直流变换子模块。
2.根据权利要求1所述的空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，所述高压直流变换器还包括变换器控制器以及每个直流变换模块各自对应的模块控制器；
所述变换器控制器被配置成对所述高压直流变换器进行启停控制以及在启动所述高压直流变换器后根据系统主控制器下发的功率分配指令向每个模块控制器发送输出功率控制指令；
所述模块控制器被配置成根据所述输出功率控制指令控制相应直流变换模块的输出功率，以及在检测到直流变换模块发生故障时控制相应的冗余开关导通，以将发生故障的直流变换模块旁路。
3.根据权利要求2所述的空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，所述模块控制器包括均压补偿信号获取模块、PWM信号生成模块和驱动模块；
所述均压补偿信号模块被配置成获取所述高压直流变换器中当前正常运行的所有直流变换模块的模块输出电压均值以及当前模块控制器对应的直流变换模块的模块输出电压之间的电压偏差信号，根据所述电压偏差信号获取所述当前模块控制器对应的直流变换模块的均压补偿信号；
所述PWM信号生成模块被配置成获取所述输出功率控制指令中的高压直流变换器的输出电流控制信号，根据所述输出电流控制信号与所述均压补偿信号之间的偏差信号获取所述当前模块控制器对应的直流变换模块的PWM信号占空比并且根据所述PWM信号占空比生成PWM信号；
所述驱动模块被配置成根据所述PWM信号生成模块生成的PWM信号控制相应直流变换模块进行功率输出。
4.根据权利要求2所述的空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，还包括：
当所述直流变换子模块是隔离型Weinberg直流变换子模块时，所述模块控制器被配置成根据所述变换器控制器下发的输出功率控制指令对所述隔离型Weinberg直流变换子模块中的第一开关桥臂与第二开关桥臂进行交错并联控制，以实现对所述直流变换模块的输出功率控制。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，所述隔离型Weinberg直流变换子模块包括主电感、推挽变压器、第一开关桥臂和第二开关桥臂，所述推挽变压器包括在同一磁芯上同向绕制的第一原边绕组与第一副边绕组以及在所述磁芯上同向绕制的第二原边绕组与第二副边绕组，所述主电感包括在同一磁芯上反向绕制的第三原边绕组与第三副边绕组，所述第一开关桥臂包括多个并联的第一电力电子器件，所述第二开关桥臂包括多个并联的第二电力电子器件；
所述主电感中第三原边绕组的首端与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧正极连接，所述第三原边绕组的末端分别与所述推挽变压器中第一原边绕组的末端以及第二原边绕组的首端连接；所述主电感中第三副边绕组的首端分别与第一二极管的阴极以及第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极与所述推挽变压器中第一副边绕组的末端连接，所述第二二极管的阳极与所述推挽变压器中第二副边绕组的首端连接；
所述第一开关桥臂的电源输入侧与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，所述第一开关桥臂的电源输出侧与所述推挽变压器中第一原边绕组的首端连接；所述第二开关桥臂的电源输入侧与所述隔离型Weinberg直流变换子模块的直流输入侧负极连接，所述第二开关桥臂的电源输出侧与所述推挽变压器中第二原边绕组的末端连接；
所述推挽变压器中第一副边绕组的首端与所述直流输出侧负极连接，所述第一副边绕组的末端与第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述直流输出侧正极连接；所述推挽变压器中第二副边绕组的首端与第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阳极与所述直流输出侧正极连接，所述第二副边绕组的末端与所述直流输出侧负极连接。
6.根据权利要求1所述的空间用大功率高变比高压直流变换器，其特征在于，所述冗余开关是机械开关或基于电力电子器件构建的开关。
7.一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括权利要求1至6中任一项所述的空间用大功率高变比高压直流变换器以及多个光伏阵列模块，每个光伏阵列模块分别通过所述汇流箱与所述高压直流变换器的直流输入侧端口连接，所述高压直流变换器的直流输出侧端口与高压直流母线连接；
所述光伏阵列模块被配置成将光能转换为直流电能并将所述直流电能输出至所述高压直流变换器；
所述高压直流变换器被配置成将所述光伏阵列模块输出的直流电能转换为满足所述高压直流母线的电能传输需求的直流电能并将转换后的直流电能输出至所述高压直流母线。
8.根据权利要求7所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏阵列模块包括多个光伏模组，所有光伏模组串联形成一个光伏模组串联支路，所述光伏模组串联支路通过所述汇流箱与所述高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接。
9.根据权利要求7所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏阵列模块包括多个光伏模组，所述多个光伏模组串联形成多个光伏模组串联支路，所有光伏模组串联支路并联形成一个光伏模组串并联支路，所述光伏模组串并联支路通过所述汇流箱与所述高压直流变换器中的直流输入侧端口并联连接。
10.根据权利要求7所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统还包括系统主控制器，所述系统主控制器被配置成接收上级控制系统下发的供电协调控制指令，根据所述供电协调控制指令向所述高压直流变换器中的变换器控制器发送功率分配指令，以便所述变换器控制器能够根据所述功率分配指令对所述高压直流变换器进行输出功率控制。
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