CN111799839A - 基于单向变换器的功率差分补偿dpp结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种基于单向变换器的功率差分补偿DPP结构及其控制方法。其中，DPP结构包括：中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接。解决了现有技术中系统成本高，稳定性低的问题；达到了可以降低系统成本提高系统稳定性的效果。

Description

基于单向变换器的功率差分补偿DPP结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及基于单向变换器的功率差分补偿DPP结构及其控制方法，属于光伏系统技术领域。

背景技术

太阳能在全球范围内被认为是一种非常重要的可持续能源。在正常的工作情况下，光伏阵列因受到温度和光照的影响，其输出电压功率曲线呈现出非线性的特征。在不同的外界条件下，光伏电池可在不同且唯一的最大功率点(Maximum Power Point,MPP)上运行。

实际应用环境中，因为周围物体阴影的遮挡以及太阳能电池的老化会造成光伏阵列的输出效率严重下降，这就是光伏电池中的失配现象。当出现光伏电池不匹配现象时，其相应的不匹配电池组件不仅无法输出功率，往往还会消耗其他电池产生的能量造成局部过热而形成热斑效应。为了解决适配现象造成能量损失这一问题，分布式最大功率追踪(Distributed Maximum Power Point Tracking,DMPPT)也称全功率处理(Full PowerProcessing,FPP)的概念被提出，即通过给每块光伏板并联一个独立的变换器形成一个独立的模块，再将该模块的输出端串联形成一个完成的系统。DMPPT可以在失配的情况下实现每个光伏板在各自的最大功率点工作。但是，相应的其缺点是每个变换器都需要处理对应光伏板输出的全部功率，因此变换器的额定功率增大并且光伏阵列系统的总输出效率依赖于变换器的效率，从而增加硬件部分的设计成本和难度。

为了解决以上问题，差分功率补偿(Differential Power Processing,DPP)技术在近些年被提出。DPP技术作为一种子模块级别的结构，可以控制每一组光伏电池独立地实现最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)，解决光伏板电池中不匹配导致的能量损失问题。相比与DMPPT结构，DPP结构只需要变换器处理差分功率。而此功率只占总功率的一小部分。这种结构特性带来的好处包括：硬件成本低，硬件体积小，以及系统输出效率高。然而目前的DPP结构全部基于双向变换器拓扑结构。其目的是为了实现能量可以在系统中保持双向流动，从而补偿或注入补偿差分能量给失配的光伏板模块。然而，双向变换器拓扑至少需要两个开关元件，导致整个系统的成本上升。尤其对于子模块级别的结构，成本的上升会更加明显。同时因为有源元件过多，造成控制复杂度上升，系统稳定性下降。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于单向变换器的功率差分补偿DPP结构及其控制方法，以解决现有技术中的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于单向变换器的DPP结构，包括：

中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；

所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；

所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接。

可选的，所述单向变换器为单向反激式变换器，所述单向反激式变换器包括第一开关、第一变压器和二极管。

可选的，所述第一开关与所述第一变压器的原边串联，所述二极管与所述第一变压器的副边串联。

可选的，所述单向反激式变换器工作在断续导通模式DCM。

可选的，所述中央变换器为boost电路，所述boost电路包括电感、第二开关和第二二极管。

可选的，所述电感的一端与所述光伏板连接，所述电感的另一端与所述第二开关的一端以及所述第二二极管的一端连接，所述第二开关的另一端与所述光伏板以及输出端连接，所述第二二极管的另一端连接输出端。

可选的，所述boost电路工作在连续导通模式CCM。

第二方面，提供了一种功率差分补偿DPP结构控制方法，所述方法用于第一方面所述的DPP结构中，所述方法包括：

在所述n个光伏子模块达到MPP时，将最小电流值作为IMPP值；

根据所述IMPP值控制所述中央变换器的占空比，控制电流值；

关闭最小电流值的光伏子模块所对应的单向变换器，并在所述光伏子模块的外部光照发生变化时，重新开启所述单向变换器。

通过提供一种基于单向变换器的DPP结构，该结构包括中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接；解决了现有技术中系统成本高，稳定性低的问题；达到了可以降低系统成本提高系统稳定性的效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于单向变换器的DPP结构的示意图；

图2和图3分别是母线电流值的两种工作区间的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的基于单向变换器的DPP结构的控制策略的示意图；

图5至图7是根据本发明实施例的提供的DPP结构在一种可能的实施场景中的实验结果的示意图；

图8是根据本发明实施例提供的基于单向变换器的DPP结构的控制方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的基于单向变换器的DPP结构的结构示意图，如图1所示，该结构包括：

中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器；

所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；

所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接。

所述单向变换器为单向反激式变换器，所述单向反激式变换器包括第一开关、第一变压器和二极管。所述第一开关与所述第一变压器的原边串联，所述二极管与所述第一变压器的副边串联。所述单向反激式变换器工作在DCM(Discontinuous Conduction Mode，断续导通模式)。

所述中央变换器为boost电路，所述boost电路包括电感、第二开关和第二二极管。所述电感的一端与所述光伏板连接，所述电感的另一端与所述第二开关的一端以及所述第二二极管的一端连接，所述第二开关的另一端与所述光伏板以及输出端连接，所述第二二极管的另一端连接输出端。所述boost电路工作在CCM(Continuous Conduction Mode，连续导通模式)。

结合图1，DPP结构可以包括子模块层级和母线层级。其中：

子模块层级中的子模块光伏板由对应的单向反激式变换器控制，进而确保每个子模块光伏板工作在MPP位置。基于DCM下反激式变换器中的励磁电感电流会在每个脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号周期中归0的特点，单向反激式变换器的输入电流可以通过占空比值、电压值、励磁电感值以及开关频率计算出来。其中只有电压值需要通过采样获得，其他参数均为常数。因此，无电流传感器的MPPT控制即可实现。

母线层级的控制由Boost电路完成，其控制策略为控制母线电流值来实现子模块层级能量的单向流动。根据DPP结构原理可以得知，母线电流值不会影响光伏子模块的MPP运行，也即母线电流值理论上可以从0取至正无穷。根据基尔霍夫电流定律分析可得，子模块层级变换器只有在两个母线电流值区间可以实现能量永远单向流动。即，母线电流值小于等于所有光伏子模块输出电流值，以及母线电流值大于等于所有光伏子模块的输出电流值，如图2和图3。如果选择能量从副边流向原边的工作模式，那么单向反激式变换器的开关管需要安装在副边。这样开关管上的电压等于DC-Link上的电压值，造成硬件成本提高。结合图2，本实施例通过将单向反激式变换器的开关安装在原边，使得能量从原边流向副边，开关管上的电压等于其并联的光伏子模块的电压。由于这一电压值要远远小于DC-Link上的电压值，从而可以实现低电压开关管的选择，降低硬件成本。因此，本申请选择母线电流值小于等于所有光伏子模块输出电流这一工作区间，即Istring≤{Ipv1,Ipv2,Ipv3}。

如上所述，在母线电流工作区间确定之后，其具体值的选择需要考虑到能量分配的问题。在DPP结构中，光伏子模块产生的能量一共由两个层级的变换器处理：子模块层级的单向反激式电路和母线层级的Boost电路。由于单向反激式变换器是隔离性变换器，其能量传递效率通常低于作为非隔离型变换器的Boost电路。则，减少反激式电路处理的能量可以提高系统整体输出效率。因此，母线电流具体值的寻找方式可以定为：在单向流动区间值内，使单向反激式变换器处理最少的能量。根据基尔霍夫电流定律分析可得，当母线电流值等于子模块输出电流值中的最小值时，即，Istring＝min{Ipv1,Ipv2,Ipv3}，可以同时保证能量单向流动和单向反激式电路最小能量的处理。这一母线电流称之为区间最小功率点(Interval Minimum Power Point,IMPP)。

请参考图4，其示出了本申请的DPP结构的控制逻辑。光伏板子模块的MPP没有到达稳定的时候，母线电流工作在次优区间最小功率点(Suboptimal IMPP，Sub-IMPP)。即Istring＝k′min{Ipv1,Ipv2,Ipv3}(k<1),其目的是为了让每个单向反激式电路在安全的占空比区间追踪到每个光伏子模块的MPP。当每个光伏子模块追踪到各自MPP的时候，将最小的光伏子模块输出电流值作为IMPP值。然后将这个值作为参考值送到Boost电路的PI控制器中，PI控制器输出调制占空比信号给到Boost的开关管，从而实现对母线电流值的控制。同时，输出最小电流的光伏子模块对应的单向反激式变换器可以关闭。剩余单向反激式变换器则正常运行MPPT算法。一旦外部光照发生变化，关闭的单向反激式电路将重新打开并运行MPPT算法。

需要说明的是，在n个光伏子模块输出的电流值的差值小于预设阈值，也即输出的电流值近似相等时，说明各个光伏子模块具有近似相同的光照度，此时，失配现象可以忽略，boost电路切换到MPPT模式。在MPPT模式下，母线电流等于每个光伏子模块的输出电流，每个单向反激式变换器的输入电流接近于0。因此子模块层级的电路可以完全关闭。光伏板产出的能量由母线层级的Boost电路完成。

在一种可能的实施例中，假设光伏子模块PV1和PV2光照一直为1000W/m2，光伏子模块PV3的光照在起始时为850W/m2，在时间t1光照跌至650W/m2。图5为三个光伏子模块的输出电压，可以看出PV3的电压在IMPP工作状态时稳定且没有任何扰动。图6为光伏子模快PV3的输出电流和母线电流；从图中可以看出母线电流在Sub-IMPP工作状态会追踪0.8倍的Ipv3的值，而且进入IMPP的时候等于IPV3。图7为光伏子模快PV3对应的单向反激式变换器DPP3处理的能量；从图中可以看出在IMPP工作状态，DPP3处理的能量几乎为0。减轻了电路的功率负担。

综上所述，通过提供一种基于单向变换器的DPP结构，该结构包括中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接；解决了现有技术中系统成本高，稳定性低的问题；达到了可以降低系统成本提高系统稳定性的效果。

请参考图8，其示出了本申请一个实施例提供的DPP结构控制方法的方法流程图，该方法可以用于图1所示的基于单向变换器的DPP结构中，如图8所示，该方法可以包括：

步骤801，在所述n个光伏子模块达到MPP时，将最小电流值作为IMPP值；

步骤802，根据所述IMPP值控制所述中央变换器的占空比，控制电流值；

步骤803，关闭最小电流值的光伏子模块所对应的单向变换器，并在所述光伏子模块的外部光照发生变化时，重新开启所述单向变换器。

综上所述，通过提供一种应用于控制基于单向变换器的DPP结构的控制方法，DPP结构包括中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接；解决了现有技术中系统成本高，稳定性低的问题；达到了可以降低系统成本提高系统稳定性的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于单向变换器的功率差分补偿DPP结构，其特征在于，所述结构包括：

中央变换器、包括n个子模块的光伏板以及每个子模块对应的单向变换器，n为大于1的整数；

所述中央变换器的输入端与所述光伏板并联；

所述光伏板中的n个子模块串联相接，所述每个子模块对应的单向变换器的原边与所述子模块并联相接，副边与所述中央变换器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述单向变换器为单向反激式变换器，所述单向反激式变换器包括第一开关、第一变压器和二极管。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述第一开关与所述第一变压器的原边串联，所述二极管与所述第一变压器的副边串联。

4.根据权利要求2或3所述的结构，其特征在于，所述单向反激式变换器工作在断续导通模式DCM。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述中央变换器为boost电路，所述boost电路包括电感、第二开关和第二二极管。

6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述电感的一端与所述光伏板连接，所述电感的另一端与所述第二开关的一端以及所述第二二极管的一端连接，所述第二开关的另一端与所述光伏板以及输出端连接，所述第二二极管的另一端连接输出端。

7.根据权利要求5或6所述的结构，其特征在于，所述boost电路工作在连续导通模式CCM。

8.一种功率差分补偿DPP结构控制方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1至7任一所述的DPP结构中，所述方法包括：

在所述n个光伏子模块达到最大功率点MPP时，将最小电流值作为IMPP值；

根据所述IMPP值控制所述中央变换器的占空比，控制电流值；

关闭最小电流值的光伏子模块所对应的单向变换器，并在所述光伏子模块的外部光照发生变化时，重新开启所述单向变换器。

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