CN112054503B - 一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，所述串联光伏模块环形功率均衡系统包括主控制器、多个隔离型光伏子模块，多个均衡单元，并网电感，以及中压直流母线。多个均衡单元中有一个均衡单元由电感与电容组成，其余均衡单元均由开关管和电感组成。所述功率均衡方法当光伏子模块具有不同的最大功率而造成模块化串联光伏直流变换器功率失配时，可通过环形功率均衡系统传输各个子模块的失配功率，使得各个子模块的功率均衡从而使各个子模块的电压均衡，并且通过效率寻优算法可以在保证光伏子模块电压均衡的情况下最大限度地减小功率流通，从而降低器件的电流应力及损耗以提升效率。

Description

一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，特别涉及一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法。
背景技术
分布式光伏能源汇入中压直流配电网是未来新能源并网的重要形式，光伏直流升压变换器常采用隔离型输入独立输出串联(IIOS)子模块变换器进行串联输出，IIOS型光伏直流升压变换器拥有多个输入端口，可以实现独立的MPPT。但是分布式光伏阵列常常因为局部阴影等原因具有不同的最大功率，如果IIOS子模块都进行MPPT控制，则它们的输出功率都不同。由于输出串联结构，他们的输出电流是相同的，当功率不一致时，输出电压必然失衡。电压失衡将导致子模块变换器的工作点发生偏移，不利于控制参数或者电路参数的设计。功率大的子模块输出侧电压比功率小的子模块电压高，容易引起开关器件的过压损坏。
针对IIOS型光伏直流升压变换器的功率失配问题，目前主要的解决方法是在每两个相邻的IIOS子模块之间插入功率均衡单元，可以实现相邻子模块功率的双向流动，从而平衡失配功率，达到均压目的。但是由于该方案的链式结构(以下称这种拓扑为链式拓扑)，非相邻子模块之间的功率交换需要借助它们之间的多个均衡单元实现功率交换，因此功率损耗较大，效率较低。处于中间的的均衡单元由于流通的功率较多，器件所受电流应力也更大。更好的方案是提出一种环形功率均衡拓扑，在保证功率均衡的基础上，能够最大限度地降低整体失配功率的交换，从而减小损耗、提高效率，减小器件所受电流应力。
发明内容
为了使得功率均衡拓扑能够在保证功率均衡的基础上，最大限度地降低整体失配功率的交换，从而减小传输损耗，提高拓扑效率，本发明提出了一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法。
所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器、N个光伏子模块、N个输出电容、N-1个均衡单元、模拟均衡单元、并网电感Lg以及中压直流母线；
所述主控制器分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器分别与所述的均衡单元依次连接；
所述第i光伏子模块由光伏阵列、隔离型DC/DC变换器组成，光伏阵列的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；所述第i输出电容与所述第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；
所述N-1个均衡单元中的第k均衡单元包括：上桥臂开关管、下桥臂开关管、均衡电感，所述上桥臂开关管的集电极与所述第k光伏子模块的正极相连，所述下桥臂开关管的发射极与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述上桥臂开关管的发射极、下桥臂开关管的集电极以及均衡电感Lk的一端相连于一点，所述均衡电感的另一端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；
所述模拟均衡单元包括：限流电感、均衡电容，所述限流电感的一端与所述第1个均衡单元的的上桥臂开关管的发射极相连，所述限流电感的另一端与均衡电容的一端相连，所述均衡电容的另一端与第N-1个均衡单元的上桥臂开关管的发射极相连；
所述第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感与所述中压直流母线的正极相连，所述第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述中压直流母线的负极相连。
本发明方法的技术方案为所述功率均衡方法，具体为：
步骤1：主控制器采集多个光伏子模块的输出功率、输出电压以及均衡单元中均衡电感电流值，构建总的传输功率模型，构建均衡单元的传输功率迭代计算模型，将多个光伏子模块的输出功率通过效率寻优方法得到模拟均衡单元的最优传输功率，进一步结合均衡单元的传输功率迭代计算模型计算得到每个均衡单元的优化传输功率；
步骤1所述多个光伏子模块的输出功率为：P1～PN，所述多个光伏子模块的输出电压为：v1～vN，所述均衡单元中均衡电感电流值为：iL,k；
步骤1所述构建总的传输功率模型为：
Figure BDA0002703231330000021
其中，N-1为均衡单元的数量，PT,k定义为第k个均衡单元的传输功率,PT,B定义为模拟均衡单元的传输功率，其中，1≤k≤N-1；
步骤1所述构建均衡单元的传输功率迭代计算模型为：
Figure BDA0002703231330000031
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，PT,k为第k个均衡单元的传输功率，PT,B为模拟均衡单元传输的功率，1≤k≤N-1；Pave为所有光伏子模块功率的平均值，满足：
Figure BDA0002703231330000032
步骤1所述通过效率寻优方法得到模拟均衡单元传输的功率，具体为：
在给定不同的模拟均衡单元传输的功率PT,B时，当PTsum最小时，传输功率的损耗最小，此时的PT,B即为最优解，定义为Popt；
所述效率寻优策略即为通过数值迭代法求得最优解即Popt使得PTsum的值最小，具体过程如下：
步骤1.1，确定初始Popt存在区间[x1,x2]，均衡单元的传输功率不大于N/2倍光伏子模块额定功率，因此初始的区间可设置为[-NPo/2,NPo/2]，所述光伏子模块额定功率为Po；
步骤1.2，取区间的1/4处x3和3/4处x4，其中x3＝x1+(x2-x1)/4，x4＝x2-(x2-x4)/4；
当PT,B＝x3时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N-1个均衡单元的传输功率依次为：
Figure BDA0002703231330000033
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x3时总的传输功率为PTsum3；
当PT,B＝x4时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N个均衡单元的传输功率依次为：
Figure BDA0002703231330000041
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x4时总的传输功率为PTsum4；
步骤1.3，根据PTsum3和PTsum4的大小关系更新迭代区间：
如果PTsum3大于PTsum4，那么最优解必然存在于[x3,x2]之间，则令x1＝x3；
如果PTsum3小于PTsum4，那么最优解必然存在于[x1,x4]之间，则令x2＝x4；
步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3，直至x1、x2之间的差小于阈值即ε；
步骤1.5，PT,B＝x1orx2，PT,B的最终优化结果定义为Popt，即步骤1所述模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率；
步骤1所述计算得到每个均衡单元的优化传输功率为：
Figure BDA0002703231330000042
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，Popt为模拟均衡单元的最优传输功率，PT,k *代表第k个均衡单元的优化传输功率；
步骤2：根据模拟均衡单元的最优传输功率计算第一均衡单元中上桥臂开关管与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角；
步骤2所述计算驱动信号之间的移相角可以由以下公式得到为：
Figure BDA0002703231330000043
其中，VSM为N个光伏子模块的在稳态时的输出电压，Ts为开关周期，ds为第一均衡单元中上桥臂开关管S1,1与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角，LB为模拟均衡单元中的限流电感值，
步骤3：根据均衡单元的优化传输功率计算对应均衡单元的均衡电感的电流给定值；
步骤3所述计算对应均衡单元的均衡电感电流给定值可以通过以下公式得到：
Figure BDA0002703231330000051
其中，PT,k *为第k个均衡单元的优化传输功率，Vk为第k个光伏子模块的输出电容的电压，IL,k为第k个均衡单元的均衡电感电流给定值，1≤k≤N-1；
步骤4：根据均衡单元的均衡电感电流给定值、均衡单元的均衡电感电流实际测量值、光伏子模块的输出电压确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比；
步骤4所述确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比为：
所述根据步骤3得到的均衡单元至均衡单元的均衡电感电流给定值IL,1～IL,N-1；
所述实际测量的均衡电感电流值为iL,k；
所述光伏子模块的输出电压为主控制器采集得到的N个光伏子模块的输出电压v1～vN；
步骤4所述确定均衡单元至均衡单元中上桥臂开关管的占空比d1～dN-1，具体采用电压电流双环控制确定占空比：
电压外环为：将第k个光伏子模块的输出电容上的电压vk与第k+1个光伏子模块的输出电容上的电压vk+1的差值经过PI控制得到均衡电感电流的一个参考量；
电流内环为：将均衡单元的均衡电感电流给定值IL,k加上电压外环输出的参考量减去实际测量的均衡电感电流值iL,k后的差值经过PI控制得到均衡单元中上桥臂开关管的占空比dk，其中，1≤k≤N-1。
本发明方法具有以下显著效果：
本专利提出的一种模块化串联光伏直流变换器的环形功率均衡拓扑及其效率寻优策略，能够在光伏功率失配的工况下维持电压均衡；在此基础上，通过效率优策略能够最大限度地降低整体所需传输的失配功率，从而减小传输损耗，提高拓扑效率，并且减小能够减少器件所受电流应力。
附图说明
图1：为本发明系统结构图。
图2：为相邻光伏子模块功率传输，光伏子模块PV-SMk吸收功率的等效电路图。
图3：为相邻光伏子模块功率传输，光伏子模块PV-SMk+1输出功率的等效电路图。
图4～图7：为本发明模拟均衡单元(ABU)进行功率传输的工作示意图。其中图4为第1至第N-2个光伏子模块的功率转移到模拟均衡单元(ABU)的电容CB上的阶段，图5为模拟均衡单元(ABU)的电感LB上电流续流的阶段，图6为模拟均衡单元(ABU)的电容CB上的功率传输到第3至第N个光伏子模块上的阶段，图7为模拟均衡单元(ABU)的电感LB上电流续流的阶段。
图8：为本发明功率均衡控制框图。
图9：为本发明效率寻优算法中数值迭代的流程图。
图10：为本发明一种实施例中光伏子模块电压波形。
图11：为本发明一种实施例中均衡单元PBU1～PBU4中均衡电感电流波形。
图12：为本发明一种实施例中均衡单元PBU5～PBU7中均衡电感电流波形。
图13：为本发明一种实施例中模拟均衡单元ABU中限流电感电流波形。
图14：为本发明一种实施例中均衡单元PBU1～PBU4中上桥臂开关管电流有效值波形。
图15：为本发明一种实施例中均衡单元PBU5～PBU7中上桥臂开关管电流有效值波形。
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。
图1是本发明公开的一种模块化串联光伏直流变换器的环形功率均衡拓扑，包括：主控制器(DSP)、N个光伏子模块、N个输出电容、N-1个均衡单元、1个模拟均衡单元(ABU)、并网电感以及中压直流母线；
所述主控制器(DSP)分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器(DSP)分别与所述的均衡单元PBU1～N-1依次连接；
所述第i光伏子模块由光伏阵列、隔离型DC/DC变换器组成，光伏阵列的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；所述第i输出电容与所述第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；
所述N-1个均衡单元#(1～N-1)中的第k均衡单元#k包括：a端、b端、c端、d端，所述第k个均衡单元(PBUk)的a端与所述第k光伏子模块的正极相连，所述第k个均衡单元(PBUk)的b端与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述第k个均衡单元(PBUk)的c端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；
所述N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)中的第k均衡单元#k包括：上桥臂开关管S1, kS1,k、下桥臂开关管S2,k、电感Lk，所述上桥臂开关管S1,k的集电极为所述均衡单元的a端，所述下桥臂开关管S2,kS2,k的发射极为所述均衡单元的b端，所述电感Lk的一端为所述均衡单元的c端，所述上桥臂开关管S1,k的发射极、下桥臂开关管S2,k的集电极以及电感Lk的另一端相连于d端，1≤k≤N-1；
所述模拟均衡单元(ABU)包括：电感LB、电容CB，所述电感LB的一端与所述第1个均衡单元的d点相连，所述电感LB另一端与电容CB的一端相连，所述电容CB的另一端与第N-1个均衡单元的d端相连；
所述第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述中压直流母线的正极相连，所述第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述中压直流母线的负极相连。
当光伏子模块发生功率失配时，失配功率既可以通过N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)构成功率传输通道在相邻光伏子模块之间依次传输，也可以通过由均衡单元(PBU1)、均衡单元#(N-1)以及模拟均衡单元(ABU)组成的功率传输通道将失配功率直接从前两个光伏子模块直接传输到最后两个光伏子模块；两条功率传输通道构成了环形功率均衡系统；通过分配两条功率传输通道传输功率的比例形成不同的传输方案，通过效率寻优策略可以找到一种功率分配方案使得系统总的传输功率的绝对值之和最小，从而降低器件的电流应力及损耗以提升效率；
图2、图3所示为相邻光伏子模块之间失配功率的传输示意图。功率均衡单元PBUk的上桥臂开关管S1,k与下桥臂开关管S2,k互补导通。假设第k+1个光伏子模块的输出电压Vk+1比第k个光伏子模块的输出电压Vk大。如图2所示，功率均衡单元PBUk上桥臂开关管S1,k开通时，电感Lk将功率传输给光伏子模块PV-SMk；如图3所示，当功率均衡单元PBUk下桥臂开关管S2,k开通时，光伏子模块PV-SMk+1传输功率给电感Lk。整个过程中，相当于光伏子模块PV-SMk+1将功率传输给光伏子模块PV-SMk。
图4～图7为本发明模拟均衡单元(ABU)进行功率传输的工作示意图。其工作过程借助了均衡单元(PBU1)和均衡单元PBUN-1的开关管，通过控制均衡单元(PBU1)的第k上桥臂开关管S1,1和均衡单元PBUN-1的上桥臂开关管S1,N-1驱动信号之间的移相角ds来控制功率传输。若功率从上往下传输，S1,1的驱动信号应该超前S1,N-1，以下以这种情况为例进行分析。稳态下所有子模块的输出电压都相等，假设它们都等于VSM。第3至第N-2个子模块以及它们之间的均衡单元在分析时可以简化为一个电容，其电压为(N-4)VSM。根据开关动作将工作模态分为四个部分。
图4为第一种工作模态，均衡单元(PBU1)的上桥臂开关管S1,1和均衡单元PBUN-1的上桥臂开关管S1,N-1开通，电流从第1个光伏子模块输出电容正极流出，经过开关管S1,1，电感LB，电容CB，开关管S1,N-1的反并联二极管抵达第N-2个光伏子模块输出电容的负极。此时前N-2个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN-2)的功率转移到模拟均衡单元(ABU)的电容CB上。
图5为第二种工作模态，均衡单元(PBU1)的下桥臂开关管S2,1和均衡单元(PBUN-1)的上桥臂开关管S1,N-1开通，电流从第3个光伏子模块输出电容正极流出，经过开关管S2,1的反并联二极管，电感LB，电容CB，开关管S1,N-1的反并联二极管抵达第N-2个光伏子模块输出电容的负极。此时功率从模拟均衡单元(ABU)的电容CB向光伏子模块(PV-SM3～PV-SMN-2)传输。
图6为第三种工作模态，均衡单元(PBU1)的下桥臂开关管S2,1和均衡单元(PBUN-1)的下桥臂开关管S2,N-1开通，电流从第N个光伏子模块输出电容的负极流出，经过开关管S2,N-2的反并联二极管，电容CB，电感LB，开关管S2,1，抵达第3个光伏子模块输出电容的正极。此时功率从模拟均衡单元(ABU)的电容CB向光伏子模块(PV-SM3～PV-SMN)传输。
图7为第四种工作模态，均衡单元(PBU1)的上桥臂开关管S1,1和均衡单元PBUN-1的下桥臂开关管S2,N-1开通，电流从第N个光伏子模块输出电容的负极流出，经过开关管S2,N-2的反并联二极管，电容CB，电感LB，开关管S1,1的反并联二极管，抵达第1个光伏子模块输出电容的正极。此时功率从模拟均衡单元(ABU)的电容CB向光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)传输。
根据以上分析可知，第3至第N-2个光伏子模块在整个过程等效为没有功率传输。对于光伏子模块(PV-SM1)和光伏子模块(PV-SM2)，它们的电容在参与模拟均衡单元(ABU)的功率传输过程时，总是同时存在于回路或者同时不存在于回路中。任意时刻它们流过模拟均衡单元(ABU)的功率都是相同的。同理，光伏子模块(PV-SMN-1)和光伏子模块PV-SMN在此过程的流过模拟均衡单元(ABU)的功率也是相同的。因此，模拟均衡单元(ABU)每个周期从光伏子模块(PV-SM1)和光伏子模块(PV-SM2)上面吸收同等的功率，再释放到光伏子模块(PV-SMN-1)和光伏子模块(PV-SMN)上。
本发明具体实施方式为一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法。
所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器(DSP)、N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)、N个输出电容(C1～CN)、N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)、模拟均衡单元(ABU)、并网电感Lg以及中压直流母线(MVDC)；
所述主控制器(DSP)分别与所述的N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)依次连接；所述主控制器(DSP)分别与所述的均衡单元PBU1～PBUN-1依次连接；
所述第i光伏子模块(PV-SMi)由光伏阵列(PVi)、隔离型DC/DC变换器(DCi)组成，光伏阵列(PVi)的输出端口与隔离型DC/DC变换器(DCi)的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器(DCi)的输出端口即光伏子模块(PV-SMi)的输出端口；所述第i输出电容(Ci)与所述第i光伏子模块(PV-SMi)的输出端口并联，1≤i≤N；
所述N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)中的第k均衡单元(PBUk)包括：上桥臂开关管S1,k、下桥臂开关管S2,k、均衡电感Lk，所述上桥臂开关管S1,k的集电极与所述第k光伏子模块的正极相连，所述下桥臂开关管S2,k的发射极与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述上桥臂开关管S1,k的发射极、下桥臂开关管S2,k的集电极以及均衡电感Lk的一端相连于一点，所述均衡电感Lk的另一端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；
所述模拟均衡单元(ABU)包括：限流电感LB、均衡电容CB，所述限流电感LB的一端与所述第1个均衡单元的(PBU1)的上桥臂开关管S1,1的发射极相连，所述限流电感LB的另一端与均衡电容CB的一端相连，所述均衡电容CB的另一端与第N-1个均衡单元(PBUN-1)的上桥臂开关管S1,N-1的发射极相连；
所述第1个光伏子模块(PV-SM1)的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述中压直流母线(MVDC)的正极相连，所述第N个光伏子模块(PV-SMN)的输出端口的负极与所述中压直流母线(MVDC)的负极相连，N≥3。
所述主控制器选型为TMS320F28335、所述光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)选型为光伏电池板额定功率为12.5kW、隔离型DC/DC变换器采用LLC谐振变换器，所述输出电容(C1～CN)选型为4.7mF、所述均衡单元(PBU1～PBUN-1)选型为上桥臂开关管与下桥臂开关管均选择耐压1.7kV的IGBT、均衡电感Lk选择大小为0.4mH，所述模拟均衡单元(ABU)选型为限流电感LB选择大小为11μH、均衡电容CB选择大小为560nF，所述高压直流母线选型为额定功率为100kW、母线电压为4kV。
图8为本发明方法流程图，本发明方法的技术方案为所述功率均衡方法，具体为：
步骤1：主控制器采集多个光伏子模块的输出功率、输出电压以及均衡单元中均衡电感电流值，构建总的传输功率模型，构建均衡单元的传输功率迭代计算模型，将多个光伏子模块的输出功率通过效率寻优方法得到模拟均衡单元的最优传输功率，进一步结合均衡单元的传输功率迭代计算模型计算得到每个均衡单元的优化传输功率；
步骤1所述多个光伏子模块的输出功率为：P1～PN，所述多个光伏子模块的输出电压为：v1～vN，所述均衡单元中均衡电感电流值为：iL,k；
步骤1所述构建总的传输功率模型为：
Figure BDA0002703231330000111
其中，N-1为均衡单元的数量，PT,k定义为第k个均衡单元(PBUk)的传输功率,PT,B定义为模拟均衡单元(ABU)的传输功率，其中，1≤k≤N-1；
步骤1所述构建均衡单元的传输功率迭代计算模型为：
Figure BDA0002703231330000112
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，PT,k为第k个均衡单元(PBUk)的传输功率，PT,B为模拟均衡单元(ABU)传输的功率，1≤k≤N-1；Pave为所有光伏子模块功率的平均值，满足：
Figure BDA0002703231330000113
步骤1所述通过效率寻优方法得到模拟均衡单元(ABU)传输的功率，具体为：
在给定不同的模拟均衡单元(ABU)传输的功率PT,B时，当PTsum最小时，传输功率的损耗最小，此时的PT,B即为最优解，定义为Popt；
所述效率寻优策略即为通过数值迭代法求得最优解即Popt使得PTsum的值最小，具体过程如下：
步骤1.1，确定初始Popt存在区间[x1,x2]，均衡单元的传输功率不大于N/2倍光伏子模块额定功率，因此初始的区间可设置为[-NPo/2,NPo/2]，所述光伏子模块额定功率为Po；
步骤1.2，取区间的1/4处x3和3/4处x4，其中x3＝x1+(x2-x1)/4，x4＝x2-(x2-x4)/4；
当PT,B＝x3时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N-1个均衡单元的传输功率依次为：
Figure BDA0002703231330000121
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x3时总的传输功率为PTsum3；
当PT,B＝x4时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N个均衡单元的传输功率依次为：
Figure BDA0002703231330000122
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x4时总的传输功率为PTsum4；
步骤1.3，根据PTsum3和PTsum4的大小关系更新迭代区间：
如果PTsum3大于PTsum4，那么最优解必然存在于[x3,x2]之间，则令x1＝x3；
如果PTsum3小于PTsum4，那么最优解必然存在于[x1,x4]之间，则令x2＝x4；
步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3，直至x1、x2之间的差小于阈值即ε；
步骤1.5，PT,B＝x1orx2，PT,B的最终优化结果定义为Popt，见图9，即步骤1所述模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率；
步骤1所述计算得到每个均衡单元的优化传输功率为：
Figure BDA0002703231330000123
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，Popt为模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率，PT,k *代表第k个均衡单元(PBUk)的优化传输功率；
步骤2：根据模拟均衡单元的最优传输功率计算第一均衡单元中上桥臂开关管与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角；
步骤2所述计算驱动信号之间的移相角可以由以下公式得到为：
Figure BDA0002703231330000131
其中，VSM为N个光伏子模块的在稳态时的输出电压，Ts为开关周期，ds为第一均衡单元(PBU1)中上桥臂开关管S1,1与第N-1均衡单元(PBUN-1)中上桥臂开关管S1,N-1驱动信号之间的移相角，LB为模拟均衡单元(ABU)中的限流电感值，
步骤3：根据均衡单元的优化传输功率计算对应均衡单元的均衡电感的电流给定值；
步骤3所述计算对应均衡单元的均衡电感电流给定值可以通过以下公式得到：
Figure BDA0002703231330000132
其中，PT,k *为第k个均衡单元(PBUk)的优化传输功率，Vk为第k个光伏子模块的输出电容的电压，IL,k为第k个均衡单元(PBUk)的均衡电感电流给定值，1≤k≤N-1；
步骤4：根据均衡单元的均衡电感电流给定值、均衡单元的均衡电感电流实际测量值、光伏子模块的输出电压确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比；
步骤4所述确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比为：
所述根据步骤3得到的均衡单元(PBU1)至均衡单元(PBUN-1)的均衡电感电流给定值IL,1～IL,N-1；
所述实际测量的均衡电感电流值为iL,k；
所述光伏子模块(PV-SMi)的输出电压为主控制器(DSP)采集得到的N个光伏子模块的输出电压v1～vN；
步骤4所述确定均衡单元(PBU1)至均衡单元(PBUN-1)中上桥臂开关管S1,1～S1,N-1的占空比
图10为本发明一种实施例中光伏子模块电压波形。在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了8模块的光伏直流变换器仿真模型来验证理论分析。仿真参数为中压直流母线电压Vbus＝4kV，系统总功率PN＝100kW，光伏子模块电压VSM＝500V，光伏子模块额定功率PR＝12.5kW，开关管选为SiC(C2M0045170P)，模拟均衡单元(ABU)的电感值LB＝11μH,电容值CB＝500nF，均衡单元#(1～7)的电感值L1～L7＝400μH。光伏阵列的光照强度：光伏阵列#1至光伏阵列#4为1000W/m2，光伏阵列#5至光伏阵列#8为200W/m2，因此光伏阵列的输出功率不同，模拟功率失配的情况，所以前四个光伏子模块的输出电压与后四个光伏子模块的输出电压不同。仿真中，在t＝0.1s开始加入均压控制，此时前7个均衡单元#(1～7)组成的链式均衡拓扑在作用；在t＝0.3s时开始加入效率优化控制，此时模拟均衡单元(ABU)也投入使用，7个均衡单元与模拟均衡单元(ABU)组成的环形均衡拓扑起作用。图10所示为8个子模块的输出侧电压。在t＝0～0.1s期间，由于光伏输入功率差异，各个子模块的电压不均衡。在t＝0.1～0.3s期间，变换器加入了均衡控制，均衡单元开始起作用。此时均衡单元上的电感上流过电流，传递不均衡功率。子模块电压在均衡单元作用下逐渐进入了平衡状态。在t＝0.3s之后，变换器加入了效率优化控制策略。子模块电压虽然有短暂的波动，但最终能够平衡住。并且此后均衡单元的电流幅值大幅度降低，接下来结合图11～图15进行说明。
图11为本发明一种实施例中均衡单元PBU1中均衡电感电流波形，图12为本发明一种实施例中均衡单元PBU7中均衡电感电流波形，图13为本发明一种实施例中模拟均衡单元ABU中限流电感电流波形。该实施例即为图10对应的实施例。t＝0～0.1s时未加入均压控制，各均衡单元未投入使用，所以其电感电流为0。在t＝0.1s开始加入均压控制，此时前7个均衡单元PBU1～PBU7组成的链式均衡拓扑在作用，由它们传输失配功率，其中的电感中流过电流，模拟均衡单元(ABU)未投入使用，它的电感电流为0；在t＝0.3s时开始加入效率优化控制，模拟均衡单元投入使用，7个均衡单元与模拟均衡单元(ABU)组成的环形均衡拓扑起作用，均衡单元(PBU1)至均衡单元PBU7的电感电流大幅度降低了，最多的降低了49.6A。模拟均衡单元(ABU)的电感上流过电流，作为光伏子模块(PV-SM1)和光伏子模块(PV-SM8)的功率传输途径。经过计算，效率优化之前，由于功率失配所需要均衡的功率有效值之和为80kW，效率优化之后，所需均衡的功率有效值之和为32kW。根据以上的仿真结果可知，环形功率均衡拓扑及其效率优化控制策略能够在保证电压平衡的前提下，有效降低所需均衡的功率值，从而降低传输损耗和提高效率。
图14为本发明一种实施例中均衡单元PBU1～PBU4中上桥臂开关管电流有效值波形。图15为本发明一种实施例中均衡单元PBU5～PBU7中上桥臂开关管电流有效值波形。该实施例即为图10对应的实施例。在t＝0.3s之后加入效率优化控制，环形均衡拓扑开始起作用，均衡单元(PBU1)至均衡单元#7的开关管电流有效值均降低了。最大的电流应力降低了约36.1A。由此可见，环形功率均衡拓扑相比链式均衡拓扑，其开关管的电流应力更小。
通过以上仿真结果可以发现，本发明公开的一种模块化串联光伏直流变换器的环形功率均衡系统及其效率寻优策略，可以在确保光伏子模块功率均衡从而实现输出电压均衡的前提下，能够最大限度地降低整体失配功率的交换，从而减小损耗、提高效率，并且能够减小器件所受电流应力。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器(DSP)、N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)、N个输出电容(C1～CN)、N-1个均衡单元PBU1～PBUN-1、模拟均衡单元(ABU)、并网电感Lg以及中压直流母线(MVDC)；
所述主控制器(DSP)分别与所述的N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)依次连接；所述主控制器(DSP)分别与所述的均衡单元PBU1～PBUN-1依次连接；
所述第i光伏子模块(PV-SMi)由光伏阵列(PVi)、隔离型DC/DC变换器(DCi)组成，光伏阵列(PVi)的输出端口与隔离型DC/DC变换器(DCi)的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器(DCi)的输出端口即光伏子模块(PV-SMi)的输出端口；所述第i输出电容(Ci)与所述第i光伏子模块(PV-SMi)的输出端口并联，1≤i≤N；
所述N-1个均衡单元PBU1～PBUN-1中的第k均衡单元PBUk包括：上桥臂开关管S1,k、下桥臂开关管S2,k、均衡电感Lk，所述上桥臂开关管S1,k的集电极与所述第k光伏子模块的正极相连，所述下桥臂开关管S2,k的发射极与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述上桥臂开关管S1,k的发射极、下桥臂开关管S2,k的集电极以及均衡电感Lk的一端相连于一点，所述均衡电感Lk的另一端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；
所述模拟均衡单元(ABU)包括：限流电感LB、均衡电容CB，所述限流电感LB的一端与所述第1个均衡单元PBU1的上桥臂开关管S1,1的发射极相连，所述限流电感LB的另一端与均衡电容CB的一端相连，所述均衡电容CB的另一端与第N-1个均衡单元PBUN-1的上桥臂开关管S1,N-1的发射极相连；
所述第1个光伏子模块(PV-SM1)的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述中压直流母线(MVDC)的正极相连，所述第N个光伏子模块(PV-SMN)的输出端口的负极与所述中压直流母线(MVDC)的负极相连；
所述功率均衡方法，包括以下步骤：
步骤1：主控制器采集多个光伏子模块的输出功率、输出电压以及均衡单元中均衡电感电流值，构建总的传输功率模型，构建均衡单元的传输功率迭代计算模型，将多个光伏子模块的输出功率通过效率寻优方法得到模拟均衡单元的最优传输功率，进一步结合均衡单元的传输功率迭代计算模型计算得到每个均衡单元的优化传输功率；
步骤2：根据模拟均衡单元的最优传输功率计算第一均衡单元中上桥臂开关管与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角；
步骤3：根据均衡单元的优化传输功率计算对应均衡单元的均衡电感的电流给定值；
步骤4：根据均衡单元的均衡电感电流给定值、均衡单元的均衡电感电流实际测量值、光伏子模块的输出电压确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比。
2.根据权利要求1所述的基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
步骤1所述多个光伏子模块的输出功率为：P1～PN，所述多个光伏子模块的输出电压为：v1～vN，所述均衡单元中均衡电感电流值为：iL,k；
步骤1所述构建总的传输功率模型为：
Figure FDA0003324958110000021
其中，N-1为均衡单元的数量，PT,k定义为第k个均衡单元PBUk的传输功率,PT,B定义为模拟均衡单元(ABU)的传输功率，其中，1≤k≤N-1；
步骤1所述构建均衡单元的传输功率迭代计算模型为：
Figure FDA0003324958110000022
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，PT,k为第k个均衡单元PBUk的传输功率，PT,B为模拟均衡单元(ABU)传输的功率，1≤k≤N-1；Pave为所有光伏子模块功率的平均值，满足：
Figure FDA0003324958110000023
步骤1所述通过效率寻优方法得到模拟均衡单元(ABU)传输的功率，具体为：
在给定不同的模拟均衡单元(ABU)传输的功率PT,B时，当PTsum最小时，传输功率的损耗最小，此时的PT,B即为最优解，定义为Popt；
所述效率寻优策略即为通过数值迭代法求得最优解即Popt使得PTsum的值最小，具体过程如下：
步骤1.1，确定初始Popt存在区间[x1,x2]，均衡单元的传输功率不大于N/2倍光伏子模块额定功率，因此初始的区间可设置为[-NPo/2,NPo/2]，所述光伏子模块额定功率为Po；
x1表示-NPo/2，x2表示NPo/2；
步骤1.2，取区间的1/4处x3和3/4处x4，其中x3＝x1+(x2-x1)/4，x4＝x2-(x2-x1)/4；
当PT,B＝x3时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N-1个均衡单元的传输功率依次为：
Figure FDA0003324958110000031
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x3时总的传输功率为PTsum3；
当PT,B＝x4时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N个均衡单元的传输功率依次为：
Figure FDA0003324958110000032
进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x4时总的传输功率为PTsum4；
步骤1.3，根据PTsum3和PTsum4的大小关系更新迭代区间：
如果PTsum3大于PTsum4，那么最优解必然存在于[x3,x2]之间，则令x1＝x3；
如果PTsum3小于PTsum4，那么最优解必然存在于[x1,x4]之间，则令x2＝x4；
步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3，直至x1、x2之间的差小于阈值即ε；
步骤1.5，PT,B＝x1 or x2，PT,B的最终优化结果定义为Popt，即步骤1所述模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率；
步骤1所述计算得到每个均衡单元的优化传输功率为：
Figure FDA0003324958110000041
其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，Popt为模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率，PT,k *代表第k个均衡单元PBUk的优化传输功率。
3.根据权利要求1所述的基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
步骤2所述计算驱动信号之间的移相角可以由以下公式得到为：
Figure FDA0003324958110000042
其中，VSM为N个光伏子模块的在稳态时的输出电压，Ts为开关周期，ds为第一均衡单元PBU1中上桥臂开关管S1,1与第N-1均衡单元PBUN-1中上桥臂开关管S1,N-1驱动信号之间的移相角，LB为模拟均衡单元(ABU)中的限流电感值。
4.根据权利要求1所述的基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
步骤3所述计算对应均衡单元的均衡电感电流给定值可以通过以下公式得到：
Figure FDA0003324958110000043
其中，PT,k *为第k个均衡单元PBUk的优化传输功率，Vk为第k个光伏子模块的输出电容的电压，IL,k为第k个均衡单元PBUk的均衡电感电流给定值，1≤k≤N-1。
5.根据权利要求1所述的基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
步骤4所述确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比为：
根据步骤3得到的均衡单元PBU1至均衡单元PBUN-1的均衡电感电流给定值IL,1～IL,N-1；
所述实际测量的均衡电感电流值为iL,k；
所述光伏子模块(PV-SMi)的输出电压为主控制器(DSP)采集得到的N个光伏子模块的输出电压v1～vN；
确定均衡单元PBU1至均衡单元PBUN-1中上桥臂开关管S1,1～S1,N-1的占空比d1～dN-1，具体采用电压电流双环控制确定占空比：
电压外环为：将第k个光伏子模块(PV-SMk)的输出电容Ck上的电压vk与第k+1个光伏子模块(PV-SMk+1)的输出电容Ck+1上的电压vk+1的差值经过PI控制得到均衡电感电流的一个参考量；
电流内环为：将均衡单元PBUk的均衡电感电流给定值IL,k加上电压外环输出的参考量减去实际测量的均衡电感电流值iL,k后的差值经过PI控制得到均衡单元PBUk中上桥臂开关管S1,k的占空比dk，其中，1≤k≤N-1。
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