CN112600238B - 基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块 - Google Patents

基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块 Download PDF

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Abstract

基于多端口Buck‑Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，是由1块具有3个光伏串构成的光伏电池板和1个3端口Buck‑Boost直流变换器构成。其中，3端口Buck‑Boost直流变换器中含有1个3端口Buck‑Boost斩波电路、3个自举驱动电路、3路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。3端口Buck‑Boost直流变换器仅需3个功率开关、3个输入滤波电容和2个电感，仅需处理3个光伏串间的不匹配功率，变换器容量小；电压、电流采样均为共地结构，可直接用电阻采样，无需增加体积大、成本高的隔离型采样芯片；3个自举驱动电路仅需1个供电电源，辅助电源实现简单。具有结构简单、成本低、损耗小等优点，可实现光伏电池DMPPT。

Description

基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT 光伏电池模块
技术领域
本发明所涉及的基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，属于光伏太阳能发电领域。
背景技术
当前，能源问题已成为制约人类社会发展的关键因素，为了摆脱对不可再生资源的极度依赖，人们越来越重视新能源尤其是清洁能源的开发和利用，目前能够大规模利用的清洁能源包括太阳能、风能、潮汐能等。太阳能作为一种新型绿色能源，极大的缓解了常规能源的紧张状态，其中，光伏发电以其清洁无污染、储量丰富、易于实施与维护等优点，已成为世界各国发展分布式发电系统的重要选择。然而，光伏发电系统常因光伏电池自身缺陷、运行过程中的局部遮挡和灰尘积垢等原因造成光伏电池功率失配问题。光伏电池功率失配不仅导致其输出功率的严重损失，还将使光伏阵列的输出静态特性曲线呈现多峰值特性，不仅增加了最大功率点跟踪算法的复杂度，而且失配的光伏电池还可能因为“热斑效应”而损坏。
传统的组串式和集中式光伏发电系统，如图1所示，通常采用在光伏电池模块两端并联旁路二极管的方法来解决光伏电池阵列失配问题。该方法可防止产生“热斑效应”，有效地保护了光伏电池模块，但失配的光伏电池不输出功率，利用率低。为了减少光伏电池功率损失，人们研究了微型逆变器分布式架构，如图2所示，该架构中的每个光伏电池模块通过一个独立逆变器并网发电，虽具有单级功率变换、安装灵活等优点，但仅实现了光伏电池板级MPPT，板内失配问题未得到解决。为了有效解决光伏电池板内失配问题，研究者们提出了如图3所示的基于多个二端口变换器的差分功率优化分布式架构，但随着光伏电池串数量的增加，不匹配的功率需要经过多级功率变换、损耗较多。
因此，积极寻求一种结构简单、效率较高、低成本的DMPPT光伏电池模块对新能源发电系统具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有电路拓扑结构简单、变换效率高、成本低、应用前景广泛等特点的基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，该DMPPT光伏电池模块能够显著解决光伏系统的功率失配现象。
本发明的技术方案在于：一种基于多端口Buck-Boost斩波单元的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有3个光伏电池串构成的光伏电池板和1个3端口Buck-Boost直流变换器构成。其中，所述的3端口Buck-Boost直流变换器中含有1个3端口Buck-Boost斩波电路、3个自举驱动电路、3路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。
所述3端口Buck-Boost斩波电路包括3个双向输入端口和1个输出端口，输入端有3个滤波电容Ci1-Ci3依次串联，每个滤波电容并联在1个输入端，在输出端有3个开关管S1-S3依次串联，电容Ci1的正极和开关管S1的漏极直接连接到光伏电池板正极性端，第1、第2个电容Ci1、Ci2的负极分别经储能电感L1、L2连接到S1、S2的源极，第3个电容Ci3的负极和第3个开关管S3的源极直接连接到地；所述共地电流采样是在输出端低压侧设置采样小电阻，将电流转换成电压并经放大后输入至控制芯片；所述共地电压采样是采集每个光伏电池串的对地电压，通过串联电阻分压并经电压跟随器输入至控制芯片；所述自举驱动电路将控制芯片的3路PWM信号进行放大，输出3路门极信号驱动3个开关管；所述辅助电源以最低压侧光伏电池串的端口电压UPV3为自举驱动电路的电源VCC，VCC经稳压器输出VDD作为控制电路的电源；所述控制芯片包括两个控制目标，其一通过三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法获得2个光伏电池串的参考电压信号，其二通过2个电压环获得3路PWM信号占空比实现对3个光伏电池串端口电压的调节。
一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块的控制策略，其特征在于：这种控制策略存在一快一慢两个控制环，其中，慢环是由与该DMPPT光伏电池模块连接的后级变换器实现，用于实时控制模块的输出端口电压UPV，快环则由3端口Buck-Boost直流变换器采用三维交错迭代扰动观察算法实现，该算法包括：
选通信号i为1、2分别代表对a1、a2扰动观察，a1、a2、a3为光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、UPV3与总端口电压之比，a1+a2+a3＝1；采样光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、UPV3和光伏板总输出电流IPV；首先初始化a1＝a2＝a3＝1/3；以a1→a2→a1为顺序逐次迭代；stepsize[2]和direction[2]是一组用于扰动观察法运算的变量数组；将对a1、a2进行步长为stepsize[0]、stepsize[1]的扰动后观察得到的功率增量ΔP乘以系数kp后分别重新赋给stepsize[0]、stepsize[1]，相应的扰动方向储存在direction[0]、direction[1]；当功率增量ΔP的绝对值显著降低时，stepize的值也随之降低，避免了系统在最大功率点附近振荡；最终输出3个稳定的参考信号a1、a2、a3，并实现UPV1:UPV2:UPV3＝a1:a2:a3。
本发明是在传统多个二端口变换器的差分功率优化电路结构的基础之上，提出的采用一个多端口Buck-Boost直流变换器代替多个二端口变换器，实现了差分功率优化式DMPPT光伏电池模块。通过调节多端口Buck-Boost直流变换器的多个控制量进行光伏电池串端口电压的调节，从而实现光伏电池板的最大功率输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，同时公开了一种仅包括1个电流采样和3个电压采样的三维交错迭代扰动观察算法。该DMPPT光伏电池模块和三维交错迭代扰动观察算法可以保证无论在什么光照条件下，使用最少数目功率器件、控制芯片、辅助电源和传感器，使得所有光伏电池串均输出各自的最大功率。3端口Buck-Boost直流变换器仅需3个功率开关、3个输入滤波电容和2个电感，仅需处理3个光伏串间的不匹配功率，变换器容量小；电压、电流采样均为共地结构，可直接用电阻采样，无需增加体积大、成本高的隔离型采样芯片；3个自举驱动电路仅需1个供电电源，辅助电源实现简单。该模块具有结构简单、成本低、损耗小、集成度高等优点，在光伏发电领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为组串式MPPT结构和集中式MPPT结构。
图2为微型逆变器式DMPPT结构。
图3为基于多个二端口变换器的差分功率优化式DMPPT结构。
图4为基于多端口DPP变换器的DMPPT电路结构。
图5为多端口Buck-Boost直流变换器差分功率优化式DMPPT电路拓扑。
图6为多端口Buck-Boost直流变换器差分功率优化式DMPPT电路拓扑稳态波形和等效电路。
图7为所述的基于三维交错迭代扰动观察算法的DMPPT示意图。
图8为所述的基于三维交错迭代扰动观察算法的流程图。
图9为DMPPT系统控制框图。
具体实施方式
下面通过具体实例结合附图对本发明做进一步详细的描述。
(一)系统结构
基于多端口Buck-Boost斩波单元的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有3个光伏串构成的光伏电池板和1个3端口Buck-Boost直流变换器构成。其中，所述的3端口Buck-Boost直流变换器中含有1个3端口Buck-Boost斩波电路、3个自举驱动电路、3路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。
所述3端口Buck-Boost斩波电路包括3个双向输入端口和1个输出端口，输入端有3个滤波电容Ci1-Ci3依次串联，每个滤波电容并联在1个输入端，在输出端有3个开关管S1-S3依次串联，电容Ci1的正极和开关管S1的漏极直接连接到光伏电池板正极性端，第1、第2个电容Ci1、Ci2的负极分别经储能电感L1、L2连接到S1、S2的源极，第3个电容Ci3的负极和第3个开关管S3的源极直接连接到地；所述共地电流采样是在输出端低压侧设置采样小电阻，将电流转换成电压并经放大后输入至控制芯片；所述共地电压采样是采集每个光伏电池串的对地电压，通过串联电阻分压并经电压跟随器输入至控制芯片；所述自举驱动电路将控制芯片的3路PWM信号进行放大，输出3路门极信号驱动3个开关管；所述辅助电源以最低压侧光伏电池串的端口电压UPV3为自举驱动电路的电源VCC，VCC经稳压器输出VDD作为控制电路的电源；所述控制芯片包括两个控制目标，其一通过三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法获得2个光伏电池串的参考电压信号，其二通过2个电压环获得3路PWM信号占空比实现对3个光伏电池串端口电压的调节。
(二)工作原理说明
所述的多端口Buck-Boost斩波电路如图5所示，该电路拓扑是由两个双向Buck-Boost斩波电路组合构成。其中，功率开关S1、储能电感L1、功率开关S2&S3构成双向Buck-Boost斩波电路Ⅰ；功率开关S3、储能电感L2、功率开关S1&S2构成双向Buck-Boost斩波电路Ⅱ。对于两个斩波器，S1与S2&S3、S3与S1&S2互补导通，通过调节S1、S3的占空比实现L1、L2的电流大小及方向控制，进而实现三个端电压的控制。根据三个光伏电池串光照强度α1,α2,α3的不同，电感电流IL1、IL2具有不同大小和方向，其电流方向与光照强度之间的关系为:
IL1<0,2α1-α2-α3>0；
IL1>0,2α1-α2-α3<0.
IL2<0,α1+α2-2α3>0；
IL2>0,α1+α2-2α3<0.
以α1<α2<α3为例，即IL1>0、IL2>0，论述该电路工作原理，其稳态波形和区间等效电路如图6所示。根据S1、S2、S3通断状态的不同，变换器在一个开关周期内存在三个工作模态。其中，ugs1-3、uL1-2、iL1-2分别为功率开关管驱动、电感端电压、电感电流。
模态1：S2和S3导通，UPV3向L2储能，L1先向UPV2和UPV3释能，后UPV2和UPV3向L1储能，iL1以(UPV2+UPV3)/L1斜率线性上升，iL2以UPV3/L2斜率线性上升。
模态2：S1和S3导通，L1向UPV1释能，UPV3向L2储能，iL1以UPV1/L1斜率线性下降，iL2以UPV3/L2斜率线性上升。
模态3：S1和S2导通，L2同时向L1和UPV1释能，iL1以UPV1/L1斜率线性上升，iL2以(UPV1+UPV2)/L2斜率线性下降。
(三)三维交错迭代扰动观察算法
DMPPT变换器通过直接控制UPV1和UPV2端口电压间接实现UPV3的控制，通过采样光伏电池板电压UPV和电流IPV进行功率扰动跟踪。光伏电池串级DMPPT由于存在多个控制变量，P-U特性呈现多维立体关系，本发明使用三维交错迭代扰动观察算法实现对各光伏电池串的独立的最大电流跟踪。DMPPT启动时先采用电压均衡控制，使所有电池串电压达到一致，再通过对参考电压信号a1、a2、a3的交错扰动实现P-U特性的三维寻优，实现DMPPT精确追踪。所述的三维交错迭代扰动观察算法的动态追踪示意图和流程图分别如图7和图8所示。
DMPPT变换器应用三维交错迭代扰动观察算法不断调整每个光伏电池串的工作电压，最终保证每个光伏电池串均工作在各自的最大功率点处，以最少数目的功率器件、控制芯片、辅助电源和传感器降低光伏电池由模块内失配造成的功率损失。

Claims (2)

1.一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有3个光伏串构成的光伏电池板和1个3端口Buck-Boost直流变换器构成；其中，所述的3端口Buck-Boost直流变换器中含有1个3端口Buck-Boost斩波电路、3个自举驱动电路、3路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法；
所述3端口Buck-Boost斩波电路包括3个双向输入端口和1个输出端口，输入端有3个滤波电容Ci1-Ci3依次串联，每个滤波电容并联在1个输入端，在输出端有3个开关管S1-S3依次串联，电容Ci1的正极和开关管S1的漏极直接连接到光伏电池板正极性端，第1、第2个电容Ci1、Ci2的负极分别经储能电感L1、L2连接到S1、S2的源极，第3个电容Ci3的负极和第3个开关管S3的源极直接连接到地；所述共地电流采样是在输出端低压侧设置采样小电阻，将电流转换成电压并经放大后输入至控制芯片；所述共地电压采样是采集每个光伏电池串的对地电压，通过串联电阻分压并经电压跟随器输入至控制芯片；所述自举驱动电路将控制芯片的3路PWM信号进行放大，输出3路门极信号驱动3个开关管；所述辅助电源以最低压侧光伏电池串的端口电压UPV3为自举驱动电路的电源VCC，VCC经稳压器输出VDD作为控制电路的电源；所述控制芯片包括两个控制目标，其一通过三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法获得2个光伏电池串的参考电压信号，其二通过2个电压环获得3路PWM信号占空比实现对3个光伏电池串端口电压的调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块的控制策略，其特征在于：这种控制策略存在一快一慢两个控制环，其中，慢环是由与该DMPPT光伏电池模块连接的后级变换器实现，用于实时控制模块的输出端口电压UPV，快环则由3端口Buck-Boost直流变换器采用三维交错迭代扰动观察算法实现，该算法包括：
选通信号i为1、2分别代表对a1、a2扰动观察，a1、a2、a3为光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、UPV3与总端口电压之比，a1+a2+a3＝1；采样光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、UPV3和光伏板总输出电流IPV；首先初始化a1＝a2＝a3＝1/3；以a1→a2→a1为顺序逐次迭代；stepsize[2]和direction[2]是一组用于扰动观察法运算的变量数组；将对a1、a2进行步长为stepsize[0]、stepsize[1]的扰动后观察得到的功率增量ΔP乘以系数kp后分别重新赋给stepsize[0]、stepsize[1]，相应的扰动方向储存在direction[0]、direction[1]；当功率增量ΔP的绝对值显著降低时，stepize的值也随之降低，避免了系统在最大功率点附近振荡；最终输出3个稳定的参考信号a1、a2、a3，并实现UPV1:UPV2:UPV3＝a1:a2:a3。
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