CN114785145A - 低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器 - Google Patents

低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，属于发电、变电或配电的技术领域。变换器包括N个隔离型光伏子模块和N‑1个LC功率均衡单元。隔离型光伏子模块包括光伏电池板和具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器，采用具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器降低输入输出电流纹波，电压增益较高适用于宽电压增益场合，较小的电流应力和软开关工作特性极大地减小变换器损耗。所提出的光伏子模块复用副边全桥电路中的器件，通过控制原副边电路之间的移相角实现各光伏子模块独立的MPPT控制，通过控制相邻子模块副边全桥间移相角实现相邻子模块之间的功率传输实现子模块间功率均衡，减小开关器件使用数量，大大降低成本。

Description

低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器
技术领域
本发明涉及光伏多端口直流变换器技术，特别涉及一种光伏电池板输出功率不均衡下延长光伏电池板使用寿命的光伏多端口直流并网系统，公开低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
在可再生能源发电系统中，高压直流输电(HVDC，High-Voltage Direct Current)因损耗更小，稳定性更好，无须无功补偿等优点在大容量远距离传输及新能源发电上具有不可比拟的优势和宽广的应用前景，而分布式光伏发电系统具有因地制宜、清洁高效、分散布局等特性成为新能源发电的主要方式之一。但在分布式光伏发电系统中，每个光伏阵列输出电压均较低，而中压直流母线电压等级要高很多，因此需要在其中引入高增益的DC-DC变换器来进行升压处理。级联多个隔离型的光伏子模块且输入独立输出串联(IIOS,Input-Independent and Output-Series)的构造，可与中压直流母线直接连接，实现并网。此外，每个子模块都连接一个独立的光伏阵列，可实现独立的MPPT控制，可最大程度地提高光伏效率，提高经济效益。
但是，传统电压源双有源桥变换器输入输出端口的电流纹波较大，对于光伏电池板来说，过大的电流脉动会加剧电池板材料的老化，缩短光伏电池板的使用寿命。同时，传统的电压源双有源桥变换器主要依靠隔离变压器进行升压，为获得较高增益，只能增加变压器绕组匝数，这增加了系统的体积和成本，同时制约了分布式光伏发电技术的进一步发展。此外，分布式光伏系统中，光伏阵列常常由于光照不同、电池老化、污垢积累、温度和制造差异发生功率不均衡的现象。在IIOS系统中，由于每个子模块的输出端串联，输出电流相等，当光伏阵列输出功率失衡时，各子模块输出电压将不均等，这不利于系统的模块化设计，不均衡严重时甚至会造成器件的损坏。
目前，已有文献对IIOS系统中功率失衡问题做出相关研究，但对减小变换器输入侧电流纹波，延长光伏电池板使用寿命，降低隔离变压器体积，提高变换器增益等方面研究较少，因此亟待提出更优化的IIOS变换器系统。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，对于多个光伏子模块组成的IIOS变换器，采用具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器作为各光伏子模块的升压单元，在各光伏子模块输出端之间串接功率均衡单元，通过控制原边半桥电路和副边全桥电路之间的移相角实现每个光伏子模块独立的MPPT控制，通过复用各光伏子模块副边全桥中的开关管并控制相邻子模块副边全桥间移相角来实现相邻子模块的功率传输，实现在减少变压器绕组匝数比的同时提高变换器增益以及在降低输入电流纹波的同时降低损耗的发明目的，解决现有IIOS系统体积大、成本高且没有对输入电流纹波及输出增益进行优化的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，包括：N个光伏子模块和N-1个功率均衡单元。
每个光伏子模块包括光伏电池板和具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器，每个变换器输入侧由两个交错并联的具有升降压特性的变换器、原边漏感L r,k、变压器原边线圈和箝位电容构成，第一直流电感、第一原边开关管、第三原边开关管、箝位电容组成变换器输入侧的一个具有升降压特性的变换器，第二直流电感、第二原边开关管、第四原边开关管、箝位电容组成变换器输入侧的另一个具有升降压特性的变换器，第一原边开关管与第三原边开关管串接形成升压半桥的一个桥臂，第一原边开关管与第三原边开关管的连接点为升压半桥的一个桥臂中点a，第二原边开关管与第四原边开关管串接形成升压半桥的另一个桥臂，第二原边开关管与第四原边开关管的连接点为升压半桥的另一个桥臂的中点b，箝位电容与升压半桥的两个桥臂并联，第一直流电感和第二直流电感的一端同时与光伏电池板的正极相连，第一直流电感和第二直流电感的另一端分别与升压半桥的中点a和b相连，同时，a点与第一原边开关管的源极、第三原边开关管的漏级、原边漏感的一端相连，原边漏感的另一端与变压器原边绕组的一端连接；b点与第二原边开关管的源极、第四原边开关管的漏级、变压器原边绕组的另一端相连；第一原边开关管的漏级、第二原边开关管的漏级与箝位电容的正极板相连，第三原边开关管的源极、第四原边开关管的源极、箝位电容的负极板与光伏电池板的负极相连；输入侧与输出侧通过变压器T r实现电气连接；每个变换器的输出侧包括变压器副边线圈、第一副边开关管、第二副边开关管、第三副边开关管、第四副边开关管和输出滤波电容，第一副边开关管与第三副边开关串接组成有源全桥整流电路的一个桥臂，第一副边开关管与第三副边开关管的连接点为有源全桥整流电路的一个桥臂中点d，第二副边开关管与第四副边开关管串接组成有源全桥整流电路的另一个桥臂，第二副边开关管与第四副边开关管的连接点为有源全桥整流电路的另一个桥臂中点c，变压器副边的两端分别连接输出侧有源全桥电路的两桥臂中点c和d；c点与第二副边开关管的源极和第四副边开关管的漏极相连，d点与第一副边开关管的源极和第三副边开关管的漏极相连接；第一副边开关管的漏极、第二副边开关管的漏极与输出滤波电容的正极板相连，输出滤波电容的正极板作为第k个光伏子模块输出侧的正极端；第三副边开关管的源极、第四副边开关管的源极与输出滤波电容的负极板相连，输出滤波电容C o,k的负极板作为第k个光伏子模块输出侧的负极端，1≤k≤N，变压器原边绕组与升压半桥桥臂中点a连接的一端、变压器副边绕组与全桥整流电路桥臂中点c连接的一端互为同名端，第k个光伏子模块输出侧的负极端与第k+1个光伏子模块输出侧的正极端相连，第k+1个光伏子模块输出侧的负极端与第k+2个光伏子模块输出侧的正极端相连，第1个光伏子模块输出侧的正极端与中压直流母线的正极母线相连，第N个光伏子模块输出侧的负极端与中压直流母线的负极母线相连。
每个功率均衡单元由电感和电容串联构成，其中，电感的一端作为第K个功率均衡单元的a端与第k个光伏子模块输出侧的c点连接，电感的另一端与电容的正极板相连，电容的负极板作为第K个功率均衡单元的b端与第k+1个光伏子模块输出侧的c点连接，1≤K≤N-1。
IIOS变换器的控制器分别采样每个光伏子模块的输入电压、输入电流和输出电压，通过控制每个光伏子模块输入侧开关管与输出侧开关管的移相角d 1,k来实现每个光伏子模块独立的MPPT控制，同时，通过控制相邻光伏子模块输出侧开关管的移相角d 2,k实现相邻光伏子模块的功率均衡。
进一步地，用于实现每个光伏子模块独立的MPPT控制的移相角d 1,k的确定方法为：
控制器采样每个光伏子模块连接的光伏电池板的输出电压v pv,k和输出电流i pv,k；
将第k个光伏子模块连接的光伏电池板输出的电压v pv,k和电流i pv,k送到控制器MPPT算法中确定功率最大点的电压V pv,k *；
将功率最大点电压V pv,k *与第k个光伏子模块连接的光伏电池板的采样电压v pv,k输入到第一减法器；
将第一减法器的输出量输入第一PI控制器，对第一PI控制器的输出量进行限幅后作为第k个光伏子模块输入侧开关管与输出侧开关管的移相角d 1,k。
进一步地，用于实现相邻光伏子模块功率均衡的移相角d2,k的确定方法包括：
控制器采样每个光伏子模块的输出电压；
将第k个光伏子模块输出侧输出电压v SM,k和第k+1光伏子模块输出侧输出电压v SM,k+1输入第二减法器；
将第二减法器的输出量输入到第二PI控制器，对第二PI控制器的输出量进行限幅后作为第k个光伏子模块输出侧开关管与第k+1个光伏子模块输出侧开关管的移相角d 2,k。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明的低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器，采用具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器作为每个光伏子模块的DC-DC变换器，该电流源型双有源桥变换器原边采用两个电流电位相差半个周期的直流电感，有效减小低压侧的电流脉动，变换器中原边开关管均可实现软开关，减小输入电流纹波的同时降低变换器损耗，延长光伏电池板使用寿命；同时，通过占空比调节可实现该电流源型双有源桥变换器原边输出电压的提升，即提高单个子模块的升压能力，有效提高变换器增益并降低变压器匝比，减小变换器体积。
（2）本发明的低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中，各子模块通过LC-PBU复用电流源型双有源桥变换器的副边开关管实现功率均衡，保证各子模块输出侧电压相等，极大地提升变换器工作的可靠性；通过占空比控制使得变换器中每个光伏子模块的原边开关管均可实现软开关，降低变换器损耗；复用副边全桥电路中器件提高器件使用率，减少器件使用数量，降低系统制造成本。
（3）本发明的低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器，可实现双向功率流动，低压输入侧可连接光伏阵列、蓄电池、负载等输入源，具有较好的应用前景。
附图说明
本发明一实施例涉及的模块化光伏直流升压变换器包括N个隔离型光伏子模块和N-1个功率均衡单元，为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明一实施例的附图作简单介绍。
图1为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器系统结构框图。
图2为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器控制信号框图。
图3为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑在一个开关周期T s(t 0-t 6)内驱动信号波形图和关键波形图。
图4为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑在一个开关周期T s(t 0-t 6)内的每个工作模态时的等效电路图，其中，图4(a)为t=[t 0-t 1]时的等效电路图，图4(b)为t=[t 1-t 2]时的等效电路图，图4(c)为t=[t 2-t 3]时的等效电路图，图4(d)为t=[t 3-t 4]时的等效电路图，图4(e)为t=[t 4-t 5]时的等效电路图，图4(f)为t=[t 5-t 6]时的等效电路图。
图5(a)为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中各光伏子模块输出电压的波形，图5(b)为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中第一直流电感电流、第一直流电感电流、光伏子模块SM#1光伏电池板输入电流的波形图，图5(c)为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中稳态下光伏子模块SM#1光伏电池板输入电流的波形图，图5(d)为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中光伏子模块SM#1~3光伏电池板输入电流的波形图，图5(e)为本发明一实施例提供的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器中光伏子模块SM#1原边侧开关管驱动信号、漏级源极端管压降的波形图。
图中标号说明：L 1,k、L 2,k为第k个光伏子模块中第一、第二直流电感，S 1,k~S 4,k为第k个光伏子模块中第一至第四原边开关管，L r,k为第k个光伏子模块的原边漏感，Q 1,k~Q 4,k为第k个光伏子模块中第一至第四副边开关管，C d,k为第k个光伏子模块中的箝位电容，C o,k为第k个光伏子模块中的输出滤波电容，L B,k、C B,k为连接在第k个光伏子模块和第k+1个光伏子模块之间的功率均衡单元中的电感和电容，L 1,k+1、L 2,k+1为第k+1个光伏子模块中第一、第二直流电感，S 1,k+1~S 4,k+1为第k+1个光伏子模块中第一至第四原边开关管，L r,k+1为第k+1个光伏子模块的原边漏感，Q 1,k+1~Q 4,k+1为第k+1个光伏子模块中第一至第四副边开关管，C d,k+1为第k+1个光伏子模块中的箝位电容，C o,k+1为第k+1个光伏子模块中的输出滤波电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
参考图1，本发明公开了一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑，其包括：N个光伏子模块SM#1~SM#N；N-1个功率均衡单元PBU#1~PBU#N-1以及中压直流母线MVDC Bus。
每个光伏子模块SM包括：光伏电池板PV和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器为具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器，光伏电池板的输出端口与隔离型DC-DC变换器的输入端口连接。隔离型DC-DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口。
每个光伏子模块中的隔离型DC-DC变换器的原边即输入侧为两个具有升降压特性的变换器交错并联组成逆变电路，包括：第一输入电感L 1,k、第二输入电感L 2,k、第一~第四原边开关管S 1，k~S 4，k组成的输入侧升压半桥、箝位电容C d,k、原边漏感L r,1、变压器原边线圈，四个原边开关管S 1，k~S 4，k可采用MOSFET或IGBT。第一直流电感L 1,k、第一原边开关管S 1,k、第三原边开关管S 3,k、箝位电容C d,k组成变换器输入侧的一个升降压变换器，第二直流电感L 2,k、第二原边开关管S 2,k、第四原边开关管S 4,k、箝位电容C d,k组成变换器输入侧的另一个升降压变换器，第一原边开关管S 1,k与第三原边开关管S 3,k串接形成升压半桥的一个桥臂，第一原边开关管S 1,k与第三原边开关管S 3,k的连接点为升压半桥的一个桥臂中点a，第二原边开关管S 2,k与第四原边开关管S 4,k串接形成升压半桥的另一个桥臂，第二原边开关管S 2,k与第四原边开关管S 4,k的连接点为升压半桥的另一个桥臂的中点b，箝位电容与C d,k升压半桥的两个桥臂并联，第一、第二直流电感L 1,k和L 2,k的一端同时与光伏电池板PV#k的正极相连，第一直流电感L 1,k和第二直流电感L 2,k的另一端分别与输入侧升压半桥的中点a和b相连，同时，a点与第一原边开关管S 1,k的源极、第三原边开关管S 3,k的漏级、原边漏感L r,k的一端相连；b点与第二原边开关管S 2,k的源极、第四原边开关管S 4,k的漏级、变压器原边绕组的非同名端相连；第一原边开关管S 1,k的漏级、第二原边开关管S 2,k的漏级与箝位电容C d,k的正极板相连，第三原边开关管S 3,k的源极、第四原边开关管S 4,k的源极、箝位电容C d,k的负极板与光伏电池板PV#k的负极相连，原边漏感L r,k的另一端与变压器原边绕组的同名端相连，1≤k≤N。
每个光伏子模块中的隔离型DC-DC变换器的副边即输出侧为有源全桥整流电路，包括：变压器副边线圈、第一~第四副边开关管Q 1，k~Q 4，k组成的输出侧有源全桥整流电路、以及滤波电容C o,k，第一~第四副边开关管Q 1，k~Q 4，k可采用MOSFET或IGBT。变压器副边绕组的同名端和非同名端分别连接输出侧有源全桥电路的两桥臂中点c和d；c点与第二副边开关管Q 2,k的源极和第四副边开关管Q 4,k的漏极相连，d点与第一副边开关管Q 1,k的源极和第三副边开关管Q 3,k的漏极相连接；第一副边开关管Q 1,k的漏极、第二副边开关管Q 2,k的漏极与输出滤波电容C o,k的正极板相连，输出滤波电容C o,k的正极板作为第k个光伏子模块输出侧的正极端；第三副边开关管Q 3,k的源极、第四副边开关管Q 4,k的源极与输出滤波电容C o,k的负极板相连，输出滤波电容C o,k的负极板作为第k个光伏子模块输出侧的负极端，1≤k≤N。第k个光伏子模块输出侧的负极端与第k+1个光伏子模块输出侧的正极端相连，第k+1个光伏子模块输出侧的负极端与第k+2个光伏子模块输出侧的正极端相连，第1个光伏子模块输出侧的正极端与中压直流母线的正极母线相连，第N个光伏子模块输出侧的负极端与中压直流母线的负极母线相连。
为了解决光伏子模块间的功率失配问题，在相邻光伏子模块间连接LC功率均衡单元。当各光伏电池板输出功率失衡导致光伏子模块输出功率不匹配时，可通过控制相邻子模块副边全桥间移相角实现相邻子模块之间的功率传输，以均衡各子模块的输出功率，平衡各子模块的输出电压。每个功率均衡单元由电感L B,K和电容C B,K串联构成，其中，电感L B,K的一端作为第K个功率均衡单元的a端与第k个光伏子模块输出侧有源全桥整流电路的中点c点连接，电感L B,K的另一端与电容C B,K的正极板相连，电容C B,K的负极板作为第K个功率均衡单元的b端与第k+1个光伏子模块输出侧有源全桥整流电路的中点c点连接，1≤k≤N，1≤K≤N-1。
本发明还公开一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑的控制策略。新型IIOS变换器的控制器分别采样每个光伏子模块的输入电压、输入电流和输出电压，通过控制每个光伏子模块输入侧开关管与输出侧开关管的移相角d 1,k来实现每个光伏子模块独立的MPPT控制，同时，通过控制相邻光伏子模块输出侧开关管的移相角d 2,k实现相邻光伏子模块的功率均衡。
控制策略如图2所示，光伏子模块中的隔离型DC-DC变换器的第一原边开关管S 1,k和第四原边开关管S 4,k具有相同的驱动信号g S1,k(50%占空比，带有死区)，第二原边开关管S 2,k和第三原边开关管S 3,k具有相同的驱动信号g S2,k(50%占空比，带有死区)，驱动信号g S1,k和g S2,k互补。高频变压器原副边绕组匝比为n=N1:N2，L r,k是变压器原边漏感。光伏子模块中隔离型DC-DC变换器的第一副边开关管Q 1,k和第四副边开关管Q 4,k具有相同的驱动信号g Q1,k(50%占空比，带有死区)，第二副边开关管Q 2,k和第三副边开关管Q 3,k具有相同的驱动信号g Q2,k(50%占空比，带有死区)，驱动信号g Q1,k和g Q2,k互补，1≤k≤N。
本发明公开的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑的控制策略，采用移相PWM控制策略实现光伏子模块MPPT和子模块功率均衡。每个光伏子模块中的隔离型DC-DC变换器的驱动信号g S1,k由g Q2,k移相d 1,k T S获得，控制移相角d 1,k可以控制光伏子模块的输入功率，以实现每个光伏子模块独立的MPPT。第k+1个光伏子模块的驱动信号g Q2,k+1由第k个子模块的驱动信号g Q2,k移相d 2,k T S获得，控制移相角d 2,k可以实现相邻功率子模块间的功率传输，以实现相邻功率子模块间的功率均衡，确保子模块间输出电压均衡。由于移相角d 1,k和d 2,k的控制相互独立，故MPPT控制和功率均衡控制相互独立，不会互相干扰。
图3为本发明公开的一种低输入纹波高增益低损耗的新型IIOS变换器拓扑正常工作的驱动信号和关键波形。第k个光伏子模块SM#k原边开关管S 1,k、S 2,k、S 3,k、S 4,k驱动信号如图3所示，第k个光伏子模块原边漏感L r,k的电压、电流波形分别为v Lr,k、i Lr,k。第k个光伏子模块SM#k副边开关管Q 1,k，Q 2,k，Q 3,k，Q 4,k驱动信号如图3所示。L B,k和C B,k是第k个功率均衡单元PBU#k的电感和电容，电感L B,k电压和电流分别为v LB,k和i LB,k。V SM,k和V SM,k+1分别是稳态下第k个光伏子模块SM#k和第k+1个光伏子模块SM#k+1的输出电压，由电感L B,k伏秒平衡原理可知，电容C B,k电压V CB,k=V SM,k=V SM,k+1。V SM为稳态下光伏子模块输出电压，开关频率为f S，一个开关周期为T S。
本发明公开的光伏直流升压变换器在一个开关周期T S(t 0-t 6)内工作模态如图4所示，一个工作周期可被分为6个模态，每个光伏子模块输入侧两个直流电感的电流相差半个周期，6个模态的电路如图4(a)~图(f)所示。将第k个光伏子模块中的开关管标记为实线，黑色实线表示开关管导通，灰色实线表示开关管关断；将第k+1个光伏子模块中原边开关管以及副边不参与能量流动的开关管标记为虚线，黑色虚线表示开关管导通，灰色虚线表示开关管关断。
图4(a)中，t=[t 0，t1]。在t=t 0时，S 1,k、S 4,k关断，S 2,k、S 3,k导通，Q 2,k、Q 3,k继续导通，Q 2,k+1、Q 3,k+1导通，Q 1,k+1、Q 4,k+1关断，漏感L r,k的电压v Lr,k为负，漏感电流i Lr,k下降，PBU中电感L B电压为0，电感L B电流i LB基本保持恒定。
图4(b)中，t=[t 1，t2]。在t=t 1时，第k 个光伏子模块原边开关管的工作状态保持不变，Q 2,k、Q 3,k关断，Q 1,k、Q 4,k导通，Q 2,k+1、Q 3,k+1导通，Q 1,k+1、Q 4,k+1关断，原边漏感L r,k的电压v Lr,k为0，漏感电流i Lr,k基本保持恒定，PBU中电感L B电压为负，电感L B电流i LB下降。
图4(c)中，t=[t 2，t3]。在t=t 2时，第k 个光伏子模块原副边开关管的工作状态保持不变，Q 2,k+1、Q 3,k+1关断，Q 1,k+1、Q 4,k+1导通，漏感L r,k的电压v Lr,k为0，漏感电流i Lr,k基本保持恒定，PBU中电感L B电压为0，电感L B电流i LB基本保持恒定。
图4(d)中，t=[t 3，t4]。在t=t 3时，S2,k、S3,k关断，S1,k、S4,k导通，第k个、第k+1个光伏子模块副边开关管的工作状态保持不变，原边漏感L r,k的电压为正，漏感电流i Lr上升，PBU中电感L B电压为0，电感L B电流i LB基本保持恒定。
图4(e)中，t=[t 4，t5]。在t=t 4时，第k个光伏子模块原边开关管工作状态保持不变，Q1,k、Q4,k关断，Q2,k、Q3,k导通，第k+1个光伏子模块副边开关管的工作状态保持不变，原边漏感L r,k的电压为0，漏感电流i Lr基本保持恒定，PBU中电感L B电压为正，电感L B电流i LB上升。
图4(f)中，t=[t 5，t6]。在t=t 5时，第k个光伏子模块原副边开关管工作状态保持不变，Q1,k+1、Q4,k+1关断，Q2,k+1、Q3,k+1导通，原边漏感L r,k的电压为0，漏感电流i Lr基本保持恒定，PBU中电感L B电压为0，电感L B电流i LB基本保持恒定。
由上述六个工作模态可知，本发明提出的模块化光伏直流升压变换器，在变换器正常工作时，IIOS变换器的功率传输可分为两个部分：通过复用各子模块输出侧第二副边开关管Q2,k、第四副边开关管Q4,k实现光伏子模块的功率传输和功率均衡单元的功率传输。对PBU#k来说，C B,k是相邻子模块功率传输的媒介。若假设功率从SM#k向SM#k+1传输，SM#k的滤波电容C o,k先向C B,k传输功率，当Q 4,k+1导通时，C B,k向C o,k+1传输功率，实现相邻子模块功率传输。副边全桥电路既参与了独立MPPT控制，又可实现子模块间功率均衡，减小开关器件使用数量。
如图5给出了本发明在一种可能的实施方式时的Matlab/Simulink仿真结果。该实施方式采用3个光伏子模块(N=3)，2个功率均衡单元，光伏电池板输入电压50V，为模拟光伏阵列功率失衡，当t=0.3s时，设置SM#2输入参考电流阶跃变化，变压器匝比N1：N2=1:2。通过调节占空比可对箝位电容电压进行自由调节，实现提升单个光伏子模块升压能力的目的。
图5(a)所示为IIOS变换器中子模块输出电压，为模拟光伏阵列功率失衡，当t=0.3s时，设置SM#2输入参考电流i iref,2由20A阶跃到22A，由图5(a)可知，系统在t=0.3s时出现功率失衡，但在0.1s内SM#1~3输出电压恢复稳定，验证了系统闭环可靠性。
图5(b)所示为第一直流电感L 1,1、第一直流电感L 1,2的电流i L1,1、i L2,1和SM#1光伏电池板输入电流i i,1，两个电感上的电流相位相差半个周期，SM#1光伏电池板输入电流i i,1纹波峰峰值约为0.004A，低压侧的电流脉动得到较大减小，验证了所述IIOS变换器输入电流低纹波的特性。
图5(c)所示为稳态下SM#1光伏电池板输入电流i i,1，输入电流稳定，纹波较低。
图5(d)为SM#1~3光伏电池板的输入电流i i,1、i i,2、i i,3和SM#2的参考输入电流，由图可知，当SM#2输入参考电流i iref,2由20A阶跃到22A时，SM#2光伏电池板的输入电流i i,2跟踪参考电流i iref,变化，实现电流跟随，实现MPPT。
图5(e)所示分别为光伏子模块SM#1原边侧开关管S 1,1、S 2,1的驱动信号g S1,1、g S1,2和漏级源极端管压降v ceS1,1、v ceS2,1，由图5(e)可知，当驱动信号来之前，S 1,1、S 2,1的管压降已降为0V，开关管实现ZVS。

Claims (6)

1.低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，其特征在于，包括：
N个光伏子模块，每个光伏子模块都包括光伏电池板和具有升降压特性的电流源型双有源桥变换器，所述电流源型双有源桥变换器的原边电路为两个具有升降压特性的变换器交错并联组成的半桥升压电路，电流源型双有源桥变换器的副边电路为全桥整流电路，所述半桥升压电路与全桥整流电路通过变压器耦合，一个具有升降压特性的变换器包括：第一直流电感、第一原边开关管、第三原边开关管、箝位电容，另一个具有升降压特性的变换器包括第二直流电感、第二原边开关管、第四原边开关管、箝位电容，所述第一原边开关管的源极与第三原边开关管的漏极连接组成半桥升压电路的第一桥臂，所述第二原边开关管的源极与第四原边开关管的漏极连接组成半桥升压电路的第二桥臂，所述第一直流电感的一端、第二直流电感的一端均与光伏电池板正极连接，第一直流电感的另一端、变压器原边漏感的一端均与所述半桥升压电路第一桥臂的中点连接，所述变压器原边漏感的另一端与变压器原边绕组的一端连接，所述变压器原边绕组的另一端、第二直流电感的另一端均与所述半桥升压电路第二桥臂的中点连接，第一原边开关管的漏极、第二原边开关管的漏极均与箝位电容的一极连接，第三原边开关管的源极、第四原边开关管的源极、箝位电容的另一极均与光伏电池板负极连接，所述全桥整流电路包括：第一副边开关管与第三副边开关管串接组成的全桥整流电路第一桥臂、第二副边开关管与第四副边开关管串接组成的全桥整流电路第二桥臂，全桥整流电路第一桥臂中点与变压器副边线圈的一端连接，全桥整流电路第二桥臂中点、变压器副边线圈的另一端均与功率均衡单元连接，变压器原边线圈与半桥升压电路第一桥臂中点连接的一端、变压器副边线圈与全桥整流电路第二桥臂中点连接的一端互为同名端，全桥整流电路的正极性输出端为光伏子模块的正极端，全桥整流电路的负极性输出端为光伏子模块的负极端，第一个光伏子模块的正极端接中压直流母线的正极母线，第N个光伏子模块的负极端接中压直流母线的负极母线，第k个光伏子模块的负极端连接第k+1个光伏子模块的正极端，第k+1个光伏子模块的负极端接第k+2个光伏子模块的正极端，1≤k≤N；及，
N-1个功率均衡单元，每一个功率均衡单元为电感和电容组成串联支路，第K个串联支路的一端接第k个光伏子模块中全桥整流电路第二桥臂的中点，第K个串联支路的另一端接第k+1个光伏子模块中全桥整流电路第二桥臂的中点，1≤K≤N-1。
2.权利要求1所述低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器，其特征在于，每个光伏子模块中的第一原边开关管与第四原边开关管的驱动信号相同，第二原边开关管与第三原边开关管的驱动信号相同，第一副边开关管与第四副边开关管的驱动信号相同，第二副边开关管与第三副边开关管的驱动信号相同，半桥升压电路的两个开关管驱动信号互补，全桥整流电路的两个开关管驱动信号互补，所述变换器在一个工作周期内经历如下六个模态：
模态一：关断第k个光伏子模块中的第一原边开关管、第四原边开关管，，导通第k个光伏子模块中的第二原边开关管、第三原边开关管、第二副边开关管、第三副边开关管，关断第k+1个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，导通第k+1个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为负且漏感电流下降，第K个串联支路中电感的电压为零且电感电流保持恒定；
模态二：保持第k 个光伏子模块原边开关管的工作状态不变，关断第k个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，导通第k个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，关断第k+1个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，导通第k+1个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为零且漏感电流保持恒定，第K个串联支路中电感的电压为负且电感电流下降；
模态三：保持第k 个光伏子模块原副边开关管的工作状态不变，关断第k+1个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，导通第k+1个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为零且漏感电流保持恒定，第K个串联支路中电感的电压为零且电感电流保持恒定；
模态四：关断k个光伏子模块中的第二原边开关管、第三原边开关管，导通k个光伏子模块中的第一原边开关管、第四原边开关管，保持第k个、第k+1个光伏子模块副边开关管的工作状态不变，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为正且漏感电流上升，第K个串联支路中电感的电压为零且电感电流保持恒定；
模态五：保持第k个光伏子模块原边开关管工作状态不变，关断第k个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，导通第k个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，保持第k+1个光伏子模块副边开关管的工作状态不变，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为零且漏感电流保持恒定，第K个串联支路中电感的电压为正且电感电流上升；
模态六：保持第k个光伏子模块原副边开关管的工作状态不变，关断第k+1个光伏子模块中的第一副边开关管、第四副边开关管，导通第k+1个光伏子模块中的第二副边开关管、第三副边开关管，第k个光伏子模块中的原边漏感的电压为零且漏感电流保持恒定，第K个串联支路中电感的电压为零且电感保持恒定。
3.实现权利要求2所述低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器中各光伏子模块独立MPPT的方法，其特征在于，对第k个光伏子模块全桥整流电路开关管驱动信号移相d 1,k T S获得第k个光伏子模块半桥升压电路开关管的驱动信号，d 1,k为第k个光伏子模块输出侧相对于输入侧的移相角，T S为一个开关周期。
4.实现权利要求2所述低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器中相邻光伏子模块间功率平衡的方法，其特征在于，对第k+1个光伏子模块全桥整流电路开关管驱动信号移相d 2,k T S获得第k个光伏子模块全桥整流电路开关管的驱动信号，d 2,k为第k+1个光伏子模块输出侧相对于第k个光伏子模块输出侧的移相角，T S为一个开关周期。
5.根据权利要求3所述实现低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器中各光伏子模块独立MPPT的方法，其特征在于，获取所述第k个光伏子模块输出侧相对于输入侧的移相角的具体方法为：根据第k个光伏子模块中光伏电池板输出的电压、电流确定第k个光伏子模块最大功率点处的电压，对所述第k个光伏子模块最大功率点处的电压与第k个光伏子模块中光伏电池板实际输出电压的差值进行PI调节，对PI调节结果进行限幅处理得到第k个光伏子模块输出侧相对于输入侧的移相角d 1,k。
6.根据权利要求4所述实现低输入电流纹波高增益低损耗模块化光伏直流升压变换器中相邻光伏子模块间功率平衡的方法，其特征在于，获取所述第k+1个光伏子模块输出侧相对于第k个光伏子模块输出侧的移相角的具体方法为：对第k个光伏子模块输出侧输出电压与第k+1个光伏子模块输出侧输出电压的差值进行PI调节，对对PI调节结果进行限幅处理得到第k+1个光伏子模块输出侧相对于第k个光伏子模块输出侧的移相角d 2,k。
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