CN115242092A - 飞跨电容三电平dcdc变换器、光伏系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种飞跨电容三电平DCDC变换器、光伏系统及控制方法，飞跨电容三电平DCDC变换器包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、飞跨电容和控制器；控制器，直流母线电压与飞跨电容的电压之差大于或等于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压。当直流母线电压太高或者飞跨电容预充电压过低，此时DCDC变换器工作，第二二极管将承受太高的电压，容易使第二二极管损坏，因此，通过降低直流母线电压，飞跨电容Cf会同步被充电抬升，直至直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐压，此时DCDC变换器进行工作，可以保证第二二极管的安全。

Description

飞跨电容三电平DCDC变换器、光伏系统及控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种飞跨电容三电平DCDC变换器、光伏系统及控制方法。

背景技术

为了提高光伏组串的发电效能，光伏系统通常在光伏组串和逆变器之间加入一级DCDC变换器，一般包括多路DCDC变换器，多路DCDC变换器的输出端并联连接逆变器的输入端。高压系统常用的DCDC变换器一般采用三电平Boost电路。与两电平Boost电路相比，三电平Boost电路中功率器件的电压应力减半，输入电流纹波大幅减小，降低电感的体积和成本。

参见图1，该图为一种带有飞跨电容和钳位二极管的三电平DCDC变换器的示意图。

带有飞跨电容的三电平Boost电路包括：电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和飞跨电容Cf；另外，还包括输入电容Cin，输入电压为Vin。Boost电路还包括串联的两个输出电容Co1和Co2，Co1和Co2的公共点为直流母线中点。输出电压为直流母线电压Vbus。为了同步实现对飞跨电容的预充电及保证Boost电路启动时各功率器件的电压应力要求，还包括钳位二极管D3。飞跨电容Cf的第二端通过第三二极管D3连接直流母线中点。飞跨电容Cf的第一端连接D1和D2的公共端。

由于光伏系统中多个Boost电路的输出端并联在一起，可能存在有的Boost电路的输入电压高，有的输入电压低，而多路Boost输出并联时，其并联输出直流母线电压由输入电压最高的一路Boost确定，这将导致输入电压较低的Boost电路的飞跨电容电压只能充电至远小于半母线的电压，甚至无法实现预充电。此时若启动输入电压较低的Boost电路开关管工作，其二极管D2将承受过高的反压，导致过压失效风险。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供一种飞跨电容三电平DCDC变换器、光伏系统及控制方法，能够保护飞跨电容三电平DCDC变换器中各功率器件的安全。

本申请提供一种飞跨电容三电平DCDC变换器，包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、飞跨电容和控制器；

电感的第一端连接DCDC变换器的正输入端，电感的第二端、第一二极管的阳极、第一开关管的第一端均连接第一节点；

第一二极管的阴极、第二二极管的阳极、飞跨电容的第一端均连接第二节点；

第一开关管的第二端通过第二开关管连接DCDC变换器的负输入端，飞跨电容的第二端通过第三二极管连接直流母线中点，第二二极管的阴极连接DCDC变换器的正输出端，DCDC变换器的负输出端和负输入端连接在一起；

控制器，用于直流母线电压与飞跨电容的电压之差大于或等于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压。

优选地，控制器，具体用于控制DCAC电路工作来降低直流母线电压，DCAC电路的输入端用于连接直流母线；

或，

控制连接直流母线的负载工作来降低直流母线电压。

优选地，控制器，还用于直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器工作。

优选地，控制器，具体用于飞跨电容的电压小于预设电压值，控制第二开关管的占空比大于第一开关管的占空比；飞跨电容的电压大于预设电压值，控制第二开关管的占空比小于第一开关管的占空比。

优选地，控制器，还用于飞跨电容的电压等于预设电压值，控制第二开关管的占空比等于第一开关管的占空比。

本申请还提供一种光伏系统，包括至少两个以上介绍的飞跨电容三电平DCDC变换器；还包括：DCAC电路；

至少两个飞跨电容三电平DCDC变换器的输出端并联在一起连接DCAC电路的输入端；

每个飞跨电容三电平DCDC变换器的输入端用于连接对应的光伏组串。

本申请还提供一种飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法，DCDC变换器包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和飞跨电容；

该方法包括：

获得直流母线电压和飞跨电容的电压；

判断直流母线电压与飞跨电容的电压之差大于或等于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压。

优选地，降低直流母线电压，具体包括：

控制DCAC电路工作来降低直流母线电压，DCAC电路的输入端用于连接直流母线；

或，

控制连接直流母线的负载工作来降低直流母线电压

优选地，还包括：直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器工作。

优选地，控制DCDC变换器工作，具体包括：

飞跨电容的电压小于预设电压值，控制第二开关管的占空比大于第一开关管的占空比；

飞跨电容的电压大于预设电压值，控制第二开关管的占空比小于第一开关管的占空比。

优选地，还包括：飞跨电容的电压等于预设电压值，控制第二开关管的占空比等于第一开关管的占空比。

由此可见，本申请具有如下有益效果：

本申请提供的飞跨电容三电平DCDC变换器，通过判断直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于第二二极管的耐压，来选择是否开启飞跨电容三电平DCDC变换器进行工作，当直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于或等于第二二极管的耐压时，说明直流母线电压太高或者飞跨电容预充电压过低，此时DCDC变换器工作，第二二极管将承受太高的电压，容易使第二二极管损坏，因此，通过降低直流母线电压，飞跨电容Cf会同步被充电抬升，直至直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐压，此时DCDC变换器进行工作，可以保证第二二极管的安全。

附图说明

图1为一种带有飞跨电容的三电平Boost电路的示意图；

图2为本申请提供的一种光伏系统的示意图；

图3为本申请提供的第二二极管承受电压分析示意图；

图4为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光伏系统的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。

本申请实施例具体不限定飞跨电容三电平DCDC变换器的应用场景，只要多个DCDC变换器的输出端并联在一起即可，例如可以应用于光伏系统的场景，每个DCDC变换器的输入端连接对应的光伏组串。

为了方便描述，以下将飞跨电容三电平DCDC变换器简称为DCDC变换器。

下面以DCDC变换器应用于光伏系统为例进行介绍。

参见图2，该图为一种光伏系统的示意图。

光伏系统包括两级，一级为DCDC变换器，另一级为DCAC电路。其中以DCDC变换器包括Boost电路为例进行介绍。

为了便于描述，以两个Boost电路并联为例。

第一Boost电路101的输入端连接光伏组串PV1，第二Boost电路102的输入端连接光伏组串PV2，第一Boost电路101的输出端和第二Boost电路102的输出端并联在一起，均连接DCAC电路103的输入端。DCAC电路103的输出端可以连接电网，也可以连接交流负载。DCAC电路103可以为三相也可以为单相。

下面以Boost电路为带有飞跨电容的三电平Boost电路为例进行介绍。

继续参见图1。

带有飞跨电容的三电平Boost电路包括：电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和飞跨电容Cf；

电感L的第一端连接DCDC变换器的正输入端，电感L的第二端、第一二极管D1的阳极、第一开关管Q1的第一端均连接第一节点；

第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极、飞跨电容Cf的第一端均连接第二节点；

第一开关管Q1的第二端通过第二开关管Q2连接DCDC变换器的负输入端，飞跨电容Cf的第二端通过第三二极管D3连接直流母线中点，第二二极管D2的阴极连接DCDC变换器的正输出端，DCDC变换器的负输出端和负输入端连接在一起。

D3可以实现钳位的作用，可在输入上电时同步实现对飞跨电容Cf的预充电及开关管电压应力的钳位，将飞跨电容Cf的电压预充电至接近母线电压的一半，因而无需额外的预充电电路，便可可保证Boost电路启动时各功率器件的电压应力要求。

另外，Boost电路还包括输入电容Cin，Cin并联在Boost电路的正输入端和负输入端之间，输入电压为Vin。Boost电路还包括串联的两个输出电容Co1和Co2，Co1和Co2的公共点为直流母线中点，原则上Co1和Co2的容值相等，直流母线中点的电压为直流母线电压Vbus的一半。输出电压为直流母线电压Vbus。

应该理解，由于多个Boost电路的输出端并联在一起连接直流母线，因此，直流母线电压Vbus会影响单个Boost电路的输出电压，稳态时，各个Boost电路的输出电压将与直流母线电压Vbus一致。

在光伏系统的应用场景，各个Boost电路的输入电压可能不同，例如，受电站现场地形、太阳辐照及外部环境因素(如光伏组件安装倾角、组件乌云或草木遮挡、冰雪/灰尘/风沙覆盖等)影响，每路Boost电路的输入电压可能存在较大差异。

由于多路Boost电路的输出端并联在一起，直流母线电压Vbus由输入电压最高的一路Boost电路决定，导致较低输入电压的某路Boost电路的飞跨电容的电压只能充电至远小于直流母线电压Vbus的一半，即远小于半母线电压，甚至无法实现预充电。进一步，由于飞跨电容Cf的电压较低，此时如果启动开关管工作(如Q2导通)，二极管D2将存在过压(Vbus-Vcf)失效的风险。下面结合附图进行详细分析。

参见图3，该图为本申请提供的第二二极管承受电压分析示意图。

以1500V光伏系统为例，其中包括两路Boost电路并联为例，假定一路Boost电路的输入电压Vin为800V，另一路Boost电路的输入电压为1400V，此时输出母线电压将达到1400V。

对于输入电压Vin为800V的Boost电路而言，由于半母线电压，即Co1和Co2上的电压相等，均为Vco2＝700V，输入电压Vin只能将飞跨电容Cf的电压预充电至100V，此时若直接启动开关管Q2导通工作，二极管D2将承受高压失效风险(VD2＝Vbus-Vcf＝1400V-100V＝1300V)，其中，Vcf表示飞跨电容Cf的电压。

本申请为了解决以上的技术问题，提供了一种飞跨电容三电平DCDC变换器，下面结合附图进行详细介绍。

参见图4，该图为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器的示意图。

本实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器中各个器件的连接关系可以参见图2的描述，在此不再赘述。

控制器400，用于直流母线电压Vbus与飞跨电容Cf的电压之差大于或等于第二二极管D2的耐受电压，控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压Vbus。

本申请实施例不具体限定第二二极管D2的耐受电压大小，可以根据飞跨电容三电平DCDC变换器应用场景的直流母线电压等级来选择第二二极管，例如直流母线电压等级可以为1500V左右，也可以为更高电压等级，也可以为更低电压等级。

直流母线电压在降低过程中，飞跨电容Cf逐渐被充电，飞跨电容Cf的电压逐渐升高。

本申请实施例不具体限定降低直流母线电压Vbus的具体方式，例如，控制器，具体用于控制DCAC电路工作来降低直流母线电压Vbus，DCAC电路的输入端用于连接直流母线；DCAC电路可以通过控制电参数的改变来降低直流母线电压Vbus。

或，

控制连接直流母线的负载工作来降低直流母线电压Vbus，即通过消耗能量来降低直流母线电压Vbus。

例如，负载可以为开关电源装置，也可以为放电电路装置等。

控制器400，还用于直流母线电压Vbus与飞跨电容Cf的电压之差小于第二二极管D2的耐受电压，控制DCDC变换器工作，即此时DCDC变换器工作，不会使第二二极管D2承受过高的耐压，不会使第二二极管D2损坏。

其中，控制器400控制DCDC变换器工作主要是向Q1和Q2发送驱动信号，驱动Q1和Q2的开关状态。控制器400控制DCDC变换器停止工作，是停止发送驱动信号，即封波，Q1和Q2保持断开状态，不动作。

本申请实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器，通过判断直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于第二二极管的耐压，来选择是否开启飞跨电容三电平DCDC变换器进行工作，当直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于或等于第二二极管的耐压时，说明直流母线电压太高或飞跨电容预充电电压过低，此时DCDC变换器工作，第二二极管将承受太高的电压，容易使第二二极管损坏，因此，通过降低直流母线电压，飞跨电容Cf会同步被充电抬升，直至直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐压，此时DCDC变换器进行工作，可以保证第二二极管的安全。

本申请实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器，即使在直流母线高压及某路DCDC变换器低压输入条件下，本方案可以直接启动DCDC变换器，因此可拓宽了DCDC变换器的MPPT工作范围，进而提升系统发电量。同时本方案无需增加额外成本，采用软件控制方案，即可解决了直流母线高压时对应低压输入路DCDC变换器启机时二极管的电压应力风险及悬浮电容电压的预充电问题。

控制器控制DCDC变换器进行工作，具体可以包括以下三种情况：

第一：

控制器，具体用于飞跨电容的电压小于预设电压值，控制第二开关管的占空比大于所述第一开关管的占空比；即，为了给飞跨电容充电，升高飞跨电容的电压。

第二：

飞跨电容的电压大于预设电压值，控制第二开关管的占空比小于第一开关管的占空比。即，为了使飞跨电容放电，降低飞跨电容的电压。

第三：

控制器，还用于飞跨电容的电压等于预设电压值，控制第二开关管的占空比等于第一开关管的占空比。

本申请实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器，不仅可以保证第二二极管的安全，还可以在第二二极管安全工作的前提下，使飞跨电容的电压稳定在预设电压值。

另外，本申请实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器，还可以实时检测飞跨电容三电平DCDC变换器的输入电压，即光伏组串的电压，由于飞跨电容三电平DCDC变换器的输入电压太低时，即使飞跨电容三电平DCDC变换器不工作，飞跨电容的电压无法通过充电来升高，即使采用本申请以上提供的方式，降低直流母线电压，仍然不能满足直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐压。因此，可以通过判断飞跨电容三电平DCDC变换器的输入电压来判断是否进入以上的控制方式，即控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压。

基于以上实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器，本申请实施例还提供一种光伏系统，下面结合附图进行详细介绍。

参见图5，该图为本申请实施例提供的一种光伏系统的示意图。

本申请实施例提供的光伏系统，包括至少以上介绍的飞跨电容三电平DCDC变换器；本申请实施例具体不限定飞跨电容三电平DCDC变换器并联的数量，为了方便描述，图5中以两个飞跨电容三电平DCDC变换器为例进行介绍。即第一飞跨电容三电平DCDC变换器101和第二飞跨电容三电平DCDC变换器102。每个所述飞跨电容三电平DCDC变换器的输入端用于连接对应的光伏组串。即，第一飞跨电容三电平DCDC变换器101连接PV1，第二飞跨电容三电平DCDC变换器102的输入端连接PV2。

该光伏系统还包括：DCAC电路103；

至少两个飞跨电容三电平DCDC变换器的输出端并联在一起连接DCAC电路103的输入端；即第一飞跨电容三电平DCDC变换器101的输出端和第二飞跨电容三电平DCDC变换器102的输出端均连接DCAC103电路的输入端。

例如，第一飞跨电容三电平DCDC变换器101的输入电压Vin为800V，第二飞跨电容三电平DCDC变换器102的输入电压为1400V，此时直流母线电压Vbus将达到1400V。此时，如果第一飞跨电容三电平DCDC变换器101中的导通Q2，则第一飞跨电容三电平DCDC变换器101中的D2将有失效的风险。因此，为了保护D2，控制器此时控制第一飞跨电容三电平DCDC变换器101和第二飞跨电容三电平DCDC变换器102均不工作，降低直流母线电压Vbus，使直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于D2的耐压，才控制第一飞跨电容三电平DCDC变换器101和第二飞跨电容三电平DCDC变换器102工作。

本申请实施例提供的光伏系统，可以保证每个飞跨电容三电平DCDC变换器中第二二极管的安全，因此，可以保证每个飞跨电容三电平DCDC变换器的安全，从而使光伏系统可以正常工作，进而提高光伏系统的发电效率。

基于以上实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器及光伏系统，本申请实施例还提供一种飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。

参见图6，该图为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法的流程图。

本实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法，应用于以上实施例介绍的飞跨电容三电平DCDC变换器，其中，飞跨电容三电平DCDC变换器包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和飞跨电容；

该方法包括：

S601：获得直流母线电压和飞跨电容的电压；

S601：判断直流母线电压与飞跨电容的电压之差大于或等于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器不工作，降低直流母线电压。

降低直流母线电压，具体包括：

控制DCAC电路工作来降低直流母线电压，DCAC电路的输入端用于连接直流母线；

或，

控制连接直流母线的负载工作来降低直流母线电压。

本实施例提供的控制方法，还包括：直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐受电压，控制DCDC变换器工作。

其中，控制DCDC变换器工作，具体包括：

飞跨电容的电压小于预设电压值，控制第二开关管的占空比大于第一开关管的占空比；

飞跨电容的电压大于预设电压值，控制第二开关管的占空比小于第一开关管的占空比。

该方法，还包括：飞跨电容的电压等于预设电压值，控制第二开关管的占空比等于第一开关管的占空比。这样可以保证飞跨电容的充电和放电保持平衡。

本申请实施例提供的飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法，通过判断直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于第二二极管的耐压，来选择是否开启飞跨电容三电平DCDC变换器进行工作，当直流母线电压与飞跨电容的电压之差是否大于或等于第二二极管的耐压时，说明直流母线电压太高或悬浮电容预充电电压过低，此时DCDC变换器工作，第二二极管将承受太高的电压，容易使第二二极管损坏，因此，通过降低直流母线电压，飞跨电容Cf会同步被充电抬升，直至直流母线电压与飞跨电容的电压之差小于第二二极管的耐压，此时DCDC变换器进行工作，可以保证第二二极管的安全。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种飞跨电容三电平DCDC变换器，其特征在于，包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、飞跨电容和控制器；

所述电感的第一端连接所述DCDC变换器的正输入端，所述电感的第二端、所述第一二极管的阳极、所述第一开关管的第一端均连接第一节点；

所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阳极、所述飞跨电容的第一端均连接第二节点；

所述第一开关管的第二端通过所述第二开关管连接所述DCDC变换器的负输入端，所述飞跨电容的第二端通过所述第三二极管连接直流母线中点，所述第二二极管的阴极连接所述DCDC变换器的正输出端，所述DCDC变换器的负输出端和负输入端连接在一起；

所述控制器，用于直流母线电压与所述飞跨电容的电压之差大于或等于所述第二二极管的耐受电压，控制所述DCDC变换器不工作，降低所述直流母线电压。

2.根据权利要求1所述的DCDC变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于控制DCAC电路工作来降低所述直流母线电压，所述DCAC电路的输入端用于连接所述直流母线；

或，

控制连接所述直流母线的负载工作来降低所述直流母线电压。

3.根据权利要求1或2所述的DCDC变换器，其特征在于，所述控制器，还用于所述直流母线电压与所述飞跨电容的电压之差小于所述第二二极管的耐受电压，控制所述DCDC变换器工作。

4.根据权利要求3所述的DCDC变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于所述飞跨电容的电压小于预设电压值，控制所述第二开关管的占空比大于所述第一开关管的占空比；所述飞跨电容的电压大于所述预设电压值，控制所述第二开关管的占空比小于所述第一开关管的占空比。

5.根据权利要求4所述的DCDC变换器，其特征在于，所述控制器，还用于所述飞跨电容的电压等于预设电压值，控制所述第二开关管的占空比等于所述第一开关管的占空比。

6.一种光伏系统，其特征在于，包括至少两个权利要求1-5任一项所述的飞跨电容三电平DCDC变换器；还包括：DCAC电路；

至少两个所述飞跨电容三电平DCDC变换器的输出端并联在一起连接所述DCAC电路的输入端；

每个所述飞跨电容三电平DCDC变换器的输入端用于连接对应的光伏组串。

7.一种飞跨电容三电平DCDC变换器的控制方法，其特征在于，所述DCDC变换器包括：电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和飞跨电容；

该方法包括：

获得直流母线电压和所述飞跨电容的电压；

判断所述直流母线电压与所述飞跨电容的电压之差大于或等于所述第二二极管的耐受电压，控制所述DCDC变换器不工作，降低所述直流母线电压。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述降低所述直流母线电压，具体包括：

控制DCAC电路工作来降低所述直流母线电压，所述DCAC电路的输入端用于连接所述直流母线；

或，

控制连接所述直流母线的负载工作来降低所述直流母线电压。

9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，还包括：所述直流母线电压与所述飞跨电容的电压之差小于所述第二二极管的耐受电压，控制所述DCDC变换器工作。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述DCDC变换器工作，具体包括：

所述飞跨电容的电压小于预设电压值，控制所述第二开关管的占空比大于所述第一开关管的占空比；

所述飞跨电容的电压大于所述预设电压值，控制所述第二开关管的占空比小于所述第一开关管的占空比。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，还包括：所述飞跨电容的电压等于预设电压值，控制所述第二开关管的占空比等于所述第一开关管的占空比。

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