一种光伏直流升压汇集用IPOS单级式变换器及控制方法
文献发布时间:2023-06-19 18:25:54
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,主要应用于光伏能量的直流升压汇集,涉及单级式变换器及控制方法。
背景技术
在“双碳”目标引领和全球清洁能源加速应用的背景下,太阳能作为主要的清洁能源之一,发展迅猛,光伏能源的直流汇集方式因其效率高、可控性强和可靠性好等显著优点已成为主流的光伏能源汇集方式。由于光伏阵列板输出电压较低,为与直流母线侧电压相匹配,通常采用IPOS级联的结构,以增大输出电压的同时,减小器件的应力,目前应用于光伏直流升压汇集的IPOS级联变换器按结构可以分为两种形式,一种是两级式,即子模块分为两级,前一级为Boost变换器,后一级为隔离型DCDC变换器,文献(S.Lu,K.Sun,G.Cao,Y.Li,J.-I.Ha and G.-H.Min,"A High Step-Up Modular Isolated DC-DC Converterfor Large Capacity Photovoltaic Generation System Integrated into MVDCGrids,"2019 10th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia,2019)提出的大规模光伏中压直流汇集系统就是如此,其存在成本高、损耗大和传输效率低等问题;另一种是单级式,文献(X.Huang et al.,"Large-scale photovoltaicgeneration system connected to HVDC grid with centralized high voltage andhigh power DC/DC converter,"20th International Conference on ElectricalMachines and Systems(ICEMS),2017)应用的就是单级式DCDC变换器,由于所有开关管为硬关断,开关损耗大,除此之外,还需要额外的均压均流控制,使得最大功率点跟踪与均压均流控制相耦合,控制比较困难。专利(宁光富,戴犇,安凯强,粟梅,刘永露,许国,王辉.一种单级式零电流开关全桥升压直流变换器及其控制方法[P].湖南省:CN114285286A,2022-04-05.)和文献(W.Xiong,M.Wang,G.Ning and M.Su,"A Single-Stage ZCS Boost Modulefor MVDC Collection Converters,"in IEEE Journal of Emerging and SelectedTopics in Power Electronics,2022,)都可以作为IPOS单级式变换器的子模块,其虽然能够实现开关管的软开关,降低开关损耗,提高传输效率,但采用变频控制,而且得分段控制,较为复杂。
发明内容
为了克服上述光伏直流升压汇集用IPOS单级式变换器和两级式变换器的缺点,本发明提出了一种光伏直流升压汇集用IPOS单级式变换器及控制方法,该IPOS单级式变换器能够实现开关管的软开关,传输效率高,同时由于Boost单元的电压增益只与占空比D相关,而与负载和升压电感的大小无关,且全桥LC串联谐振单元工作于直流变压器模式,电压增益只与高频变压器变比有关,因此,在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下,每个子模块采用相同占空比即可实现输出自然均压。
IPOS单级式变换器的子模块包括两个升压电感L
子模块采用脉宽调制方式,其中第一开关管Q
变换器的结构是将N个子模块的输入侧并联接入光伏阵列,N个子模块的输出侧串联接到输出直流母线上,该变换器为单级式光伏直流升压汇集变换器,具有传输效率高、控制方法简单和成本低等特点。
变换器的控制方法在于变换器采集光伏阵列的电压V
与现有技术相比,本发明具有如下优点:1)采用所提到的单级式变换器,相较于两级式变换器,其所用器件较少,成本低;同时与现有单级式变换器相比,开关管能够实现软开关,损耗少,输入电压范围宽,传输效率高。2)当采用相同占空比的控制方法时,能够在实现最大功率点跟踪的同时,在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下,也能够实现变换器的输出均压,相较于目前单级式模块变换器的耦合控制,具有显著的优点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明的IPOS单级式变换器结构;
图2是本发明所用子模块工作时的典型波形图;
图3是本发明系统控制框图;
图4是本发明系统光伏曲线(时间t=1s时,光照强度变强);
图5是本发明子模块参数差异时(子模块2谐振电感L
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
实施方案:本发明IPOS单级式变换器结构如图1所示,其构成形式是将N个子模块输入并联,输出串联,其子模块包括两个升压电感L
子模块采用脉宽调制方式,其中第一开关管Q
根据每个子模块驱动信号的特点,占空比D需满足式(1)的关系,以保证全桥LC串联谐振单元工作在直流变压器模式,式中f
在升压电感L
(V
在全桥LC串联谐振单元上运用能量守恒定律,见式(4),进一步可以得出电压增益表达式为式(5),式中n为变压器变比,因此全桥LC串联谐振单元工作在直流变压器模式。
V
要使得全桥LC串联谐振单元工作于直流变压器模式,谐振电容上的电压最大值V
V
另外,由波形图不难看出可以实现开关管开通时的软开关,传输效率高。
变换器的结构是将N个子模块的输入侧并联接入光伏阵列,N个子模块的输出侧串联接到输出直流母线上,该变换器为单级式光伏直流升压汇集变换器,具有传输效率高、控制方法简单和成本低等特点。
IPOS单级式变换器的控制方法是采集光伏阵列的电压V
由式(3)和式(5)可知,子模块是由交错并联Boost单元与全桥LC串联谐振单元集成的单级式变换器,Boost单元的电压增益只与占空比D相关,而LC串联谐振单元工作于直流变压器模式,电压增益只与高频变压器变比有关,子模块增益表达式如式(7)所示,,因此在不同模块给定相同输入电压和相同占空比D后,在保证子模块高频变压器变比在允许的误差范围内的前提下,各子模块输出能够自然均压。
表1子模块参数
以3个子模块搭建的IPOS单级式变换器为例进行仿真,单个子模块仿真参数如表1所示,光伏阵列当光照最大时,输出最大功率为2kW,变换器输出连接750V直流母线。
图4表示了当光照变化时,光伏曲线的变化过程,由曲线不难看出,该变换器在光照变化时,能够自动跟踪最大功率点。
图5表征了子模块谐振电感的差异不影响变换器的输出自然均压。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作任何其他形式的限制,而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化,仍属于本发明所要求保护的范围。
- 基于IPOS直流升压的光伏汇集接入系统协调控制方法
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