一种光伏直流升压汇集用IPOS单级式变换器及控制方法

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。