阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器制造技术

本发明专利技术提供了一种阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，包括准Z源阻抗网络和全桥DC‑DC变换器；其中，所述准Z源阻抗网络和全桥DC‑DC变换器级联构成阻抗型功率变换单元；所述阻抗型功率变换单元的输入端用于连接光伏阵列，输出端相互串联获得直流高压；所述阻抗型功率变换单元的数量为多个。还包括单双极性转换直流变换器；多个阻抗型DC‑DC变换器的输出端相串联后接入所述单双极性转换直流变换器的输入回路。本发明专利技术具备良好的可拓展性，对于我国未来大型直流光伏电站与发电基地的开发建设具有潜在工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器
本专利技术涉及阻抗型变换器电路拓扑与运行控制，具体地，涉及一种阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器。
技术介绍
光伏发电是目前新能源发电最主要的形式之一，是我国未来实现可再生能源替代的主力军。我国光照资源分布情况与电力系统格局决定大规模建设、集中并网接入将成为未来光伏开发利用的重要形式。光伏发电存在功率密度小、出口电压低、随机波动大的固有特征，必须经过汇集系统的升压汇聚方可达到并网条件。传统光伏电站采取交流升压汇集技术，即光伏阵列输出经过MPPT控制与光伏逆变器后得到稳定低压三相交流电，再通过母线汇聚后由升压变压器接入配电网。该方案应用于大型光伏发电基地主要存在两大缺点：1、弱同步支撑下多逆变器并联稳定性问题突出，电压越限与宽频域振荡频发；2、站内与站间交流汇集线路损耗大，系统整体效率偏低。为解决上述问题，可采用光伏直流升压汇集系统构建大型直流光伏发电基地，即光伏阵列输出的低压直流电直接由光伏直流升压变流器泵升至直流配网电压水平，经过进一步汇集后，由VSC换流站集中逆变接入交流大电网或者由大型升压变流站将电压进一步抬升至HVDC水平，实现直流光伏发电基地远距离送出。该方案适用于大规模光伏电站开发建设，目前已经得到国内外学术界、工程界广泛关注，具有光明前景。国家“十三五”重点研发专项计划中已针对该项技术设立专门课题，开展深入研究。典型光伏直流升压汇集系统如图1所示：研制光伏直流升压变流器是实现光伏直流升压汇集接入的关键所在。该变流器需要满足以下技术要求：1、高升压比，可实现从光伏阵列输出端到直流中压配电网的单级升压变换；2、良好的效率特性，确保光伏直流升压汇集系统整体效率满足设计要求；3、满足系统各类运行控制需求、具备高可靠性与良好的运行适应性。目前用于光伏发电系统的高升压比DC－DC变换器主要分为单体结构与多模块串联结构两种类型。受制于电路工作机理、器件工艺水平，单体型变流器升压比有限，无法满足光伏直流升压汇集系统需求。模块串联型变流器一般以隔离型DC-DC作为子变流器单元，采用“独立/并联输入-串联输出”的模式获取高升压比。独立输入模式中(如图2所示)，光伏直流升压变流器输出侧为串联结构。在理想情况下，变流器出口电压Vout将均匀分配至各子模块，且输出电流处处相等。当系统中各子模块输入功率不均衡(即：失配现象)时，由于Vout可视为恒定(受外部强电网支撑)，Vout将不再均匀分配，部分模块输出电压较额定值降低，其余模块输出电压将升高。为使光伏阵列工作在MPPT点，各子模块输入电压基本保持恒定，这意味着各子模块电压增益将偏离额定数值。全桥变换单元最大升压能力受制于高频变压器匝比，当系统静态工作点确定后，进一步提高电压增益的空间往往很小，缺乏灵活的二次调节能力。因此，当功率失配较为严重时，部分子模块电压增益将无法满足系统运行需求，进而导致输入侧MPPT控制失效，输出侧出现串联电流取小效应，造成系统发电能力下降，甚至无法正常运行。为避免上述问题出现，必须消除子模块间输入功率失配，确保功率均衡。而不同光伏阵列间受光照条件，物理参数差异等多重因素影响，难以实现输出功率实时均衡。为解决前述固有矛盾，必须对图2所示结构进行改进，如图3所示，即:在光伏阵列与光伏直流升压变流器间设置低压直流母线，对能量进行初步汇集。在此基础上，将各子模块输入侧并联接入低压直流母线并引入模块间均衡控制策略。此时为保证光伏阵列最大功率追踪精度，需要在低压直流母线与光伏阵列间配置专用分布式MPPT装置。图3所示方案虽然解决了输入功率失配问题，但系统复杂，导致可靠性下降。当低压直流母线任何位置出现短路故障时，均会导致全部光伏阵列将退出运行。同时分布式MPPT装置的引入给系统运行维护带来难度，也不利于外部故障条件下迅速执行场站级协同控保动作。在名称为用于光伏直流模块的高升压比直流变换器的文献中针对光伏直流模块，研究了一种非隔离高升压比直流变换器，该变换器具有宽输入电压、高升压比、高效率等特点。详细分析了该变换器的拓扑结构及工作原理,进行了相关理论公式推导，分析了光伏直流模块的外特性要求并介绍了相应的控制方案。结合直流光伏发电模块的电气技术指标，设计了基于该非隔离高升压比直流变换器的160W光伏模块实验样机，通过实验验证了该电路的特点及理论分析和样机设计的正确性。但是该文献研究的是基于直流母线的光伏发电系统，每块光伏电池板配接一个DC-DC变换器，能独立实现MPPT，多个DC-DC变换器并联形成直流母线，通过公用逆变器并入交流电网。这种基于直流母线的汇集系统拓扑结构可以实现一定范围的升压增益，但对于升压要求高得多的直流并网应用场景，这种拓扑结构并不适用。在名称为Multi-modularcascadedDC-DCconverterforHVDCgridconnectionoflarge-scalephotovoltaicpowersystems的文献中公开了：Large-scalegrid-connectedphotovoltaic(PV)energyconversionsystemsoperateatlowvoltageandareinterfacedtomedium-voltageandhigh-voltageacutilitygridsthroughoneortwostep-upvoltagetransformerstages.Inaddition,thepowerconversionisperformedwitheitherasinglestagedc-acconverter(centralinverter)oratwostagedc-dc/dc-ac(stringormulti-stringinverter).However,primesolarirradiationregionsintheworldarenotalwayslocatedclosetoavailableutilitylines,andinsomecasesarefarawayfrommainconsumptionareas.Furthermore,longoverheadtransmissionslines(>400km)andunderwatertransmissionlinesabove70kM,HVDChasbecomethemostcost-effectivesolution.AmongHVDCtechnologies,voltagesourceconverterbasedHVDCsystem,mainlybasedonthemodularmultilevelconverter(MMC),havebecomepopularduetosmallerfilters,multi-networkconnectionanddecouplingofactiveandreactivepower.Thispaperexploresanewlarge-scalePVplantconfigurationbasedonadc-dcstageinterfaceddirectlytoanMMCbasedHVDCsystem.Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，包括准Z源阻抗网络和全桥DC‑DC变换器；其中，所述准Z源阻抗网络和全桥DC‑DC变换器级联构成阻抗型功率变换单元；所述阻抗型功率变换单元的输入端用于连接光伏阵列，输出端相互串联获得直流高压；所述阻抗型功率变换单元的数量为多个。

【技术特征摘要】
1.一种阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，包括准Z源阻抗网络和全桥DC-DC变换器；其中，所述准Z源阻抗网络和全桥DC-DC变换器级联构成阻抗型功率变换单元；所述阻抗型功率变换单元的输入端用于连接光伏阵列，输出端相互串联获得直流高压；所述阻抗型功率变换单元的数量为多个。2.根据权利要求1所述的阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，还包括单双极性转换直流变换器；多个阻抗型DC-DC变换器的输出端相串联后接入所述单双极性转换直流变换器的输入回路。3.根据权利要求1所述的阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，所述阻抗型功率变换单元包括电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、变压器、电容C1、电容C2、电容C3、开关管的S1、开关管的S2、开关管的S3以及开关管的S4；电感L1的一端连接二极管D5的正极、电容C2的一端；二极管D5的负极连接电感L2的一端、电容C1的一端；电容C2的另一端连接电感L2的另一端、开关管的S1的C端、开关管的S3的C端；开关管的S1的E端连接开关管的S2的C端、变压器中初级线圈的一端；开关管的S3的E端连接开关管的S4的C端、变压器中初级线圈的另一端；电感L1的另一端为正极输入端，开关管的S2的E端、开关管的S4的E端、电容C1的另一端为负极输入端；变压器中次级线圈的一端二极管D1的正极、二极管D2的负极，另一端连接二极管D3的正极、二极管D4的负极；二极管D1的负极、二极管D3的负极、电容C3的一端连接正极输出端，二极管D2的正极、二极管D4的正极、电容C2的另一端连接负极输出端。4.根据权利要求1所述的阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，所述阻抗型功率变换单元的MPPT控制方法采用爬山法。5.根据权利要求3所述的阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括采样模块、控制状态识别模块、控制量计算模块和脉冲调制模块；其中，采样模块，用于测量光伏阵列的输出信息并将所述输出信息传递给控制状态识别模块同时将α和β信息传递给控制状态识别模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，李修一，徐莉婷，蔡旭，蔡文迪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31