一种基于双母线结构的光伏直流升压变换器及控制方法

本发明属于光伏发电及电力电子变换器，特别涉及一种基于双母线结构的光伏直流升压变换器及控制方法。

背景技术：

1、光伏发电作为目前可再生资源开发和利用的主要形式之一，随着光伏能源在电网中的渗透率不断提高，且大规模汇集、远距离输送的需求愈加迫切，光伏交流升压汇集技术存在的效率与稳定性问题已经不能很好地适应发展。光伏直流升压汇集具有效率高、稳定性强等优点，更适应于大规模光伏能源的汇集并网与长距离送出。

2、现阶段的光伏直流升压变换器为达到功率等级高、电压增益高的要求，多采子模块输出侧串联的模块化dc/dc转换器以达到要求。现阶段多模块级联型的光伏直流升压变换器主要分为四种，分别为输入独立输出串联(input-independent output-series,iios)型、输入并联输出串联型(input-parallel output-series,ipos)两级变换(two-stageconversion,tsc)型、和共低压母线(low-voltage bus based,lvbb)型三种架构。iios型结构简单、功率变换级数少、损耗小，然而此种变换器结构存在严重的功率失配问题，由此带来的输出电压不均可能导致损耗增加、功率换流和mppt失效，甚至损坏开关器件等。ipos型结构解决了功率失配时变换器单元输出电压不均的问题，但需要大量分布式mppt装置，带来系统运行和维修困难、成本增加等问题。tsc型结构在iios型结构的基础上增加了后级变换器，用于升压和输出均压。lvbb型结构在ipos型结构的基础上增加了前级变换器，用于独立mppt控制。这两种结构能一定程度上解决功率失配的问题，但需要经过两级功率变换，严重影响了系统效率。

3、申请公布号为cn106787707a名称为“内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器及应用方法”发明专利，提出的光伏直流升压变换器采用子模块级联的结构，其变换子模块使用的是两端口隔离型全桥dc-dc变换器，并在其每个光伏阵列的输出端配置了混合储能模块及对应的双向升/降压变换器，通过控制混合储能模块的输出功率来实现功率均衡。但混合储能模块的投入会导致成本大大提高，且功率均衡能力受储能容量限制。

4、申请公布号为cn115051572a名称为“带有串联谐振型lc功率自均衡单元的iios变换器及方法”和申请公布号为cn114785145a名称为“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”都应用于光伏能源直流汇集并网的场景，均采用以两端口变换器为子模块的iios型结构，且都采用功率均衡单元传输光伏失配功率，以实现变换器子模块的输出均衡。但功率均衡单元开关管与子模块的副边开关管集成，使得在功率不均时副边开关管承受的电流应力大大增加。

技术实现思路

1、针对背景技术存在的问题，本发明提供了一种基于双母线结构的光伏升压变换器及功率平衡控制方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于双母线结构的光伏直流升压变换器，光伏直流升压变换器包括n个光伏阵列，n为大于等于2的自然数，与之对应连接的n个三有源桥变换器、低压直流母线以及中压直流母线。

3、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器中，三有源桥变换器包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7、第八开关管s8、第九开关管s9、第十开关管s10、第十一开关管s11、第十二开关管s12；一次侧第一电容c1、一次侧第二电容c2、二次侧第一电容c3；一次侧第一电感l1、一次侧第二电感l2、二次侧第一电感l3，高频隔离变压器一次侧第一线圈n1、高频隔离变压器一次侧第二绕圈n2、高频隔离变压器二次侧第一绕圈n3；

4、一次侧第一电容c1的正极分别连接第一开关管s1的漏极、第三开关管s3的漏极，一次侧第一电容c1的负极分别连接第二开关管s2的源极、第四形状管s4的源极；

5、一次侧第二电容c2的正极分别连接第五开关管s5的漏极、第七开关管s7的漏极，一次侧第二电容c2的负极分别连接第六开关管s6的源极、第八开关管s8的源极；

6、二次侧第一电容c3的正极分别连接第九开关管s9的漏极、第十一开关管s11的漏极，二次侧第一电容c3的负极分别连接第十开关管s10的源极、第十二开关管s12的源极；

7、第一开关管s1的漏极与第三开关管s3的漏极连接，第一开关管s1的源极与第二开关管s2的漏极连接，第二开关管s2的源极与第四开关管s4的源极连接，第三开关管s3的源极与第四开关管s4的漏极连接；第五开关管s5的漏极与第七开关管s7的漏极连接，第五开关管s5的源极与第六开关管s6的漏极连接，第六开关管s6的源极与第八开关管s8的源极连接，第七开关管s7的源极与第八开关管s8的漏极连接；

8、第九开关管s9的漏极与第十一开关管s11的漏极连接，第九开关管s9的源极与第十开关管s10的漏极连接，第十开关管s10的源极与第十二开关管s12的源极连接，第十一开关管s11的源极与第十二开关管s12的漏极连接；

9、高频隔离变压器一次侧第一绕圈n1的一端连接第一开关管s1的源极并与一次侧第一电感l1相连，另一端连接第四开关管s4的漏极；高频隔离变压器一次侧第二绕圈n2的一端连接第五开关管s5的源极并与一次侧第二电感l2相连，另一端连接第八开关管s8的漏极；高频隔离变压器二次侧第一绕圈n3的一端连接第九开关管s9的源极并与二次侧第一电感l3相连，另一端连接第十二开关管s12的漏极。

10、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器中，一次侧第一电容c1的两端构成三有源桥变换器的第一端口；一次侧第二电容c2的两端构成三有源桥变换器的第二端口；二次侧第一电容c3的两端构成三有源桥变换器的第三端口。

11、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器中，三有源桥变换器的第一端口作为能量输入端口，接入光伏阵列，实现mppt控制；

12、三有源桥变换器的第二端口作为能量双向流动端口，并联接入低压直流母线，用于从低压直流母线吸收能量或向低压直流母线输送能量；

13、三有源桥变换器的第三端口作为能量输出端口，依次串联接入中压直流母线。

14、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器中，低压直流母线接入本地负载以及传输失配功率，n个三有源桥变换器的第二端口连接到低压直流母线，通过功率平衡控制实现n个三有源桥变换器之间的失配功率转移，使得n个三有源桥变换器第三端口输出端功率均衡，进而实现输出均压。

15、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器中，n个光伏阵列输入功率均相同，无失配功率流过低压直流母线，n个三有源桥变换器之间无失配功率转移，所有光伏阵列的输入功率经过一级功率变换并入中压直流电网；

16、n个光伏阵列中存在光伏阵列输入功率不相同，失配功率将从输入功率高的三有源桥变换器通过低压直流母线传输到输入功率低的三有源桥变换器，n个三有源桥变换器的第三端口输出功率相等；

17、流经低压直流母线的部分失配功率经过两级功率变换，其余输入功率经过一级功率变换。

18、一种基于双母线结构的光伏直流升压变换器的功率平衡控制方法，当光伏输入功率不均导致光伏直流升压变换器功率失配时，该控制方法使得失配功率通过低压直流母线转移，实现中压侧的功率均衡和自主均压，并通过在控制回路中附加电压偏移量，同时实现均压和低压直流母线的电压稳定。

19、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器的功率平衡控制方法中，光伏直流升压变换器的功率平衡控制方法具体步骤如下：

20、最大功率点跟踪：采集n个光伏阵列的输出电压和输出电流，得到n个三有源桥变换器第一端口的输入电压值v1_i和输入电流值i1_i，通过mppt控制模块得到第一端口的输入电压参考值v1ref_i；利用三有源桥变换器第一端口的输入电压值v1_i与三有源桥变换器第一端口的输入电压参考值v1ref_i的差值，经过pi控制器和限幅环节得到移相占空比d13，作为n个三有源桥变换器第一端口与三有源桥变换器第三端口驱动信号之间移相角度的占空比，使得n个光伏阵列在其最大功率点处工作；

21、输出均压步骤：采集n个三有源桥变换器第二端口的输出电压值v2_i、第三端口的输出电压值v3_i，n个三有源桥变换器第二端口的输出电压参考值为v2ref、三有源桥变换器第三端口的输出电压参考值v3ref，利用三有源桥变换器第三端口输出电压值v3_i与三有源桥变换器第三端口的输出电压参考值v3ref的差值，并叠加三有源桥变换器第二端口的输出电压参考值v2ref和电压偏移量δv2，得到n个三有源桥变换器第二端口的瞬时输出电压参考值v2ref_i；利用三有源桥变换器第二端口输出电压值v2_i与三有源桥变换器第二端口的瞬时输出电压参考值v2ref_i的差值，经过pi控制器和限幅环节得到移相占空比d12，作为n个三有源桥变换器第一端口与第二端口驱动信号之间移相角度的占空比；其中，v2ref_i＝v2ref+kvo(v3_i-v3ref_i)-δv2，kvo为v3_i与v3ref_i之差的放大系数；

22、电压偏移量为kj为三有源桥变换器第三端口的实际电压平均值与参考值之差的放大系数。

23、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器的功率平衡控制方法中，通过移相占空比d12的控制包括：

24、三有源桥变换器第三端口的输出电压值v3_i升高时，对应三有源桥变换器第二端口的参考电压v2ref_i随之升高，移相占空比d12增大，使得三有源桥变换器的第一端口传输给第二端口的功率p12增大，相应的第三端口功率p13减小；反之亦然。

25、在上述基于双母线结构的光伏直流升压变换器的功率平衡控制方法中，通过电压偏移量δv2的控制包括：

26、三有源桥变换器第三端口的输出电压值v3_i升高时，对应的三有源桥变换器第二端口的电压偏移量δv2也随之升高，使得n个三有源桥变换器第二端口的瞬时输出电压参考值v2ref_i近似等于三有源桥变换器第二端口的输出电压参考值v2ref。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提出的一种基于双母线结构的光伏直流升压变换器及控制方法，相较于iios型结构，本发明通过低压直流母线对失配功率的转移，使得变换器单元的输出功率相等，从而在根本上解决功率失配问题，提高变换器系统的宽范围运行能力；相较于ipos结构，本发明无需分布式mppt装置，能够实现独立mppt控制。此外，除去失配功率，本发明中的光伏输入功率只需经过一级功率变换，有利于系统高效率运行。

28、本发明采用三端口的三有源桥变换器作为子模块，无需额外的储能装置，通过低压直流母线传输失配功率，系统成本较低且功率均衡能力较强。

29、本发明采用三端口的三有源桥变换器作为子模块，失配功率通过低压母线转移，不会额外增加开关管的电流应力。