一种新型光伏模块化多电平变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种新型光伏模块化多电平变换器及其 控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前的太阳能光伏发电基本都以交流并网形式为主，无论是集中式光伏逆变器还 是分布式光伏逆变器，其输出电压都较低，多为400V以下，如果要将光伏发电接入直流配 电网，则逆变器的输出需要经过隔离变压器升压，再经过VSC整流后再并入直流配电网。此 系统有设备多、占地面积大、结构复杂、转换效率低等不足。常见的基于模块化级联的光伏 发电直流并网系统中，将光伏阵列的输出通过隔离式直流变换器接入半桥子模块，多个这 样的子模块输出通过级联形式连结，通过调节投入的子模块数量来获得期望的直流电压并 接入直流配电网进行电能输送。通过这种结构，不仅可以满足相应的电压以及功率等级要 求，而且从光伏电池输出的直流电能只需要经过一级变换再经串联输出即可并入直流配电 网，省去中间的交流环节和升压变压器，降低成本，提高光伏发电系统的整体效率。此外， 采用模块化设计，还可提高系统的冗余性和可靠性。美国德州农工大学开展了基于模块化 级联的大型光伏电站高压直流并网研究，对光伏发电采用高压直流并网形式进行电能馈送 (Echeverria J, Kouro S, Perez M, Abu-Rub H. Multi-modular cascaded DC-DC converter for HVDC grid connection of large-scale photovoltaic power systems[C]. IEEE IEC0N，2013:6999-7005)。上述提到的美国德州农工大学开展的直流并网研究，在单个子模 块中的后级单元采用的也是半桥电路。这导致后级单元还不够简单，成本没能再次降下来， 而且驱动电路也相对比较复杂，由此带来的驱动功率的消耗和开关管的开关损耗也有所增 加。
[0003] 因此，需要提供一种高可靠性、低成本和低损耗的新型光伏模块化多电平变换器。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种新型光伏模块化多电平变换器及其 控制方法。
[0005] 第一方面，本发明中一种新型光伏模块化多电平变换器的技术方案是：
[0006] 所述模块化多电平变换器包括η个子单元模块，η至少为2 ;所述η个子单元模块 的输入端分别接入一个光伏组件，输出端均接入直流电网；
[0007] 所述子单元模块包括DC/DC变换器、稳压电容和SM单元；所述SM单元由开关管和 二极管串联组成；所述DC/DC变换器的输入端接入所述光伏组件，输出端依次并联有所述 稳压电容和SM单兀。
[0008] 优选的，所述SM中开关管的发射极与二极管的阴极连接；
[0009] 优选的，所述模块化多电平变换器包括η个SM单元；
[0010] 第1个SM单元中开关管的发射极通过电感接入所述直流电网；
[0011] 第i个SM单元中二极管的阳极与第i+1个SM单元中开关管的发射极连接，i = 1, 2,, n-1 ；
[0012] 第η个SM单元中二极管的阳极接入所述直流电网；
[0013] 优选的，所述DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器；
[0014] 优选的，所述子单元模块的工作模式包括放电模式和充电模式；
[0015] 当所述稳压电容两端的电压大于电压上限阈值时，子单元模块工作于放电模式； 触发所述开关管导通，所述二极管在开关管导通后截止，从而向直流电网放电；
[0016] 当所述稳压电容两端的电压小于电压下限阈值时，子单元模块工作于充电模式； 触发所述开关管关断，所述二极管在开关管关断后导通，光伏组件通过DC/DC变换器向稳 压电容充电。
[0017] 第二方面，本发明中新型光伏模块化多电平变换器的控制方法的技术方案是：
[0018] 所述方法采用电容电压排序法控制所述模块化多电平变换器中η个稳压电容的 两端电压均衡；所述电容电压排序法包括：
[0019] 步骤1:采集所述模块化多电平变换器η个稳压电容两端的电压U1, i = 1，2，· · ·，η ;
[0020] 步骤2 :将所述电压U1按照电压值由大到小的顺序排列，得到电压值序列S ,，j = 1，2，· · ·，η ;
[0021] 步骤3 :选取电压值1对应的稳压电容，则控制包含有所述稳压电容的子单元模 块工作于放电模式，j = 1，2, . . .，η-2 ;
[0022] 选取电压值^对应的稳压电容，则控制包含有所述稳压电容的子单元模块工作于 放电模式，j = η-1, η。
[0023] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
[0024] 本发明提供的一种新型光伏模块化多电平变换器，采用含有一个开关管和一个二 极管的半桥电路，使得变换器的控制更加简单，提高了变换器的可靠性，并且减少了开关器 件的同时也减少了驱动总功率和开关损耗，降低了成本。
[0025]
【附图说明】
[0026] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0027] 图1 :本发明实施例中一种新型光伏模块化多电平变换器的拓扑结构图；
[0028] 图2 :本发明实施例中子单元模块工作于放电模式时电流流向图；
[0029] 图3 :本发明实施例中子单元模块工作于充电模式时电流流向图；
[0030] 图4 :本发明实施例中新型光伏模块化多电平变换器并网示意图；
[0031] 图5 :图4中全桥变换器的拓扑结构图；
[0032] 图6 :本发明实施例中光伏组件的输出电压、电流和功率的波形图；
[0033] 图7 :本发明实施例中全桥变换器的原边电压和电流的波形图；
[0034] 图8 :本发明实施例中开关管的驱动信号波形图；
[0035] 图9 :本发明实施例中并网电流的波形图；
[0036] 图10 :本发明实施例中稳压电容两端的电压波形图；
[0037] 图11 :图10所示电压波形的局部放大图。
【具体实施方式】
[0038] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039] 本发明提供的一种新型光伏模块化多电平变换器以及其控制方法，通过采集各个 直流环节中的电容电压并排序来控制后级SM单元的工作模式，从而实现稳压电容两端的 电压均衡并进行中高压直流并网。
[0040] 一、新型光伏模块化多电平变换器
[0041] 本发明中新型光伏模块化多电平变换器的实施例如图1所示，具体为：
[0042] 该模块化多电平变换器包括η个子单元模块，η至少为2。
[0043] 本实施例中，η个子单元模块的输入端分别接入一个光伏组件，输出端接入直流电 网。子单元模块包括DC/DC变换器、稳压电容Ci和SM单元，i = l，2，...，η。其中，
[0044] ①：SM单元由开关管Si和二极管Di串联组成，i = 1，2, ...，η ;本实施例中的开 关管指的是功率开关器件，例如IGBT、IGCT和M0SFET。
[0045] ②：DC/DC变换器的输入端接入光伏组件，输出端依次并联有稳压电容Ci和SM单 元。即稳压电容Ci并联在DC/DC变换器的输出端，SM单元并联在稳压电容Ci的两端。
[0046] I、SM 单元
[0047] 如图1所示模块化多电平变换器包括η个SM单元，每个SM单元中开关管的发射 极均与其二极管的阴极连接。
[0048] 本实施例中η个SM单元级联，具体为：
[0049] ①：第1个SM单元中开关管的发射极通过电感Lg接入直流电网；
[0050] ②：第i个SM单元中二极管的阳极与第i+Ι个SM单元中开关管的发射极连接，i =1，2,…，n_l ;
[0051] ③