內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器及應用方法技術

本發明專利技術提供了一種內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器及應用方法，包括多個依次串聯的光伏直流升壓變換器子模塊，光伏直流升壓變換器子模塊包括：混合儲能模塊、隔離型全橋DC?DC電路、雙向升/降壓變換器以及光伏陣列；混合儲能模塊用于平衡光伏直流升壓變換器子模塊輸出的功率；隔離型全橋DC?DC電路用于實現升壓和最大功率點跟蹤；雙向升/降壓變換器用于對混合儲能模塊的輸出功率進行控制。本發明專利技術中的系統能夠從根本上消除輸入功率失配對光伏直流升壓變換器正常運行帶來的影響，無需設置低壓直流母線，同時增強系統的可靠性，便于內部故障隔離；無需設置匯流箱，便于系統維護，提高電站特殊情況下整體控制響應速度。

【技術實現步驟摘要】
內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器及應用方法
本專利技術涉及新能源發電領域與電力電子變流器拓撲結構領域，具體地，涉及內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器及應用方法。
技術介紹
光伏發電是目前新能源發電最主要的形式之一，是我國未來實現可再生能源替代的主力軍。我國光照資源分布情況與電力系統格局決定大規模建設、集中并網接入將成為未來光伏開發利用的重要形式。光伏發電存在功率密度小、出口電壓低、隨機波動大的固有特征，必須經過匯集系統的升壓匯聚方可達到并網條件。傳統光伏電站采取交流升壓匯集技術，即光伏陣列輸出經過MPPT控制與光伏逆變器后得到穩定低壓三相交流電，再通過母線匯聚后由升壓變壓器接入配電網。該方案應用于大型光伏發電基地主要存在兩大缺點：1)弱同步支撐下多逆變器并聯穩定性問題突出，電壓越限與寬頻域振蕩頻發；2)站內與站間交流匯集線路損耗大，系統整體效率偏低。為解決上述問題，可采用光伏直流升壓匯集系統構建大型直流光伏發電基地，即光伏陣列輸出的低壓直流電直接由光伏直流升壓變流器泵升至直流配網電壓水平，經過進一步匯集后，由VSC換流站集中逆變接入交流大電網或者由大型升壓變流站將電壓進一步抬升至HVDC水平，實現直流光伏發電基地遠距離送出。該方案適用于大規模光伏電站開發建設，目前已經得到國內外學術界、工程界廣泛關注，具有光明前景。國家“十三五”重點研發專項計劃中已針對該項技術設立專門課題，開展深入研究。典型光伏直流升壓匯集系統如圖1所示。研制光伏直流升壓變流器是實現光伏直流升壓匯集接入的關鍵所在。該變流器需要滿足以下技術要求：1)高升壓比，可實現從光伏陣列輸出端到直流中壓配電網的單級升壓變換；2)良好的效率特性，確保光伏直流升壓匯集系統整體效率滿足設計要求；3)滿足系統各類運行控制需求、具備高可靠性與良好的運行適應性。目前用于光伏發電系統的高升壓比DC－DC變換器主要分為單體結構與多模塊串聯結構兩種類型。受制于電路工作機理、器件工藝水平，單體型變流器升壓比有限，無法滿足光伏直流升壓匯集系統需求。模塊串聯型變流器一般以隔離型DC-DC作為子變流器單元，采用“獨立/并聯輸入-串聯輸出”的模式獲取高升壓比。獨立輸入模式中(如圖2所示)，光伏直流升壓變流器輸出側為串聯結構。在理想情況下，變流器出口電壓Vout將均勻分配至各子模塊，且輸出電流處處相等。當系統中各子模塊輸入功率不均衡(即：失配現象)時，由于Vout可視為恒定(受外部強電網支撐)，Vout將不再均勻分配，部分模塊輸出電壓較額定值降低，其余模塊輸出電壓將升高。為使光伏陣列工作在MPPT點，各子模塊輸入電壓基本保持恒定，這意味著各子模塊電壓增益將偏離額定數值。全橋變換單元最大升壓能力受制于高頻變壓器匝比，當系統靜態工作點確定后，進一步提高電壓增益的空間往往很小，缺乏靈活的二次調節能力。因此，當功率失配較為嚴重時，部分子模塊電壓增益將無法滿足系統運行需求，進而導致輸入側MPPT控制失效，輸出側出現串聯電流取小效應，造成系統發電能力下降，甚至無法正常運行。為避免上述問題出現，必須消除子模塊間輸入功率失配，確保功率均衡。而不同光伏陣列間受光照條件，物理參數差異等多重因素影響，難以實現輸出功率實時均衡。為解決前述固有矛盾，必須對圖2所示結構進行改進，如圖3所示，即：在光伏陣列與光伏直流升壓變流器間設置低壓直流母線，對能量進行初步匯集。在此基礎上，將各子模塊輸入側并聯接入低壓直流母線并引入模塊間均衡控制策略。此時為保證光伏陣列最大功率追蹤精度，需要在低壓直流母線與光伏陣列間配置專用分布式MPPT裝置。圖3所示方案雖然解決了輸入功率失配問題，但系統復雜，導致可靠性下降。當低壓直流母線任何位置出現短路故障時，均會導致全部光伏陣列將退出運行。同時分布式MPPT裝置的引入給系統運行維護帶來難度，也不利于外部故障條件下迅速執行場站級協同控保動作。經檢索李娟、楊晨、謝少軍發表的名稱為：一種用于光伏直流模塊的高升壓比直流變換器(電力電子技術，2013(3):51-53.)，公開了針對光伏直流模塊，研究了一種非隔離高升壓比直流變換器，該變換器具有寬輸入電壓、高升壓比、高效率等特點。詳細分析了該變換器的拓撲結構及工作原理，進行了相關理論公式推導，分析了光伏直流模塊的外特性要求并介紹了相應的控制方案。結合直流光伏發電模塊的電氣技術指標，設計了基于該非隔離高升壓比直流變換器的160W光伏模塊實驗樣機，通過實驗驗證了該電路的特點及理論分析和樣機設計的正確性。上述文獻與本專利技術的技術要點比較：該文獻研究的是基于直流母線的光伏發電系統，每塊光伏電池板配接一個DC-DC變換器，能獨立實現MPPT，多個DC-DC變換器并聯形成直流母線，通過公用逆變器并入交流電網。這種基于直流母線的匯集系統拓撲結構可以實現一定范圍的升壓增益，但對于升壓要求高得多的直流并網應用場景，這種拓撲結構并不適用。EcheverríaJ,KouroS,PerezM,etal.Multi-modularcascadedDC-DCconverterforHVDCgridconnectionoflarge-scalephotovoltaicpowersystems[C]//IndustrialElectronicsSociety,IECON2013-39thAnnualConferenceoftheIEEE.IEEE,2013:6999-7005.上述文獻與本專利技術的技術要點比較：該文獻研究的應用背景與本專利類似，都是用于并入高壓直流電網的光伏發電直流匯集系統，采用的拓撲結構也是模塊化級聯結構。但該文獻的各個模塊均包含兩級DC-DC變換器：前級是隔離型DC-DC變換器，后級是全橋或者半橋的輸出結構。這種拓撲結構在通過模塊級聯的方式來提高升壓比的同時，還通過前級DC-DC變換器來實現光伏MPPT。兩級DC-DC變換器的結構導致電路中包含較多的開關器件，運行時產生的開關損耗較大，電路結構和控制策略也比較復雜。相比之下，本專利設計的基于Quasi阻抗網絡的DC-DC變換器能在一級DC-DC變換器內同時實現高升壓與光伏MPPT功能，電路結構簡單，系統成本較低且易于維護。BratcuAI,MunteanuI,BachaS,etal.Poweroptimizationstrategyforcascadeddc-dcconverterarchitecturesofphotovoltaicmodules[C]//IndustrialTechnology,2009.ICIT2009.IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2009:1-8.上述文獻與本專利技術的技術要點比較：該文獻的采用的光伏直流匯集系統拓撲結構與本專利類似，都是采用多變流器串聯結構，多個光伏陣列輸出的直流電經過各自獨立的DC-DC變換器升壓之后，相互串聯，從而得到較高的直流電壓，再實現逆變并網。該文獻選用的DC-DC裝置是非隔離型DC-DC變換器，這種變換器可達到的電壓增益范圍較小，當各光伏模塊間的光照強度等外界條件出現較大差異時，會導致有的模塊無法實現光伏的最大功率點跟蹤。相比之下，本專利設計的基于Quasi阻抗網絡的DC-DC變換器具有靈活本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器，其特征在于，包括多個依次串聯的光伏直流升壓變換器子模塊，所述光伏直流升壓變換器子模塊包括：混合儲能模塊、隔離型全橋DC?DC電路、雙向升/降壓變換器以及光伏陣列；光伏陣列的第一輸出端分別連接隔離型全橋DC?DC電路的第一輸入端和雙向升/降壓變換器的第一輸入端，光伏陣列的第二輸出端分別連接隔離型全橋DC?DC電路的第二輸入端和雙向升/降壓變換器的第二輸入端；所述雙向升/降壓變換器的輸出端與混合儲能模塊電連接，所述隔離型全橋DC?DC電路的第一輸出端、第二輸出端分別構成光伏直流升壓變換器子模塊的兩端；其中：所述混合儲能模塊，用于平衡光伏直流升壓變換器子模塊輸出的功率；所述隔離型全橋DC?DC電路，用于實現升壓和最大功率點跟蹤，即MPPT控制；所述雙向升/降壓變換器，用于對混合儲能模塊的輸出功率和隔離型全橋DC?DC電路的輸入功率進行控制。

【技術特征摘要】
1.一種內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器，其特征在于，包括多個依次串聯的光伏直流升壓變換器子模塊，所述光伏直流升壓變換器子模塊包括：混合儲能模塊、隔離型全橋DC-DC電路、雙向升/降壓變換器以及光伏陣列；光伏陣列的第一輸出端分別連接隔離型全橋DC-DC電路的第一輸入端和雙向升/降壓變換器的第一輸入端，光伏陣列的第二輸出端分別連接隔離型全橋DC-DC電路的第二輸入端和雙向升/降壓變換器的第二輸入端；所述雙向升/降壓變換器的輸出端與混合儲能模塊電連接，所述隔離型全橋DC-DC電路的第一輸出端、第二輸出端分別構成光伏直流升壓變換器子模塊的兩端；其中：所述混合儲能模塊，用于平衡光伏直流升壓變換器子模塊輸出的功率；所述隔離型全橋DC-DC電路，用于實現升壓和最大功率點跟蹤，即MPPT控制；所述雙向升/降壓變換器，用于對混合儲能模塊的輸出功率和隔離型全橋DC-DC電路的輸入功率進行控制。2.根據權利要求1所述的內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器，其特征在于，所述混合儲能模塊包括：超級電容和蓄電池，所述超級電容用于承擔光伏發電輸出功率中的功率突變部分，即高頻波動分量；所述蓄電池用于承擔光伏發電輸出功率中的平滑部分，即低頻波動分量。3.根據權利要求1所述的內嵌儲能型多模塊串聯式光伏直流升壓變換器，其特征在于，所述隔離型全橋DC-DC電路包括：開關管V1、開關管V2、開關管V3、開關管V4、一次側電容Ci、二次側電感L、二次側電容Co、變壓器、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4；一次側電容Ci的正極分別連接開關管V1的集電極、開關管V3的集電極，開關管V1的發射極分別連接至開關管V2的集電極、變壓器一次側的一端；開關管V3的發射極分別連接至開關管V4的集電極、變壓器一次側的另一端；所述開關管V1的發射極、開關管V3的發射極均連接至一次側電容Ci的負極；變壓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱淼，徐莉婷，李修一，蘇明章，蔡旭，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海,31