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技术

本发明专利技术提供了一种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，包括多个依次串联的光伏直流升压变换器子模块，光伏直流升压变换器子模块包括：混合储能模块、隔离型全桥DC‑DC电路、双向升/降压变换器以及光伏阵列；混合储能模块用于平衡光伏直流升压变换器子模块输出的功率；隔离型全桥DC‑DC电路用于实现升压和最大功率点跟踪；双向升/降压变换器用于对混合储能模块的输出功率进行控制。本发明专利技术中的系统能够从根本上消除输入功率失配对光伏直流升压变换器正常运行带来的影响，无需设置低压直流母线，同时增强系统的可靠性，便于内部故障隔离；无需设置汇流箱，便于系统维护，提高电站特殊情况下整体控制响应速度。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及新能源发电领域与电力电子变流器拓扑结构领域，具体地，涉及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。
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。经检索李娟、杨晨、谢少军发表的名称为：一种用于光伏直流模块的高升压比直流变换器(电力电子技术，2013(3):51-53.)，公开了针对光伏直流模块，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。上述文献与本专利技术的技术要点比较：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。EcheverríaJ,KouroS,PerezM,etal.Multi-modularcascadedDC-DCconverterforHVDCgridconnectionoflarge-scalephotovoltaicpowersystems[C]//IndustrialElectronicsSociety,IECON2013-39thAnnualConferenceoftheIEEE.IEEE,2013:6999-7005.上述文献与本专利技术的技术要点比较：该文献研究的应用背景与本专利类似，都是用于并入高压直流电网的光伏发电直流汇集系统，采用的拓扑结构也是模块化级联结构。但该文献的各个模块均包含两级DC-DC变换器：前级是隔离型DC-DC变换器，后级是全桥或者半桥的输出结构。这种拓扑结构在通过模块级联的方式来提高升压比的同时，还通过前级DC-DC变换器来实现光伏MPPT。两级DC-DC变换器的结构导致电路中包含较多的开关器件，运行时产生的开关损耗较大，电路结构和控制策略也比较复杂。相比之下，本专利设计的基于Quasi阻抗网络的DC-DC变换器能在一级DC-DC变换器内同时实现高升压与光伏MPPT功能，电路结构简单，系统成本较低且易于维护。BratcuAI,MunteanuI,BachaS,etal.Poweroptimizationstrategyforcascadeddc-dcconverterarchitecturesofphotovoltaicmodules[C]//IndustrialTechnology,2009.ICIT2009.IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2009:1-8.上述文献与本专利技术的技术要点比较：该文献的采用的光伏直流汇集系统拓扑结构与本专利类似，都是采用多变流器串联结构，多个光伏阵列输出的直流电经过各自独立的DC-DC变换器升压之后，相互串联，从而得到较高的直流电压，再实现逆变并网。该文献选用的DC-DC装置是非隔离型DC-DC变换器，这种变换器可达到的电压增益范围较小，当各光伏模块间的光照强度等外界条件出现较大差异时，会导致有的模块无法实现光伏的最大功率点跟踪。相比之下，本专利设计的基于Quasi阻抗网络的DC-DC变换器具有灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，包括多个依次串联的光伏直流升压变换器子模块，所述光伏直流升压变换器子模块包括：混合储能模块、隔离型全桥DC‑DC电路、双向升/降压变换器以及光伏阵列；光伏阵列的第一输出端分别连接隔离型全桥DC‑DC电路的第一输入端和双向升/降压变换器的第一输入端，光伏阵列的第二输出端分别连接隔离型全桥DC‑DC电路的第二输入端和双向升/降压变换器的第二输入端；所述双向升/降压变换器的输出端与混合储能模块电连接，所述隔离型全桥DC‑DC电路的第一输出端、第二输出端分别构成光伏直流升压变换器子模块的两端；其中：所述混合储能模块，用于平衡光伏直流升压变换器子模块输出的功率；所述隔离型全桥DC‑DC电路，用于实现升压和最大功率点跟踪，即MPPT控制；所述双向升/降压变换器，用于对混合储能模块的输出功率和隔离型全桥DC‑DC电路的输入功率进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，包括多个依次串联的光伏直流升压变换器子模块，所述光伏直流升压变换器子模块包括：混合储能模块、隔离型全桥DC-DC电路、双向升/降压变换器以及光伏阵列；光伏阵列的第一输出端分别连接隔离型全桥DC-DC电路的第一输入端和双向升/降压变换器的第一输入端，光伏阵列的第二输出端分别连接隔离型全桥DC-DC电路的第二输入端和双向升/降压变换器的第二输入端；所述双向升/降压变换器的输出端与混合储能模块电连接，所述隔离型全桥DC-DC电路的第一输出端、第二输出端分别构成光伏直流升压变换器子模块的两端；其中：所述混合储能模块，用于平衡光伏直流升压变换器子模块输出的功率；所述隔离型全桥DC-DC电路，用于实现升压和最大功率点跟踪，即MPPT控制；所述双向升/降压变换器，用于对混合储能模块的输出功率和隔离型全桥DC-DC电路的输入功率进行控制。2.根据权利要求1所述的内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，所述混合储能模块包括：超级电容和蓄电池，所述超级电容用于承担光伏发电输出功率中的功率突变部分，即高频波动分量；所述蓄电池用于承担光伏发电输出功率中的平滑部分，即低频波动分量。3.根据权利要求1所述的内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器，其特征在于，所述隔离型全桥DC-DC电路包括：开关管V1、开关管V2、开关管V3、开关管V4、一次侧电容Ci、二次侧电感L、二次侧电容Co、变压器、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；一次侧电容Ci的正极分别连接开关管V1的集电极、开关管V3的集电极，开关管V1的发射极分别连接至开关管V2的集电极、变压器一次侧的一端；开关管V3的发射极分别连接至开关管V4的集电极、变压器一次侧的另一端；所述开关管V1的发射极、开关管V3的发射极均连接至一次侧电容Ci的负极；变压...

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