一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，所述串联光伏模块环形功率均衡系统包括主控制器、多个隔离型光伏子模块，多个均衡单元，并网电感，以及中压直流母线。多个均衡单元中有一个均衡单元由电感与电容组成，其余均衡单元均由开关管和电感组成。所述功率均衡方法当光伏子模块具有不同的最大功率而造成模块化串联光伏直流变换器功率失配时，可通过环形功率均衡系统传输各个子模块的失配功率，使得各个子模块的功率均衡从而使各个子模块的电压均衡，并且通过效率寻优算法可以在保证光伏子模块电压均衡的情况下最大限度地减小功率流通，从而降低器件的电流应力及损耗以提升效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法
本专利技术属于光伏发电
，特别涉及一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法。
技术介绍
分布式光伏能源汇入中压直流配电网是未来新能源并网的重要形式，光伏直流升压变换器常采用隔离型输入独立输出串联(IIOS)子模块变换器进行串联输出，IIOS型光伏直流升压变换器拥有多个输入端口，可以实现独立的MPPT。但是分布式光伏阵列常常因为局部阴影等原因具有不同的最大功率，如果IIOS子模块都进行MPPT控制，则它们的输出功率都不同。由于输出串联结构，他们的输出电流是相同的，当功率不一致时，输出电压必然失衡。电压失衡将导致子模块变换器的工作点发生偏移，不利于控制参数或者电路参数的设计。功率大的子模块输出侧电压比功率小的子模块电压高，容易引起开关器件的过压损坏。针对IIOS型光伏直流升压变换器的功率失配问题，目前主要的解决方法是在每两个相邻的IIOS子模块之间插入功率均衡单元，可以实现相邻子模块功率的双向流动，从而平衡失配功率，达到均压目的。但是由于该方案的链式结构(以下称这种拓扑为链式拓扑)，非相邻子模块之间的功率交换需要借助它们之间的多个均衡单元实现功率交换，因此功率损耗较大，效率较低。处于中间的的均衡单元由于流通的功率较多，器件所受电流应力也更大。更好的方案是提出一种环形功率均衡拓扑，在保证功率均衡的基础上，能够最大限度地降低整体失配功率的交换，从而减小损耗、提高效率，减小器件所受电流应力。
技术实现思路
为了使得功率均衡拓扑能够在保证功率均衡的基础上，最大限度地降低整体失配功率的交换，从而减小传输损耗，提高拓扑效率，本专利技术提出了一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法。所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器、N个光伏子模块、N个输出电容、N-1个均衡单元、模拟均衡单元、并网电感Lg以及中压直流母线；所述主控制器分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器分别与所述的均衡单元依次连接；所述第i光伏子模块由光伏阵列、隔离型DC/DC变换器组成，光伏阵列的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；所述第i输出电容与所述第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；所述N-1个均衡单元中的第k均衡单元包括：上桥臂开关管、下桥臂开关管、均衡电感，所述上桥臂开关管的集电极与所述第k光伏子模块的正极相连，所述下桥臂开关管的发射极与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述上桥臂开关管的发射极、下桥臂开关管的集电极以及均衡电感Lk的一端相连于一点，所述均衡电感的另一端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；所述模拟均衡单元包括：限流电感、均衡电容，所述限流电感的一端与所述第1个均衡单元的的上桥臂开关管的发射极相连，所述限流电感的另一端与均衡电容的一端相连，所述均衡电容的另一端与第N-1个均衡单元的上桥臂开关管的发射极相连；所述第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感与所述中压直流母线的正极相连，所述第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述中压直流母线的负极相连。本专利技术方法的技术方案为所述功率均衡方法，具体为：步骤1：主控制器采集多个光伏子模块的输出功率、输出电压以及均衡单元中均衡电感电流值，构建总的传输功率模型，构建均衡单元的传输功率迭代计算模型，将多个光伏子模块的输出功率通过效率寻优方法得到模拟均衡单元的最优传输功率，进一步结合均衡单元的传输功率迭代计算模型计算得到每个均衡单元的优化传输功率；步骤1所述多个光伏子模块的输出功率为：P1～PN，所述多个光伏子模块的输出电压为：v1～vN，所述均衡单元中均衡电感电流值为：iL,k；步骤1所述构建总的传输功率模型为：其中，N-1为均衡单元的数量，PT,k定义为第k个均衡单元的传输功率,PT,B定义为模拟均衡单元的传输功率，其中，1≤k≤N-1；步骤1所述构建均衡单元的传输功率迭代计算模型为：其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，PT,k为第k个均衡单元的传输功率，PT,B为模拟均衡单元传输的功率，1≤k≤N-1；Pave为所有光伏子模块功率的平均值，满足：步骤1所述通过效率寻优方法得到模拟均衡单元传输的功率，具体为：在给定不同的模拟均衡单元传输的功率PT,B时，当PTsum最小时，传输功率的损耗最小，此时的PT,B即为最优解，定义为Popt；所述效率寻优策略即为通过数值迭代法求得最优解即Popt使得PTsum的值最小，具体过程如下：步骤1.1，确定初始Popt存在区间[x1,x2]，均衡单元的传输功率不大于N/2倍光伏子模块额定功率，因此初始的区间可设置为[-NPo/2,NPo/2]，所述光伏子模块额定功率为Po；步骤1.2，取区间的1/4处x3和3/4处x4，其中x3＝x1+(x2-x1)/4，x4＝x2-(x2-x4)/4；当PT,B＝x3时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N-1个均衡单元的传输功率依次为：进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x3时总的传输功率为PTsum3；当PT,B＝x4时，根据均衡单元的传输功率迭代计算模型得到N个均衡单元的传输功率依次为：进一步通过总的传输功率模型计算得到PT,B＝x4时总的传输功率为PTsum4；步骤1.3，根据PTsum3和PTsum4的大小关系更新迭代区间：如果PTsum3大于PTsum4，那么最优解必然存在于[x3,x2]之间，则令x1＝x3；如果PTsum3小于PTsum4，那么最优解必然存在于[x1,x4]之间，则令x2＝x4；步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3，直至x1、x2之间的差小于阈值即ε；步骤1.5，PT,B＝x1orx2，PT,B的最终优化结果定义为Popt，即步骤1所述模拟均衡单元(ABU)的最优传输功率；步骤1所述计算得到每个均衡单元的优化传输功率为：其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，Popt为模拟均衡单元的最优传输功率，PT,k*代表第k个均衡单元的优化传输功率；步骤2：根据模拟均衡单元的最优传输功率计算第一均衡单元中上桥臂开关管与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角；步骤2所述计算驱动信号之间的移相角可以由以下公式得到为：其中，VSM为N个光伏子模块的在稳态时的输出电压，Ts为开关周期，ds为第一均衡单元中上桥臂开关管S1,1与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角，LB为模拟均衡单元中的限流电感值，步骤3：根据均衡单元的优化传输功率计算对应均衡单元的均衡电感的电流给定值；步骤3所述计算对应均衡单元的均衡电感电流给定值可以通过以下公式得到：其中，PT,k*为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：/n所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器(DSP)、N个光伏子模块(PV-SM

【技术特征摘要】
1.一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
所述串联光伏模块环形功率均衡系统，包括：主控制器(DSP)、N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)、N个输出电容(C1～CN)、N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)、模拟均衡单元(ABU)、并网电感Lg以及中压直流母线(MVDC)；
所述主控制器(DSP)分别与所述的N个光伏子模块(PV-SM1～PV-SMN)依次连接；所述主控制器(DSP)分别与所述的均衡单元PBU1～PBUN-1依次连接；
所述第i光伏子模块(PV-SMi)由光伏阵列(PVi)、隔离型DC/DC变换器(DCi)组成，光伏阵列(PVi)的输出端口与隔离型DC/DC变换器(DCi)的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器(DCi)的输出端口即光伏子模块(PV-SMi)的输出端口；所述第i输出电容(Ci)与所述第i光伏子模块(PV-SMi)的输出端口并联，1≤i≤N；
所述N-1个均衡单元(PBU1～PBUN-1)中的第k均衡单元(PBUk)包括：上桥臂开关管S1,k、下桥臂开关管S2,k、均衡电感Lk，所述上桥臂开关管S1,k的集电极与所述第k光伏子模块的正极相连，所述下桥臂开关管S2,k的发射极与所述第k+1个光伏子模块的负极相连，所述上桥臂开关管S1,k的发射极、下桥臂开关管S2,k的集电极以及均衡电感Lk的一端相连于一点，所述均衡电感Lk的另一端与所述第k光伏子模块的负极以及所述第k+1个光伏子模块的正极相连，1≤k≤N-1；
所述模拟均衡单元(ABU)包括：限流电感LB、均衡电容CB，所述限流电感LB的一端与所述第1个均衡单元的(PBU1)的上桥臂开关管S1,1的发射极相连，所述限流电感LB的另一端与均衡电容CB的一端相连，所述均衡电容CB的另一端与第N-1个均衡单元(PBUN-1)的上桥臂开关管S1,N-1的发射极相连；
所述第1个光伏子模块(PV-SM1)的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述中压直流母线(MVDC)的正极相连，所述第N个光伏子模块(PV-SMN)的输出端口的负极与所述中压直流母线(MVDC)的负极相连；
所述功率均衡方法，包括以下步骤：
步骤1：主控制器采集多个光伏子模块的输出功率、输出电压以及均衡单元中均衡电感电流值，构建总的传输功率模型，构建均衡单元的传输功率迭代计算模型，将多个光伏子模块的输出功率通过效率寻优方法得到模拟均衡单元的最优传输功率，进一步结合均衡单元的传输功率迭代计算模型计算得到每个均衡单元的优化传输功率；
步骤2：根据模拟均衡单元的最优传输功率计算第一均衡单元中上桥臂开关管与第N-1均衡单元中上桥臂开关管驱动信号之间的移相角；
步骤3：根据均衡单元的优化传输功率计算对应均衡单元的均衡电感的电流给定值；
步骤4：根据均衡单元的均衡电感电流给定值、均衡单元的均衡电感电流实际测量值、光伏子模块的输出电压确定对应均衡单元上桥臂开关管的脉冲控制信号占空比。


2.根据权利要求1所述的基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法，其特征在于：
步骤1所述多个光伏子模块的输出功率为：P1～PN，所述多个光伏子模块的输出电压为：v1～vN，所述均衡单元中均衡电感电流值为：iL,k；
步骤1所述构建总的传输功率模型为：



其中，N-1为均衡单元的数量，PT,k定义为第k个均衡单元(PBUk)的传输功率,PT,B定义为模拟均衡单元(ABU)的传输功率，其中，1≤k≤N-1；
步骤1所述构建均衡单元的传输功率迭代计算模型为：



其中，Pk为第k个光伏子模块的功率，PT,k为第k个均衡单元(PBUk)的传输功率，PT,B为模拟均衡单元(ABU)传输的功率，1≤k≤N-1；Pave为所有光伏子模块功率的平均值，满足：



步骤1所述通过效率寻优方法得到模拟均衡单元(ABU)传输的功率，具体为：
在给定不同的模拟均衡单元(ABU)传输的功率PT,B时，当PTsum最小时，传输功...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，刘舟扬，庄一展，黄艳辉，查晓明，
申请(专利权)人：武汉大学，国网湖北省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42