基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块制造技术

基于多端口Buck‑Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，是由1块具有n个光伏串构成的光伏电池板和1个n端口Buck‑Boost直流变换器构成。其中，n端口Buck‑Boost直流变换器中含有1个n端口Buck‑Boost斩波电路、n个自举驱动电路、n路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。n端口Buck‑Boost直流变换器仅需n个功率开关、n个输入滤波电容和n‑1个电感，仅需处理n个光伏串间的不匹配功率，变换器容量小；电压、电流采样均为共地结构，可直接用电阻采样，无需增加体积大、成本高的隔离型采样芯片；n个自举驱动电路仅需1个供电电源，辅助电源实现简单。该模块具有结构简单、成本低、损耗小、集成度高等优点，在任意光照和温度状态下均可实现光伏电池DMPPT。

【技术实现步骤摘要】
基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块
本专利技术所涉及的基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，属于光伏太阳能发电领域。
技术介绍
当前，能源问题已成为制约人类社会发展的关键因素，为了摆脱对不可再生资源的极度依赖，人们越来越重视新能源尤其是清洁能源的开发和利用，目前能够大规模利用的清洁能源包括太阳能、风能、潮汐能等。太阳能作为一种新型绿色能源，极大的缓解了常规能源的紧张状态，其中，光伏发电以其清洁无污染、储量丰富、易于实施与维护等优点，已成为世界各国发展分布式发电系统的重要选择。然而，光伏发电系统常因光伏电池自身缺陷、运行过程中的局部遮挡和灰尘积垢等原因造成光伏电池功率失配问题。光伏电池功率失配不仅导致其输出功率的严重损失，还将使光伏阵列的输出静态特性曲线呈现多峰值特性，不仅增加了最大功率点跟踪算法的复杂度，而且失配的光伏电池还可能因为“热斑效应”而损坏。传统的组串式和集中式光伏发电系统，如图1所示，通常采用在光伏电池模块两端并联旁路二极管的方法来解决光伏电池阵列失配问题。该方法可防止产生“热斑效应”，有效地保护了光伏电池模块，但失配的光伏电池不输出功率，利用率低。为了减少光伏电池功率损失，人们研究了微型逆变器分布式架构，如图2所示，该架构中的每个光伏电池模块通过一个独立逆变器并网发电，虽具有单级功率变换、安装灵活等优点，但仅实现了光伏电池板级MPPT，板内失配问题未得到解决。为了有效解决光伏电池板内失配问题，研究者们提出了如图3所示的基于多个二端口变换器的差分功率优化分布式架构，但随着光伏电池串数量的增加，不匹配的功率需要经过多级功率变换、损耗较多。因此，积极寻求一种结构简单、效率较高、低成本的DMPPT光伏电池模块对新能源发电系统具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有电路拓扑结构简单、变换效率高、成本低、应用前景广泛等特点的基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，该DMPPT光伏电池模块能够显著解决光伏系统的功率失配现象。本专利技术的技术方案在于：一种基于多端口Buck-Boost斩波单元的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有n个光伏电池串构成的光伏电池板和1个n端口Buck-Boost直流变换器构成（n为大于等于2的正整数）。其中，所述的n端口Buck-Boost直流变换器中含有1个n端口Buck-Boost斩波电路、n个自举驱动电路、n路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。所述n端口Buck-Boost斩波电路包括n个双向输入端口和1个输出端口，输入端有n个滤波电容Ci1-Cin依次串联，每个滤波电容并联在1个输入端，在输出端有n个开关管S1-Sn依次串联，电容Ci1的正极和开关管S1的漏极直接连接到光伏电池板正极性端，第k（k=1,2,……,n-1）个电容Cik的负极经储能电感Lk连接到Sk的源极，第n个电容Cin的负极和第n个开关管Sn的源极直接连接到地；所述共地电流采样是在输出端低压侧设置采样小电阻，将电流转换成电压并经放大后输入至控制芯片；所述共地电压采样是采集每个光伏电池串的对地电压，通过串联电阻分压并经电压跟随器输入至控制芯片；所述自举驱动电路将控制芯片的n路PWM信号进行放大，输出n路门极信号驱动n个开关管；所述辅助电源以最低压侧光伏电池串的端口电压UPVn为自举驱动电路的电源VCC，VCC经稳压器输出VDD作为控制电路的电源；所述控制芯片包括两个控制目标，其一通过三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法获得(n-1)个光伏电池串的参考电压信号，其二通过n-1个电压环获得n路PWM信号占空比实现对n个光伏电池串端口电压的调节一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块的控制策略，其特征在于：这种控制策略存在一快一慢两个控制环，其中，慢环是由与该DMPPT光伏电池模块连接的后级变换器实现，用于实时控制模块的输出端口电压UPV，快环则由n端口Buck-Boost直流变换器采用三维交错迭代扰动观察算法实现，该算法包括：选通信号i为1、2、……、(n-1)分别代表对a1、a2、……、a(n-1)扰动观察，a1、a2、……、a(n-1)、an为光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、……、UPV(n-1)、UPVn与总端口电压之比，a1+a2+……+a(n-1)+an=1；采样光伏电池串端口电压UPV1、UPV2、……、UPV(n-1)、UPVn和光伏板总输出电流IPV；首先初始化a1=a2=……=a(n-1)=an=1/n；以a1→a2→……→a(n-1)→a1为顺序逐次迭代；stepsize[n-1]和direction[n-1]是一组用于扰动观察法运算的变量数组；将对a1、a2、……、a(n-1)进行步长为stepsize[0]、stepsize[1]、……、stepsize[n-2]的扰动后观察得到的功率增量ΔP乘以系数kp后分别重新赋给stepsize[0]、stepsize[1]、……、stepsize[n-2]，相应的扰动方向储存在direction[0]、direction[1]、……、direction[n-2]；当功率增量ΔP的绝对值显著降低时，stepize的值也随之降低，避免了系统在最大功率点附近振荡；最终输出n个稳定的参考信号a1、a2、……、a(n-1)、an，并实现UPV1:UPV2:……:UPV(n-1):UPVn=a1:a2:……:a(n-1):an。本专利技术是在传统多个二端口变换器的差分功率优化电路结构的基础之上，提出的采用一个多端口Buck-Boost直流变换器代替多个二端口变换器，实现了差分功率优化式DMPPT光伏电池模块。通过调节多端口Buck-Boost直流变换器的多个控制量进行光伏电池串端口电压的调节，从而实现光伏电池板的最大功率输出。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术公开了一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，同时公开了一种仅包括1个电流采样和n个电压采样的三维交错迭代扰动观察算法。该DMPPT光伏电池模块和三维交错迭代扰动观察算法可以保证无论在什么光照条件下，使用最少数目功率器件、控制芯片、辅助电源和传感器，使得所有光伏电池串均输出各自的最大功率。n端口Buck-Boost直流变换器仅需n个功率开关、n个输入滤波电容和n-1个电感，仅需处理n个光伏串间的不匹配功率，变换器容量小；电压、电流采样均为共地结构，可直接用电阻采样，无需增加体积大、成本高的隔离型采样芯片；n个自举驱动电路仅需1个供电电源，辅助电源实现简单。该模块具有结构简单、成本低、损耗小、集成度高等优点，在光伏发电领域具有重要的应用前景。附图说明图1为组串式MPPT结构和集中式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有n个光伏串构成的光伏电池板和1个n端口Buck-Boost直流变换器构成（n为大于等于2的正整数），其中，所述的n端口Buck-Boost直流变换器中含有1个n端口Buck-Boost斩波电路、n个自举驱动电路、n路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多端口Buck-Boost直流变换器的差分功率优化式DMPPT光伏电池模块，其特征在于：这种光伏电池模块是由1块具有n个光伏串构成的光伏电池板和1个n端口Buck-Boost直流变换器构成（n为大于等于2的正整数），其中，所述的n端口Buck-Boost直流变换器中含有1个n端口Buck-Boost斩波电路、n个自举驱动电路、n路共地电压采样、1路共地电流采样、1个辅助电源和1个控制芯片；采用三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法。


2.根据权利要求1所述的n端口Buck-Boost直流变换器，其特征在于：所述n端口Buck-Boost斩波电路包括n个双向输入端口和1个输出端口，输入端有n个滤波电容Ci1-Cin依次串联，每个滤波电容并联在1个输入端，在输出端有n个开关管S1-Sn依次串联，电容Ci1的正极和开关管S1的漏极直接连接到光伏电池板正极性端，第k（k=1,2,……,n-1）个电容Cik的负极经储能电感Lk连接到Sk的源极，第n个电容Cin的负极和第n个开关管Sn的源极直接连接到地；所述共地电流采样是在输出端低压侧设置采样小电阻，将电流转换成电压并经放大后输入至控制芯片；所述共地电压采样是采集每个光伏电池串的对地电压，通过串联电阻分压并经电压跟随器输入至控制芯片；所述自举驱动电路将控制芯片的n路PWM信号进行放大，输出n路门极信号驱动n个开关管；所述辅助电源以最低压侧光伏电池串的端口电压UPVn为自举驱动电路的电源VCC，VCC经稳压器输出VDD作为控制电路的电源；所述控制芯片包括两个控制目标，其一通过三维交错迭代扰动观察DMPPT控制算法获得(n-1)个光伏电池串的参考电压信号，其二通过n-1个电压环获得n路PWM信号占空比实现对n个光伏电池串端口电压的调节。

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【专利技术属性】
技术研发人员：江加辉，张韬，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37