CN105245101A - 高效光伏功率优化器串联拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路，包括光伏阵列、优化器、电感，每个光伏阵列的输出端和一个优化器并联，所有的优化器的首尾端依次串接构成一个优化器组件串，所述优化器组件串经电感、第三开关管后接至逆变器的输入端。本发明的各优化器共用一个电感，能够平抑优化器不稳定对于最大功率点跟踪的偏差，同时减小了整体电感体积，节约了材料，降低了制作成本；优化器组件串输出线路上设有第三开关管，当电路电流存在倒流的可能或电流为零时，第三开关管关断，电流通过第三二极管流过，使得电路尽可能在电流不断续时没有二极管管压降损耗，提升了***效率。本发明还公开了一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法。

Description

高效光伏功率优化器串联拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路及其控制方法。

背景技术

光伏功率优化器主要应用于采用多个光伏组件串并联形式的光伏电站。光伏功率优化器是为了解决因为电站内各组件间存在状态差异而造成逆变器在部分或全部组件统一进行最大功率点追踪（MPPT）时效率低下的问题。加入光伏功率优化器后的结构是在原有的逆变器前端先将一块或者几块光伏组件进行串并联后，通过光伏功率优化器进行DC/DC的直流转换，再通过逆变器实现DC/AC的直流/交流转换，因而能实现对光伏功率优化器其前端接入的一块或者几块光伏组件的统一MPPT，这样能够获得全场各个部分独立的MPPT，因而能够提供在光伏组件状态不一致时获得全场相对较高输出功率。但要在光伏发电***中增设光伏功率优化器，会增加***的建设成本，并且要进行多级电力变换，会降低电路效率，从而使得在光伏组件状态近似的情况下***发电量可能不升反降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、电路效率高的高效光伏功率优化器串联拓扑电路，并提供一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路，包括光伏阵列、优化器、电感，每个光伏阵列的输出端和一个优化器并联，所有的优化器的首尾端依次串接构成一个优化器组件串，所述优化器组件串经电感后接至逆变器的输入端。

上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路中，所述优化器包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述第一电容与光伏阵列并联，第一开关管的栅极接入驱动电路，第一开关管的漏极与第一电容的一端相连，第一二极管的正极与第一开关管的源极相连，第一二极管的负极与第一开关管的漏极相连，第二开关管的栅极接入驱动电路，第二开关管的源极与第一电容的另一端相连，第二二极管的正极与第二开关管的源极相连，第二二极管的负极与第二开关管的漏极相连，第二开关管的漏极与第一开关管的源极相连后接至下一优化器。

上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路中，所述电感与逆变器的输入端之间设有第三开关管，第三开关管包括开关和并接在开关两端的第三二极管，第三二极管的正极与电感相连，第三二极管的负极与逆变器的输入端相连。

一种上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过PWM控制驱动电路，驱动第一开关管开通、第二开关管关闭，此时电路进入模态I，电路电流从第一开关管通过，光伏阵列对外输出功率；

步骤二：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态I后，驱动第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路进入模态II，电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损耗；

步骤三：当模态II结束时，控制第一开关管关闭、第二开关管开通，此时电路进入模态III，电路电流从第二开关管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管不存在功率损耗；

步骤四：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态III后，控制第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路再次进入模态II，电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损失；至此，完成光伏功率优化器的一个控制周期；

步骤五：重复步骤一至步骤四，使得光伏功率优化器在每个控制周期内进入模态的时序排列依次为模态I-模态II-模态III-模态II。

上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，还包括第三开关管的控制步骤：

1、判断第三开关管属于半控型器件还是全控型器件，若是半控型器件，则保持对第三开关管的导通触发，若是全控型器件，则进入下一步骤；

2、令所有优化器都开通时，电路在电流检测周期内会出现倒流的电流值为临界值，检测电路的电流，判断电路电流是否高于此临界值，若是，则控制第三开关管导通，若不是，则控制第三开关管断开。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的每个优化器输出端中均没有设置储能电容，降低了光伏功率优化器的成本，并且由于使用储能电容一般需要使用电解电容，而电解电容的寿命通常在整个电路中最短，因而同时提高了***可靠性和寿命；

2、本发明的各优化器共用一个电感，能够平抑优化器不稳定对于最大功率跟踪的偏差，电感的电阻小，提高了电路效率，同时用一个共用电感代替各个分立电感能够获得更小的整体电感体积，节约了材料，降低了制作成本，制作工艺也更加简单；

3、本发明在优化器组件串输出线路上设有一个带有第三二极管的第三开关管，当电路电流存在倒流的可能或电流为零时，第三开关管关断，电流通过第三二极管流过，使得电路尽可能在电流不断续时没有二极管管压降损耗，提升了***效率；

4、本发明依赖于第三开关管的控制，使得优化器的第二开关管允许在电流续流时导通而不会出现电流倒流，大大降低各优化器电路在电流续流时的二极管管压降损耗，提升了***效率。

附图说明

图1为现有技术的电路图。

图2为本发明的电路图。

图3为本发明模态I的原理图。

图4为本发明模态II的原理图。

图5为本发明模态III的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，高效光伏功率优化器串联拓扑电路包括光伏阵列1、优化器2、电感4，每个光伏阵列1的输出端和一个优化器2并联，所有的优化器2的首尾端依次串接构成一个优化器组件串，所述优化器组件串经电感4、第三开关管后接至逆变器的输入端，第三开关管包括开关3和并接在开关3两端的第三二极管5，第三二极管5的正极与电感4相连，第三二极管5的负极与逆变器的输入端相连。

每个优化器2包括第一开关管6、第二开关管7、第一二极管8、第二二极管9和第一电容10，所述第一电容10与光伏阵列1并联，第一开关管6的栅极接入驱动电路，第一开关管6的漏极与第一电容10的一端相连，第一二极管8的正极与第一开关管6的源极相连，第一二极管8的负极与第一开关管6的漏极相连，第二开关管7的栅极接入驱动电路，第二开关管7的源极与第一电容10的另一端相连，第二二极管9的正极与第二开关管7的源极相连，第二二极管9的负极与第二开关管7的漏极相连，第二开关管7的漏极与第一开关管6的源极相连后接至下一优化器。

当光伏功率优化器采用了经典Buck电路形式，其后端需要设置储能电容（见图1），在本发明中无需设置该电容，因而降低了光伏功率优化器的成本，并且由于使用储能电容一般需要使用电解电容，而电解电容的寿命通常在整个电路中最短，因而同时提高了***可靠性和寿命；

在高效光伏功率优化器串联拓扑电路中，由于将各个Buck电路的电感替换成一个电感4，因为电感4存在关系：L∝n²V（其中n为线圈匝数，V为电感体积），而电感电阻存在近似关系R∝nV^(2/3)，因而有L/R∝nV^(1/3)，即可以得到结论若保持总电感值一定，那么用一个共用电感代替各个分立电感则L/R值越大，因而电感电阻越小，这样使得***电路效率提高，同时因为关系L∝n²V，在保持电感总电感值不变的前提下，用一个共用电感代替各个分立电感能够获得更小的整体电感体积，因而更加节约材料，制作工艺上也更加简单，降低***硬件成本。

一种上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，包括以下步骤：

正常输出功率状态下：

步骤一：通过PWM控制，驱动第一开关管开通、第二开关管关闭，此时电路进入模态I，电路电流从第一开关管通过，光伏阵列对外输出功率；

步骤二：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态I后，驱动第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路进入模态II（模态II为一个防止短路的中间态，其持续时间固定且极短，比如对于开关控制频率43kHz，一周期有255个分度，则该状态时间约为（43000×255)^(-1)≈91.2ns），电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损耗；

步骤三：当电路对步骤二的持续时间结束时，控制第一开关管关闭、第二开关管开通，此时电路进入模态III，电路电流从第二开关管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管不存在功率损耗；

步骤四：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态III后，控制第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路再次进入持续时间固定且极短的模态II，电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损失；至此，完成光伏功率优化器的一个控制周期；

步骤五：重复步骤一至步骤四，使得光伏功率优化器在每个控制周期内进入模态的时序排列依次为模态I-模态II-模态III-模态II。

故障状态下第一开关管6保持断开，第二开关管7保持打开。

在整个控制过程中，模态II的存在是为了防止模态I、III切换时第一开关管6、第二开关管7同时开通而造成短路的短暂中间态，电路的主要工作状态以模态I和模态III为主，这样，线路电流i在续流过程中可以尽可能通过第二开关管7而非第二二极管9，减少线路电流流过第二二极管9造成的损耗。

上述高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，还包括第三开关管的控制步骤：

1、判断第三开关管属于半控型器件还是全控型器件，若是半控型器件，则保持对第三开关管的导通触发，若是全控型器件，则进入下一步骤；

2、令所有优化器都开通时，电路在电流检测周期内会出现倒流的电流值为临界值，检测电路的电流，判断电路电流是否高于此临界值，若是，则控制第三开关管导通，若不是，则控制第三开关管断开。

对于经典Buck电路存在如图1所示的电流续流过程，此时续流电流i流过二极管，由于二极管管压降的存在造成了损耗，而如果将该二极管替换成附带二极管的开关管，那么在电流续流阶段导通，则会因为无法保证电流不断续而存在电流回流问题；本发明中，在优化器组件串输出线路上加设了一个带有第三二极管5的第三开关管，当电流i存在倒流的可能或电流为零时，第三开关管关断，电流通过第三二极管5流过，使得电路尽可能在电流不断续时没有二极管管压降损耗，此外，即使存在二极管管压降损耗，由于该第三二极管5的管压降损耗比经典Buck续流二极管管压降损耗的总和要小，因而提升***效率。对于第三开关管的控制是为了尽可能使得电路电流在流通时通过第三开关管而不是通过与第三开关管并接的第三二极管5，以减少电路电流流过第三二极管5造成的损耗，但又不会出现电流逆流的情况。

Claims (5)

1.一种高效光伏功率优化器串联拓扑电路，其特征在于：包括光伏阵列、优化器、电感，每个光伏阵列的输出端和一个优化器并联，所有的优化器的首尾端依次串接构成一个优化器组件串，所述优化器组件串经电感后接至逆变器的输入端。

2.根据权利要求1所述的高效光伏功率优化器串联拓扑电路，其特征在于：所述优化器包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述第一电容与光伏阵列并联，第一开关管的栅极接入驱动电路，第一开关管的漏极与第一电容的一端相连，第一二极管的正极与第一开关管的源极相连，第一二极管的负极与第一开关管的漏极相连，第二开关管的栅极接入驱动电路，第二开关管的源极与第一电容的另一端相连，第二二极管的正极与第二开关管的源极相连，第二二极管的负极与第二开关管的漏极相连，第二开关管的漏极与第一开关管的源极相连后接至下一优化器。

3.根据权利要求2所述的高效光伏功率优化器串联拓扑电路，其特征在于：所述电感与逆变器的输入端之间设有第三开关管，第三开关管包括开关和并接在开关两端的第三二极管，第三二极管的正极与电感相连，第三二极管的负极与逆变器的输入端相连。

4.一种如权利要求3所述的高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过PWM控制驱动电路，驱动第一开关管开通、第二开关管关闭，此时电路进入模态I，电路电流从第一开关管通过，光伏阵列对外输出功率；

步骤二：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态I后，驱动第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路进入模态II，电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损耗；

步骤三：当模态II结束时，控制第一开关管关闭、第二开关管开通，此时电路进入模态III，电路电流从第二开关管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管不存在功率损耗；

步骤四：根据光伏组件最大功率点跟踪对PWM控制的要求而结束模态III后，控制第一开关管关闭、第二开关管关闭，此时电路再次进入模态II，电路电流从第二开关管的续流二极管通过，光伏阵列不输出功率，电路处于续流状态，第二二极管存在功率损失；至此，完成光伏功率优化器的一个控制周期；

步骤五：重复步骤一至步骤四，使得光伏功率优化器在每个控制周期内进入模态的时序排列依次为模态I-模态II-模态III-模态II。

5.根据权利要求4所述的高效光伏功率优化器串联拓扑电路的控制方法，其特征在于：还包括第三开关管的控制步骤：

1、判断第三开关管属于半控型器件还是全控型器件，若是半控型器件，则保持对第三开关管的导通触发，若是全控型器件，则进入下一步骤；

2、令所有优化器都开通时，电路在电流检测周期内会出现倒流的电流值为临界值，检测电路的电流，判断电路电流是否高于此临界值，若是，则控制第三开关管导通，若不是，则控制第三开关管断开。