光伏系統(tǒng)中一種改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器的研究

馮朝潤，張峻峰，王 軍，孫 章，楊 帆

（1.四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039）

光伏系統(tǒng)中一種改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器的研究

馮朝潤1，2，張峻峰1，2，王 軍1，2，孫 章1，2，楊 帆1，2

（1.四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039）

由于DC/DC變換器工作頻率高，常常導(dǎo)致開關(guān)管（IGBT）出現(xiàn)故障，為此研究了一種改進(jìn)型冗余 DC/DC變換器。當(dāng)主開關(guān)管出現(xiàn)故障（短路或斷路）時(shí)，該變換器能立即關(guān)斷主開關(guān)管，開通輔助開關(guān)管，使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。同時(shí)，搭建了基于冗余型DC/DC變換器的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該改進(jìn)型冗余變換器切換平滑性好，擾動(dòng)低，且系統(tǒng)恢復(fù)常態(tài)時(shí)間短。

冗余；DC/DC變換器；光伏發(fā)電

0 引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/DC變換器可靠性將直接影響到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。因此研究如何提高DC/DC變換器的可靠性與穩(wěn)定性，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。冗余技術(shù)是一種提高DC/DC變換器可靠性與穩(wěn)定性的重要方法[1]。冗余技術(shù)的本質(zhì)是通過給系統(tǒng)中某些關(guān)鍵器件添加一些“冗余”器件，以確保系統(tǒng)在某些關(guān)鍵器件發(fā)生故障情況下，仍能按原計(jì)劃可靠、有效地運(yùn)行[2]。在該拓?fù)潆娐分?，給主開關(guān)管并聯(lián)一個(gè)輔助開關(guān)管，作為備用開關(guān)管。并且采用電壓故障檢測(cè)法以檢測(cè) DC/DC變換器的故障情況。目前各國在冗余型DC/DC變換器方面的研究還比較少，并且大多數(shù)研究都集中在適合于高壓大功率的多電平變換器。文獻(xiàn)[3]研究了一種具有冗余功能的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[4]研究了基于模塊化多電平變換器的動(dòng)態(tài)冗余的優(yōu)化控制策略；文獻(xiàn)[5]研究了一種多電平變換器電壓的冗余控制策略。但是在適合中小功率的冗余變換器方面的研究還比較少。

本文結(jié)合冗余技術(shù)的特點(diǎn)，改進(jìn)了一種冗余型DC/ DC變換器的拓?fù)潆娐?。在該拓?fù)潆娐分校o主開關(guān)管并聯(lián)一個(gè)輔助開關(guān)管作為備用開關(guān)管。同時(shí)，采用電壓故障檢測(cè)法以檢測(cè)DC/DC變換器的故障情況。當(dāng)主開關(guān)管發(fā)生故障（斷路或者短路）時(shí)，系統(tǒng)迅速切斷變換器的主開關(guān)管，接通變換器的輔助開關(guān)管，則系統(tǒng)將快速恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)。

1 串聯(lián)冗余型DC/DC變換器

1.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成

如果將單個(gè) DC/DC變換器串聯(lián)連接起來[5]，再連接到直流母線電容上，不僅可降低DC/DC變換器的輸出電壓，從而降低其升壓比，還可降低其所承受的電壓應(yīng)力，提高系統(tǒng)的效率。這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是串聯(lián)直流母線結(jié)構(gòu)[6]。基于此原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)串聯(lián)型的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的前級(jí)電路由 4個(gè)冗余型 DC/DC module串聯(lián)組成。每個(gè)DC/DC module都由光伏電池板和 DC/DC變換器組成。并且每個(gè) DC/DC module都有最大功率點(diǎn)追蹤的功能，可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自身的最大功率點(diǎn)的追蹤[7-8]。每個(gè)DC/DC module都由光伏電池板和 DC/DC變換器組成。整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)所輸出的總功率為所有串聯(lián)的單個(gè)DC/DC module的輸出功率之和[6]，即：

式中，P為系統(tǒng)輸出的總功率，P1、P2、P3和 P4為單塊DC/DC module的輸出功率。系統(tǒng)的后級(jí)電路由直流母線電容、并網(wǎng)逆變電路和濾波器等組成。

2.2 冗余型DC/DC變換器

串聯(lián)冗余型DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。以第一個(gè)DC/DC變換器為例，介紹該變換器的工作原理。圖2中 T11為主開關(guān)管，T12為輔助開關(guān)管，F(xiàn)11、F12為快速熔絲，TR11、TR12為雙向晶閘管，VD11、VD12為二極管。當(dāng)變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電感在一個(gè) T12周期內(nèi)充放電平衡。則第一個(gè)DC/DC變換器的輸出電壓為：

圖2 冗余型DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中，U1O、EPV分別為光伏板的輸出電壓、輸入電壓，ton、toff開關(guān)管的開通、關(guān)斷時(shí)間。假設(shè) 4塊光伏電池板工作在相同光照強(qiáng)度下，并且每個(gè)光伏電池板的參數(shù)一致，則有：

式中，I1O、I2O、I3O和 I4O分別為 4塊光伏電池板的輸出電流。而直流母線電壓Udc為：

式中，U2O、U3O和 U4O為第 2、3和 4個(gè)變換器的輸出電壓。通過式（5），可得出：在 Udc不變的情況下，假設(shè)第一個(gè)變換器中的主開關(guān)管出現(xiàn)短路時(shí)(U1O=0 V)或斷路(U1O=EPV)，U1O減小，則 U2O、U3O和U4O增大。從而導(dǎo)致 DC/ DC變換器的升壓比增加，其承受的電壓應(yīng)力升高，開關(guān)損耗升高，系統(tǒng)效率降低。

正常情況下，系統(tǒng)通過不斷檢測(cè)主開關(guān)管端電壓的變化情況，來判斷主開關(guān)管的故障情況。主開關(guān)正常工作時(shí)，其端電壓的波形如圖3中U2所示；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主開關(guān)管的端電壓在一定的時(shí)間內(nèi)持續(xù)為高，如圖3中U1所示，開關(guān)管斷路，若立即切斷主開關(guān)及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，則系統(tǒng)將快速恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)，變換器的變化情況如圖4所示；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主開關(guān)管的端電壓在一定的時(shí)間內(nèi)持續(xù)為低，如圖3中U3所示，開關(guān)管短路，則立即切斷主開關(guān)及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，則系統(tǒng)將快速恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)，變換器的變化情況如圖5所示。

圖3 開關(guān)管在不同工作狀態(tài)下的端電壓

圖4 開關(guān)管斷路時(shí)的工作狀況

圖5 開關(guān)管短路時(shí)的工作狀況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文搭建了一種基于冗余型DC/DC變換器的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，其中光伏電池板的具體參數(shù)如表1所示。采用4塊光伏電池板串聯(lián)連接，用以模擬一個(gè)1 kW光伏電池板。

表1 光伏電池板參數(shù)

2.1 短路時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)4個(gè)DC/DC module中的任意2個(gè)DC/ DC module在一定的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)短路故障。圖6、圖7和圖8為實(shí)驗(yàn)過程中所截取的重要波形。

圖6為DC/DC變換器短路故障時(shí)其端電壓的波形。圖7為DC/DC變換器短路情況時(shí)，光伏電池板的輸出功率波形。圖中，P1和P2分別為DC/DC變換器正常工作時(shí)與短路故障時(shí)，光伏電池板的輸出功率波形。為了便于波形的觀察，對(duì)P1做了一定的增益處理。圖8為DC/DC變換器短路時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)電流I的波形。

圖6 短路時(shí)開關(guān)管的端電壓

圖7 短路情況下PV的輸出功率

圖8 短路情況下系統(tǒng)的并網(wǎng)電流

通過上述實(shí)驗(yàn)，可知：在本文所改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器的主開關(guān)管出現(xiàn)短路故障時(shí)，變換器的端電壓快速降到接近 0 V，系統(tǒng)PV模塊的輸出電流降低、輸出功率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的并網(wǎng)電流也降低，系統(tǒng)的效率也隨之下降。若此時(shí)立即切斷主開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，則變換器的端電壓、PV模塊的輸出功率以及系統(tǒng)的并網(wǎng)電流將恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)，從而系統(tǒng)的效率也得到了恢復(fù)。由此可以驗(yàn)證：改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器能使系統(tǒng)在變換器發(fā)生短路時(shí)，迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)。

2.2 斷路時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)4個(gè)DC/DC module中的任意2個(gè)DC/ DC module在一定的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)斷路故障。圖9、圖10和圖11為仿真過程中所截取的重要波形。

圖9 斷路情況下開關(guān)管的端電壓

圖10 斷路情況下PV的輸出功率

圖9為DC/DC變換器斷路故障時(shí)，開關(guān)管端電壓的波形。圖10為 DC/DC變換器斷路故障情況時(shí)，系統(tǒng)PV模塊的輸出功率波形。圖10中，P1和P2分別為DC/ DC變換器正常工作時(shí)與斷路故障時(shí)，系統(tǒng)PV模塊的輸出功率波形。為了便于波形的觀察，對(duì)P1做了一定的增益處理。圖11為 DC/DC變換器斷路故障情況時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)電流I的波形。

通過上述實(shí)驗(yàn)可知：在本文所改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器的主開關(guān)管出現(xiàn)斷路故障時(shí)，變換器的端電壓在故障時(shí)間內(nèi)持續(xù)為高，系統(tǒng)PV模塊的輸出電流降低、輸出功率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的并網(wǎng)電流也降低，系統(tǒng)的效率也隨之下降。若此時(shí)立即切斷主開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關(guān)管及其支路上的雙向晶閘管，則變換器的端電壓、PV模塊的輸出功率以及系統(tǒng)的并網(wǎng)電流將恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)，從而系統(tǒng)的效率也得到了恢復(fù)。由此可以驗(yàn)證：本文所改進(jìn)的冗余型DC/DC變換器能使系統(tǒng)在變換器發(fā)生斷路時(shí)，迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)。

圖11 斷路情況下系統(tǒng)的并網(wǎng)電流

3 結(jié)論

串聯(lián)直流母線型的變換器作為一種高效率和低成本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有很重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)串聯(lián)光伏系統(tǒng)中DC/DC變換器易因出現(xiàn)故障(短路或斷路)而長(zhǎng)時(shí)間無法正常工作的問題，本文提出了一種改進(jìn)的冗余型的DC/DC變換器，并且搭建了該基于變換器的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，該變換器能在其主開關(guān)管短路或斷路故障時(shí)，迅速切換到輔助開關(guān)管，使系統(tǒng)快速恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，由此驗(yàn)證了該變換器的有效性。

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The research on redundancy DC/DC converter for photovoltaic system

Feng Chaorun1，2，Zhang Junfeng1，2，Wang Jun1，2，Sun Zhang1，2，Yang Fan1，2
(1.Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving，Chengdu 610039，China；2.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The failure in the DC/DC converter is usual caused by the high frequency of it.Therefore,an improved redundancy DC/ DC converter is researched aimed to solve this problem.It can cut off its main switch,and conduct its auxiliary switch immediately,and refresh the system to the normal state,when the main switch of DC/DC converter have fault(a short circuit or an open circuit).Then,a three-phase photovoltaic grid power generation system is built to verify the feasibility of the method.Results show that this improved redundancy DC/DC converter switch smoothly,anti-jam strong,so that the system can return to normal in a short time.

redundancy；DC/DC converter；photovoltaic generation

TM615

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.035

馮朝潤，張峻峰，王軍，等.光伏系統(tǒng)中一種改進(jìn)的冗余型 DC/DC變換器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (11)：130-133.

英文引用格式：Feng Chaorun，Zhang Junfeng，Wang Jun，et al.The research on redundancy DC/DC converter for photovoltaic system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：130-133.

2016-04-06)

馮朝潤（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

張峻峰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

王軍（1966-），女，博士研究生，教授，主要研究方向：電氣自動(dòng)化、智能控制。