一種新型光伏模塊化多電平變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型光伏模塊化多電平變換器及其 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的太陽能光伏發(fā)電基本都以交流并網(wǎng)形式為主，無論是集中式光伏逆變器還 是分布式光伏逆變器，其輸出電壓都較低，多為400V以下，如果要將光伏發(fā)電接入直流配 電網(wǎng)，則逆變器的輸出需要經(jīng)過隔離變壓器升壓，再經(jīng)過VSC整流后再并入直流配電網(wǎng)。此 系統(tǒng)有設(shè)備多、占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)換效率低等不足。常見的基于模塊化級聯(lián)的光伏 發(fā)電直流并網(wǎng)系統(tǒng)中，將光伏陣列的輸出通過隔離式直流變換器接入半橋子模塊，多個這 樣的子模塊輸出通過級聯(lián)形式連結(jié)，通過調(diào)節(jié)投入的子模塊數(shù)量來獲得期望的直流電壓并 接入直流配電網(wǎng)進行電能輸送。通過這種結(jié)構(gòu)，不僅可以滿足相應(yīng)的電壓以及功率等級要 求，而且從光伏電池輸出的直流電能只需要經(jīng)過一級變換再經(jīng)串聯(lián)輸出即可并入直流配電 網(wǎng)，省去中間的交流環(huán)節(jié)和升壓變壓器，降低成本，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。此外， 采用模塊化設(shè)計，還可提高系統(tǒng)的冗余性和可靠性。美國德州農(nóng)工大學(xué)開展了基于模塊化 級聯(lián)的大型光伏電站高壓直流并網(wǎng)研究，對光伏發(fā)電采用高壓直流并網(wǎng)形式進行電能饋送 (Echeverria J, Kouro S, Perez M, Abu-Rub H. Multi-modular cascaded DC-DC converter for HVDC grid connection of large-scale photovoltaic power systems[C]. IEEE IEC0N，2013:6999-7005)。上述提到的美國德州農(nóng)工大學(xué)開展的直流并網(wǎng)研究，在單個子模 塊中的后級單元采用的也是半橋電路。這導(dǎo)致后級單元還不夠簡單，成本沒能再次降下來， 而且驅(qū)動電路也相對比較復(fù)雜，由此帶來的驅(qū)動功率的消耗和開關(guān)管的開關(guān)損耗也有所增 加。
[0003] 因此，需要提供一種高可靠性、低成本和低損耗的新型光伏模塊化多電平變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供了一種新型光伏模塊化多電平變換器及其 控制方法。
[0005] 第一方面，本發(fā)明中一種新型光伏模塊化多電平變換器的技術(shù)方案是：
[0006] 所述模塊化多電平變換器包括η個子單元模塊，η至少為2 ;所述η個子單元模塊 的輸入端分別接入一個光伏組件，輸出端均接入直流電網(wǎng)；
[0007] 所述子單元模塊包括DC/DC變換器、穩(wěn)壓電容和SM單元；所述SM單元由開關(guān)管和 二極管串聯(lián)組成；所述DC/DC變換器的輸入端接入所述光伏組件，輸出端依次并聯(lián)有所述 穩(wěn)壓電容和SM單兀。
[0008] 優(yōu)選的，所述SM中開關(guān)管的發(fā)射極與二極管的陰極連接；
[0009] 優(yōu)選的，所述模塊化多電平變換器包括η個SM單元；
[0010] 第1個SM單元中開關(guān)管的發(fā)射極通過電感接入所述直流電網(wǎng)；
[0011] 第i個SM單元中二極管的陽極與第i+1個SM單元中開關(guān)管的發(fā)射極連接，i = 1, 2,, n-1 ；
[0012] 第η個SM單元中二極管的陽極接入所述直流電網(wǎng)；
[0013] 優(yōu)選的，所述DC/DC變換器為隔離型DC/DC變換器；
[0014] 優(yōu)選的，所述子單元模塊的工作模式包括放電模式和充電模式；
[0015] 當所述穩(wěn)壓電容兩端的電壓大于電壓上限閾值時，子單元模塊工作于放電模式； 觸發(fā)所述開關(guān)管導(dǎo)通，所述二極管在開關(guān)管導(dǎo)通后截止，從而向直流電網(wǎng)放電；
[0016] 當所述穩(wěn)壓電容兩端的電壓小于電壓下限閾值時，子單元模塊工作于充電模式； 觸發(fā)所述開關(guān)管關(guān)斷，所述二極管在開關(guān)管關(guān)斷后導(dǎo)通，光伏組件通過DC/DC變換器向穩(wěn) 壓電容充電。
[0017] 第二方面，本發(fā)明中新型光伏模塊化多電平變換器的控制方法的技術(shù)方案是：
[0018] 所述方法采用電容電壓排序法控制所述模塊化多電平變換器中η個穩(wěn)壓電容的 兩端電壓均衡；所述電容電壓排序法包括：
[0019] 步驟1:采集所述模塊化多電平變換器η個穩(wěn)壓電容兩端的電壓U1, i = 1，2，· · ·，η ;
[0020] 步驟2 :將所述電壓U1按照電壓值由大到小的順序排列，得到電壓值序列S ,，j = 1，2，· · ·，η ;
[0021] 步驟3 :選取電壓值1對應(yīng)的穩(wěn)壓電容，則控制包含有所述穩(wěn)壓電容的子單元模 塊工作于放電模式，j = 1，2, . . .，η-2 ;
[0022] 選取電壓值^對應(yīng)的穩(wěn)壓電容，則控制包含有所述穩(wěn)壓電容的子單元模塊工作于 放電模式，j = η-1, η。
[0023] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是：
[0024] 本發(fā)明提供的一種新型光伏模塊化多電平變換器，采用含有一個開關(guān)管和一個二 極管的半橋電路，使得變換器的控制更加簡單，提高了變換器的可靠性，并且減少了開關(guān)器 件的同時也減少了驅(qū)動總功率和開關(guān)損耗，降低了成本。
[0025]
【附圖說明】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0027] 圖1 :本發(fā)明實施例中一種新型光伏模塊化多電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖2 :本發(fā)明實施例中子單元模塊工作于放電模式時電流流向圖；
[0029] 圖3 :本發(fā)明實施例中子單元模塊工作于充電模式時電流流向圖；
[0030] 圖4 :本發(fā)明實施例中新型光伏模塊化多電平變換器并網(wǎng)示意圖；
[0031] 圖5 :圖4中全橋變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖6 :本發(fā)明實施例中光伏組件的輸出電壓、電流和功率的波形圖；
[0033] 圖7 :本發(fā)明實施例中全橋變換器的原邊電壓和電流的波形圖；
[0034] 圖8 :本發(fā)明實施例中開關(guān)管的驅(qū)動信號波形圖；
[0035] 圖9 :本發(fā)明實施例中并網(wǎng)電流的波形圖；
[0036] 圖10 :本發(fā)明實施例中穩(wěn)壓電容兩端的電壓波形圖；
[0037] 圖11 :圖10所示電壓波形的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0039] 本發(fā)明提供的一種新型光伏模塊化多電平變換器以及其控制方法，通過采集各個 直流環(huán)節(jié)中的電容電壓并排序來控制后級SM單元的工作模式，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓電容兩端的 電壓均衡并進行中高壓直流并網(wǎng)。
[0040] 一、新型光伏模塊化多電平變換器
[0041] 本發(fā)明中新型光伏模塊化多電平變換器的實施例如圖1所示，具體為：
[0042] 該模塊化多電平變換器包括η個子單元模塊，η至少為2。
[0043] 本實施例中，η個子單元模塊的輸入端分別接入一個光伏組件，輸出端接入直流電 網(wǎng)。子單元模塊包括DC/DC變換器、穩(wěn)壓電容Ci和SM單元，i = l，2，...，η。其中，
[0044] ①：SM單元由開關(guān)管Si和二極管Di串聯(lián)組成，i = 1，2, ...，η ;本實施例中的開 關(guān)管指的是功率開關(guān)器件，例如IGBT、IGCT和M0SFET。
[0045] ②：DC/DC變換器的輸入端接入光伏組件，輸出端依次并聯(lián)有穩(wěn)壓電容Ci和SM單 元。即穩(wěn)壓電容Ci并聯(lián)在DC/DC變換器的輸出端，SM單元并聯(lián)在穩(wěn)壓電容Ci的兩端。
[0046] I、SM 單元
[0047] 如圖1所示模塊化多電平變換器包括η個SM單元，每個SM單元中開關(guān)管的發(fā)射 極均與其二極管的陰極連接。
[0048] 本實施例中η個SM單元級聯(lián)，具體為：
[0049] ①：第1個SM單元中開關(guān)管的發(fā)射極通過電感Lg接入直流電網(wǎng)；
[0050] ②：第i個SM單元中二極管的陽極與第i+Ι個SM單元中開關(guān)管的發(fā)射極連接，i =1，2,…，n_l ;
[0051] ③