本發(fā)明涉及阻抗型變換器電路拓?fù)渑c運(yùn)行控制，具體地，涉及一種阻抗型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電是目前新能源發(fā)電最主要的形式之一，是我國未來實(shí)現(xiàn)可再生能源替代的主力軍。我國光照資源分布情況與電力系統(tǒng)格局決定大規(guī)模建設(shè)、集中并網(wǎng)接入將成為未來光伏開發(fā)利用的重要形式。

光伏發(fā)電存在功率密度小、出口電壓低、隨機(jī)波動大的固有特征，必須經(jīng)過匯集系統(tǒng)的升壓匯聚方可達(dá)到并網(wǎng)條件。傳統(tǒng)光伏電站采取交流升壓匯集技術(shù)，即光伏陣列輸出經(jīng)過mppt控制與光伏逆變器后得到穩(wěn)定低壓三相交流電，再通過母線匯聚后由升壓變壓器接入配電網(wǎng)。該方案應(yīng)用于大型光伏發(fā)電基地主要存在兩大缺點(diǎn)：

1、弱同步支撐下多逆變器并聯(lián)穩(wěn)定性問題突出，電壓越限與寬頻域振蕩頻發(fā)；

2、站內(nèi)與站間交流匯集線路損耗大，系統(tǒng)整體效率偏低。

為解決上述問題，可采用光伏直流升壓匯集系統(tǒng)構(gòu)建大型直流光伏發(fā)電基地，即光伏陣列輸出的低壓直流電直接由光伏直流升壓變流器泵升至直流配網(wǎng)電壓水平，經(jīng)過進(jìn)一步匯集后，由vsc換流站集中逆變接入交流大電網(wǎng)或者由大型升壓變流站將電壓進(jìn)一步抬升至hvdc水平，實(shí)現(xiàn)直流光伏發(fā)電基地遠(yuǎn)距離送出。該方案適用于大規(guī)模光伏電站開發(fā)建設(shè)，目前已經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界廣泛關(guān)注，具有光明前景。國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)計劃中已針對該項(xiàng)技術(shù)設(shè)立專門課題，開展深入研究。典型光伏直流升壓匯集系統(tǒng)如圖1所示：

研制光伏直流升壓變流器是實(shí)現(xiàn)光伏直流升壓匯集接入的關(guān)鍵所在。該變流器需要滿足以下技術(shù)要求：

1、高升壓比，可實(shí)現(xiàn)從光伏陣列輸出端到直流中壓配電網(wǎng)的單級升壓變換；

2、良好的效率特性，確保光伏直流升壓匯集系統(tǒng)整體效率滿足設(shè)計要求；

3、滿足系統(tǒng)各類運(yùn)行控制需求、具備高可靠性與良好的運(yùn)行適應(yīng)性。

目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的高升壓比dc－dc變換器主要分為單體結(jié)構(gòu)與多模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種類型。受制于電路工作機(jī)理、器件工藝水平，單體型變流器升壓比有限，無法滿足光伏直流升壓匯集系統(tǒng)需求。模塊串聯(lián)型變流器一般以隔離型dc-dc作為子變流器單元，采用“獨(dú)立/并聯(lián)輸入-串聯(lián)輸出”的模式獲取高升壓比。

獨(dú)立輸入模式中(如圖2所示)，光伏直流升壓變流器輸出側(cè)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在理想情況下，變流器出口電壓vout將均勻分配至各子模塊，且輸出電流處處相等。當(dāng)系統(tǒng)中各子模塊輸入功率不均衡(即：失配現(xiàn)象)時，由于vout可視為恒定(受外部強(qiáng)電網(wǎng)支撐)，vout將不再均勻分配，部分模塊輸出電壓較額定值降低，其余模塊輸出電壓將升高。為使光伏陣列工作在mppt點(diǎn)，各子模塊輸入電壓基本保持恒定，這意味著各子模塊電壓增益將偏離額定數(shù)值。全橋變換單元最大升壓能力受制于高頻變壓器匝比，當(dāng)系統(tǒng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，進(jìn)一步提高電壓增益的空間往往很小，缺乏靈活的二次調(diào)節(jié)能力。因此，當(dāng)功率失配較為嚴(yán)重時，部分子模塊電壓增益將無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求，進(jìn)而導(dǎo)致輸入側(cè)mppt控制失效，輸出側(cè)出現(xiàn)串聯(lián)電流取小效應(yīng)，造成系統(tǒng)發(fā)電能力下降，甚至無法正常運(yùn)行。為避免上述問題出現(xiàn)，必須消除子模塊間輸入功率失配，確保功率均衡。而不同光伏陣列間受光照條件，物理參數(shù)差異等多重因素影響，難以實(shí)現(xiàn)輸出功率實(shí)時均衡。

為解決前述固有矛盾，必須對圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖3所示，即:在光伏陣列與光伏直流升壓變流器間設(shè)置低壓直流母線，對能量進(jìn)行初步匯集。在此基礎(chǔ)上，將各子模塊輸入側(cè)并聯(lián)接入低壓直流母線并引入模塊間均衡控制策略。此時為保證光伏陣列最大功率追蹤精度，需要在低壓直流母線與光伏陣列間配置專用分布式mppt裝置。

圖3所示方案雖然解決了輸入功率失配問題，但系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致可靠性下降。當(dāng)?shù)蛪褐绷髂妇€任何位置出現(xiàn)短路故障時，均會導(dǎo)致全部光伏陣列將退出運(yùn)行。同時分布式mppt裝置的引入給系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)帶來難度，也不利于外部故障條件下迅速執(zhí)行場站級協(xié)同控保動作。

在名稱為用于光伏直流模塊的高升壓比直流變換器的文獻(xiàn)中針對光伏直流模塊，研究了一種非隔離高升壓比直流變換器，該變換器具有寬輸入電壓、高升壓比、高效率等特點(diǎn)。詳細(xì)分析了該變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理,進(jìn)行了相關(guān)理論公式推導(dǎo)，分析了光伏直流模塊的外特性要求并介紹了相應(yīng)的控制方案。結(jié)合直流光伏發(fā)電模塊的電氣技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了基于該非隔離高升壓比直流變換器的160w光伏模塊實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的特點(diǎn)及理論分析和樣機(jī)設(shè)計的正確性。

但是該文獻(xiàn)研究的是基于直流母線的光伏發(fā)電系統(tǒng)，每塊光伏電池板配接一個dc-dc變換器，能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)mppt，多個dc-dc變換器并聯(lián)形成直流母線，通過公用逆變器并入交流電網(wǎng)。這種基于直流母線的匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的升壓增益，但對于升壓要求高得多的直流并網(wǎng)應(yīng)用場景，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不適用。

在名稱為multi-modularcascadeddc-dcconverterforhvdcgridconnectionoflarge-scalephotovoltaicpowersystems的文獻(xiàn)中公開了：large-scalegrid-connectedphotovoltaic(pv)energyconversionsystemsoperateatlowvoltageandareinterfacedtomedium-voltageandhigh-voltageacutilitygridsthroughoneortwostep-upvoltagetransformerstages.inaddition,thepowerconversionisperformedwitheitherasinglestagedc-acconverter(centralinverter)oratwostagedc-dc/dc-ac(stringormulti-stringinverter).however,primesolarirradiationregionsintheworldarenotalwayslocatedclosetoavailableutilitylines,andinsomecasesarefarawayfrommainconsumptionareas.furthermore,longoverheadtransmissionslines(>400km)andunderwatertransmissionlinesabove70km,hvdchasbecomethemostcost-effectivesolution.amonghvdctechnologies,voltagesourceconverterbasedhvdcsystem,mainlybasedonthemodularmultilevelconverter(mmc),havebecomepopularduetosmallerfilters,multi-networkconnectionanddecouplingofactiveandreactivepower.thispaperexploresanewlarge-scalepvplantconfigurationbasedonadc-dcstageinterfaceddirectlytoanmmcbasedhvdcsystem.sincepvsystemsaredcbynature,theproposedsolutionhasseveraladvantages,particularlyifcombineddirectlywiththehvdcpowerstation.somepowercircuittopologiesarepresented,includingtheircorrespondingcontrolschemes.simulationresultsarepresentedtoprovideapreliminaryevaluationontheoperationandperformanceoftheproposedsystem.

但是該文獻(xiàn)研究的應(yīng)用背景與本申請類似，都是用于并入高壓直流電網(wǎng)的光伏發(fā)電直流匯集系統(tǒng)，采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是模塊化級聯(lián)結(jié)構(gòu)。但該文獻(xiàn)的各個模塊均包含兩級dc-dc變換器：前級是隔離型dc-dc變換器，后級是全橋或者半橋的輸出結(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在通過模塊級聯(lián)的方式來提高升壓比的同時，還通過前級dc-dc變換器來實(shí)現(xiàn)光伏mppt。兩級dc-dc變換器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電路中包含較多的開關(guān)器件，運(yùn)行時產(chǎn)生的開關(guān)損耗較大，電路結(jié)構(gòu)和控制策略也比較復(fù)雜。

在名稱為poweroptimizationstrategyforcascadeddc-dcconverterarchitecturesofphotovoltaicmodules的文獻(xiàn)中公開了：thispaperproposesacontrolstrategyaimingatoperatingcascadeddc-dcconverterarchitecturesofphotovoltaic(pv)modulesatmaximumpowerirrespectiveoftheirradianceconditions,meanwhilemeetingconstraintsofvoltage-limitationtype.theglobaloptimumofcascadedconnectionsofpvmodulesisgenerallyequivalentwithoperatingallthemodulesatmaximumpowerpointtracking(mppt).themostimportantdisturbanceoccurswhentheirradiancelevelsofmodulesaresensiblydifferentbecauseofvariousreasons-inthiscase,voltage-limitationrequirementsmaybebroken.theproposedsupervisingstrategythenattemptstoestablishthebestsuboptimalpowerregime.matlabreg/simulinkregnumericalsimulationresultsarepresentedinthecaseofamonophasedgrid-connectedpvsystem,whereindividualmpptshavebeenimplementedbyextremumseekingcontrol(esc).

但是該文獻(xiàn)的采用的光伏直流匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與本申請類似，都是采用多變流器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多個光伏陣列輸出的直流電經(jīng)過各自獨(dú)立的dc-dc變換器升壓之后，相互串聯(lián)，從而得到較高的直流電壓，再實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。該文獻(xiàn)選用的dc-dc裝置是非隔離型dc-dc變換器，這種變換器可達(dá)到的電壓增益范圍較小，當(dāng)各光伏模塊間的光照強(qiáng)度等外界條件出現(xiàn)較大差異時，會導(dǎo)致有的模塊無法實(shí)現(xiàn)光伏的最大功率點(diǎn)跟蹤。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種阻抗型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器，采用準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)與全橋變換器結(jié)合的新型子變流器模塊單元并引入雙變量協(xié)同控制方法，在此基礎(chǔ)上采用獨(dú)立輸入-串聯(lián)輸出模式構(gòu)建阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器。

本發(fā)明提供的阻抗型多模塊串聯(lián)式光伏直流升壓變換器，包括準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和全橋dc-dc變換器；

其中，所述準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和全橋dc-dc變換器級聯(lián)構(gòu)成阻抗型功率變換單元；

所述阻抗型功率變換單元的輸入端用于連接光伏陣列，輸出端相互串聯(lián)獲得直流高壓；所述阻抗型功率變換單元的數(shù)量為多個。

優(yōu)選地，還包括單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器；

多個阻抗型dc-dc變換器的輸出端相串聯(lián)后接入所述單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器的輸入回路。

優(yōu)選地，所述阻抗型功率變換單元包括電感l(wèi)1、電感l(wèi)2、二極管d1、二極管d2、二極管d3、二極管d4、二極管d5、變壓器、電容c1、電容c2、電容c3、開關(guān)管的s1、開關(guān)管的s2、開關(guān)管的s3以及開關(guān)管的s4；

電感l(wèi)1的一端連接二極管d5的正極、電容c2的一端；二極管d5的負(fù)極連接電感l(wèi)2的一端、電容c1的一端；電容c2的另一端連接電感l(wèi)2的另一端、開關(guān)管的s1的c端、開關(guān)管的s3的c端；

開關(guān)管的s1的e端連接開關(guān)管的s2的c端、變壓器中初級線圈的一端；開關(guān)管的s3的e端連接開關(guān)管的s4的c端、變壓器中初級線圈的另一端；

電感l(wèi)1的另一端為正極輸入端，開關(guān)管的s2的e端、開關(guān)管的s4的e端、電容c1的另一端為負(fù)極輸入端；

變壓器中次級線圈的一端二極管d1的正極、二極管d2的負(fù)極，另一端連接二極管d3的正極、二極管d4的負(fù)極；二極管d1的負(fù)極、二極管d3的負(fù)極、電容c3的一端連接正極輸出端，二極管d2的正極、二極管d4的正極、電容c2的另一端連接負(fù)極輸出端。

優(yōu)選地，所述阻抗型功率變換單元的mppt控制方法采用爬山法。

優(yōu)選地，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括采樣模塊、控制狀態(tài)識別模塊、控制量計算模塊和脈沖調(diào)制模塊；

其中，采樣模塊，用于測量光伏陣列的輸出信息并將所述輸出信息傳遞給控制狀態(tài)識別模塊同時將α和β信息傳遞給控制狀態(tài)識別模塊；

所述控制狀態(tài)識別模塊，用于根據(jù)α和β信息、所述輸出信息生成控制狀態(tài)變量sf；

所述控制量計算模塊，用于根據(jù)控制狀態(tài)變量sf實(shí)時計算α與β；

所述脈沖調(diào)制模塊，用于根據(jù)α和β，生成相應(yīng)的開關(guān)器件觸發(fā)信號并傳遞給全橋dc-dc變換器；

其中，α為直通占空比；β為移相角。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)包括如下控制模式：

模式1：當(dāng)δp≥0，δupv≥0，α>0；或δp<0，δupv<0，α>0時，

δp≥0，δupv≥0或δp<0，δupv<0時，光伏陣列的工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值左側(cè)；為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv增大，欲增大upv，需減小α或增大β；由于α>0，控制器優(yōu)先減小α以減小電路損耗和應(yīng)力，此時令sf＝1；

其中，δp為本次采樣與上次采樣間光伏陣列輸出功率增加量；δupv為本次采樣與上次采樣間光伏陣列輸出電壓增加量；upv為光伏陣列當(dāng)前輸出電壓；

模式2：當(dāng)δp≥0，δupv≥0，α≤0；或δp<0，δupv<0，α≤0時，

δp≥0，δupv≥0或δp<0，δupv<0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值左側(cè)；為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv增大，欲增大upv，需減小α或者增大β；由于α＝0，控制器只能增大β，此時令sf＝2；

模式3：當(dāng)δp≥0，δupv<0，β>α；或δp<0，δupv≥0，β>α?xí)r，

δp≥0，δupv<0或δp<0，δupv≥0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值右側(cè)；為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv減小，欲減小upv，需增大α或減小β；由于β>α，控制器優(yōu)先減小β以保持α盡可能小，此時令sf＝3；

模式4：當(dāng)δp≥0，δupv<0，β≤α；或δp<0，δupv≥0，β≤α?xí)r，

δp≥0，δupv<0或δp<0，δupv≥0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值右側(cè)；為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv減小，欲減小upv，需增大α或減小β；由于β＝α，控制器將同步增大β與α，此時令sf＝4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、qzsdc子模塊電路具有可控的升壓特性，可在高頻變壓器匝比基礎(chǔ)上進(jìn)行靈活的二次增益調(diào)節(jié)，增大各子模塊工作區(qū)域，解決光伏陣列間功率失配問題，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行適應(yīng)性；

2、多個光伏陣列獨(dú)立接入子模塊，無需設(shè)置低壓直流母線，可以簡化直流匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于內(nèi)部故障的隔離保護(hù)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性；

3、子模塊電路中含有準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，允許引入直通狀態(tài)，可以自然抵御變流器橋臂直通短路故障，增強(qiáng)電力電子裝置運(yùn)行可靠性；

4、最大功率點(diǎn)跟蹤(mppt)功能與升壓變換功能在同一級變換器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，無需伴隨光伏陣列設(shè)置匯流箱(分布式mppt裝置)，便于系統(tǒng)維護(hù)，提高電站特殊情況下整體控制響應(yīng)速度；

5、變流器整體采用基于各子模塊的分布式控制架構(gòu)，各子模塊獨(dú)立閉環(huán)控制，系統(tǒng)主控與子模塊之間無需通信，可提升系統(tǒng)可靠性；

6、本發(fā)明具備良好的可拓展性，對于我國未來大型直流光伏電站與發(fā)電基地的開發(fā)建設(shè)具有潛在工程應(yīng)用價值。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為典型光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的示意圖；

圖2為簡單獨(dú)立輸入式匯集系統(tǒng)的示意圖；

圖3為含低壓直流母線的并聯(lián)輸入式匯集系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明中阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器及相應(yīng)光伏直流升壓匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5為本發(fā)明中基于準(zhǔn)z源網(wǎng)絡(luò)的阻抗型功率變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中基于準(zhǔn)z源網(wǎng)絡(luò)的阻抗型功率變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非直通狀態(tài)的等效電路圖；

圖7為本發(fā)明中基于準(zhǔn)z源網(wǎng)絡(luò)的阻抗型功率變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直通狀態(tài)的等效電路圖；

圖8為本發(fā)明中爬山法的流程圖；

圖9為本發(fā)明中qzsdc整體控制框圖；

圖10為本發(fā)明移相角與直通占空比算法流程圖；

圖11為本發(fā)明中一個開關(guān)周期內(nèi)s1-s4上的控制脈沖示意圖；

圖12為本發(fā)明中光伏陣列上的太陽輻照度示意圖；

圖13為本發(fā)明中qzsdc1-8輸出電壓及串聯(lián)總電壓仿真結(jié)果示意圖；

圖14為本發(fā)明中光伏陣列4在mppt控制下的輸出電壓示意圖；

圖15為本發(fā)明中光伏陣列4在mppt控制下的輸出電流示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供了用于光伏直流升壓匯集系統(tǒng)的阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器?；谠撔妥儞Q器的匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中虛線框部分為本專利提出的阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器。作為變換器中子模塊的準(zhǔn)z源dc-dc變換器(qzsdc)具體電路拓?fù)淙鐖D5所示。將準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)與全橋dc-dc變換器級聯(lián)，構(gòu)成阻抗型功率變換單元，作為光伏直流升壓變流器的子模塊單元。每個光伏陣列分別連接到升壓變換器的相應(yīng)的子模塊輸入端，各子模塊輸出側(cè)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。各光伏陣列直流輸出經(jīng)各子模塊同時實(shí)現(xiàn)mppt與電壓抬升功能，并在輸出側(cè)串聯(lián)形成30kv單極性直流電壓。

進(jìn)而，30kv單極性直流輸出，經(jīng)由站級單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器轉(zhuǎn)換為±30kv雙極性直流輸出，從而與外部直流配電網(wǎng)的運(yùn)行方式相匹配(注：亦可通過dc-ac換流站接入中壓交流配電網(wǎng))。

假設(shè)外部直流配電網(wǎng)為強(qiáng)電網(wǎng)，計及光伏輸出的隨機(jī)波動性，則對于所提出的直流升壓匯集系統(tǒng)，采用逐級向前的定電壓控制模式(注：針對每級電路，定義其功率注入側(cè)為前端，下同)。在此模式下，前級電路對后級呈電流源特性，本發(fā)明對外部電網(wǎng)呈電流源特性。具體而言：匯集系統(tǒng)輸出電壓為±30kv，由外部電網(wǎng)支撐給定；單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器控制阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器的出口電壓為30kv；各子模塊則獨(dú)立控制相應(yīng)的光伏陣列出口電壓，實(shí)現(xiàn)各陣列mppt運(yùn)行。

a.子模塊電路拓?fù)渑c原理

針對光伏直流匯集系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，本專利中提出一種阻抗型功率變換單元(即：quasi-zsourcedc-dcconverter，qzsdc)，作為直流光伏升壓變換器的子模塊單元，如圖5所示。其特點(diǎn)簡述如下：

1、輸入電流連續(xù)，電感l(wèi)1的作用保證其輸入電流連續(xù)，因此這種qzsdc子模塊將匹配光伏組件輸出特性；

2、由于阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在，其工作狀態(tài)存在一個特殊直通狀態(tài)，不但有效改善可靠性，并且引入靈活升壓能力，可在高頻變壓器匝比基準(zhǔn)上進(jìn)行二次升壓控制；

3、無源器件電壓應(yīng)力較低。傳統(tǒng)z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱，電容耐受同等電壓；但該子模塊中電容c2電壓應(yīng)力較??；

4采用基于各子模塊的分布式控制架構(gòu)，各子模塊獨(dú)立閉環(huán)控制；系統(tǒng)主控與子模塊之間無需通信，可提升系統(tǒng)可靠性；

5、準(zhǔn)z源網(wǎng)絡(luò)，輸入端與輸出端為共地結(jié)構(gòu)，易于裝配，降低emi干擾。

根據(jù)同一橋臂上下兩開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷情況，可以將qzsdc的工作狀態(tài)分為非直通狀態(tài)和直通狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下qzsdc的等效電路圖分別如圖6所示。其中，當(dāng)工作在非直通狀態(tài)時，二極管正向?qū)?；?dāng)工作在直通狀態(tài)時，二極管承受反壓截止。

穩(wěn)態(tài)時，依據(jù)電感伏秒平衡與電容電荷平衡，可以推出如下結(jié)果：

其中，α＝πt0/t，t表示qzsdc的開關(guān)周期，t0表示一個開關(guān)周期內(nèi)的直通時間，u1為qzsdc的輸出端電壓，

變換器處于非直通狀態(tài)時，阻抗網(wǎng)絡(luò)出口側(cè)電壓ui可以表示為

由此可以得到，

由上式和全橋dc-dc變換器的工作原理，得到qzsdc輸出端電壓u2可以表示為：

其中，表示直通狀態(tài)下阻抗網(wǎng)絡(luò)出口側(cè)電壓值，β＝π(t-ton)/t為移相角，ton表示變換器一個開關(guān)周期內(nèi)s1和s3同時開通的時間。

b.子模塊mppt控制方法

實(shí)現(xiàn)mppt功能有若干具體算法，本文采用經(jīng)典功率觀測法(爬山法)。其原理為：周期性地改變光伏陣列端口電壓，對比改變后輸出功率與改變前的輸出功率來尋找最大功率點(diǎn)。即從一個起始點(diǎn)開始以固定的步長逐步增大端口電壓，然后測量由于端口電壓變化引起的輸出功率變化的大小及方向，判定輸出功率變換方向后，再進(jìn)一步改變光伏陣列端口電壓，從而尋找到光伏陣列最大功率點(diǎn)。其流程圖，如圖7所示。

c.子模塊調(diào)制/控制策略

為了將光伏陣列的輸出電壓控制在由上述mppt算法得到的最大功率點(diǎn)處，需用移相角β和直通占空比α來協(xié)同控制每一個子模塊的電壓增益。這里采用雙變量協(xié)同控制法進(jìn)行子模塊控制，其基本思想為：在一定約束條件下對移相角與直通角進(jìn)行協(xié)同控制，在滿足電壓給定跟蹤的前提下實(shí)現(xiàn)直通占空比最小化，減小直通短路所帶來的應(yīng)力沖擊，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

如圖8所示為子模塊控制框圖(含：采樣模塊、控制狀態(tài)識別模塊、控制量計算模塊和脈沖調(diào)制模塊)。采樣模塊測量光伏陣列的輸出信息(包括本次采樣和前一次采樣結(jié)果)，并將其傳遞給控制狀態(tài)識別模塊。α和β信息同時傳遞給控制狀態(tài)識別模塊。多輸入量共同決定子模塊的控制狀態(tài)變量sf，以此作為控制量計算模塊的輸入，用來實(shí)時計算α與β。最終，脈沖調(diào)制模塊根據(jù)α和β，生成相應(yīng)的開關(guān)器件觸發(fā)信號。

控制狀態(tài)變量sf是對系統(tǒng)當(dāng)前控制狀態(tài)的描述，其取值直接決定系統(tǒng)在當(dāng)前控制周期內(nèi)的具體動作(具體而言，是指：對被控量α與β的調(diào)節(jié)方式與方向)。

為保證任意工作點(diǎn)下sf取值唯一確定，需要對系統(tǒng)控制狀態(tài)進(jìn)行合理劃分。此處，將子模塊控制狀態(tài)劃分為4種模式，對應(yīng)sf取值分別為1，2，3，4。

針對每種具體模式，依據(jù)雙變量協(xié)同控制法基本原則，可唯一確定被控量α與β的調(diào)節(jié)方式與方向。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)上一控制周期α與β取值以及預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)步長，即可完成本控制周期內(nèi)α與β的數(shù)值計算，進(jìn)而向脈沖調(diào)制模塊發(fā)出參考指令。系統(tǒng)控制狀態(tài)識別與α/β計算的具體過程，如圖9所示(其中：灰色背景框部分為系統(tǒng)控制狀態(tài)識別算法)。

具體系統(tǒng)控制狀態(tài)劃分(模式1-4)與相應(yīng)控制動作選擇，簡述如下：

(1)模式1：δp≥0，δupv≥0，α>0；或δp<0，δupv<0，α>0

δp≥0，δupv≥0或δp<0，δupv<0時，光伏陣列的工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值左側(cè)。為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv增大，欲增大upv，需減小α或增大β。由于α>0，控制器優(yōu)先減小α以減小電路損耗和應(yīng)力。此時令sf＝1.

其中，δp為本次采樣與上次采樣間光伏陣列輸出功率增加量；δupv為本次采樣與上次采樣間光伏陣列輸出電壓增加量；upv為光伏陣列當(dāng)前輸出電壓；

(2)模式2：δp≥0，δupv≥0，α≤0；或δp<0，δupv<0，α≤0

δp≥0，δupv≥0或δp<0，δupv<0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值左側(cè)。為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv增大，欲增大upv，需減小α或者增大β。由于α＝0，控制器只能增大β。此時令sf＝2.

(3)模式3：δp≥0，δupv<0，β>α；或δp<0，δupv≥0，β>α

δp≥0，δupv<0或δp<0，δupv≥0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值右側(cè)。為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv減小，欲減小upv，需增大α或減小β。由于β>α，控制器優(yōu)先減小β以保持α盡可能小。此時令sf＝3.

(4)模式4：δp≥0，δupv<0，β≤α；或δp<0，δupv≥0，β≤α

δp≥0，δupv<0或δp<0，δupv≥0時，光伏陣列工作點(diǎn)位于其p-v曲線峰值右側(cè)。為向最大功率點(diǎn)靠近，需使upv減小，欲減小upv，需增大α或減小β。由于β＝α，控制器將同步增大β與α。此時令sf＝4.

依照前述控制算法計算所得的α與β，將由脈沖調(diào)制模塊加以處理，進(jìn)而產(chǎn)生子模塊中開關(guān)器件所需的觸發(fā)信號。此處所采用的調(diào)制方法為移相/直通調(diào)制法^[21]，與之對應(yīng)的一個開關(guān)周期內(nèi)門極觸發(fā)信號生成機(jī)制如圖10所示。

如圖4所示的多子模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用8個光伏陣列作為輸入電源，其中每個光伏陣列包含25個并聯(lián)支路，每條并聯(lián)支路均包含15個光伏電池組件串聯(lián)，各個光伏電池組件溫度均為25℃，光照條件按照試驗(yàn)要求加以控制。光伏組件型號為sunpowerspr-305-wht，在仿真條件下的最大功率點(diǎn)電壓約為825v。

阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器含有8個qzsdc子模塊單元，具體電路參數(shù)為：l1＝l2＝100μh，c1＝c2＝220μf，c3＝100μf，子模塊中高頻變壓器原副邊匝比n＝1:4，開關(guān)頻率f＝5khz，雙極性并網(wǎng)側(cè)電壓為±30kv。

在仿真過程中，t＝0-0.16s時，各個光伏陣列的光照和溫度條件相同；t＝0.16-0.4s時，用大幅度的光照變化改變各個光伏陣列的輸出功率，以模擬系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的功率失配情況。如圖11所示為各個光伏陣列上的太陽輻照度隨時間變化的波形圖。

子模塊1-8的輸出電壓u2以及阻抗型多模塊串聯(lián)式直流升壓變換器輸出的總電壓utotal如圖12所示。從圖12中可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生輸入功率失配之前(t＝0-0.16s)，8個子模塊的輸出電壓相同，均為約3750v。當(dāng)t＝0.16s時，改變各個光伏陣列的光照條件，溫度條件不變，使光伏陣列1-8的輸出功率發(fā)生不同程度變化，子模塊1-8的輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)變化。在系統(tǒng)發(fā)生功率波動之后(t＝0.16-0.4s)，穩(wěn)定后的子模塊1-8輸出電壓在4300v-3200v范圍內(nèi)，升壓變換器輸出側(cè)串聯(lián)總電壓由于后級單雙極性轉(zhuǎn)換dc-dc變換器的控制，在系統(tǒng)發(fā)生功率波動時無明顯變化，始終穩(wěn)定在30kv左右。

t＝0.16s時，光伏陣列4的太陽輻照度由1000w/m²降為880w/m²，在溫度條件不變的情況下，光伏電池組件的最大功率點(diǎn)電壓無明顯變化，最大功率點(diǎn)電流變?yōu)?a；理論上此時陣列輸出電壓應(yīng)無明顯變化，為同一串聯(lián)支路上光伏電池組件的最大功率點(diǎn)電壓之和，輸出電流應(yīng)變?yōu)榧s125a。由圖13所示仿真結(jié)果可以看出，光伏陣列4輸出電壓在t＝0-0.4s時均穩(wěn)定在約820v；輸出電流在t<0.16s時穩(wěn)定在約136a，t＝0.16s-0.4s時穩(wěn)定在約122a，響應(yīng)迅速，mppt效果良好。由此可見各子模塊對相應(yīng)光伏陣列的獨(dú)立mppt控制正確有效。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。