文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.035
中文引用格式： 馮朝潤(rùn)，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.
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(guò)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(guó)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)潆娐贰Ｔ谠撏負(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。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(lái)[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]?；诖嗽恚疚脑O(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：
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，U2O、U3O和U4O為第2、3和4個(gè)變換器的輸出電壓。通過(guò)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(guò)不斷檢測(cè)主開關(guān)管端電壓的變化情況，來(lái)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。
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。
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(guò)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。
通過(guò)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(guò)程中所截取的重要波形。
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(guò)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)。
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(wú)法正常工作的問(wèn)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(guò)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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