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作者: 发布时间:2017-01-03 来源: 繁体版
冯朝润1,2,张峻峰1,2,王 军1,2,孙 章1,2,杨 帆1,2(1.四川省电力电子节能技术与装备重点实验室,四川 成都610039;2.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039) 摘 要: 由于DC/DC变换器工作频率高,

冯朝润1,2,张峻峰1,2,王  军1,2,孙  章1,2,杨  帆1,2i0V自动化在线网

(1.四川省电力电子节能技术与装备重点实验室,四川 成都610039;2.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039)i0V自动化在线网


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    摘  要: 由于DC/DC变换器工作频率高,常常导致开关管(IGBT)出现故障,为此研究了一种改进型冗余DC/DC变换器。当主开关管出现故障(短路或断路)时,该变换器能立即关断主开关管,开通辅助开关管,使系统快速恢复正常工作状态。同时,搭建了基于冗余型DC/DC变换器的三相光伏并网发电系统。实验结果表明该改进型冗余变换器切换平滑性好,扰动低,且系统恢复常态时间短。i0V自动化在线网

    关键词: 冗余;DC/DC变换器;光伏发电i0V自动化在线网

    中图分类号: TM615i0V自动化在线网

    文献标识码: Ai0V自动化在线网

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.035i0V自动化在线网


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    中文引用格式: 冯朝润,张峻峰,王军,等. 光伏系统中一种改进的冗余型DC/DC变换器的研究[J].电子技术应用,2016,42(11):130-133.i0V自动化在线网

    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.i0V自动化在线网

0 引言i0V自动化在线网

    在光伏发电系统中,DC/DC变换器可靠性将直接影响到系统的安全性和稳定性。因此研究如何提高DC/DC变换器的可靠性与稳定性,具有很大的现实意义。冗余技术是一种提高DC/DC变换器可靠性与稳定性的重要方法[1]。冗余技术的本质是通过给系统中某些关键器件添加一些“冗余”器件,以确保系统在某些关键器件发生故障情况下,仍能按原计划可靠、有效地运行[2]。在该拓扑电路中,给主开关管并联一个辅助开关管,作为备用开关管。并且采用电压故障检测法以检测DC/DC变换器的故障情况。目前各国在冗余型DC/DC变换器方面的研究还比较少,并且大多数研究都集中在适合于高压大功率的多电平变换器。文献[3]研究了一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑结构;文献[4]研究了基于模块化多电平变换器的动态冗余的优化控制策略;文献[5]研究了一种多电平变换器电压的冗余控制策略。但是在适合中小功率的冗余变换器方面的研究还比较少。i0V自动化在线网

    本文结合冗余技术的特点,改进了一种冗余型DC/DC变换器的拓扑电路。在该拓扑电路中,给主开关管并联一个辅助开关管作为备用开关管。同时,采用电压故障检测法以检测DC/DC 变换器的故障情况。当主开关管发生故障(断路或者短路)时,系统迅速切断变换器的主开关管,接通变换器的辅助开关管,则系统将快速恢复到故障前的工作状态。i0V自动化在线网

1 串联冗余型DC/DC变换器i0V自动化在线网

1.1 光伏发电并网系统组成i0V自动化在线网

    如果将单个DC/DC变换器串联连接起来[5],再连接到直流母线电容上,不仅可降低DC/DC变换器的输出电压,从而降低其升压比,还可降低其所承受的电压应力,提高系统的效率。这种串联结构就是串联直流母线结构[6]。基于此原理,本文设计了一个串联型的三相光伏发电并网系统,其结构框图如图1所示。该系统的前级电路由4个冗余型DC/DC module串联组成。每个DC/DC module都由光伏电池板和DC/DC变换器组成。并且每个DC/DC module都有最大功率点追踪的功能,可以独立实现自身的最大功率点的追踪[7-8]。每个DC/DC module都由光伏电池板和DC/DC变换器组成。整个串联系统所输出的总功率为所有串联的单个DC/DC module的输出功率之和[6],即:i0V自动化在线网

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式中,P为系统输出的总功率,P1、P2、P3和P4为单块DC/DC module的输出功率。系统的后级电路由直流母线电容、并网逆变电路和滤波器等组成。i0V自动化在线网

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2.2 冗余型DC/DC变换器i0V自动化在线网

    串联冗余型DC/DC变换器的拓扑结构如图2所示。以第一个DC/DC变换器为例,介绍该变换器的工作原理。图2中T11为主开关管,T12为辅助开关管,F11、F12为快速熔丝,TR11、TR12为双向晶闸管,VD11、VD12为二极管。当变换器工作在稳定状态时,电感在一个T12周期内充放电平衡。则第一个DC/DC变换器的输出电压为:i0V自动化在线网

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式中,U1O、EPV分别为光伏板的输出电压、输入电压,ton、toff开关管的开通、关断时间。假设4块光伏电池板工作在相同光照强度下,并且每个光伏电池板的参数一致,则有:i0V自动化在线网

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式中,U2O、U3O和U4O为第2、3和4个变换器的输出电压。通过式(5),可得出:在Udc不变的情况下,假设第一个变换器中的主开关管出现短路时(U1O=0 V)或断路(U1O=EPV),U1O减小,则U2O、U3O和U4O增大。从而导致DC/DC变换器的升压比增加,其承受的电压应力升高,开关损耗升高,系统效率降低。
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    正常情况下,系统通过不断检测主开关管端电压的变化情况,来判断主开关管的故障情况。主开关正常工作时,其端电压的波形如图3中U2所示;当系统检测到主开关管的端电压在一定的时间内持续为高,如图3中U1所示,开关管断路,若立即切断主开关及其支路上的双向晶闸管,接通辅助开关管及其支路上的双向晶闸管,则系统将快速恢复到故障前的工作状态,变换器的变化情况如图4所示;当系统检测到主开关管的端电压在一定的时间内持续为低,如图3中U3所示,开关管短路,则立即切断主开关及其支路上的双向晶闸管,接通辅助开关管及其支路上的双向晶闸管,则系统将快速恢复到故障前的工作状态,变换器的变化情况如图5所示。i0V自动化在线网

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2 实验结果与分析i0V自动化在线网

    本文搭建了一种基于冗余型DC/DC 变换器的三相光伏发电并网系统,其中光伏电池板的具体参数如表1所示。采用4块光伏电池板串联连接,用以模拟一个1 kW光伏电池板。i0V自动化在线网

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2.1 短路时实验结果与分析i0V自动化在线网

    实验时,设计4个DC/DC module中的任意2个DC/DC module在一定的时间内出现短路故障。图6、图7和图8为实验过程中所截取的重要波形。i0V自动化在线网

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    图6为DC/DC变换器短路故障时其端电压的波形。图7为DC/DC变换器短路情况时,光伏电池板的输出功率波形。图中,P1和P2分别为DC/DC变换器正常工作时与短路故障时,光伏电池板的输出功率波形。为了便于波形的观察,对P1做了一定的增益处理。图8为DC/DC变换器短路时,系统并网电流I的波形。i0V自动化在线网

    通过上述实验,可知:在本文所改进的冗余型DC/DC变换器的主开关管出现短路故障时,变换器的端电压快速降到接近0 V,系统PV模块的输出电流降低、输出功率降低,从而导致系统的并网电流也降低,系统的效率也随之下降。若此时立即切断主开关管及其支路上的双向晶闸管,接通辅助开关管及其支路上的双向晶闸管,则变换器的端电压、PV模块的输出功率以及系统的并网电流将恢复到故障前的工作状态,从而系统的效率也得到了恢复。由此可以验证:改进的冗余型DC/DC变换器能使系统在变换器发生短路时,迅速恢复到正常状态。i0V自动化在线网

2.2 断路时的实验结果与分析i0V自动化在线网

    实验时,设计4个DC/DC module中的任意2个DC/DC module在一定的时间内出现断路故障。图9、图10和图11为仿真过程中所截取的重要波形。i0V自动化在线网

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    图9为DC/DC 变换器断路故障时,开关管端电压的波形。图10为DC/DC变换器断路故障情况时,系统PV模块的输出功率波形。图10中,P1和P2分别为DC/DC变换器正常工作时与断路故障时,系统PV模块的输出功率波形。为了便于波形的观察,对P1做了一定的增益处理。图11为DC/DC变换器断路故障情况时,系统并网电流I的波形。i0V自动化在线网

    通过上述实验可知:在本文所改进的冗余型DC/DC变换器的主开关管出现断路故障时,变换器的端电压在故障时间内持续为高,系统PV模块的输出电流降低、输出功率降低,从而导致系统的并网电流也降低,系统的效率也随之下降。若此时立即切断主开关管及其支路上的双向晶闸管,接通辅助开关管及其支路上的双向晶闸管,则变换器的端电压、PV模块的输出功率以及系统的并网电流将恢复到故障前的工作状态,从而系统的效率也得到了恢复。由此可以验证:本文所改进的冗余型DC/DC变换器能使系统在变换器发生断路时,迅速恢复到正常状态。i0V自动化在线网

3 结论i0V自动化在线网

    串联直流母线型的变换器作为一种高效率和低成本的拓扑结构,具有很重要的研究意义和应用价值。针对串联光伏系统中DC/DC变换器易因出现故障(短路或断路)而长时间无法正常工作的问题,本文提出了一种改进的冗余型的DC/DC变换器,并且搭建了该基于变换器的三相光伏发电并网系统拓扑结构。经过反复实验,该变换器能在其主开关管短路或断路故障时,迅速切换到辅助开关管,使系统快速恢复到正常的工作状态,由此验证了该变换器的有效性。i0V自动化在线网

参考文献i0V自动化在线网

[1] 马文忠,李耀荣,张伟,等.NPC三电平逆变器冗余控制技术的研究[J].电力电子技术,2012,46(9):24-25.i0V自动化在线网

[2] IVONNE Y B,孙丹,刘学,等.永磁同步电机驱动系统逆变器容错重构控制[J].电力电子技术,2008,42(7):35-i0V自动化在线网

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[3] 陈阿莲,邓焰,何湘宁.一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑[J].电机工程学报,2003,23(9):34-38.i0V自动化在线网

[4] Liu Gaoren,Xu Zheng.Optimized control strategy based on dynamic redundancy for the modular multilevel converter[J].IEEE Transactions on power electronics,2015,30(1):339-348.i0V自动化在线网

[5] TOH C L,NORUM L E.Implementation of redundancy control by degrading voltage level in modular multilevel converter[C].IEEE Energy Conversion Conference,2014:298-303.i0V自动化在线网

[6] 张琦,孙向东,钟彦儒,等.基于串联型DC module的光伏发电系统研究[J].西安理工大学学报,2009,25(4):410-414.i0V自动化在线网

[7] 刘邦银,梁超辉,段善旭.直流模块式建筑集成光伏系统的拓扑研究[J].电机工程学报,2008,28(20):99-104.i0V自动化在线网

[8] Li Hong,Wang Jun,Sun Zhang,et al.Study on improved DC bus series-connection of microconverter system[J].Springer Berlin Heidelberg,2015:571-579.i0V自动化在线网


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