文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.035
中文引用格式： 馮朝潤,，張峻峰,，王軍，等. 光伏系統(tǒng)中一種改進的冗余型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,，仍能按原計劃可靠,、有效地運行[2]。在該拓撲電路中,，給主開關(guān)管并聯(lián)一個輔助開關(guān)管,，作為備用開關(guān)管。并且采用電壓故障檢測法以檢測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[3]研究了一種具有冗余功能的多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu),；文獻[4]研究了基于模塊化多電平變換器的動態(tài)冗余的優(yōu)化控制策略,；文獻[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,，改進了一種冗余型DC/DC變換器的拓撲電路。在該拓撲電路中,，給主開關(guān)管并聯(lián)一個輔助開關(guān)管作為備用開關(guān)管,。同時，采用電壓故障檢測法以檢測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,，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]?；诖嗽?，本文設(shè)計了一個串聯(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)的前級電路由4個冗余型DC/DC module串聯(lián)組成,。每個DC/DC module都由光伏電池板和DC/DC變換器組成。并且每個DC/DC module都有最大功率點追蹤的功能，可以獨立實現(xiàn)自身的最大功率點的追蹤[7-8],。每個DC/DC module都由光伏電池板和DC/DC變換器組成,。整個串聯(lián)系統(tǒng)所輸出的總功率為所有串聯(lián)的單個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變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示,。以第一個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,，電感在一個T12周期內(nèi)充放電平衡,。則第一個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)斷時間。假設(shè)4塊光伏電池板工作在相同光照強度下,，并且每個光伏電池板的參數(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)第一個變換器中的主開關(guān)管出現(xiàn)短路時(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,，其端電壓的波形如圖3中U2所示；當(dāng)系統(tǒng)檢測到主開關(guān)管的端電壓在一定的時間內(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)檢測到主開關(guān)管的端電壓在一定的時間內(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 實驗結(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1 kW光伏電池板。
2.1 短路時實驗結(jié)果與分析
實驗時,，設(shè)計4個DC/DC module中的任意2個DC/DC module在一定的時間內(nèi)出現(xiàn)短路故障,。圖6、圖7和圖8為實驗過程中所截取的重要波形,。
圖6為DC/DC變換器短路故障時其端電壓的波形,。圖7為DC/DC變換器短路情況時，光伏電池板的輸出功率波形,。圖中,，P1和P2分別為DC/DC變換器正常工作時與短路故障時,，光伏電池板的輸出功率波形。為了便于波形的觀察,，對P1做了一定的增益處理,。圖8為DC/DC變換器短路時，系統(tǒng)并網(wǎng)電流I的波形,。
通過上述實驗,，可知：在本文所改進的冗余型DC/DC變換器的主開關(guān)管出現(xiàn)短路故障時，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),。由此可以驗證：改進的冗余型DC/DC變換器能使系統(tǒng)在變換器發(fā)生短路時,，迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)。
2.2 斷路時的實驗結(jié)果與分析
實驗時,，設(shè)計4個DC/DC module中的任意2個DC/DC module在一定的時間內(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為DC/DC 變換器斷路故障時,，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,，系統(tǒng)PV模塊的輸出功率波形,。圖10中，P1和P2分別為DC/DC變換器正常工作時與斷路故障時,，系統(tǒng)PV模塊的輸出功率波形,。為了便于波形的觀察，對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,，系統(tǒng)并網(wǎng)電流I的波形。
通過上述實驗可知：在本文所改進的冗余型DC/DC變換器的主開關(guān)管出現(xiàn)斷路故障時,，變換器的端電壓在故障時間內(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),。由此可以驗證：本文所改進的冗余型DC/DC變換器能使系統(tǒng)在變換器發(fā)生斷路時,，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撲結(jié)構(gòu),，具有很重要的研究意義和應(yīng)用價值,。針對串聯(lián)光伏系統(tǒng)中DC/DC變換器易因出現(xiàn)故障(短路或斷路)而長時間無法正常工作的問題，本文提出了一種改進的冗余型的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)拓撲結(jié)構(gòu),。經(jīng)過反復(fù)實驗，該變換器能在其主開關(guān)管短路或斷路故障時,，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)，由此驗證了該變換器的有效性,。
參考文獻
[1] 馬文忠，李耀榮,，張偉,，等.NPC三電平逆變器冗余控制技術(shù)的研究[J].電力電子技術(shù)，2012,，46(9)：24-25.
[2] IVONNE Y B,，孫丹，劉學(xué),，等.永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)逆變器容錯重構(gòu)控制[J].電力電子技術(shù),，2008，42(7)：35-
37.
[3] 陳阿蓮,，鄧焰,，何湘寧.一種具有冗余功能的多電平變換器拓撲[J].電機工程學(xué)報，2003,，23(9)：34-38.
[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.
[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.
[6] 張琦,，孫向東,，鐘彥儒,，等.基于串聯(lián)型DC module的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2009,，25(4)：410-414.
[7] 劉邦銀,，梁超輝，段善旭.直流模塊式建筑集成光伏系統(tǒng)的拓撲研究[J].電機工程學(xué)報,，2008,，28(20)：99-104.
[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.