光伏系统中一种改进的冗余型DC/DC变换器的研究

冯朝润，张峻峰，王 军，孙 章，杨 帆

（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）

光伏系统中一种改进的冗余型DC/DC变换器的研究

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）

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。

冗余；DC/DC变换器；光伏发电

0 引言

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。

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。

1 串联冗余型DC/DC变换器

1.1 光伏发电并网系统组成

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：

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。

2.2 冗余型DC/DC变换器

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：

图2 冗余型DC/DC变换器的拓扑结构

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：

式中，I1O、I2O、I3O和 I4O分别为 4块光伏电池板的输出电流。而直流母线电压Udc为：

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。

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。

图3 开关管在不同工作状态下的端电压

图4 开关管断路时的工作状况

图5 开关管短路时的工作状况

2 实验结果与分析

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。

表1 光伏电池板参数

2.1 短路时实验结果与分析

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。

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。

图6 短路时开关管的端电压

图7 短路情况下PV的输出功率

图8 短路情况下系统的并网电流

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。

2.2 断路时的实验结果与分析

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。

图9 断路情况下开关管的端电压

图10 断路情况下PV的输出功率

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。

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。

图11 断路情况下系统的并网电流

3 结论

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。

[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.

[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)：35-37.

[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.

[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]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.

[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.

[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.

The research on redundancy DC/DC converter for photovoltaic system

Feng Chaorun1，2，Zhang Junfeng1，2，Wang Jun1，2，Sun Zhang1，2，Yang Fan1，2
(1.Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving，Chengdu 610039，China；2.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China)

The failure in the DC/DC converter is usual caused by the high frequency of it.Therefore,an improved redundancy DC/ DC converter is researched aimed to solve this problem.It can cut off its main switch,and conduct its auxiliary switch immediately,and refresh the system to the normal state,when the main switch of DC/DC converter have fault(a short circuit or an open circuit).Then,a three-phase photovoltaic grid power generation system is built to verify the feasibility of the method.Results show that this improved redundancy DC/DC converter switch smoothly,anti-jam strong,so that the system can return to normal in a short time.

redundancy；DC/DC converter；photovoltaic generation

TM615

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.035

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.

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.

2016-04-06)

冯朝润（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术。

张峻峰（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术。

王军（1966-），女，博士研究生，教授，主要研究方向：电气自动化、智能控制。