0 引言

    在光伏發電系統中，DC/DC變換器可靠性將直接影響到系統的安全性和穩定性。因此研究如何提高DC/DC變換器的可靠性與穩定性，具有很大的現實意義。冗余技術是一種提高DC/DC變換器可靠性與穩定性的重要方法^[1]。冗余技術的本質是通過給系統中某些關鍵器件添加一些“冗余”器件，以確保系統在某些關鍵器件發生故障情況下，仍能按原計劃可靠、有效地運行^[2]。在該拓撲電路中，給主開關管并聯一個輔助開關管，作為備用開關管。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構；文獻[4]研究了基于模塊化多電平變換器的動態冗余的優化控制策略；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。

    本文結合冗余技術的特點，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，給主開關管并聯一個輔助開關管作為備用開關管。同時，采用電壓故障檢測法以檢測DC/DC 變換器的故障情況。當主開關管發生故障（斷路或者短路）時，系統迅速切斷變換器的主開關管，接通變換器的輔助開關管，則系統將快速恢復到故障前的工作狀態。

1 串聯冗余型DC/DC變換器

1.1 光伏發電并網系統組成

    如果將單個DC/DC變換器串聯連接起來^[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力，提高系統的效率。這種串聯結構就是串聯直流母線結構^[6]?；诖嗽?，本文設計了一個串聯型的三相光伏發電并網系統，其結構框圖如圖1所示。該系統的前級電路由4個冗余型DC/DC module串聯組成。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。整個串聯系統所輸出的總功率為所有串聯的單個DC/DC module的輸出功率之和^[6]，即：

式中，P為系統輸出的總功率，P₁、P₂、P₃和P₄為單塊DC/DC module的輸出功率。系統的后級電路由直流母線電容、并網逆變電路和濾波器等組成。

2.2 冗余型DC/DC變換器

    串聯冗余型DC/DC變換器的拓撲結構如圖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為主開關管，T₁₂為輔助開關管，F₁₁、F₁₂為快速熔絲，TR₁₁、TR₁₂為雙向晶閘管，VD₁₁、VD₁₂為二極管。當變換器工作在穩定狀態時，電感在一個T₁₂周期內充放電平衡。則第一個DC/DC變換器的輸出電壓為：

式中，U_1O、E_PV分別為光伏板的輸出電壓、輸入電壓，t_on、t_off開關管的開通、關斷時間。假設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一致，則有：

式中，U_2O、U_3O和U_4O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，假設第一個變換器中的主開關管出現短路時(U_1O=0 V)或斷路(U_1O=E_PV)，U_1O減小，則U_2O、U_3O和U_4O增大。從而導致DC/DC變換器的升壓比增加，其承受的電壓應力升高，開關損耗升高，系統效率降低。

    正常情況下，系統通過不斷檢測主開關管端電壓的變化情況，來判斷主開關管的故障情況。主開關正常工作時，其端電壓的波形如圖3中U₂所示；當系統檢測到主開關管的端電壓在一定的時間內持續為高，如圖3中U₁所示，開關管斷路，若立即切斷主開關及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關管及其支路上的雙向晶閘管，則系統將快速恢復到故障前的工作狀態，變換器的變化情況如圖4所示；當系統檢測到主開關管的端電壓在一定的時間內持續為低，如圖3中U₃所示，開關管短路，則立即切斷主開關及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關管及其支路上的雙向晶閘管，則系統將快速恢復到故障前的工作狀態，變換器的變化情況如圖5所示。

2 實驗結果與分析

    本文搭建了一種基于冗余型DC/DC 變換器的三相光伏發電并網系統，其中光伏電池板的具體參數如表1所示。采用4塊光伏電池板串聯連接，用以模擬一個1 kW光伏電池板。

2.1 短路時實驗結果與分析

    實驗時，設計4個DC/DC module中的任意2個DC/DC module在一定的時間內出現短路故障。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，系統并網電流I的波形。

    通過上述實驗，可知：在本文所改進的冗余型DC/DC變換器的主開關管出現短路故障時，變換器的端電壓快速降到接近0 V，系統PV模塊的輸出電流降低、輸出功率降低，從而導致系統的并網電流也降低，系統的效率也隨之下降。若此時立即切斷主開關管及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關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的并網電流將恢復到故障前的工作狀態，從而系統的效率也得到了恢復。由此可以驗證：改進的冗余型DC/DC變換器能使系統在變換器發生短路時，迅速恢復到正常狀態。

2.2 斷路時的實驗結果與分析

    實驗時，設計4個DC/DC module中的任意2個DC/DC module在一定的時間內出現斷路故障。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，開關管端電壓的波形。圖10為DC/DC變換器斷路故障情況時，系統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，系統并網電流I的波形。

    通過上述實驗可知：在本文所改進的冗余型DC/DC變換器的主開關管出現斷路故障時，變換器的端電壓在故障時間內持續為高，系統PV模塊的輸出電流降低、輸出功率降低，從而導致系統的并網電流也降低，系統的效率也隨之下降。若此時立即切斷主開關管及其支路上的雙向晶閘管，接通輔助開關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的并網電流將恢復到故障前的工作狀態，從而系統的效率也得到了恢復。由此可以驗證：本文所改進的冗余型DC/DC變換器能使系統在變換器發生斷路時，迅速恢復到正常狀態。

3 結論

    串聯直流母線型的變換器作為一種高效率和低成本的拓撲結構，具有很重要的研究意義和應用價值。針對串聯光伏系統中DC/DC變換器易因出現故障(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電并網系統拓撲結構。經過反復實驗，該變換器能在其主開關管短路或斷路故障時，迅速切換到輔助開關管，使系統快速恢復到正常的工作狀態，由此驗證了該變換器的有效性。

參考文獻

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