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：

式中，U_1O、E_PV分别为光伏板的输出电压、输入电压，t_on、t_off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，U_2O、U_3O和U_4O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(U_1O=0 V)或断路(U_1O=E_PV)，U_1O减小，则U_2O、U_3O和U_4O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。

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。

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。

    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。

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。

参考文献

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