0 引言

    光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，基于目前新一輪能源革命的背景，充分利用太陽(yáng)能已成為未來(lái)能源行業(yè)發(fā)展的主要選擇。直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，主要由太陽(yáng)能帆板、帆板與直流母線間的DC/DC變換器、蓄電池以及蓄電池與直流母線之間的雙向DC/DC變換器組成^[1]。該架構(gòu)中的DC/DC變換器將多組太陽(yáng)能帆板的功率分別變換至直流母線側(cè)，圖中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)則通過(guò)對(duì)系統(tǒng)缺額或盈余功率進(jìn)線補(bǔ)償或儲(chǔ)存來(lái)維持直流母線電壓穩(wěn)定。圖1中的非隔離DC/DC升壓變換器及其相應(yīng)控制策略是本文的研究重點(diǎn)。

    當(dāng)直流母線V_bus的功率需求較大時(shí)，因太陽(yáng)能帆板的輸出電壓及功率受溫度及光照的影響，需采用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracing，MPPT)的方式使帆板始終保持最大功率輸出的狀態(tài)^[2-4]。而當(dāng)V_bus的功率需求較小時(shí)，所有變換器同時(shí)工作將引起輕載效率低等問(wèn)題，由圖2可知，此時(shí)提高效率最簡(jiǎn)單直接的方法就是減少工作模塊數(shù)量，如圖中虛線所示，從而確保系統(tǒng)在全功率范圍內(nèi)高效地實(shí)現(xiàn)能量變換^[5-6]。

    根據(jù)負(fù)載功率動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量的方法在單輸入、單輸出的多相交錯(cuò)并聯(lián)變換器中已有應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]基于多相交錯(cuò)DC/DC變換器，提出了根據(jù)輸出功率適當(dāng)減少工作相數(shù)以消除未工作相的損耗的方案。文獻(xiàn)[8]提出了相數(shù)變化下電源系統(tǒng)環(huán)路控制器的設(shè)計(jì)方法，以改善輸出電壓瞬態(tài)特性。但上述控制策略，在如圖1所示的由多個(gè)非隔離DC/DC升壓變換器組成的多輸入、單輸出電源系統(tǒng)中并不適用。

    本文選擇Super Boost拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能帆板與直流母線之間的能量變換，各模塊采用母線V_bus控制器及帆板MPPT控制器并聯(lián)的雙環(huán)控制方式，通過(guò)判斷V_bus控制器輸出的數(shù)值決定各個(gè)模塊啟動(dòng)或關(guān)閉的工作狀態(tài)，并將通過(guò)仿真驗(yàn)證了上述控制策略的有效性。該控制策略在滿足電源系統(tǒng)負(fù)載需求的前提下，將充分利用帆板能量，可為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全負(fù)載范圍內(nèi)的運(yùn)行效率提供理論依據(jù)。

1 變換器的工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 Super Boost拓?fù)涞墓ぷ髟?/strong>

    Super Boost拓?fù)溆?979年被LANDSMAN E E提出^[9]，原理圖如圖3所示。圖中L_{1_a}與L_{1_b}為一對(duì)耦合電感，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分析該拓?fù)涞墓ぷ髟怼?/p>

    由此可見(jiàn)，Super Boost與傳統(tǒng)Boost的輸入、輸出電壓關(guān)系一致。

1.2 輸入紋波抵消支路

    與傳統(tǒng)Boost拓?fù)鋬H有輸入濾波電感相比，Super Boost拓?fù)湟蝰詈想姼蠰₁的存在，可同時(shí)減小輸入、輸出電流紋波，進(jìn)而減小輸出濾波電容的容值。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10]的輸入端新增了一條紋波抵消支路，如圖4所示，通過(guò)耦合電感的新繞組L_{1_c}使該支路產(chǎn)生與原輸入側(cè)大小相等、方向相反的電流紋波，以此達(dá)到輸入電流紋波抵消的目的。

    輸入電流I_{in_sum}與原輸入電流I_in、支路電流I_L2的關(guān)系為：

    綜上所述，在設(shè)計(jì)Super Boost拓?fù)涓麟姼袇?shù)時(shí)，首先可確認(rèn)L_{1_a}以及L_{1_b}的電感量，在此基礎(chǔ)上按照上述方法計(jì)算L₂，增加輸入紋波抵消支路。因L₂的電感量較小且只流過(guò)交流量，可以設(shè)計(jì)得十分小巧。

2 發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

    各模塊中的MPPT環(huán)路首先將根據(jù)u_{bus_MEA}的數(shù)值判斷是否啟動(dòng)，并由太陽(yáng)能帆板的電流、電壓采樣信號(hào)i_{Mn_SA_s}、u_{Mn_SA_s}共同產(chǎn)生MPPT環(huán)路的基準(zhǔn)值u_{Mn_SA_ref}，再以u(píng)_{Mn_SA_s}作為環(huán)路的反饋值。V_bus環(huán)路與MPPT環(huán)路的控制輸出u_{Mn_MEA_PID}與u_{Mn_MPPT_PID}中的較小值將作為總控制輸出u_{Mn_PID}，最終與三角波比較后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)d_n1與d_n2。

    為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全功率范圍內(nèi)的能量變換效率，將根據(jù)負(fù)載功率動(dòng)態(tài)調(diào)整參與工作的模塊數(shù)量，相應(yīng)控制域設(shè)計(jì)如圖6所示。如前所述，u_{bus_MEA}為母線V_bus的電壓環(huán)輸出控制信號(hào)，該信號(hào)將隨V_bus功率需求的增加而逐漸減小。

    首先，闡述各模塊順次啟動(dòng)的過(guò)程，當(dāng)u_{bus_MEA}<u_{M1_set}時(shí)，模塊1開(kāi)始工作；若母線側(cè)的負(fù)載功率需求進(jìn)一步增加，使u_{bus_MEA}減小至u_{M2_set}，模塊2將順次啟動(dòng)，此時(shí)兩模塊同時(shí)工作；若仍舊無(wú)法滿足母線需求，使u_{bus_MEA}減小至u_{M1_MPPT_set}時(shí)，模塊1將開(kāi)始以MPPT的模式工作，以便充分地利用太陽(yáng)能帆板的輸出功率。上述過(guò)程的關(guān)鍵波形如圖7所示，在t₀~t₁時(shí)間段內(nèi)，V_bus負(fù)載功率較小，僅模塊1參與工作；在t₁~t₂時(shí)間段內(nèi)，V_bus負(fù)載功率增加，模塊1與模塊2均以V_bus環(huán)路控制的方式共同工作；在t₂~t₄時(shí)間段內(nèi)，負(fù)載功率進(jìn)一步增加，模塊1中的MPPT功能啟動(dòng)，并在t₃時(shí)刻滿足u_{M1_MPPT_PID}>u_{M1_MEA_PID}的條件，此后模塊1以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊2共同工作；在t₄~t₆時(shí)間段內(nèi)，負(fù)載功率大幅增加，模塊3啟動(dòng)的同時(shí)模塊2的MPPT功能也一并啟動(dòng)，并在t₅時(shí)刻滿足u_{M2_MPPT_PID}>u_{M2_MEA_PID}的條件，此后模塊1、2以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊3共同工作。

    其次，各模塊根據(jù)負(fù)載功率順次關(guān)斷的過(guò)程與上述啟動(dòng)過(guò)程相對(duì)應(yīng)，關(guān)鍵波形如圖8所示。在t₇~t₈時(shí)間段內(nèi)，V_bus負(fù)載功率較大，模塊1、2以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊3共同工作；在t₈~t₉時(shí)間段內(nèi)，負(fù)載功率開(kāi)始減小，模塊2的MPPT功能關(guān)閉的同時(shí)模塊3退出工作；在t₉~t₁₀時(shí)間段內(nèi)，負(fù)載功率進(jìn)一步減小，模塊1的MPPT功能關(guān)閉，模塊1與模塊2繼續(xù)以V_bus環(huán)路的方式工作；在t₁₀~t₁₁時(shí)間段內(nèi)，V_bus負(fù)載功率極小，模塊2退出工作，僅模塊1輸出功率。

3 仿真結(jié)果

3.1 Super Boost穩(wěn)態(tài)仿真

    按照輸入側(cè)太陽(yáng)能帆板開(kāi)路電壓90  V，短路電流25 A，最大功率1 500 W，變換器輸出側(cè)母線電壓100 V設(shè)計(jì)Super Boost拓?fù)鋮?shù)，具體如表1所示。在輸出功率1 000 W的條件下進(jìn)行帶輸入紋波抵消支路的穩(wěn)態(tài)仿真，所得波形如圖9所示。圖中未經(jīng)抵消支路前的輸入電流I_in紋波峰峰值約為4 A，抵消支路電流僅有交流量，且幅值與I_in紋波峰峰值相近，方向相反，最終總輸入電流I_{in_sum}紋波峰峰值為0.4 A。

    上述結(jié)果表明，該拓?fù)渚哂械洼斎?、輸出電流紋波的優(yōu)點(diǎn)，且本文針對(duì)參數(shù)計(jì)算的方法正確。

3.2 負(fù)載功率變化時(shí)的控制策略仿真

    為驗(yàn)證本文提出的控制策略，以發(fā)電系統(tǒng)中共3個(gè)模塊為例，在負(fù)載功率逐漸增大以及逐漸減小的條件下分別進(jìn)行仿真。圖10所示是功率逐漸增加時(shí)的關(guān)鍵波形，各模塊的工作狀態(tài)可與圖7相對(duì)應(yīng)。

    因每個(gè)太陽(yáng)能帆板最大輸出功率為1 500 W，在t₀~t₁時(shí)間段內(nèi)，V_bus輸出功率為1 000 W，因此僅模塊1工作且未啟用MPPT功能。在t₁時(shí)刻，V_bus輸出功率階躍至1 500 W，u_{bus_MEA}減小使模塊2啟動(dòng)，此后兩模塊以V_bus環(huán)路控制的方式共同工作。在t₂時(shí)刻，V_bus輸出功率進(jìn)一步增加至2 000 W，模塊1的MPPT功能啟動(dòng)，且由u_{M1_ PID}波形可知，直至t₂時(shí)刻模塊1才由V_bus環(huán)路控制模式切換至MPPT環(huán)路控制模式。在t₄時(shí)刻，V_bus輸出功率大幅增加至3 600 W，模塊3啟動(dòng)且用于穩(wěn)定V_bus母線電壓，模塊1、2均以MPPT的方式將帆板最大功率變換至母線側(cè)。

    圖11所示是功率逐漸減小時(shí)的關(guān)鍵波形，各模塊的工作狀態(tài)可與圖8相對(duì)應(yīng)。在t₇~t₈時(shí)間段內(nèi)，V_bus輸出功率3 600 W，三個(gè)模塊共同工作。在t₈時(shí)刻，V_bus輸出功率降至3 200 W，模塊2關(guān)閉MPPT功能。在t₉時(shí)刻，V_bus輸出功率進(jìn)一步降至2 600 W，模塊3關(guān)閉，模塊1、2繼續(xù)工作。在t₁₀時(shí)刻，V_bus輸出功率最終降至1 000 W，

    因此模塊1退出MPPT環(huán)路控制的模式且模塊2關(guān)閉，模塊1以V_bus環(huán)路控制的方式繼續(xù)工作。

    上述仿真結(jié)果表明，本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)工作模塊數(shù)量隨負(fù)載功率增加及減小而動(dòng)態(tài)變化的控制策略，對(duì)母線V_bus的影響較小，簡(jiǎn)單可靠。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了具體控制策略，該策略在滿足電源系統(tǒng)負(fù)載需求的前提下，充分利用了帆板能量，并可根據(jù)負(fù)載需求動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量，為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全負(fù)載范圍內(nèi)的運(yùn)行效率提供了理論依據(jù)。此外，本文采用了帶紋波抵消支路的Super Boost拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能帆板與直流母線之間的功率變換，該拓?fù)渚哂械洼斎?、輸出電流紋波的優(yōu)點(diǎn)，從而大幅降低了輸入、輸出側(cè)濾波電容的容值。最后，本文通過(guò)仿真的手段驗(yàn)證了上述拓?fù)浼翱刂撇呗缘挠行?，仿真結(jié)果表明發(fā)電系統(tǒng)可隨負(fù)載功率增加、減小而自動(dòng)啟用或關(guān)閉各模塊及其MPPT，憑借上述手段提高了全功率范圍內(nèi)的效率。

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作者信息:

劉  賀1，2，張東來(lái)3，王子才1，張  華2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057；

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055)