0 引言

    光伏發(fā)電是將太陽能轉(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，充分利用太陽能已成為未來能源行業(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變換器將多組太陽能帆板的功率分別變換至直流母線側(cè)，圖中的儲能環(huán)節(jié)則通過對系統(tǒng)缺額或盈余功率進線補償或儲存來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。

    當直流母線V_bus的功率需求較大時，因太陽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V_bus的功率需求較小時，所有變換器同時工作將引起輕載效率低等問題，由圖2可知，此時提高效率最簡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)高效地實現(xiàn)能量變換^[5-6]。

    根據(jù)負載功率動態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量的方法在單輸入、單輸出的多相交錯并聯(lián)變換器中已有應(yīng)用。文獻[7]基于多相交錯DC/DC變換器，提出了根據(jù)輸出功率適當減少工作相數(shù)以消除未工作相的損耗的方案。文獻[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拓撲實現(xiàn)太陽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，通過判斷V_bus控制器輸出的數(shù)值決定各個模塊啟動或關(guān)閉的工作狀態(tài)，并將通過仿真驗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)全負載范圍內(nèi)的運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

1.1 Super Boost拓撲的工作原理

    Super Boost拓撲于1979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}為一對耦合電感，在一個開關(guān)周期內(nèi)分析該拓撲的工作原理。

    由此可見，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拓撲僅有輸入濾波電感相比，Super Boost拓撲因耦合電感L₁的存在，可同時減小輸入、輸出電流紋波，進而減小輸出濾波電容的容值。在此基礎(chǔ)上，文獻[10]的輸入端新增了一條紋波抵消支路，如圖4所示，通過耦合電感的新繞組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Super Boost拓撲各電感參數(shù)時，首先可確認L_{1_a}以及L_{1_b}的電感量，在此基礎(chǔ)上按照上述方法計算L₂，增加輸入紋波抵消支路。因L₂的電感量較小且只流過交流量，可以設(shè)計得十分小巧。

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，并由太陽能帆板的電流、電壓采樣信號i_{Mn_SA_s}、u_{Mn_SA_s}共同產(chǎn)生MPPT環(huán)路的基準值u_{Mn_SA_ref}，再以u_{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)動信號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)負載功率動態(tài)調(diào)整參與工作的模塊數(shù)量，相應(yīng)控制域設(shè)計如圖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，該信號將隨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的過程，當u_{bus_MEA}<u_{M1_set}時，模塊1開始工作；若母線側(cè)的負載功率需求進一步增加，使u_{bus_MEA}減小至u_{M2_set}，模塊2將順次啟動，此時兩模塊同時工作；若仍舊無法滿足母線需求，使u_{bus_MEA}減小至u_{M1_MPPT_set}時，模塊1將開始以MPPT的模式工作，以便充分地利用太陽能帆板的輸出功率。上述過程的關(guān)鍵波形如圖7所示，在t₀~t₁時間段內(nèi)，V_bus負載功率較小，僅模塊1參與工作；在t₁~t₂時間段內(nèi)，V_bus負載功率增加，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時間段內(nèi)，負載功率進一步增加，模塊1中的MPPT功能啟動，并在t₃時刻滿足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時間段內(nèi)，負載功率大幅增加，模塊3啟動的同時模塊2的MPPT功能也一并啟動，并在t₅時刻滿足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)負載功率順次關(guān)斷的過程與上述啟動過程相對應(yīng)，關(guān)鍵波形如圖8所示。在t₇~t₈時間段內(nèi)，V_bus負載功率較大，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時間段內(nèi)，負載功率開始減小，模塊2的MPPT功能關(guān)閉的同時模塊3退出工作；在t₉~t₁₀時間段內(nèi)，負載功率進一步減小，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時間段內(nèi)，V_bus負載功率極小，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)太陽能帆板開路電壓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Super Boost拓撲參數(shù)，具體如表1所示。在輸出功率1 000 W的條件下進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，該拓撲具有低輸入、輸出電流紋波的優(yōu)點，且本文針對參數(shù)計算的方法正確。

3.2 負載功率變化時的控制策略仿真

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

    因每個太陽能帆板最大輸出功率為1 500 W，在t₀~t₁時間段內(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時刻，V_bus輸出功率階躍至1 500 W，u_{bus_MEA}減小使模塊2啟動，此后兩模塊以V_bus環(huán)路控制的方式共同工作。在t₂時刻，V_bus輸出功率進一步增加至2 000 W，模塊1的MPPT功能啟動，且由u_{M1_ PID}波形可知，直至t₂時刻模塊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時刻，V_bus輸出功率大幅增加至3 600 W，模塊3啟動且用于穩(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的關(guān)鍵波形，各模塊的工作狀態(tài)可與圖8相對應(yīng)。在t₇~t₈時間段內(nèi)，V_bus輸出功率3 600 W，三個模塊共同工作。在t₈時刻，V_bus輸出功率降至3 200 W，模塊2關(guān)閉MPPT功能。在t₉時刻，V_bus輸出功率進一步降至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)量隨負載功率增加及減小而動態(tài)變化的控制策略，對母線V_bus的影響較小，簡單可靠。

4 結(jié)論

    本文針對直流離網(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)負載需求的前提下，充分利用了帆板能量，并可根據(jù)負載需求動態(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)全負載范圍內(nèi)的運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拓撲實現(xiàn)太陽能帆板與直流母線之間的功率變換，該拓撲具有低輸入、輸出電流紋波的優(yōu)點，從而大幅降低了輸入、輸出側(cè)濾波電容的容值。最后，本文通過仿真的手段驗證了上述拓撲及控制策略的有效性，仿真結(jié)果表明發(fā)電系統(tǒng)可隨負載功率增加、減小而自動啟用或關(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) 機電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055)