王海波， 許路廣， 朱勝輝， 楊 秀， 桂 誼，夏 晗

（1．國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000； 2．上海電力學(xué)院，上海 200090）

一種新型Boost變換器前饋控制策略

王海波1， 許路廣1， 朱勝輝1， 楊 秀2， 桂 誼1，夏 晗1

（1．國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000； 2．上海電力學(xué)院，上海 200090）

在通過直流母線匯流的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，維持直流母線電壓恒定是保證系統(tǒng)的高效運行、較高的電能質(zhì)量以及延長蓄電池的使用壽命的重要手段。提出一種在光伏MPPT Boost變換器后通過再一級Boost變換器與直流母線連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用新型的前饋控制策略實現(xiàn)對直流母線電壓的穩(wěn)定控制。該控制方法為，在原有的電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制基礎(chǔ)上引入負(fù)荷電流與輸入電壓的前饋環(huán)節(jié)，削除因二者的變動引起的直流母線電壓波動，提高了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)壓性能。仿真比較了雙環(huán)控制與本文所提控制在負(fù)荷電流與輸入電壓躍變情況下的直流母線電壓，驗證了所提控制策略的有效性。

獨立光伏系統(tǒng)；Boost變換器；穩(wěn)壓控制；前饋控制

0 引言

獨立光伏發(fā)電是解決海島、偏遠(yuǎn)山區(qū)等電網(wǎng)無法到達(dá)地區(qū)供電問題的有效方式之一[1-2]。但是也存在輸出功率間歇性、隨機性以及波動性等缺點。除了采用儲能系統(tǒng)來平抑光伏輸出功率與負(fù)荷之間的差值，實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡外[3-4]，維持直流母線電壓恒定也是需要解決的問題之一。

穩(wěn)定的直流母線電壓對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、蓄電池的合理充放電、交流側(cè)電能質(zhì)量、直流供電質(zhì)量等都有重要影響。針對采用直流母線匯流的光伏發(fā)電系統(tǒng)如何穩(wěn)定直流母線電壓的問題，國內(nèi)也多有研究。文獻(xiàn)[5]針對所研究的系統(tǒng)，利用單向Buck變換器與雙向Buck/Boost變換器，根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)切換控制策略來保持直流母線電壓恒定，邏輯較為復(fù)雜，僅采用簡單的穩(wěn)壓限流PI（比例-積分）控制策略，暫態(tài)效果不佳。文獻(xiàn)[6]采用蓄電池的雙向Buck/Boost變換器維持直流母線電壓，但是限制了蓄電池的輸出能力。文獻(xiàn)[7]利用非線性函數(shù)電壓外環(huán)控制策略控制蓄電池的雙向Buck/Boost變換器以防止蓄電池在工作狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)之間來回切換?？梢钥闯觯壳爸绷髂妇€結(jié)構(gòu)的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用儲能環(huán)節(jié)維持直流母線電壓穩(wěn)定，而利用光伏電池支路維持直流母線電壓穩(wěn)定的研究還鮮有介紹。

基于上述問題，在常規(guī)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)中，增加了穩(wěn)壓DC/DC（直流/直流）單元，實現(xiàn)對直流母線的穩(wěn)壓控制。穩(wěn)壓DC/DC單元采用Boost變換器，在常規(guī)的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制基礎(chǔ)上，提出一種前饋控制策略。其思路為：將變換器的輸入電壓與負(fù)載電流前饋到電流環(huán)的參考值生成環(huán)節(jié)，通過與補償后的電壓誤差信號、電感電流負(fù)反饋信號一起求和作為電感電流的參考值。該方法可以顯著地提高Boost變換器的輸出電壓穩(wěn)定能力，有效減少了輸入電壓與負(fù)載電流變動對輸出電壓的擾動，并且在負(fù)荷突變過程中可以有效減小輸出電壓的暫態(tài)突變及調(diào)節(jié)時間。最后在PSCAD（電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計）/EMTDC（直流電磁暫態(tài)）環(huán)境中驗證了控制策略的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)性能。

1 系統(tǒng)建模

圖1是典型的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)增加了一級穩(wěn)壓Boost變換器。本文以虛線框中的支路為研究對象，主要研究該支路中穩(wěn)壓Boost變換器的輸出穩(wěn)壓能力，在建模過程中，外部系統(tǒng)等效為可變負(fù)荷。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 光伏電池建模

圖2為光伏電池電路模型[8-9]。其中：Iph為光伏電池的陣列電流，Id為反向飽和電流，Ish為泄露電流，Ipv為輸出電流，Upv為輸出電壓，Rs為等效串聯(lián)電阻，Rsh為等效泄露電阻。

生產(chǎn)廠家為用戶提供短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um等參數(shù)，工程應(yīng)用中一般僅考慮太陽能輻射和溫度2個因素對輸出功率的影響。光伏電池的出口電壓與電流關(guān)系式如式（1）所示。

圖2 光伏電池電路模型

其中：

式中：Gref與Tref分別為光照度和光伏電池溫度參考值，一般取為1 000 W/m2，25℃；α為電流變化溫度系數(shù)（A/℃）；β為電壓變化溫度系數(shù)（V/℃）。

1.2 Boost變換器建模

圖3所示為Boost變換器，取狀態(tài)變量為電感電流iL及電容電壓uC，輸入變量為電源電壓ui，開關(guān)管S占空比為d。利用狀態(tài)空間平均法[10]可以得到Boost變換器的狀態(tài)方程為：

圖3 Boost變換器拓?fù)?/p>

取靜態(tài)工作點為：（IL，UC，Ui，D，R），它們分別為變量（uC，iL，ui，d，r）對應(yīng)的直流穩(wěn)態(tài)分量，在沒有干擾的情況下均為定值。解得靜態(tài)工作點狀態(tài)變量解為：

在靜態(tài)工作點對系統(tǒng)施加小擾動：uC=UC+ ΔuC，iL=IL+ΔiL，ui=Ui+Δui，d=D+Δd，r=R+Δr，代入狀態(tài)方程，忽略二階項可以得到如下變量間的傳遞函數(shù)：

化簡得：

由式（6）可以看出，電感電流、輸入電壓、負(fù)載電流的變動都會引起輸出電壓的變動。

2 Boost變換器控制策略

2.1 光伏Boost變換器MPPT控制策略

光伏電池的出力隨著光照度和溫度的變化而變化，因此要實時實現(xiàn)對光伏電池的MPPT（最大輸出功率跟蹤）。常用的方法有恒定電壓法、三點比較法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等[11-13]，此處采用電導(dǎo)增量法。

用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT，其實質(zhì)是控制變換器使得光伏電池出口電壓為其最大功率點對應(yīng)的電壓值，因此對Boost變換器的控制即是以電導(dǎo)增量法求得的電壓值為參考值的電壓控制。控制示意圖如圖4所示，圖5為采用單電壓環(huán)控制的Boost變換器控制框圖。

圖4 基于Boost變換電路的MPPT控制示意

圖5 光伏Boost變換器MPPT控制

圖5中，ΔuMPPT為電導(dǎo)增量法求得的參考電壓值，Gc為電壓環(huán)補償函數(shù)，GM為PWM（脈沖寬度調(diào)制）環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為控制到輸入電壓的傳遞函數(shù)，Hu為電壓反饋系數(shù)。

2.2 穩(wěn)壓Boost變換器前饋控制策略

常規(guī)的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制盡管可以快速穩(wěn)定地實現(xiàn)對輸出電壓的控制，但是對于諸如輸入電壓、負(fù)荷電流等變量變化時候引起的輸出電壓的變化仍不能很好地抑制。為此，提出一種將輸入電壓、負(fù)荷電流引入作為前饋環(huán)節(jié)的控制策略，可以很好的解決雙環(huán)控制的不足。

圖6 Boost變換器內(nèi)電流環(huán)控制

圖6為Boost變換器電流內(nèi)環(huán)控制框圖。

圖6中：ΔiLref為電流環(huán)參考電流；GciC為電流環(huán)補償函數(shù)；GM為PWM增益函數(shù)和可由式（4）與（5）求得；Hi為電流采樣環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。電流環(huán)傳遞函數(shù)為：

將電流環(huán)等效后的Boost變換器電壓環(huán)控制框圖如圖7所示。

圖7 Boost變換器雙環(huán)控制框圖

電壓環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：ΔuCref為電壓環(huán)參考電壓的交流小信號分量，Hu為電壓采樣環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，GcvC為電壓環(huán)補償函數(shù)。

采用恒壓控制時候，可以認(rèn)為ΔuCref=0，故Δui與Δir的變化將引起直流母線電壓的波動。為了消除二者的波動對輸出電壓的影響，引入Δui與Δir的前饋量到電流環(huán)的參考電流生成環(huán)節(jié)。

引入前饋環(huán)后的控制框圖見圖8，圖中Ku為輸入電壓前饋系數(shù)，Ki為輸出電流前饋系數(shù)。

圖8 Boost變換器前饋控制

電壓環(huán)傳遞函數(shù)為：

若令：

則可以完全消除 Δui與 Δir的變動引起的ΔuC的變化，實現(xiàn)對輸出電壓更快速地控制。

3 仿真分析

為了驗證上述控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC對所提的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行建模仿真，系統(tǒng)主要的仿真參數(shù)[8，14]如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

3.1 光伏Boost變換器MPPT控制策略驗證

圖9所示為光伏電池在不同光照度與溫度下的輸出電壓、電流及功率特性曲線。由圖9（a）與（c），可以看出，光伏電池模型很好地模擬了在光照度分別為1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2與溫度分別為0℃，15℃，25℃時的輸出特性。

圖9（b）是在溫度維持25℃不變，將光照度從1 000 W/m2降到800 W/m2再降到600 W/m2，光伏電池的輸出功率與輸出電流曲線。由于MPP點的電壓隨光照度減小稍微減小，功率變化主要表現(xiàn)在輸出電流的變化。

圖9（d）是在光照度維持1 000 W/m2不變，將溫度從0℃升到15℃再升到25℃，光伏電池的輸出功率與輸出電流曲線。由于MPP點的電壓隨溫度減小稍微減小，功率變化主要表現(xiàn)在輸出電壓的變化。

通過對比圖9（a），（b），（c）中功率輸出曲線的峰值點與圖9（d），可以看出光伏MPPT Boost變換器很好地實現(xiàn)了最大功率跟蹤。

圖9 光伏輸出隨光照度及溫度變化曲線

3.2 穩(wěn)壓Boost變換器控制策略驗證

為了驗證本文所提的前饋控制策略，仿真過程中分別在圖10所示的t2與t4時刻設(shè)置了負(fù)荷電流躍變，t3與t5時刻設(shè)置了輸入電壓躍變。對比雙環(huán)控制與在雙環(huán)控制基礎(chǔ)上加入前饋控制2種控制方式下的直流母線電壓（除了引入前饋，其他所有參數(shù)均相同），表2給出了變量躍變時刻2種控制方式下直流母線電壓數(shù)值及誤差大小。

表2 2種控制方式下直流母線電壓對比

圖10 2種控制方式下直流母線電壓曲線

從表2與圖9可以看出，前饋控制的引入明顯減少了雙環(huán)控制在輸入電壓與負(fù)載電流突變時刻引起的直流母線電壓的突變。同時，根據(jù)直流母線電壓與負(fù)荷電流、輸入電壓的突變方向，明顯可以看出負(fù)荷電流為正反饋，輸入電壓為負(fù)反饋，驗證了控制與仿真的合理性。

4 結(jié)語

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流母線電壓的穩(wěn)定、快速控制至關(guān)重要，增加一級Boost控制器與提出的新的前饋控制策略，有效解決了在光伏隨光照度與溫度變化時出力波動以及負(fù)荷波動情況下引起直流母線波動的問題，后期針對所研究課題還需做如下進一步深入探討。

（1）建立完整的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，除了所研究的支路，還應(yīng)包括儲能單元、直流負(fù)荷、交流負(fù)荷及對應(yīng)的變換器。

（2）完善整個系統(tǒng)的能量管理方案，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行。

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（本文編輯：楊 勇）

A Novel Feed-forward Voltage Control Strategy of the Boost Converter

WANG Haibo1，XU Luguang1，ZHU Shenghui1，YANG Xiu2，GUI Yi1，XIA Han1
（1．State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China；2．Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

In the stand-alone photovoltaic system with DC（direct current）bus-bar,stabilizing the DC bus voltage is an important method to guarantee the efficient operation of the system，high power quality and long life of the battery.A novel topology that the MPPT of PV （maximum power point tracking of photovoltaic）boost converter and the DC bus are connected by another boost converter is proposed.Moreover，a new feed-forward control strategy is applied to the boost converter to stabilize the DC bus voltage∶based on the voltage outer loop and current inner loop control，the input voltage and load current feed-forward loops are introduced to eliminate the fluctuation of DC bus voltage due to the change of the two factors mentioned above to improve the voltage-stabilizing performance of the system.The simulation compares DC bus voltage of double-loop control and the control mentioned in this paper in case of voltage leap and verifies effectiveness of the abovementioned control strategy.

stand-alone photovoltaic system；Boost converter；voltage stabilizing；feed-forward control

TM866

B

1007-1881（2015）07-0010-06

國家863高技術(shù)基金項目（2011AA05A106）

2015-03-03

王海波（1987），男，工程師，碩士，研究方向為光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與控制、電力系統(tǒng)繼電保護等。