孫 強(qiáng)，邱琰輝，陳道煉

(青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 226071)

0 引 言

光伏、風(fēng)力、地?zé)岬刃履茉淳哂星鍧?、無(wú)污染、可再生、運(yùn)行維護(hù)量小、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。單一新能源發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)間歇性、不穩(wěn)定、受天氣影響嚴(yán)重等問(wèn)題[1-4]，為提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并使各種能源得到充分利用，需采用多新能源聯(lián)合供電的分布式發(fā)電系統(tǒng)[5-8]。

文獻(xiàn)[9-13]提出了傳統(tǒng)兩級(jí)多個(gè)單輸入直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)。這類發(fā)電系統(tǒng)以傳統(tǒng)的單輸入直流變換器和單輸入逆變器為基礎(chǔ)，光伏、風(fēng)力等新能源能量只能單向傳遞，這些能源分別經(jīng)過(guò)單向直流變換器連接到公共的直流母線, 再經(jīng)過(guò)Buck型逆變器變成需要的交流電。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種能源聯(lián)合供電，相比單輸入能源供電系統(tǒng)，提高了供電質(zhì)量，但是每一路輸入源都需要單獨(dú)控制、電路拓?fù)鋸?fù)雜、實(shí)用性受到很大程度的限制。

為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)并降低成本，通常可采用一個(gè)多輸入直流變換器取代多個(gè)單輸入直流變換器，構(gòu)成兩級(jí)多輸入直流變換器型新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)[14-15]。多輸入源通過(guò)一個(gè)多輸入直流變換器連接至公共的直流母線上，后級(jí)為高頻逆變器，前后級(jí)變換器通過(guò)中間直流電容解耦。與單輸入直流變換器型多種新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)相比，這種分布式發(fā)電系統(tǒng)具有多路輸入源可集中控制、電路拓?fù)漭^簡(jiǎn)潔、實(shí)用性較好等優(yōu)點(diǎn)。

本文提出了一個(gè)隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)和最大功率能量管理控制策略，分析研究了其電路拓?fù)湓砼c系統(tǒng)建模，給出了1 kW實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 電路拓?fù)?/h2>

本文采用隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)?，如圖1所示。該電路拓?fù)溆汕凹?jí)Boost型多輸入直流變換器和后級(jí)Buck型并網(wǎng)逆變器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中Boost型多輸入直流變換器是由多原邊繞組單副邊繞組的高頻變壓器將多路含輸入濾波電容、儲(chǔ)能電感、改進(jìn)型有源箝位電路、高頻逆變橋的高頻逆變電路和一個(gè)共用的整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成。

圖1 隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)

隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)的前級(jí)屬于全橋電流型變換器，通過(guò)多原邊繞組單副邊繞組高頻變壓器磁通疊加的方式可以實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)供電。

隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、易于多路輸入、任一時(shí)刻多輸入源同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載供電、占空比調(diào)節(jié)范圍寬、功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低、輸入及輸出高頻電氣隔離、輸入電流紋波小、電壓匹配能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合于光伏、燃料電池等新能源發(fā)電場(chǎng)合。

2 最大功率能量管理控制策略

能量管理控制策略對(duì)于多新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。新能源的最大功率輸出、系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及并網(wǎng)電流波形的控制是兩級(jí)多輸入直流變換器型分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的三個(gè)控制目標(biāo)。本文采用最大功率能量管理控制策略，其控制框圖如圖2所示。光伏、風(fēng)力等新能源采用MPPT控制，輸出最大功率，并網(wǎng)逆變器采用直流母線電壓外環(huán)并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，直流母線電壓環(huán)采用負(fù)PI形式。當(dāng)輸入功率變大時(shí)，直流母線電壓Udc將變大，此時(shí)直流母線電壓調(diào)節(jié)器將增大并網(wǎng)電流幅值iop，并網(wǎng)功率變大，然后Udc變小并穩(wěn)定在參考值；同理當(dāng)輸入功率變小時(shí)，直流母線電壓環(huán)使得并網(wǎng)功率變小從而實(shí)現(xiàn)功率平衡。此外，加入100 Hz陷波器和電網(wǎng)電壓前饋技術(shù)可以改善系統(tǒng)的性能，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖2 最大功率能量管理控制策略

3 系統(tǒng)建模

采用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均法建立前級(jí)Boost型多輸入直流變換器的系統(tǒng)模型，如圖3(a)所示。Boost型多輸入直流變換器采用基于輸入電壓環(huán)的MPPT控制策略，直流母線電壓由并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定，可將直流母線電壓用一個(gè)恒定的直流源表示，將光伏、風(fēng)力輸入源分別用等效負(fù)載Rpv、Rwg表示，如圖3(b)所示。

圖3 前級(jí)Boost型多輸入直流變換器的系統(tǒng)模型

光伏MPPT電壓環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖4(a)所示。其中，GPI-ui1(s)是光伏電壓環(huán)的補(bǔ)償函數(shù)，HUi1是光伏電壓的采樣系數(shù)，GPWM(s)為鋸齒載波的傳遞函數(shù)，G11(s)是光伏電壓i1對(duì)第1路變換器占空比的傳遞函數(shù)G11(s)為：

(1)

圖4 光伏電壓環(huán)傳遞函數(shù)框圖和頻率特性圖

將N11/N2=9∶32、Udc=380 V、Ci1=2 200 μF、RCi1=0.02 Ω、L1=80 μH、RL1=0.1 Ω、Rpv=10 Ω，D1=0.55、HUi1=0.033、GPWM(s)=1/1 500、GPI-ii2(s)=4 500+25 000s代入光伏電壓環(huán)傳遞函數(shù)框圖，可得其開(kāi)環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，如圖4(b)所示。由圖可知，光伏電壓內(nèi)環(huán)補(bǔ)償前的開(kāi)環(huán)直流增益較小，補(bǔ)償后開(kāi)環(huán)直流增益變大，穿越頻率為1.3 kHz，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

(2)

將Lf1=1.5 mH、Lf2=0.4 mH、Cf=2.2 μF、Rd=1 Ω、Hio=0.12、GPI-io(s)=400+1 250 000s代入并網(wǎng)電流傳遞函數(shù)可得并網(wǎng)電流環(huán)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)頻率特性圖，如圖5(b)所示。由圖可知，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償前的相位裕度小于0，系統(tǒng)不穩(wěn)定，補(bǔ)償后系統(tǒng)穿越頻率1 kHz，相位裕度45°，低頻增益較大，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

4 實(shí) 驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)例采用了圖1所示的電路拓?fù)浜蛨D2的最大功率能量管理控制策略。第一路采用光伏供電，選用Regatron公司的Topcon quadro可編程直流電源TC.P.16.800.400. PV. HMI模擬光伏輸出，輸入電壓范圍為40～60 V。第二路采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其整流濾波電路供電，輸入電壓范圍為40～60 V。有源箝位開(kāi)關(guān)管SC1及SC2、前級(jí)高頻逆變橋開(kāi)關(guān)管S11～S14及S21～S24采用MOSFET IXTQ74N20P(74 A/200 V)，有箝箝位二極管DC1及DC2、前級(jí)高頻逆變橋阻斷二極管D11～D14及D21～D24采用DSEI 60-06A(60 A/600 V)，整流二極管Dr1～Dr4采用DSEI 30-06A(37A/600 V)，Buck型逆變器開(kāi)關(guān)管S1～S4采用IXFH26N50P(26 A/500 V)。

圖5 直流母線電壓外環(huán)并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)雙系統(tǒng)框圖

第1路光伏輸入源最大功率700 W，最大功率點(diǎn)電壓48 V，采用MPPT控制，第2路光伏輸入源最大功率450 W，最大功率點(diǎn)電壓48 V，采用MPPT控制，1 kW輸出時(shí)變換器波形如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)第一路輸入源電壓Ui1為48.2 V,電流Ii1為14.5 A，輸入功率為699 W，第二路輸入源電壓Ui2為47.9 V,電流Ii2為9.27 A，輸入功率為444 W，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，如圖6(a)、(b)所示；(2)直流母線電壓Udc為380 V，直流母線恒定，如圖6(c)所示；輸出電壓uo為220 V，輸出電流io為 4.545 A， 輸出功率為1 000 W,輸出電壓波形正弦度高，其THD為1%，如圖6(d)所示。(3)高頻變壓器雙向磁化，整流二極管電壓應(yīng)力為Udc且沒(méi)有電壓尖峰，如圖6(f)～(g) 所示；(4)S11關(guān)斷后，S11漏源電壓保持不變，S11及其他超前開(kāi)光管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，如圖6(g)所示；(5)S13及其他滯后開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，且其關(guān)斷電壓尖峰被有效抑制，如圖6(h)所示。

圖6 兩路光伏供電、1 kW輸出時(shí)變換器波形

光伏最大功率1 200 W，最大功率點(diǎn)電壓48 V，單路光伏源供電、1 kW輸出時(shí)，系統(tǒng)光照突變波形如圖7所示。光照幅度由1 000 W/m2變500 W/m2然后再變?yōu)?00 W/m2，直流母線電壓穩(wěn)定，光伏最快地追蹤到了新的最大功率點(diǎn)。

光伏最大功率570 W，最大功率點(diǎn)電壓48 V，兩路光伏源采用相同的參數(shù)供電、不同光照下變換器變換器效率曲線如圖8所示。變換器滿載效率為0.881,后級(jí)Buck型逆變器滿載效益為0.953，可得前級(jí)直流變換器單路光伏源供電時(shí)滿載效益為0.924，變換效率較高。

圖7 單路光伏供電時(shí)光照突變波形

圖8 雙路光伏供電效率曲線

5 結(jié) 論

本文提出了隔離升壓直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)浜妥畲蠊β誓芰抗芾砜刂撇呗?，用一個(gè)多輸入直流變換器代替多個(gè)單輸入直流變換器，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。對(duì)多個(gè)占空比進(jìn)行控制，提高了控制的自由度，擴(kuò)大了占空比調(diào)節(jié)范圍。通過(guò)分析工作原理、系統(tǒng)的建模及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了上述方案的可行性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電壓匹配能力強(qiáng)、效率高、更適合于光伏等新能源發(fā)電場(chǎng)合。