模塊化光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)分布式自主控制策略

董曉鋒, 吳紅飛, 陸楊軍, 孫 凱, 胡海兵

(1. 多電飛機電氣系統(tǒng)工信部重點實驗室, 南京航空航天大學, 江蘇省南京市 210016;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室, 清華大學, 北京市 100084)

0 引言

以太陽能光伏發(fā)電為代表的大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為世界各國解決能源與環(huán)境問題的重要途徑[1]。長期以來,光伏交流并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏發(fā)電利用的主要技術途徑。近年來,隨著大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)帶來的一系列電能質(zhì)量、消納和調(diào)度等問題[2-3]以及以柔性直流技術為核心的輕型直流輸電系統(tǒng)、高壓直流微網(wǎng)系統(tǒng)等技術的發(fā)展使人們充分認識到,將本身為直流輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入直流電網(wǎng)在效率、經(jīng)濟性、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量等方面所特有的優(yōu)勢[4-7],使得光伏直流升壓匯集與并網(wǎng)技術成為國內(nèi)外關注的熱點[8-9],中國在2016年將光伏電站直流升壓匯集接入技術列為國家重點研發(fā)計劃專項。

相比于傳統(tǒng)低壓并網(wǎng)形式,將光伏發(fā)電并入中高壓直流電網(wǎng)在系統(tǒng)容量、效率、靈活性和穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢[6]。然而,由于網(wǎng)側直流電壓較高,單個直流模塊很難直接承受網(wǎng)側高電壓,另一方面,光伏輸出直流電壓通常較低。為了同時兼顧發(fā)電側低電壓和并網(wǎng)側高電壓,可以采用模塊化輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(input-parallel output-series,IPOS)結構[10]。模塊化IPOS結構在高壓電力電子固態(tài)變壓器、高壓輸出電源模塊等系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用[11-12],但目前在光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中的應用和報道還較少。模塊化串并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵問題之一是保證各模塊串聯(lián)側電壓均衡。雖然關于串聯(lián)模塊的均壓控制已經(jīng)有了大量的研究成果,但其針對的系統(tǒng)通常為輸入為恒壓源、輸出為電壓源特性的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)[13-17],如文獻[13]研究的輸入IPOS系統(tǒng),輸入、輸出都為電壓源性質(zhì),而光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中功率模塊的輸入通常呈現(xiàn)恒功率特性、而輸出則為直流電網(wǎng),面向傳統(tǒng)恒壓源為輸入源的IPOS系統(tǒng)的電壓均衡控制策略無法直接用于光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)。

文獻[8]提出一種模塊化級聯(lián)光伏直流接入系統(tǒng),該系統(tǒng)中各個功率模塊連接獨立的光伏陣列,當各光伏陣列之間功率不匹配時需要依靠后級降壓斬波電路來實現(xiàn)電容電壓均衡,這一方面帶來額外的開關損耗,另外受到斬波電路占空比的限制,輸出側電容承受的電壓之和遠大于實際高壓母線電壓。如果將各個光伏組件的輸出并聯(lián)形成低壓直流母線,則可以在組件輸出功率不匹配時仍能保證后級各IPOS模塊輸出功率均衡。但此時多個模塊同時在低壓側并聯(lián),如何在保證高壓并網(wǎng)側各模塊輸出功率均衡的同時實現(xiàn)低壓直流母線的穩(wěn)定調(diào)節(jié)是成為模塊化IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的關鍵問題。在IPOS系統(tǒng)中引入集中控制器,雖然可以解決各模塊均衡控制的問題,但隨著系統(tǒng)模塊數(shù)量的增加,集中控制不可避免對系統(tǒng)的可靠性帶來影響。此外,傳統(tǒng)IPOS系統(tǒng)電壓均衡控制較少考慮模塊故障帶來的影響。在光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中,實現(xiàn)IPOS功率模塊的熱插拔、從而能夠在線替換故障模塊,對于提高并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。對于多模塊串并聯(lián)功率系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)中各獨立功率模塊的完全自主運行、避免依賴集中控制器或模塊間的通信,是該類系統(tǒng)運行控制所期望達到的最終效果。

本文提出一種模塊化IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)分布式自主電壓均衡控制策略,無須依靠通信和中央控制器,只采用一個輸入電壓控制環(huán)即同時實現(xiàn)了各IPOS模塊輸出電壓自主均衡控制和低壓側并聯(lián)母線的穩(wěn)定調(diào)節(jié),同時能夠實現(xiàn)模塊的熱插拔,保證系統(tǒng)分布式自主穩(wěn)定運行的同時提高了整個直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)架構與控制策略分析

1.1 系統(tǒng)架構

本文所研究的模塊化分布式光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示,其前級為模塊化分布式發(fā)電單元,后級為本文所關注的由多個DC-DC模塊輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)構成的模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)。其中前級分布式發(fā)電單元負責各光伏組件的最大功率點跟蹤(MPPT)控制,IPOS系統(tǒng)則負責并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)。此外,由于多個并網(wǎng)直流功率模塊輸出串聯(lián)接入高壓直流母線,IPOS系統(tǒng)還需實現(xiàn)各模塊輸出電壓的均衡,以提高模塊化系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。圖中,PI表示比例—積分控制;PWM表示脈寬調(diào)制。

圖1 模塊化分布式光伏發(fā)電直流并網(wǎng)系統(tǒng)與控制框圖Fig.1 Modular DC grid-connected photovoltaic system and control diagram

1.2 系統(tǒng)架構

從系統(tǒng)能量關系的角度,圖1(a)所示兩級式模塊化光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩級式交流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相似,其中VL為低壓直流母線電壓,VH為高壓直流母線電壓。后級IPOS系統(tǒng)通過低壓直流母線的調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)前后級電路的協(xié)調(diào)控制和整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量平衡[17]。相比于交流系統(tǒng),直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于不涉及鎖相、諧波等問題其控制更加簡單,后級并網(wǎng)模塊只需對低壓母線進行單電壓環(huán)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)前后級電路的協(xié)調(diào)和并網(wǎng)功率控制,如圖1(b)所示。由于并網(wǎng)模塊對其輸入電壓進行調(diào)節(jié),控制邏輯與調(diào)節(jié)輸出電壓的情況是相反的,當?shù)蛪耗妇€電壓基準大于實際母線電壓VL時,并網(wǎng)模塊需減小并網(wǎng)功率以提升VL,當VLr小于VL時,并網(wǎng)模塊需增大并網(wǎng)功率以降低VL。

當并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中只有一個集中并網(wǎng)模塊時,圖1(b)的控制策略是可行的。但對于圖1(a)所示模塊化IPOS并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),當各模塊各自獨立控制、相互之間不共享任何信息時,由于實際基準和采樣電路參數(shù)的分散性,各模塊的等效母線電壓基準無法完全相等(將采樣電路等影響全部等效為電壓基準的差異)。

其中,VLr為模塊低壓母線電壓基準,Vo為輸出電壓,根據(jù)控制邏輯,多模塊在低壓側并聯(lián)時,實際母線電壓VL將由等效母線電壓基準最低的模塊決定,此時如果不加任何限制,該模塊將承擔所有并網(wǎng)功率。即便對模塊加入最大并網(wǎng)功率限制,也會使得等效基準最低的模塊始終運行于最大功率輸出狀態(tài),造成各功率模塊熱應力嚴重不均。此外,圖1(b)所示的控制環(huán)路中并沒有涉及對并網(wǎng)模塊輸出電壓的調(diào)節(jié),無法實現(xiàn)各輸出串聯(lián)模塊在高壓輸出側的電壓均衡。

1.3 IPOS模塊分布式自主電壓均衡控制策略

雖然輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)系統(tǒng)和IPOS系統(tǒng)互為對偶關系,其均壓控制策略具有一定的相似性,但是ISOP系統(tǒng)利用模塊間共享的輸出電壓信息來間接實現(xiàn)串聯(lián)模塊均壓,而IPOS系統(tǒng)則利用各模塊共享的輸入電壓信息來實現(xiàn)輸出側均壓,因此ISOP系統(tǒng)的控制策略也無法適用于本文研究的IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)。

在此,根據(jù)低壓側直流母線電壓基準與并網(wǎng)模塊功率的內(nèi)在邏輯關系,考慮建立低壓側母線電壓基準與并網(wǎng)模塊輸出功率的自動調(diào)節(jié)機制,當并網(wǎng)功率增加時自動升高母線電壓基準,從而主動抑制單模塊并網(wǎng)功率的增加。另外,對于IPOS系統(tǒng),還應考慮建立各模塊輸出電壓均衡機制,主動實現(xiàn)各模塊輸出電壓均衡。同時注意到,模塊化串聯(lián)輸出系統(tǒng)中各模塊輸出電流自然相等,各模塊輸出電壓的大小就直接反映了各模塊輸出功率的大小?；谏鲜鲆蛩?本文提出將各模塊輸出電壓信息直接疊加入低壓側母線電壓基準的分布式自主電壓均衡控制策略,采用該策略的IPOS直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制框圖如圖2(a)所示。

圖2 IPOS并網(wǎng)系統(tǒng)自主電壓均衡控制框圖與單模塊輸入輸出電壓關系Fig.2 Diagram of autonomous voltage balance control for IPOS grid-connected system and relationship between input and output voltages for single module

圖中,Vo,1和Vo,N分別為模塊1和模塊N的輸出電壓;VLr,1和VLr,N分別為模塊1和模塊N考慮實際參數(shù)影響后的等效電壓基準;VLro,1和VLro,N則分別為模塊1和模塊N中疊加了各自輸出電壓信息后的電壓基準;kvo為各模塊輸出電壓疊加系數(shù)。相比于圖2(a)所示控制框圖,所提出的并網(wǎng)模塊控制環(huán)路中引入了輸出電壓信息,因此可以同時對低壓側母線電壓和各模塊的輸出電壓進行調(diào)節(jié)。此外,各模塊的控制是完全獨立的,相互之間不需要通信或集中控制器,實現(xiàn)完全分布式控制。

根據(jù)圖2(a)所示控制邏輯,系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)時存在的關系為:

VL=VLro,i=VLr,i+kvoVo,i

(1)

式中:VLr,i,Vo,i和VLro,i分別為任意第i個并網(wǎng)模塊的等效給定電壓基準、輸出電壓和疊加了輸出電壓信息的實際電壓基準;i=1,2,…,N。

圖2(b)給出了任意第i個并網(wǎng)模塊輸入輸出電壓關系。顯然,任意模塊的輸入電壓VL都與其輸出電壓成正比關系。對于輸出串聯(lián)系統(tǒng),模塊輸出電壓的增加就意味著輸出功率增加,而輸入電壓基準隨輸出電壓升高的內(nèi)在邏輯反過來抑制模塊自身輸出功率和電壓的增加,從而避免了由于各模塊自身參數(shù)差異導致的等效電壓基準不一致造成的個別模塊功率應力、熱應力和輸出電壓過高的情況。

1.4 輸出電壓均衡特性

模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)中,各模塊輸出電壓的均衡情況也同時反映各功率模塊的功率應力均衡情況。以兩個并網(wǎng)功率模塊串聯(lián)為例,分析本文所研究的控制策略均壓特性。假設由于參數(shù)不一致的影響,導致兩模塊等效給定電壓基準VLr,1和VLr,2滿足:

VLr,2=VLr,1+ΔV

(2)

式中:ΔV為采樣、基準等電路參數(shù)不一致性對等效電壓基準的影響。

采用本文所提出的自主電壓均衡策略,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時兩模塊電壓滿足:

VL=VLr,i+kvoVo,1=VLr,2+kvoVo,2

(3)

由式(2)和式(3)可得:

(4)

即

(5)

由式(5)可知,等效給定電壓基準VLr較低的模塊1實際輸出電壓更高,且兩模塊的電壓差與等效電壓基準之差ΔV成正比,和輸出電壓疊加系數(shù)kvo成反比。

圖3給出了kvo對兩模塊均壓效果影響的示意圖。顯然,圖3 (a)所示kvo=0時,VL由VLr,1決定,模塊1將承擔所有功率和全部輸出電壓,模塊2輸出電壓和功率為0;隨著kvo的增加,兩模塊輸出電壓均衡效果也越好。但kvo越大,隨著輸出電壓的波動,低壓側直流母線電壓VL的波動范圍也越大。然而,對于圖1(a)所示光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),低壓直流母線允許有一定的波動范圍;另一方面,實際電路中,由于采樣和基準電路參數(shù)造成的各模塊等效給定電壓基準的差值很容易控制在1%以內(nèi),因此,不需要很大的kvo就能夠實現(xiàn)較好的輸出電壓均衡效果。

圖3 kvo對均壓效果的影響Fig.3 Impact of kvo on voltage sharing

上述分析雖然是以兩并網(wǎng)模塊串聯(lián)為例說明的,其結論同樣適用于更多模塊構成的IPOS直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。由于各模塊完全獨立控制,其他模塊的切入或切除不會對當前模塊自身的控制產(chǎn)生影響,從而能夠實現(xiàn)系統(tǒng)中故障模塊的熱切除以及新模塊的熱切入,即可以實現(xiàn)模塊的熱插拔,有效提升整個直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和可維護性。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

下面以N個(N≥3)DC-DC模塊構成的IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)為例,討論本文所提出的分布式自主電壓均衡控制策略的穩(wěn)定性,其中DC-DC模塊采用文獻[18]所研究的半有源整流原副邊移相控制全橋變換器,單模塊電路結構見附錄A圖A1,單個變換器所用的參數(shù)見附錄A表A1,N個模塊IPOS系統(tǒng)小信號模型見附錄A圖A2。關于該電路的詳細工作原理和特性,文獻中已經(jīng)有詳細論述,本文不再贅述。

根據(jù)文獻[18]采用的小信號建模方法,得到單個變換模塊的輸出電壓小信號表達式如下。

輸出電壓小信號表達式為:

(6)

(7)

(8)

由圖2(a)所示單模塊控制策略,可得DS,i與控制環(huán)路各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系為:

(VLr-Vo,ikvo+VLr,i)GPIKPWM=DS,i

(9)

(10)

式中:GPI和KPWM分別為PI調(diào)節(jié)器和PWM調(diào)制器的等效增益;kp和ki分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)。

由此得到:

(11)

假設系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)且兩模塊輸出電壓相等,即Vo,1=Vo,2=…=Vo,i=VH/N,則由式(3)可得IPOS系統(tǒng)低壓側直流母線電壓VL擾動和高壓側電壓VH擾動之間的關系為:

(12)

根據(jù)式(6)至式(12),當擾動發(fā)生時,得到任意兩模塊(模塊k和j)的輸出電壓之差的小信號擾動為:

(13)

假設KPWM=1,將式(10)代入式(13)可得輸出電壓之差擾動的小信號表達式,可得其特征根方程為:

D(s)=a4s4+a3s3+a2s2+a1s1+a0

(14)

(15)

由(15)可知,特征根各項系數(shù)都大于0。根據(jù)勞斯穩(wěn)定性判據(jù),系統(tǒng)穩(wěn)定需滿足:

(16)

根據(jù)附錄A表A1所示參數(shù),取kvo=0.02,分析式(13)所示系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖。圖4(a)給出了kp從0增大時兩模塊系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖,其中選取ki為1 000。

從圖4(a)中可以看出,不論kp取什么值,系統(tǒng)的根軌跡始終在左半平面。

圖4(b)給出了kp=10,ki從0增大的閉環(huán)根軌跡圖,不論ki取什么值,系統(tǒng)的根軌跡始終在左半平面。

根據(jù)上述穩(wěn)定性分析可知,當擾動發(fā)生導致任意兩模塊輸出電壓發(fā)生差異時,該兩模塊的電壓之差不會發(fā)散,表明采用分布式自主電壓均衡控制策略時,系統(tǒng)受到擾動時始終是趨于穩(wěn)定的。而由式(5),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時任意兩模塊的電壓之差僅由模塊等效電壓基準之差和輸出電壓疊加系數(shù)kvo決定。

圖4 系統(tǒng)根軌跡圖Fig.4 Root locus of IPOS system

3 實驗驗證

為了驗證所提模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)電壓自主均衡控制策略的有效性,在實驗室搭建了由三臺半有源全橋變換器構成的低壓實驗平臺,各變換器模塊的參數(shù)與附錄A表A1一致,附錄A圖A3給出了三模塊直流并網(wǎng)IPOS系統(tǒng)樣機圖。其中,前級分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的控制方法為擾動觀察法,由于前級非本文研究重點,主要功能是為后級提供輸入功率與形成低壓母線VL,因此其控制方法不在此贅述。

附錄A表A2是單模塊輸出功率100 W至900 W情況下,變換器的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流的數(shù)據(jù)表,從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),輸出電壓在輸出功率范圍下能夠保持恒定,波動較小。附錄A圖A4給出了采用本文所提分布式自主電壓均衡控制策略時,各并網(wǎng)直流模塊輸出電壓和并聯(lián)直流母線電壓關系曲線,各模塊所用輸出電壓疊加系數(shù)kvo約為0.19。從圖中可以看到,當模塊輸出電壓從約80 V到150 V之間大幅變化時,并聯(lián)直流母線電壓從146 V變化到158 V。實際應用時,可以通過調(diào)整kvo來調(diào)節(jié)并聯(lián)直流母線電壓的波動范圍。由附錄A圖A4可知,雖然各個模塊輸入輸出電壓曲線關系并不完全一致,但輸入側電壓VL與各模塊輸出電壓Vo始終保持正比關系,且各電壓曲線始終彼此接近,這可以保證在任意并聯(lián)直流母線電壓下,各模塊輸出電壓都具備較好的均壓效果。

附錄A圖A5(a)給出了直流并網(wǎng)功率變化時各模塊的均壓效果實驗波形,圖中io表示各模塊串聯(lián)輸出電流,實驗測試時各模塊串聯(lián)輸出總母線電壓設定為300 V。從圖中可以看到,當直流并網(wǎng)功率發(fā)生擾動(變大或變小)時,各直流并網(wǎng)模塊的輸出電壓都穩(wěn)定在100 V左右,表明各模塊串聯(lián)輸出側實現(xiàn)了較好的均壓效果,同時表明各模塊能夠較好地均分總并網(wǎng)功率。

附錄A圖A5(b),(c)給出了模擬并網(wǎng)直流母線電壓VH(各模塊串聯(lián)總電壓)波動時各并網(wǎng)直流模塊輸出電壓均衡實驗波形,分別為串聯(lián)輸出側總電壓VH和并聯(lián)母線電壓VL與各模塊輸出電壓的實驗波形。從附錄A圖A5(b)可以看到,當并網(wǎng)母線電壓突變(變大或變小)時,各模塊輸出電壓能夠實時跟隨并網(wǎng)直流母線電壓變化,在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中都能夠保證較好的均壓效果,表明了本文所采用的電壓均衡控制策略的有效性。由附錄A圖A5(c)可知,當模塊輸出電壓變高或變低時,由于各模塊輸入輸出電壓的聯(lián)動效應,各模塊的輸入側并聯(lián)直流母線電壓也會跟隨輸出電壓同步變高或變低,其變化趨勢與附錄A圖A4所示關系一致。

附錄A圖A5(d)給出了模擬IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)某直流并網(wǎng)模塊熱插拔時的實驗波形。在實驗時,三模塊IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)在運行過程中在線切除和接入其中一個模塊(模塊3)。由附錄A圖A5(d)可知,當模塊3熱切除時,該模塊的電壓Vo,3瞬間跌落到0,而其余兩個模塊的輸出電壓Vo,1和Vo,2瞬時增加,該兩模塊的總電壓仍等于總的并網(wǎng)直流電壓VH,在該過程中Vo,1和Vo,2仍實時保持電壓均衡。當模塊3熱切入時,該模塊的輸出電壓Vo,3從0開始增加,另外兩個模塊的電壓則同步減小,進入穩(wěn)態(tài)后三個模塊的輸出電壓仍然均衡。該實驗測試結果充分表明本文所提出的分布式自主電壓均衡控制策略完全支持IPOS模塊化直流并網(wǎng)系統(tǒng)各模塊的熱插拔,保證了整個直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。

4 結語

本文提出并研究了一種適用于模塊化光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分布式自主運行控制策略,理論分析和實驗結果如下。

1)所提出的控制策略能夠自主實現(xiàn)各串并聯(lián)并網(wǎng)功率模塊串聯(lián)側電壓均衡,同時能夠實現(xiàn)并聯(lián)母線的分布式無主從調(diào)節(jié),保證整個模塊化直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2)各直流并網(wǎng)模塊各自完全獨立控制,無需中央控制器或依賴通信,實現(xiàn)了模塊化串并聯(lián)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的完全分布式自主運行。

3)所提出的控制策略能夠實現(xiàn)并網(wǎng)功率模塊的熱插拔。

4)所提出的控制策略結構簡單、易于實現(xiàn)。

本文的后續(xù)工作可以圍繞變換器系統(tǒng)的建模分析展開,以期獲得更為優(yōu)化的控制方法。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。