新型光伏直流匯集系統(tǒng)的控制拓?fù)?/h1>
2021-11-08 10:10:58胡謙宇袁仲濱畢一凡
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年30期
胡謙宇，袁仲濱，畢一凡，郭 珂
（重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400030）
光伏并網(wǎng)規(guī)模逐年增加，但是傳統(tǒng)交流匯集系統(tǒng)具有無功傳輸、諧振諧波等問題，對(duì)并網(wǎng)以及實(shí)際運(yùn)行造成危害[1-3]。由于直流匯集系統(tǒng)不存在匯集系統(tǒng)的功角穩(wěn)定或諧波諧振等穩(wěn)定性問題，且光伏發(fā)電單元本身輸出的直流電經(jīng)過直流升壓匯集后再進(jìn)行傳輸，無需直流-交流變換環(huán)節(jié)，同樣電壓等級(jí)下?lián)p耗更小[4-5]。通過多個(gè)模塊輸出級(jí)聯(lián)將整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓抬高以便直流并網(wǎng)，但此時(shí)光伏發(fā)電單元端電壓隨輸出功率而變化，隨光伏發(fā)電陣列輸出波動(dòng)而變化，將會(huì)損壞該部分光伏發(fā)電單元。
針對(duì)基于模塊化級(jí)聯(lián)的光伏直流升壓匯集系統(tǒng)，本文提出一種新的儲(chǔ)能式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后級(jí)實(shí)現(xiàn)各模塊的能量轉(zhuǎn)移。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無需添加協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。在Simulink搭建了四個(gè)光伏陣列通過模塊化級(jí)聯(lián)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。
1 儲(chǔ)能式均壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)移工作原理
圖1 中單個(gè)均壓單元由一個(gè)電感和兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。前級(jí)單元的電壓分別用Udc＿1～Udc_n表示，理想情況下，有Udc_1=Udc_2=Udc_3=Udc_4=…=Udc_n=Ue，其中Ue為前級(jí)單元輸出電壓特定值。其中共包含4 個(gè)均壓單元，其中K1、K2負(fù) 責(zé) 實(shí) 現(xiàn)Udc_1、Udc_2的 均 壓，K11、K21負(fù) 責(zé) 實(shí) 現(xiàn)Udc_1、Udc_2和Udc_3、Udc_4的均壓控制，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各個(gè)開關(guān)器件同時(shí)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)均壓。
圖1 匯集系統(tǒng)后級(jí)均壓拓?fù)浜唸D
研究以K1、K2構(gòu)成的均壓單元分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作過程。假定初始情況下，Udc_1＞Udc_2，忽略線路的阻抗以及開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。圖2 中給出了系統(tǒng)各工作模態(tài)圖，工作模態(tài)可分為四個(gè)階段：
階段1：等效電路如圖2（a），0＜t≤t0，兩個(gè)開關(guān)管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流為0。
階段2：等效電路如圖2（b），t0＜t≤t1，t0時(shí)刻開通，K1，K2處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸增加，狀態(tài)方程如式（1）所示。
解得：
階段3：等效電路如圖2（c），t1＜t≤t2，t1時(shí)刻斷開K1，K2中反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，K2仍處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸減小，狀態(tài)方程如式（3）所示。
階段4：等效電路如圖2（d），t=t2時(shí)，兩個(gè)開關(guān)管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流降為0?？山獬鰐2是：
圖2 不同階段的均壓模塊
當(dāng)階段4 完成后，可以在之后的任意時(shí)刻t0′重新導(dǎo)通K1，由此均壓電路重新進(jìn)入階段1，開始下一個(gè)均壓周期的工作。
2 均壓控制策略
2.1 均壓模塊控制
以兩個(gè)模塊K1、K2構(gòu)成的一個(gè)基本均壓單元為例，其中，Δmin 是進(jìn)行均壓比較的限值電壓。圖2 所示電路的工作原理可分為兩個(gè)情況討論：
情況1：U1>U2。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅(qū)動(dòng)脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右上方與門以及右下方的輸出都為零，均壓模塊不工作。
情況2：U2>U1。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅(qū)動(dòng)脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右下方與門以及右上方的與門的輸出為零，均壓模塊不工作。
2.2 均壓單元的參數(shù)與運(yùn)行特性
以兩個(gè)模塊K1、K2構(gòu)成的一個(gè)基本均壓單元為例，均壓電路工作時(shí)的電感電流為iL（t），Udc＿1釋放的功率Pdc＿1和Udc＿2釋放的功率Pdc＿2的波形如圖3 所示。
圖3 未加入均壓后級(jí)控制后的輸出電壓
均壓電路處于周期性工作狀態(tài)，取t0～t2之間的一個(gè)工作周期T 作為研究對(duì)象，并定義：
假定均壓模塊所連的兩個(gè)單元的能量差為W，忽略均壓前后Udc＿1的變化，均壓周期為T，則均壓時(shí)間為：
由此可知，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可根據(jù)器件的開關(guān)頻率、變換器輸出放電特性和負(fù)載特性確定L。
3 仿真驗(yàn)證
本節(jié)主要搭建了基本模塊和DC/DC 變換器（包含四個(gè)模塊）的詳細(xì)仿真模型來驗(yàn)證前文所提到的均壓策略有效性。通過4 個(gè)模塊級(jí)聯(lián)以加入均壓模塊拓?fù)潋?yàn)證均壓控制策略的有效性。
在MATLAB/Simulink 中搭建基本模塊的仿真模型，其中各個(gè)元器件的參數(shù)以及均壓模塊的主要參數(shù)如表1 所示。
表1 模塊主要參數(shù)
BFBIC 的能量由光伏陣列提供。設(shè)定光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)情況（溫度25℃，光照強(qiáng)度165W/m2）下最大功率為43W，在最大功率時(shí)光伏陣列電壓為43V。開始時(shí)刻光伏電站溫度設(shè)定為25℃，光照強(qiáng)度為1000W/m2。
對(duì)于整個(gè)4 塊級(jí)聯(lián)的組合變換器而言，設(shè)定一組外界環(huán)境變化值，通過對(duì)比加入遞進(jìn)分層均壓控制模塊前后負(fù)載端各個(gè)子模塊輸出電壓的波形變化來仿真驗(yàn)證均壓策略的效果。給定各個(gè)模塊光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如表2 所示。
表2 光伏光照強(qiáng)度變化表
圖3 給出了無均壓控制電路時(shí)各子模塊的輸出電壓，從結(jié)果波形可以看出，隨著光照強(qiáng)度在某一點(diǎn)進(jìn)行突變后，輸出電壓也隨之變化，各模塊提供給后端的電壓差距大，不穩(wěn)定。
圖4 表示僅使用一級(jí)均壓電路后的各模塊輸出電壓，與使用兩級(jí)均壓模塊的仿真結(jié)果比較，其僅在1s后穩(wěn)定了輸出電壓，均壓性能較差。
圖4 加入一級(jí)均壓模塊后輸出電壓
圖5 為4 個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)時(shí)兩級(jí)均壓控制負(fù)載端輸出電壓，從0.2s 開始，模塊4 的光照強(qiáng)度突變，至1.5s仿真結(jié)束均穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了各模塊之間的均壓，期間的最大壓差ΔVO≈2V。
圖5 兩級(jí)均壓控制輸出電壓
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文章提出的均壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作有效可行，控制算法正確且易于工程實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)變換器輸出端的均壓。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以完成充放電，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供能量吞吐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)化利用。
4 結(jié)論
文章在各個(gè)光伏模塊間相互獨(dú)立控制的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于模塊均壓的后級(jí)遞進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以解決光伏串聯(lián)匯集單元中不均勻光照導(dǎo)致的模塊不能正常升壓的問題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要通過儲(chǔ)能元件能夠儲(chǔ)存能量的特點(diǎn)，使得不同模塊后級(jí)輸出的電能進(jìn)行自動(dòng)的能量交換，以達(dá)到均壓的目的。最后通過Simulink 搭建了4 個(gè)模塊級(jí)聯(lián)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。
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針對(duì)基于模塊化級(jí)聯(lián)的光伏直流升壓匯集系統(tǒng)，本文提出一種新的儲(chǔ)能式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后級(jí)實(shí)現(xiàn)各模塊的能量轉(zhuǎn)移。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無需添加協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。在Simulink搭建了四個(gè)光伏陣列通過模塊化級(jí)聯(lián)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。
1 儲(chǔ)能式均壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)移工作原理
圖1 中單個(gè)均壓單元由一個(gè)電感和兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。前級(jí)單元的電壓分別用Udc＿1～Udc_n表示，理想情況下，有Udc_1=Udc_2=Udc_3=Udc_4=…=Udc_n=Ue，其中Ue為前級(jí)單元輸出電壓特定值。其中共包含4 個(gè)均壓單元，其中K1、K2負(fù) 責(zé) 實(shí) 現(xiàn)Udc_1、Udc_2的 均 壓，K11、K21負(fù) 責(zé) 實(shí) 現(xiàn)Udc_1、Udc_2和Udc_3、Udc_4的均壓控制，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各個(gè)開關(guān)器件同時(shí)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)均壓。
圖1 匯集系統(tǒng)后級(jí)均壓拓?fù)浜唸D
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階段1：等效電路如圖2（a），0＜t≤t0，兩個(gè)開關(guān)管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流為0。
階段2：等效電路如圖2（b），t0＜t≤t1，t0時(shí)刻開通，K1，K2處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸增加，狀態(tài)方程如式（1）所示。
解得：
階段3：等效電路如圖2（c），t1＜t≤t2，t1時(shí)刻斷開K1，K2中反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，K2仍處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸減小，狀態(tài)方程如式（3）所示。
階段4：等效電路如圖2（d），t=t2時(shí)，兩個(gè)開關(guān)管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流降為0?？山獬鰐2是：
圖2 不同階段的均壓模塊
當(dāng)階段4 完成后，可以在之后的任意時(shí)刻t0′重新導(dǎo)通K1，由此均壓電路重新進(jìn)入階段1，開始下一個(gè)均壓周期的工作。
2 均壓控制策略
2.1 均壓模塊控制
以兩個(gè)模塊K1、K2構(gòu)成的一個(gè)基本均壓單元為例，其中，Δmin 是進(jìn)行均壓比較的限值電壓。圖2 所示電路的工作原理可分為兩個(gè)情況討論：
情況1：U1>U2。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅(qū)動(dòng)脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右上方與門以及右下方的輸出都為零，均壓模塊不工作。
情況2：U2>U1。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅(qū)動(dòng)脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右下方與門以及右上方的與門的輸出為零，均壓模塊不工作。
2.2 均壓單元的參數(shù)與運(yùn)行特性
以兩個(gè)模塊K1、K2構(gòu)成的一個(gè)基本均壓單元為例，均壓電路工作時(shí)的電感電流為iL（t），Udc＿1釋放的功率Pdc＿1和Udc＿2釋放的功率Pdc＿2的波形如圖3 所示。
圖3 未加入均壓后級(jí)控制后的輸出電壓
均壓電路處于周期性工作狀態(tài)，取t0～t2之間的一個(gè)工作周期T 作為研究對(duì)象，并定義：
假定均壓模塊所連的兩個(gè)單元的能量差為W，忽略均壓前后Udc＿1的變化，均壓周期為T，則均壓時(shí)間為：
由此可知，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可根據(jù)器件的開關(guān)頻率、變換器輸出放電特性和負(fù)載特性確定L。
3 仿真驗(yàn)證
本節(jié)主要搭建了基本模塊和DC/DC 變換器（包含四個(gè)模塊）的詳細(xì)仿真模型來驗(yàn)證前文所提到的均壓策略有效性。通過4 個(gè)模塊級(jí)聯(lián)以加入均壓模塊拓?fù)潋?yàn)證均壓控制策略的有效性。
在MATLAB/Simulink 中搭建基本模塊的仿真模型，其中各個(gè)元器件的參數(shù)以及均壓模塊的主要參數(shù)如表1 所示。
表1 模塊主要參數(shù)
BFBIC 的能量由光伏陣列提供。設(shè)定光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)情況（溫度25℃，光照強(qiáng)度165W/m2）下最大功率為43W，在最大功率時(shí)光伏陣列電壓為43V。開始時(shí)刻光伏電站溫度設(shè)定為25℃，光照強(qiáng)度為1000W/m2。
對(duì)于整個(gè)4 塊級(jí)聯(lián)的組合變換器而言，設(shè)定一組外界環(huán)境變化值，通過對(duì)比加入遞進(jìn)分層均壓控制模塊前后負(fù)載端各個(gè)子模塊輸出電壓的波形變化來仿真驗(yàn)證均壓策略的效果。給定各個(gè)模塊光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如表2 所示。
表2 光伏光照強(qiáng)度變化表
圖3 給出了無均壓控制電路時(shí)各子模塊的輸出電壓，從結(jié)果波形可以看出，隨著光照強(qiáng)度在某一點(diǎn)進(jìn)行突變后，輸出電壓也隨之變化，各模塊提供給后端的電壓差距大，不穩(wěn)定。
圖4 表示僅使用一級(jí)均壓電路后的各模塊輸出電壓，與使用兩級(jí)均壓模塊的仿真結(jié)果比較，其僅在1s后穩(wěn)定了輸出電壓，均壓性能較差。
圖4 加入一級(jí)均壓模塊后輸出電壓
圖5 為4 個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)時(shí)兩級(jí)均壓控制負(fù)載端輸出電壓，從0.2s 開始，模塊4 的光照強(qiáng)度突變，至1.5s仿真結(jié)束均穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了各模塊之間的均壓，期間的最大壓差ΔVO≈2V。
圖5 兩級(jí)均壓控制輸出電壓
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文章提出的均壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作有效可行，控制算法正確且易于工程實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)變換器輸出端的均壓。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以完成充放電，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供能量吞吐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)化利用。
4 結(jié)論
文章在各個(gè)光伏模塊間相互獨(dú)立控制的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于模塊均壓的后級(jí)遞進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以解決光伏串聯(lián)匯集單元中不均勻光照導(dǎo)致的模塊不能正常升壓的問題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要通過儲(chǔ)能元件能夠儲(chǔ)存能量的特點(diǎn)，使得不同模塊后級(jí)輸出的電能進(jìn)行自動(dòng)的能量交換，以達(dá)到均壓的目的。最后通過Simulink 搭建了4 個(gè)模塊級(jí)聯(lián)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。
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