一種新型的光伏并網(wǎng)接口結(jié)構(gòu)及控制策略

倪振松，蔡曙日，劉 京，劉 智

(1. 福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程學(xué)院，福建 福清 350300；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100086)

1 引言

現(xiàn)代生活的方方面面幾乎都要依靠電力，聚焦于化石能源發(fā)電技術(shù)所來(lái)的問(wèn)題已經(jīng)突顯[1]。隨著光伏發(fā)電越來(lái)越受到重視，對(duì)光伏接口裝置也提出了越來(lái)越高的要求，為了進(jìn)步提高轉(zhuǎn)換效率、以及可控性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者展開(kāi)了一系列的研究，并且取得了豐富的成果[2][3]。為此，光伏發(fā)電工程快速的發(fā)展成為新能源發(fā)電的主流。

光伏陣列由于物理結(jié)構(gòu)以及單晶元光伏電池的差異等對(duì)外電壓所表現(xiàn)出非線性特性，以及不同的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等這些因素將造成光伏陣列的功率差異，因此需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[4][5](Maximum power point tracking，MPPT)，此類算法經(jīng)過(guò)相對(duì)較為成熟，目前主流的如擾動(dòng)觀察法[6][8]、電導(dǎo)增量法[9][10][11]、以及模糊算法[12][13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和衍生的一些智能算法等[14][16]。本文重點(diǎn)研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此采用成熟的擾動(dòng)觀察法。

2 典型光伏接口

過(guò)去，大多數(shù)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)之間采用工頻變壓器作電連接。工頻變壓器不僅體積大、安裝困難，并且造價(jià)成本高[17]。典型拓?fù)淙鐖D1(a)所示。無(wú)變壓器非隔離光伏逆變器具有實(shí)現(xiàn)高效率潛力，尺寸小等優(yōu)勢(shì)，但其系統(tǒng)存在漏電流，雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)共模電流產(chǎn)生原因進(jìn)行深入分析，指出改進(jìn)電路拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)共模漏電流有效抑制的重要途徑。但基本都停留在傳統(tǒng)的H5、H6、Heric等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18]。因此，非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定高效并網(wǎng)運(yùn)行。為了進(jìn)一步減少尺寸，重量和經(jīng)濟(jì)成本的光伏系統(tǒng)帶變壓器隔離系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的工頻變壓器置換成了體積小重量輕的直流側(cè)高頻變壓器。不僅有效的克服了傳統(tǒng)工頻變壓器的缺陷，無(wú)漏電流的產(chǎn)生。特別是近年電力電子技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)品也從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了市場(chǎng)。典型拓?fù)淙鐖D1(c)所示。

圖1 典型光伏接口框圖

總結(jié)以上三類形式拓?fù)涮攸c(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)

1)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率傳輸環(huán)節(jié)較多，降低系統(tǒng)整體發(fā)電效率。

2)光伏電池?zé)o法直接與功率變換級(jí)直接相連，需經(jīng)過(guò)DC-DC環(huán)節(jié)，目前大多數(shù)是采用boost結(jié)構(gòu)來(lái)完成此環(huán)節(jié)，光伏電池電壓隨著外界光射強(qiáng)度波動(dòng)。需引入MPPT控制。而boost電路在輸入端電壓較低時(shí)，功率不變的情況下，輸入電流增大，帶來(lái)較大的線路損耗。

3)受限于功率開(kāi)關(guān)管約束，以上三類拓?fù)鋯渭?jí)下不適合較大大功率場(chǎng)合。因此可以采用級(jí)聯(lián)的方式，可以增加輸出功率，然而在工頻變壓器前段級(jí)聯(lián)模塊的話，需增加工頻變壓器一次側(cè)繞組線圈，或采用直流母線并聯(lián)形式，模塊之間產(chǎn)生環(huán)流，以及如何維持直流母線電壓的平衡，同時(shí)也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

本文采用雙級(jí)式結(jié)構(gòu)。前級(jí)采用高效交錯(cuò)并聯(lián)型DC/DC轉(zhuǎn)換器， DC / DC轉(zhuǎn)換器的功能是通過(guò)控制其輸入端電壓來(lái)執(zhí)行MPPT算法。本文光伏接口前級(jí)DC/DC環(huán)節(jié)采用高效以及具有諧波抑制能力的交錯(cuò)并聯(lián)式Boost變換器，中間層采用電力電子變壓器的雙有源橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率傳輸和電隔離。通過(guò)一定的控制策略，驅(qū)動(dòng)雙有源橋，進(jìn)一步提高光伏電池效率，減少額外的功率變換環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及分析

3.1 光伏電池等效電路

光伏電池是利用光伏效應(yīng) (photovoltaic effect，又稱光生伏特效應(yīng)) 把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。光伏效應(yīng)是指當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

光伏電池的單P-N 結(jié)的二極管等效電路模型，如圖2所示。

圖2 光伏電池單二極管等效電路模型

其中，U；I為光伏電勢(shì)的輸出電壓和電流；Iph為光生電流，I0為P-N結(jié)等效二極管的反向飽和電流；UT為溫度電勢(shì)；其中UT=AkT/q，其中q為電子電荷量(1.602×10-19C)，A 為P-N 結(jié)等效二極管理想因子，一般取值范圍為1～1.25；T為光伏電池溫度，Boltzman常數(shù)(1.38x10-23 J/K)Rsh；Rs分別為等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。其正向工作U-I特性方程如式(1)所示。

(1)

圖3為光伏陣列在不同光照下的以及U-I、U-P輸出特性曲線。

圖3 不同光輻照度下的輸出特性曲線

3.2 DC/DC變換器

Boost變換器拓?fù)湟褟V泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域下AC-DC和DC-DC變化環(huán)節(jié)，隨著新能源的發(fā)展，成熟的boost變換器被普遍的應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的前端升壓，并且維持直流電壓穩(wěn)定。傳統(tǒng)的boost電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)的Boost電路結(jié)構(gòu)

由兩個(gè)直流電容C1和C2組成，電感Ls，以及開(kāi)關(guān)管器件S1，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的占空比，從而改變輸出電壓。雖然電路簡(jiǎn)單以及控制容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)存在較高的EMI干擾并且由于升壓二極管的反向恢復(fù)時(shí)間開(kāi)關(guān)器件在硬開(kāi)關(guān)下造成的開(kāi)關(guān)損耗，都是不可忽視。特別是光伏電池，由于本身屬于非線性系統(tǒng)，如何減少干擾提高電能和提供效率是兩個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)受限制于功率開(kāi)關(guān)管，無(wú)法滿足大中功率所需場(chǎng)所。因此本文采用兩相交錯(cuò)運(yùn)行Boost電路作為光伏電池接口電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，采用結(jié)構(gòu)與參數(shù)上完全相同的兩路Boost變換器并聯(lián)相連接，并且兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通相位相差180°，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行。

圖5 交錯(cuò)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器

從結(jié)構(gòu)上，完全相同的兩路Boost結(jié)構(gòu)并聯(lián)，由原本傳統(tǒng)Boost單功率管，轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕饭β示?，減少了功率管所承受的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，更適合光伏發(fā)電下的大功率場(chǎng)合。并且由于采用交錯(cuò)并行方式，提高了輸出電流評(píng)率，降低濾波電容器容量，減少由于器件帶來(lái)的損耗。

交錯(cuò)并聯(lián)方式下，每一路都可以單獨(dú)工作在斷續(xù)模式下大功率范圍內(nèi)工作，也可以在連續(xù)輸入模式下工作，大幅的減少了磁性分立元件，而且在大功率方位內(nèi)有效的抑制了二極管反向恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的功率損耗。并且在系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性上很大程度上得到改善。

連續(xù)模式下 Boost 變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)的各種電壓關(guān)系和電流關(guān)系都可以由狀態(tài)矢量空間法推導(dǎo)出[1-3]。在這里也采用了同樣的方法推導(dǎo)出兩相交錯(cuò)運(yùn)行的 Boost電路在占空比D的關(guān)系。交錯(cuò)并聯(lián)時(shí)Boost電路以導(dǎo)通比 D=0. 5 作為臨界條件，其中D=0. 5是最佳工作狀態(tài)，其中，基于交錯(cuò)并聯(lián) Boost 電路的光伏 MPPT研究要?dú)w為3種 D < 0. 5、D > 0. 5 和 D=0. 5。太陽(yáng)能發(fā)電主要工作在 D > 0. 5 的狀態(tài)下，下面以D > 0. 5為例，推導(dǎo)出各種電影關(guān)系和數(shù)學(xué)描述關(guān)系。

電路工作在占空比 D>0.5 時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)根據(jù)開(kāi)關(guān)管和二極管的工作情況可以分為四個(gè)工作模 式。工作模式一：僅開(kāi)關(guān)管 S1 和 S2 導(dǎo)通工作；工作模式 二：僅開(kāi)關(guān)管S1 和二極管 D2 導(dǎo)通工作；工作模式三：僅開(kāi)關(guān)管 S1 和 S2 導(dǎo)通工作；工作模式四：僅開(kāi)關(guān)管 S2 和二極管 D1 導(dǎo)通工作。最后就可以得到輸入輸出電壓的變比關(guān)系式

D > 0. 5 的狀態(tài)方程如下：

模式一方程為

(2)

模式二方程為

(3)

模式三方程為

(4)

模式二方程為

(5)

根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)的電感L1與L2的伏秒特性可得

(6)

同理可以得知，D < 0. 5 和 D=0. 5 時(shí)的伏秒 特性同樣為式(5)。

由上面的推導(dǎo)可知，當(dāng) D > 0. 5、D < 0. 5 和 D=0. 5 時(shí)兩相交錯(cuò)并聯(lián) Boost 電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為

(7)

進(jìn)一步可以推導(dǎo)出交錯(cuò)式并聯(lián)Boost變換器工作在連續(xù)狀態(tài)下的電感電流數(shù)學(xué)描述方程，考慮到占空比 D>0.5 的推導(dǎo)過(guò)程與 D≤0.5 的相類似，所以本文具體地分析了 D≤0.5 的情況，最后給出了 D>0.5 的結(jié)果。理想波形如圖6所示。

圖6 交錯(cuò)并聯(lián)理想輸出電流

用 Im 表示單個(gè)電感電流脈動(dòng)的峰值則

ILvp-p=ILmax-ILmin

(8)

當(dāng)t=t0+DTs時(shí)Ts為變換器的開(kāi)關(guān)周期，則

(9)

同理在下半個(gè)周期時(shí)

(10)

最后根據(jù)式(7)(8)整理變換器在Ts一個(gè)周期內(nèi)的電感電流表達(dá)式為

(11)

綜合以上兩相交錯(cuò)并聯(lián) Boost 電路的特點(diǎn)可知，兩相交錯(cuò)并聯(lián) Boost 電路更加適合在光伏最大功率跟蹤中應(yīng)用。

3.3 電力電子變壓器雙有源橋

電力電子變壓器雙有源橋是由兩個(gè)H橋通過(guò)高頻變壓器互聯(lián)構(gòu)成。如圖7所示。S1-S8 IGBT開(kāi)關(guān)管、D1-D8為開(kāi)關(guān)管等效體二極管；C1和C2分別為DAB變換器的一次側(cè)直流輸入電容和二次側(cè)直流輸出電容；i為變壓器漏感電流流過(guò)線路等效電感的電流；Ls為變壓器漏感電流流過(guò)線路等效電感的電流；Uab和Ucd分別為DAB變換器一次側(cè)H橋的輸出電壓和DAB變換器二次側(cè)H橋的輸入電壓；n為變壓器的變比。

圖7 雙有源橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力電子變壓器雙有源橋DAB變換器完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)以中間高頻變壓器為對(duì)稱，一般有兩種基本調(diào)制算法：脈寬調(diào)制算法與移相調(diào)制算法。移相控制由于控制簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)受到青睞，因此本文采用單移相控制。采用相同占空比為50%固定不變的脈沖用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)H橋產(chǎn)生高頻方波的同時(shí)，通過(guò)改變H橋臂相位偏移的大小和方向，從而改變功率流動(dòng)的方向以及輸出電壓的大小。圖8 為理想狀態(tài)下單移相控制下DAB電壓電流波形。

圖8 理想狀態(tài)下單移相控制波形

其中；T為開(kāi)關(guān)周期的一半，d為一次側(cè)和二次側(cè)驅(qū)動(dòng)脈沖的移相量，其中d=ton/T，且0

因此，在穩(wěn)態(tài)下，雙有源橋的傳輸功率可表示為

由式可知，雙有源橋傳輸功率隨著移相角變化而變化，當(dāng)移相角為0.5時(shí)，傳輸功率達(dá)到最大，一般雙有源橋的移相角控制在d∈[0，0.5]區(qū)間內(nèi)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 控制系統(tǒng)組成

由于光伏電池會(huì)隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生峰值，為了進(jìn)一步提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率本文引入MPPT控制，本文采用較為成熟的 P&O?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9上半部分所示。首先獲取光伏陣列的電壓u電流i經(jīng)過(guò)MPPT算法獲得峰值電壓與參考電壓比較通過(guò)PI控制器獲得PWM占空比控制信號(hào)，從而控制一對(duì)互補(bǔ)的PWM發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)交錯(cuò)boost變換器環(huán)節(jié)。

圖9 系統(tǒng)控制框圖

DAB控制環(huán)節(jié)如圖9下半部所示，輸出直流電壓與交錯(cuò)boost輸出電壓經(jīng)過(guò)PI控制器得到DAB移相角控制信號(hào)。

5 仿真驗(yàn)證

進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析，采用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證，選取仿真參數(shù)如表1-2所示。

表1 光伏電池參數(shù)

同時(shí)設(shè)置交錯(cuò)并聯(lián)boost變換器的仿真參數(shù)和電力電子變壓器雙有源橋相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

圖10為boost輸出電壓，如圖所示采用交錯(cuò)并聯(lián)boost輸出電壓的波動(dòng)明顯小于采用傳統(tǒng)boost輸出電壓，有效的抑制諧波已經(jīng)提高電壓的穩(wěn)定性，減少直流側(cè)的直流電容器容值，從而進(jìn)步一降低了電容器體積。

圖10 boost輸出電壓

Boost輸出電流如圖11所示，進(jìn)一步的從圖中小圖可以看出電流更加平滑明顯小于傳統(tǒng)boost結(jié)構(gòu)下的輸出電流波形。

圖11 Boost輸出電流

從圖10-11仿真結(jié)果可知，驗(yàn)證了第二節(jié)所分析內(nèi)容，從結(jié)構(gòu)上，交錯(cuò)并聯(lián)型boost更適合光伏接口。

本文采用單側(cè)雙移相控制[19]，電力電子變壓器雙有源橋各關(guān)鍵點(diǎn)輸出波形如圖12所示。

圖12 雙有源橋仿真波形

將圖11中局部放大后的波形如圖13所示，可以看到變壓器一二次側(cè)輸出波形呈現(xiàn)較好的脈動(dòng)。

圖13 雙有源橋仿真波形局部放大

最后觀察電力電子變壓器雙有源橋的輸出電壓波形，如圖14所示可以看到波形較為平滑、并且響應(yīng)速度快、從局部放大可以看出電壓上下波動(dòng)的幅值基本接近參考電壓。

圖14 雙有源橋輸出電壓

6 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)光伏接口的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的光伏接口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用高效交錯(cuò)并聯(lián)型boost結(jié)構(gòu)作為前級(jí)，中間采用具有高效可控并且隔離前后功能的電力電子變壓器雙有橋作為輸出控制，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證、從結(jié)果中表明、所提結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效、具有一定的工程參考價(jià)值。