文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191016
中文引用格式: 劉賀,,張東來,王子才,,等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)工作模塊數(shù)量隨負載功率動態(tài)變化的控制策略[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,46(3):106-112.
英文引用格式: Liu He,,Zhang Donglai,Wang Zicai,,et al. Control strategy of dynamic change of operating module number with load power in photovoltaic power system[J]. Application of Electronic Technique,,2020,46(3):106-112.
0 引言
光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式,,基于目前新一輪能源革命的背景,,充分利用太陽能已成為未來能源行業(yè)發(fā)展的主要選擇。直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示,,主要由太陽能帆板,、帆板與直流母線間的DC/DC變換器、蓄電池以及蓄電池與直流母線之間的雙向DC/DC變換器組成[1],。該架構(gòu)中的DC/DC變換器將多組太陽能帆板的功率分別變換至直流母線側(cè),,圖中的儲能環(huán)節(jié)則通過對系統(tǒng)缺額或盈余功率進線補償或儲存來維持直流母線電壓穩(wěn)定。圖1中的非隔離DC/DC升壓變換器及其相應(yīng)控制策略是本文的研究重點。
當(dāng)直流母線Vbus的功率需求較大時,,因太陽能帆板的輸出電壓及功率受溫度及光照的影響,,需采用最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracing,MPPT)的方式使帆板始終保持最大功率輸出的狀態(tài)[2-4],。而當(dāng)Vbus的功率需求較小時,,所有變換器同時工作將引起輕載效率低等問題,由圖2可知,,此時提高效率最簡單直接的方法就是減少工作模塊數(shù)量,,如圖中虛線所示,從而確保系統(tǒng)在全功率范圍內(nèi)高效地實現(xiàn)能量變換[5-6],。
根據(jù)負載功率動態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量的方法在單輸入,、單輸出的多相交錯并聯(lián)變換器中已有應(yīng)用。文獻[7]基于多相交錯DC/DC變換器,,提出了根據(jù)輸出功率適當(dāng)減少工作相數(shù)以消除未工作相的損耗的方案,。文獻[8]提出了相數(shù)變化下電源系統(tǒng)環(huán)路控制器的設(shè)計方法,以改善輸出電壓瞬態(tài)特性,。但上述控制策略,,在如圖1所示的由多個非隔離DC/DC升壓變換器組成的多輸入、單輸出電源系統(tǒng)中并不適用,。
本文選擇Super Boost拓撲實現(xiàn)太陽能帆板與直流母線之間的能量變換,,各模塊采用母線Vbus控制器及帆板MPPT控制器并聯(lián)的雙環(huán)控制方式,通過判斷Vbus控制器輸出的數(shù)值決定各個模塊啟動或關(guān)閉的工作狀態(tài),,并將通過仿真驗證了上述控制策略的有效性,。該控制策略在滿足電源系統(tǒng)負載需求的前提下,將充分利用帆板能量,,可為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全負載范圍內(nèi)的運行效率提供理論依據(jù),。
1 變換器的工作原理及參數(shù)設(shè)計
1.1 Super Boost拓撲的工作原理
Super Boost拓撲于1979年被LANDSMAN E E提出[9],原理圖如圖3所示,。圖中L1_a與L1_b為一對耦合電感,,在一個開關(guān)周期內(nèi)分析該拓撲的工作原理。
由此可見,,Super Boost與傳統(tǒng)Boost的輸入,、輸出電壓關(guān)系一致。
1.2 輸入紋波抵消支路
與傳統(tǒng)Boost拓撲僅有輸入濾波電感相比,,Super Boost拓撲因耦合電感L1的存在,,可同時減小輸入、輸出電流紋波,,進而減小輸出濾波電容的容值,。在此基礎(chǔ)上,,文獻[10]的輸入端新增了一條紋波抵消支路,如圖4所示,,通過耦合電感的新繞組L1_c使該支路產(chǎn)生與原輸入側(cè)大小相等,、方向相反的電流紋波,以此達到輸入電流紋波抵消的目的,。
輸入電流Iin_sum與原輸入電流Iin,、支路電流IL2的關(guān)系為:
綜上所述,在設(shè)計Super Boost拓撲各電感參數(shù)時,,首先可確認L1_a以及L1_b的電感量,,在此基礎(chǔ)上按照上述方法計算L2,增加輸入紋波抵消支路,。因L2的電感量較小且只流過交流量,,可以設(shè)計得十分小巧。
2 發(fā)電系統(tǒng)的控制策略
各模塊中的MPPT環(huán)路首先將根據(jù)ubus_MEA的數(shù)值判斷是否啟動,,并由太陽能帆板的電流、電壓采樣信號iMn_SA_s,、uMn_SA_s共同產(chǎn)生MPPT環(huán)路的基準值uMn_SA_ref,,再以uMn_SA_s作為環(huán)路的反饋值。Vbus環(huán)路與MPPT環(huán)路的控制輸出uMn_MEA_PID與uMn_MPPT_PID中的較小值將作為總控制輸出uMn_PID,,最終與三角波比較后產(chǎn)生驅(qū)動信號dn1與dn2,。
為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全功率范圍內(nèi)的能量變換效率,將根據(jù)負載功率動態(tài)調(diào)整參與工作的模塊數(shù)量,,相應(yīng)控制域設(shè)計如圖6所示,。如前所述,ubus_MEA為母線Vbus的電壓環(huán)輸出控制信號,,該信號將隨Vbus功率需求的增加而逐漸減小,。
首先,闡述各模塊順次啟動的過程,,當(dāng)ubus_MEA<uM1_set時,,模塊1開始工作;若母線側(cè)的負載功率需求進一步增加,,使ubus_MEA減小至uM2_set,,模塊2將順次啟動,此時兩模塊同時工作,;若仍舊無法滿足母線需求,,使ubus_MEA減小至uM1_MPPT_set時,模塊1將開始以MPPT的模式工作,,以便充分地利用太陽能帆板的輸出功率,。上述過程的關(guān)鍵波形如圖7所示,在t0~t1時間段內(nèi),Vbus負載功率較小,,僅模塊1參與工作,;在t1~t2時間段內(nèi),Vbus負載功率增加,,模塊1與模塊2均以Vbus環(huán)路控制的方式共同工作,;在t2~t4時間段內(nèi),負載功率進一步增加,,模塊1中的MPPT功能啟動,,并在t3時刻滿足uM1_MPPT_PID>uM1_MEA_PID的條件,此后模塊1以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊2共同工作,;在t4~t6時間段內(nèi),,負載功率大幅增加,模塊3啟動的同時模塊2的MPPT功能也一并啟動,,并在t5時刻滿足uM2_MPPT_PID>uM2_MEA_PID的條件,,此后模塊1、2以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊3共同工作,。
其次,,各模塊根據(jù)負載功率順次關(guān)斷的過程與上述啟動過程相對應(yīng),關(guān)鍵波形如圖8所示,。在t7~t8時間段內(nèi),,Vbus負載功率較大,模塊1,、2以MPPT環(huán)路控制的方式與模塊3共同工作,;在t8~t9時間段內(nèi),負載功率開始減小,,模塊2的MPPT功能關(guān)閉的同時模塊3退出工作,;在t9~t10時間段內(nèi),負載功率進一步減小,,模塊1的MPPT功能關(guān)閉,,模塊1與模塊2繼續(xù)以Vbus環(huán)路的方式工作;在t10~t11時間段內(nèi),,Vbus負載功率極小,,模塊2退出工作,僅模塊1輸出功率,。
3 仿真結(jié)果
3.1 Super Boost穩(wěn)態(tài)仿真
按照輸入側(cè)太陽能帆板開路電壓90 V,,短路電流25 A,最大功率1 500 W,,變換器輸出側(cè)母線電壓100 V設(shè)計Super Boost拓撲參數(shù),,具體如表1所示,。在輸出功率1 000 W的條件下進行帶輸入紋波抵消支路的穩(wěn)態(tài)仿真,所得波形如圖9所示,。圖中未經(jīng)抵消支路前的輸入電流Iin紋波峰峰值約為4 A,,抵消支路電流僅有交流量,且幅值與Iin紋波峰峰值相近,,方向相反,,最終總輸入電流Iin_sum紋波峰峰值為0.4 A。
上述結(jié)果表明,,該拓撲具有低輸入,、輸出電流紋波的優(yōu)點,且本文針對參數(shù)計算的方法正確,。
3.2 負載功率變化時的控制策略仿真
為驗證本文提出的控制策略,,以發(fā)電系統(tǒng)中共3個模塊為例,在負載功率逐漸增大以及逐漸減小的條件下分別進行仿真,。圖10所示是功率逐漸增加時的關(guān)鍵波形,,各模塊的工作狀態(tài)可與圖7相對應(yīng)。
因每個太陽能帆板最大輸出功率為1 500 W,,在t0~t1時間段內(nèi),,Vbus輸出功率為1 000 W,因此僅模塊1工作且未啟用MPPT功能,。在t1時刻,,Vbus輸出功率階躍至1 500 W,,ubus_MEA減小使模塊2啟動,,此后兩模塊以Vbus環(huán)路控制的方式共同工作。在t2時刻,,Vbus輸出功率進一步增加至2 000 W,,模塊1的MPPT功能啟動,且由uM1_ PID波形可知,,直至t2時刻模塊1才由Vbus環(huán)路控制模式切換至MPPT環(huán)路控制模式,。在t4時刻,Vbus輸出功率大幅增加至3 600 W,,模塊3啟動且用于穩(wěn)定Vbus母線電壓,,模塊1、2均以MPPT的方式將帆板最大功率變換至母線側(cè),。
圖11所示是功率逐漸減小時的關(guān)鍵波形,,各模塊的工作狀態(tài)可與圖8相對應(yīng)。在t7~t8時間段內(nèi),,Vbus輸出功率3 600 W,,三個模塊共同工作,。在t8時刻,Vbus輸出功率降至3 200 W,,模塊2關(guān)閉MPPT功能,。在t9時刻,Vbus輸出功率進一步降至2 600 W,,模塊3關(guān)閉,,模塊1、2繼續(xù)工作,。在t10時刻,,Vbus輸出功率最終降至1 000 W,
因此模塊1退出MPPT環(huán)路控制的模式且模塊2關(guān)閉,,模塊1以Vbus環(huán)路控制的方式繼續(xù)工作,。
上述仿真結(jié)果表明,本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)工作模塊數(shù)量隨負載功率增加及減小而動態(tài)變化的控制策略,,對母線Vbus的影響較小,,簡單可靠。
4 結(jié)論
本文針對直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),,提出了具體控制策略,,該策略在滿足電源系統(tǒng)負載需求的前提下,充分利用了帆板能量,,并可根據(jù)負載需求動態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量,,為提高直流離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)全負載范圍內(nèi)的運行效率提供了理論依據(jù)。此外,,本文采用了帶紋波抵消支路的Super Boost拓撲實現(xiàn)太陽能帆板與直流母線之間的功率變換,,該拓撲具有低輸入、輸出電流紋波的優(yōu)點,,從而大幅降低了輸入,、輸出側(cè)濾波電容的容值。最后,,本文通過仿真的手段驗證了上述拓撲及控制策略的有效性,,仿真結(jié)果表明發(fā)電系統(tǒng)可隨負載功率增加、減小而自動啟用或關(guān)閉各模塊及其MPPT,,憑借上述手段提高了全功率范圍內(nèi)的效率,。
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作者信息:
劉 賀1,,2,張東來3,,王子才1,,張 華2
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院,,黑龍江 哈爾濱150001,;2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 電力電子所,廣東 深圳518057,;
3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機電工程與自動化學(xué)院,,廣東 深圳518055)