一種新型Boost變換器前饋控制策略

王海波， 許路廣， 朱勝輝， 楊 秀， 桂 誼，夏 晗

（1．國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000； 2．上海電力學院，上海 200090）

一種新型Boost變換器前饋控制策略

王海波1， 許路廣1， 朱勝輝1， 楊 秀2， 桂 誼1，夏 晗1

（1．國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000； 2．上海電力學院，上海 200090）

在通過直流母線匯流的獨立光伏發電系統中，維持直流母線電壓恒定是保證系統的高效運行、較高的電能質量以及延長蓄電池的使用壽命的重要手段。提出一種在光伏MPPT Boost變換器后通過再一級Boost變換器與直流母線連接的網絡結構，并采用新型的前饋控制策略實現對直流母線電壓的穩定控制。該控制方法為，在原有的電流內環電壓外環雙環控制基礎上引入負荷電流與輸入電壓的前饋環節，削除因二者的變動引起的直流母線電壓波動，提高了系統的動態穩壓性能。仿真比較了雙環控制與本文所提控制在負荷電流與輸入電壓躍變情況下的直流母線電壓，驗證了所提控制策略的有效性。

獨立光伏系統；Boost變換器；穩壓控制；前饋控制

0 引言

獨立光伏發電是解決海島、偏遠山區等電網無法到達地區供電問題的有效方式之一[1-2]。但是也存在輸出功率間歇性、隨機性以及波動性等缺點。除了采用儲能系統來平抑光伏輸出功率與負荷之間的差值，實現系統的功率平衡外[3-4]，維持直流母線電壓恒定也是需要解決的問題之一。

穩定的直流母線電壓對系統的穩定運行、蓄電池的合理充放電、交流側電能質量、直流供電質量等都有重要影響。針對采用直流母線匯流的光伏發電系統如何穩定直流母線電壓的問題，國內也多有研究。文獻[5]針對所研究的系統，利用單向Buck變換器與雙向Buck/Boost變換器，根據系統的工作狀態切換控制策略來保持直流母線電壓恒定，邏輯較為復雜，僅采用簡單的穩壓限流PI（比例-積分）控制策略，暫態效果不佳。文獻[6]采用蓄電池的雙向Buck/Boost變換器維持直流母線電壓，但是限制了蓄電池的輸出能力。文獻[7]利用非線性函數電壓外環控制策略控制蓄電池的雙向Buck/Boost變換器以防止蓄電池在工作狀態與停止狀態之間來回切換?？梢钥闯觯壳爸绷髂妇€結構的獨立光伏發電系統多采用儲能環節維持直流母線電壓穩定，而利用光伏電池支路維持直流母線電壓穩定的研究還鮮有介紹。

基于上述問題，在常規獨立光伏發電系統架構中，增加了穩壓DC/DC（直流/直流）單元，實現對直流母線的穩壓控制。穩壓DC/DC單元采用Boost變換器，在常規的電壓外環電流內環的雙環控制基礎上，提出一種前饋控制策略。其思路為：將變換器的輸入電壓與負載電流前饋到電流環的參考值生成環節，通過與補償后的電壓誤差信號、電感電流負反饋信號一起求和作為電感電流的參考值。該方法可以顯著地提高Boost變換器的輸出電壓穩定能力，有效減少了輸入電壓與負載電流變動對輸出電壓的擾動，并且在負荷突變過程中可以有效減小輸出電壓的暫態突變及調節時間。最后在PSCAD（電力系統計算機輔助設計）/EMTDC（直流電磁暫態）環境中驗證了控制策略的穩態與暫態性能。

1 系統建模

圖1是典型的獨立光伏發電系統，與常規系統相比，該系統增加了一級穩壓Boost變換器。本文以虛線框中的支路為研究對象，主要研究該支路中穩壓Boost變換器的輸出穩壓能力，在建模過程中，外部系統等效為可變負荷。

圖1 獨立光伏發電系統架構

1.1 光伏電池建模

圖2為光伏電池電路模型[8-9]。其中：Iph為光伏電池的陣列電流，Id為反向飽和電流，Ish為泄露電流，Ipv為輸出電流，Upv為輸出電壓，Rs為等效串聯電阻，Rsh為等效泄露電阻。

生產廠家為用戶提供短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um等參數，工程應用中一般僅考慮太陽能輻射和溫度2個因素對輸出功率的影響。光伏電池的出口電壓與電流關系式如式（1）所示。

圖2 光伏電池電路模型

其中：

式中：Gref與Tref分別為光照度和光伏電池溫度參考值，一般取為1 000 W/m2，25℃；α為電流變化溫度系數（A/℃）；β為電壓變化溫度系數（V/℃）。

1.2 Boost變換器建模

圖3所示為Boost變換器，取狀態變量為電感電流iL及電容電壓uC，輸入變量為電源電壓ui，開關管S占空比為d。利用狀態空間平均法[10]可以得到Boost變換器的狀態方程為：

圖3 Boost變換器拓撲

取靜態工作點為：（IL，UC，Ui，D，R），它們分別為變量（uC，iL，ui，d，r）對應的直流穩態分量，在沒有干擾的情況下均為定值。解得靜態工作點狀態變量解為：

在靜態工作點對系統施加小擾動：uC=UC+ ΔuC，iL=IL+ΔiL，ui=Ui+Δui，d=D+Δd，r=R+Δr，代入狀態方程，忽略二階項可以得到如下變量間的傳遞函數：

化簡得：

由式（6）可以看出，電感電流、輸入電壓、負載電流的變動都會引起輸出電壓的變動。

2 Boost變換器控制策略

2.1 光伏Boost變換器MPPT控制策略

光伏電池的出力隨著光照度和溫度的變化而變化，因此要實時實現對光伏電池的MPPT（最大輸出功率跟蹤）。常用的方法有恒定電壓法、三點比較法、擾動觀察法、電導增量法等[11-13]，此處采用電導增量法。

用電導增量法實現MPPT，其實質是控制變換器使得光伏電池出口電壓為其最大功率點對應的電壓值，因此對Boost變換器的控制即是以電導增量法求得的電壓值為參考值的電壓控制?？刂剖疽鈭D如圖4所示，圖5為采用單電壓環控制的Boost變換器控制框圖。

圖4 基于Boost變換電路的MPPT控制示意

圖5 光伏Boost變換器MPPT控制

圖5中，ΔuMPPT為電導增量法求得的參考電壓值，Gc為電壓環補償函數，GM為PWM（脈沖寬度調制）環節的傳遞函數為控制到輸入電壓的傳遞函數，Hu為電壓反饋系數。

2.2 穩壓Boost變換器前饋控制策略

常規的電壓外環電流內環的雙環控制盡管可以快速穩定地實現對輸出電壓的控制，但是對于諸如輸入電壓、負荷電流等變量變化時候引起的輸出電壓的變化仍不能很好地抑制。為此，提出一種將輸入電壓、負荷電流引入作為前饋環節的控制策略，可以很好的解決雙環控制的不足。

圖6 Boost變換器內電流環控制

圖6為Boost變換器電流內環控制框圖。

圖6中：ΔiLref為電流環參考電流；GciC為電流環補償函數；GM為PWM增益函數和可由式（4）與（5）求得；Hi為電流采樣環節的傳遞函數。電流環傳遞函數為：

將電流環等效后的Boost變換器電壓環控制框圖如圖7所示。

圖7 Boost變換器雙環控制框圖

電壓環傳遞函數為：

式中：ΔuCref為電壓環參考電壓的交流小信號分量，Hu為電壓采樣環節的傳遞函數，GcvC為電壓環補償函數。

采用恒壓控制時候，可以認為ΔuCref=0，故Δui與Δir的變化將引起直流母線電壓的波動。為了消除二者的波動對輸出電壓的影響，引入Δui與Δir的前饋量到電流環的參考電流生成環節。

引入前饋環后的控制框圖見圖8，圖中Ku為輸入電壓前饋系數，Ki為輸出電流前饋系數。

圖8 Boost變換器前饋控制

電壓環傳遞函數為：

若令：

則可以完全消除 Δui與 Δir的變動引起的ΔuC的變化，實現對輸出電壓更快速地控制。

3 仿真分析

為了驗證上述控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC對所提的獨立光伏發電系統進行建模仿真，系統主要的仿真參數[8，14]如表1所示。

表1 系統主要仿真參數

3.1 光伏Boost變換器MPPT控制策略驗證

圖9所示為光伏電池在不同光照度與溫度下的輸出電壓、電流及功率特性曲線。由圖9（a）與（c），可以看出，光伏電池模型很好地模擬了在光照度分別為1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2與溫度分別為0℃，15℃，25℃時的輸出特性。

圖9（b）是在溫度維持25℃不變，將光照度從1 000 W/m2降到800 W/m2再降到600 W/m2，光伏電池的輸出功率與輸出電流曲線。由于MPP點的電壓隨光照度減小稍微減小，功率變化主要表現在輸出電流的變化。

圖9（d）是在光照度維持1 000 W/m2不變，將溫度從0℃升到15℃再升到25℃，光伏電池的輸出功率與輸出電流曲線。由于MPP點的電壓隨溫度減小稍微減小，功率變化主要表現在輸出電壓的變化。

通過對比圖9（a），（b），（c）中功率輸出曲線的峰值點與圖9（d），可以看出光伏MPPT Boost變換器很好地實現了最大功率跟蹤。

圖9 光伏輸出隨光照度及溫度變化曲線

3.2 穩壓Boost變換器控制策略驗證

為了驗證本文所提的前饋控制策略，仿真過程中分別在圖10所示的t2與t4時刻設置了負荷電流躍變，t3與t5時刻設置了輸入電壓躍變。對比雙環控制與在雙環控制基礎上加入前饋控制2種控制方式下的直流母線電壓（除了引入前饋，其他所有參數均相同），表2給出了變量躍變時刻2種控制方式下直流母線電壓數值及誤差大小。

表2 2種控制方式下直流母線電壓對比

圖10 2種控制方式下直流母線電壓曲線

從表2與圖9可以看出，前饋控制的引入明顯減少了雙環控制在輸入電壓與負載電流突變時刻引起的直流母線電壓的突變。同時，根據直流母線電壓與負荷電流、輸入電壓的突變方向，明顯可以看出負荷電流為正反饋，輸入電壓為負反饋，驗證了控制與仿真的合理性。

4 結語

獨立光伏發電系統中直流母線電壓的穩定、快速控制至關重要，增加一級Boost控制器與提出的新的前饋控制策略，有效解決了在光伏隨光照度與溫度變化時出力波動以及負荷波動情況下引起直流母線波動的問題，后期針對所研究課題還需做如下進一步深入探討。

（1）建立完整的獨立光伏發電系統模型，除了所研究的支路，還應包括儲能單元、直流負荷、交流負荷及對應的變換器。

（2）完善整個系統的能量管理方案，實現系統穩定、經濟的運行。

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（本文編輯：楊 勇）

A Novel Feed-forward Voltage Control Strategy of the Boost Converter

WANG Haibo1，XU Luguang1，ZHU Shenghui1，YANG Xiu2，GUI Yi1，XIA Han1
（1．State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China；2．Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

In the stand-alone photovoltaic system with DC（direct current）bus-bar,stabilizing the DC bus voltage is an important method to guarantee the efficient operation of the system，high power quality and long life of the battery.A novel topology that the MPPT of PV （maximum power point tracking of photovoltaic）boost converter and the DC bus are connected by another boost converter is proposed.Moreover，a new feed-forward control strategy is applied to the boost converter to stabilize the DC bus voltage∶based on the voltage outer loop and current inner loop control，the input voltage and load current feed-forward loops are introduced to eliminate the fluctuation of DC bus voltage due to the change of the two factors mentioned above to improve the voltage-stabilizing performance of the system.The simulation compares DC bus voltage of double-loop control and the control mentioned in this paper in case of voltage leap and verifies effectiveness of the abovementioned control strategy.

stand-alone photovoltaic system；Boost converter；voltage stabilizing；feed-forward control

TM866

B

1007-1881（2015）07-0010-06

國家863高技術基金項目（2011AA05A106）

2015-03-03

王海波（1987），男，工程師，碩士，研究方向為光伏發電系統建模與控制、電力系統繼電保護等。