隔離升壓直流變換器型分布式發電系統

孫 強，邱琰輝，陳道煉

(青島大學 電氣工程學院，山東 青島 226071)

0 引 言

光伏、風力、地熱等新能源具有清潔、無污染、可再生、運行維護量小、儲量豐富等優點，越來越受到人們的重視。單一新能源發電系統經常會出現間歇性、不穩定、受天氣影響嚴重等問題[1-4]，為提高系統的可靠性和穩定性，并使各種能源得到充分利用，需采用多新能源聯合供電的分布式發電系統[5-8]。

文獻[9-13]提出了傳統兩級多個單輸入直流變換器型分布式發電系統。這類發電系統以傳統的單輸入直流變換器和單輸入逆變器為基礎，光伏、風力等新能源能量只能單向傳遞，這些能源分別經過單向直流變換器連接到公共的直流母線, 再經過Buck型逆變器變成需要的交流電。該系統可以實現多種能源聯合供電，相比單輸入能源供電系統，提高了供電質量，但是每一路輸入源都需要單獨控制、電路拓撲復雜、實用性受到很大程度的限制。

為了簡化電路結構并降低成本，通常可采用一個多輸入直流變換器取代多個單輸入直流變換器，構成兩級多輸入直流變換器型新能源分布式發電系統[14-15]。多輸入源通過一個多輸入直流變換器連接至公共的直流母線上，后級為高頻逆變器，前后級變換器通過中間直流電容解耦。與單輸入直流變換器型多種新能源分布式發電系統相比，這種分布式發電系統具有多路輸入源可集中控制、電路拓撲較簡潔、實用性較好等優點。

本文提出了一個隔離升壓直流變換器型分布式發電系統和最大功率能量管理控制策略，分析研究了其電路拓撲原理與系統建模，給出了1 kW實驗結果。

1 電路拓撲

本文采用隔離升壓直流變換器型分布式發電系統電路拓撲，如圖1所示。該電路拓撲由前級Boost型多輸入直流變換器和后級Buck型并網逆變器級聯構成，其中Boost型多輸入直流變換器是由多原邊繞組單副邊繞組的高頻變壓器將多路含輸入濾波電容、儲能電感、改進型有源箝位電路、高頻逆變橋的高頻逆變電路和一個共用的整流濾波電路聯接構成。

圖1 隔離升壓直流變換器型分布式發電系統

隔離升壓直流變換器型分布式發電系統的前級屬于全橋電流型變換器，通過多原邊繞組單副邊繞組高頻變壓器磁通疊加的方式可以實現多路同時供電。

隔離升壓直流變換器型分布式發電系統，具有電路拓撲簡潔、易于多路輸入、任一時刻多輸入源同時或分時向負載供電、占空比調節范圍寬、功率開關電壓應力低、輸入及輸出高頻電氣隔離、輸入電流紋波小、電壓匹配能力強等特點，更適合于光伏、燃料電池等新能源發電場合。

2 最大功率能量管理控制策略

能量管理控制策略對于多新能源分布式發電系統來說是至關重要的。新能源的最大功率輸出、系統的穩定運行及并網電流波形的控制是兩級多輸入直流變換器型分布式并網發電系統的三個控制目標。本文采用最大功率能量管理控制策略，其控制框圖如圖2所示。光伏、風力等新能源采用MPPT控制，輸出最大功率，并網逆變器采用直流母線電壓外環并網電流內環的雙環控制策略，直流母線電壓環采用負PI形式。當輸入功率變大時，直流母線電壓Udc將變大，此時直流母線電壓調節器將增大并網電流幅值iop，并網功率變大，然后Udc變小并穩定在參考值；同理當輸入功率變小時，直流母線電壓環使得并網功率變小從而實現功率平衡。此外，加入100 Hz陷波器和電網電壓前饋技術可以改善系統的性能，加快系統的響應速度。

圖2 最大功率能量管理控制策略

3 系統建模

采用開關網絡平均法建立前級Boost型多輸入直流變換器的系統模型，如圖3(a)所示。Boost型多輸入直流變換器采用基于輸入電壓環的MPPT控制策略，直流母線電壓由并網逆變器穩定，可將直流母線電壓用一個恒定的直流源表示，將光伏、風力輸入源分別用等效負載Rpv、Rwg表示，如圖3(b)所示。

圖3 前級Boost型多輸入直流變換器的系統模型

光伏MPPT電壓環傳遞函數框圖如圖4(a)所示。其中，GPI-ui1(s)是光伏電壓環的補償函數，HUi1是光伏電壓的采樣系數，GPWM(s)為鋸齒載波的傳遞函數，G11(s)是光伏電壓i1對第1路變換器占空比的傳遞函數G11(s)為：

(1)

圖4 光伏電壓環傳遞函數框圖和頻率特性圖

將N11/N2=9∶32、Udc=380 V、Ci1=2 200 μF、RCi1=0.02 Ω、L1=80 μH、RL1=0.1 Ω、Rpv=10 Ω，D1=0.55、HUi1=0.033、GPWM(s)=1/1 500、GPI-ii2(s)=4 500+25 000s代入光伏電壓環傳遞函數框圖，可得其開環和閉環傳遞函數，如圖4(b)所示。由圖可知，光伏電壓內環補償前的開環直流增益較小，補償后開環直流增益變大，穿越頻率為1.3 kHz，具有較好的穩態和動態性能。

(2)

將Lf1=1.5 mH、Lf2=0.4 mH、Cf=2.2 μF、Rd=1 Ω、Hio=0.12、GPI-io(s)=400+1 250 000s代入并網電流傳遞函數可得并網電流環的開環和閉環頻率特性圖，如圖5(b)所示。由圖可知，并網電流內環補償前的相位裕度小于0，系統不穩定，補償后系統穿越頻率1 kHz，相位裕度45°，低頻增益較大，具有較好的穩態和動態性能。

4 實 驗

設計實例采用了圖1所示的電路拓撲和圖2的最大功率能量管理控制策略。第一路采用光伏供電，選用Regatron公司的Topcon quadro可編程直流電源TC.P.16.800.400. PV. HMI模擬光伏輸出，輸入電壓范圍為40～60 V。第二路采用風力發電機及其整流濾波電路供電，輸入電壓范圍為40～60 V。有源箝位開關管SC1及SC2、前級高頻逆變橋開關管S11～S14及S21～S24采用MOSFET IXTQ74N20P(74 A/200 V)，有箝箝位二極管DC1及DC2、前級高頻逆變橋阻斷二極管D11～D14及D21～D24采用DSEI 60-06A(60 A/600 V)，整流二極管Dr1～Dr4采用DSEI 30-06A(37A/600 V)，Buck型逆變器開關管S1～S4采用IXFH26N50P(26 A/500 V)。

圖5 直流母線電壓外環并網電流內環雙系統框圖

第1路光伏輸入源最大功率700 W，最大功率點電壓48 V，采用MPPT控制，第2路光伏輸入源最大功率450 W，最大功率點電壓48 V，采用MPPT控制，1 kW輸出時變換器波形如圖6所示。實驗結果表明：(1)第一路輸入源電壓Ui1為48.2 V,電流Ii1為14.5 A，輸入功率為699 W，第二路輸入源電壓Ui2為47.9 V,電流Ii2為9.27 A，輸入功率為444 W，光伏電池工作在最大功率點，如圖6(a)、(b)所示；(2)直流母線電壓Udc為380 V，直流母線恒定，如圖6(c)所示；輸出電壓uo為220 V，輸出電流io為 4.545 A， 輸出功率為1 000 W,輸出電壓波形正弦度高，其THD為1%，如圖6(d)所示。(3)高頻變壓器雙向磁化，整流二極管電壓應力為Udc且沒有電壓尖峰，如圖6(f)～(g) 所示；(4)S11關斷后，S11漏源電壓保持不變，S11及其他超前開光管實現了零電流關斷，如圖6(g)所示；(5)S13及其他滯后開關管實現了零電壓開通，且其關斷電壓尖峰被有效抑制，如圖6(h)所示。

圖6 兩路光伏供電、1 kW輸出時變換器波形

光伏最大功率1 200 W，最大功率點電壓48 V，單路光伏源供電、1 kW輸出時，系統光照突變波形如圖7所示。光照幅度由1 000 W/m2變500 W/m2然后再變為800 W/m2，直流母線電壓穩定，光伏最快地追蹤到了新的最大功率點。

光伏最大功率570 W，最大功率點電壓48 V，兩路光伏源采用相同的參數供電、不同光照下變換器變換器效率曲線如圖8所示。變換器滿載效率為0.881,后級Buck型逆變器滿載效益為0.953，可得前級直流變換器單路光伏源供電時滿載效益為0.924，變換效率較高。

圖7 單路光伏供電時光照突變波形

圖8 雙路光伏供電效率曲線

5 結 論

本文提出了隔離升壓直流變換器型分布式發電系統電路拓撲和最大功率能量管理控制策略，用一個多輸入直流變換器代替多個單輸入直流變換器，簡化了電路結構。對多個占空比進行控制，提高了控制的自由度，擴大了占空比調節范圍。通過分析工作原理、系統的建模及實驗研究，驗證了上述方案的可行性。該系統結構簡單、電壓匹配能力強、效率高、更適合于光伏等新能源發電場合。