文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191016
中文引用格式： 劉賀，張東來，王子才，等. 光伏發電系統工作模塊數量隨負載功率動態變化的控制策略[J].電子技術應用，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
光伏發電是將太陽能轉化為電能的發電方式，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發展的主要選擇。直流離網光伏發電系統的架構如圖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，圖中的儲能環節則通過對系統缺額或盈余功率進線補償或儲存來維持直流母線電壓穩定。圖1中的非隔離DC/DC升壓變換器及其相應控制策略是本文的研究重點。
當直流母線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[2-4]。而當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量，如圖中虛線所示，從而確保系統在全功率范圍內高效地實現能量變換[5-6]。
根據負載功率動態調整工作模塊數量的方法在單輸入、單輸出的多相交錯并聯變換器中已有應用。文獻[7]基于多相交錯DC/DC變換器，提出了根據輸出功率適當減少工作相數以消除未工作相的損耗的方案。文獻[8]提出了相數變化下電源系統環路控制器的設計方法，以改善輸出電壓瞬態特性。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、單輸出電源系統中并不適用。
本文選擇Super Boost拓撲實現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控制器并聯的雙環控制方式，通過判斷Vbus控制器輸出的數值決定各個模塊啟動或關閉的工作狀態，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，可為提高直流離網光伏發電系統全負載范圍內的運行效率提供理論依據。
1 變換器的工作原理及參數設計
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，在一個開關周期內分析該拓撲的工作原理。
由此可見，Super Boost與傳統Boost的輸入、輸出電壓關系一致。
1.2 輸入紋波抵消支路
與傳統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使該支路產生與原輸入側大小相等、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的關系為：
綜上所述，在設計Super Boost拓撲各電感參數時，首先可確認L1_a以及L1_b的電感量，在此基礎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，可以設計得十分小巧。
2 發電系統的控制策略
各模塊中的MPPT環路首先將根據ubus_MEA的數值判斷是否啟動，并由太陽能帆板的電流、電壓采樣信號iMn_SA_s、uMn_SA_s共同產生MPPT環路的基準值uMn_SA_ref，再以uMn_SA_s作為環路的反饋值。Vbus環路與MPPT環路的控制輸出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生驅動信號dn1與dn2。
為提高直流離網光伏發電系統全功率范圍內的能量變換效率，將根據負載功率動態調整參與工作的模塊數量，相應控制域設計如圖6所示。如前所述，ubus_MEA為母線Vbus的電壓環輸出控制信號，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ubus_MEA<uM1_set時，模塊1開始工作；若母線側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。上述過程的關鍵波形如圖7所示，在t0~t1時間段內，Vbus負載功率較小，僅模塊1參與工作；在t1~t2時間段內，Vbus負載功率增加，模塊1與模塊2均以Vbus環路控制的方式共同工作；在t2~t4時間段內，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環路控制的方式與模塊2共同工作；在t4~t6時間段內，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環路控制的方式與模塊3共同工作。
其次，各模塊根據負載功率順次關斷的過程與上述啟動過程相對應，關鍵波形如圖8所示。在t7~t8時間段內，Vbus負載功率較大，模塊1、2以MPPT環路控制的方式與模塊3共同工作；在t8~t9時間段內，負載功率開始減小，模塊2的MPPT功能關閉的同時模塊3退出工作；在t9~t10時間段內，負載功率進一步減小，模塊1的MPPT功能關閉，模塊1與模塊2繼續以Vbus環路的方式工作；在t10~t11時間段內，Vbus負載功率極小，模塊2退出工作，僅模塊1輸出功率。
3 仿真結果
3.1 Super Boost穩態仿真
按照輸入側太陽能帆板開路電壓90 V，短路電流25 A，最大功率1 500 W，變換器輸出側母線電壓100 V設計Super Boost拓撲參數，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態仿真，所得波形如圖9所示。圖中未經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。
上述結果表明，該拓撲具有低輸入、輸出電流紋波的優點，且本文針對參數計算的方法正確。
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，以發電系統中共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鍵波形，各模塊的工作狀態可與圖7相對應。
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，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環路控制模式切換至MPPT環路控制模式。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。
圖11所示是功率逐漸減小時的關鍵波形，各模塊的工作狀態可與圖8相對應。在t7~t8時間段內，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關閉，模塊1、2繼續工作。在t10時刻，Vbus輸出功率最終降至1 000 W，
因此模塊1退出MPPT環路控制的模式且模塊2關閉，模塊1以Vbus環路控制的方式繼續工作。
上述仿真結果表明，本文提出的光伏發電系統工作模塊數量隨負載功率增加及減小而動態變化的控制策略，對母線Vbus的影響較小，簡單可靠。
4 結論
本文針對直流離網光伏發電系統，提出了具體控制策略，該策略在滿足電源系統負載需求的前提下，充分利用了帆板能量，并可根據負載需求動態調整工作模塊數量，為提高直流離網光伏發電系統全負載范圍內的運行效率提供了理論依據。此外，本文采用了帶紋波抵消支路的Super Boost拓撲實現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、輸出電流紋波的優點，從而大幅降低了輸入、輸出側濾波電容的容值。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，仿真結果表明發電系統可隨負載功率增加、減小而自動啟用或關閉各模塊及其MPPT，憑借上述手段提高了全功率范圍內的效率。
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作者信息:
劉 賀1，2，張東來3，王子才1，張 華2
(1.哈爾濱工業大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱150001；2.深圳航天科技創新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057；
3.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)