一种新型Boost变换器前馈控制策略

王海波， 许路广， 朱胜辉， 杨 秀， 桂 谊，夏 晗

（1．国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000； 2．上海电力学院，上海 200090）

一种新型Boost变换器前馈控制策略

王海波1， 许路广1， 朱胜辉1， 杨 秀2， 桂 谊1，夏 晗1

（1．国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000； 2．上海电力学院，上海 200090）

在通过直流母线汇流的独立光伏发电系统中，维持直流母线电压恒定是保证系统的高效运行、较高的电能质量以及延长蓄电池的使用寿命的重要手段。提出一种在光伏MPPT Boost变换器后通过再一级Boost变换器与直流母线连接的网络结构，并采用新型的前馈控制策略实现对直流母线电压的稳定控制。该控制方法为，在原有的电流内环电压外环双环控制基础上引入负荷电流与输入电压的前馈环节，削除因二者的变动引起的直流母线电压波动，提高了系统的动态稳压性能。仿真比较了双环控制与本文所提控制在负荷电流与输入电压跃变情况下的直流母线电压，验证了所提控制策略的有效性。

独立光伏系统；Boost变换器；稳压控制；前馈控制

0 引言

独立光伏发电是解决海岛、偏远山区等电网无法到达地区供电问题的有效方式之一[1-2]。但是也存在输出功率间歇性、随机性以及波动性等缺点。除了采用储能系统来平抑光伏输出功率与负荷之间的差值，实现系统的功率平衡外[3-4]，维持直流母线电压恒定也是需要解决的问题之一。

稳定的直流母线电压对系统的稳定运行、蓄电池的合理充放电、交流侧电能质量、直流供电质量等都有重要影响。针对采用直流母线汇流的光伏发电系统如何稳定直流母线电压的问题，国内也多有研究。文献[5]针对所研究的系统，利用单向Buck变换器与双向Buck/Boost变换器，根据系统的工作状态切换控制策略来保持直流母线电压恒定，逻辑较为复杂，仅采用简单的稳压限流PI（比例-积分）控制策略，暂态效果不佳。文献[6]采用蓄电池的双向Buck/Boost变换器维持直流母线电压，但是限制了蓄电池的输出能力。文献[7]利用非线性函数电压外环控制策略控制蓄电池的双向Buck/Boost变换器以防止蓄电池在工作状态与停止状态之间来回切换。可以看出，目前直流母线结构的独立光伏发电系统多采用储能环节维持直流母线电压稳定，而利用光伏电池支路维持直流母线电压稳定的研究还鲜有介绍。

基于上述问题，在常规独立光伏发电系统架构中，增加了稳压DC/DC（直流/直流）单元，实现对直流母线的稳压控制。稳压DC/DC单元采用Boost变换器，在常规的电压外环电流内环的双环控制基础上，提出一种前馈控制策略。其思路为：将变换器的输入电压与负载电流前馈到电流环的参考值生成环节，通过与补偿后的电压误差信号、电感电流负反馈信号一起求和作为电感电流的参考值。该方法可以显著地提高Boost变换器的输出电压稳定能力，有效减少了输入电压与负载电流变动对输出电压的扰动，并且在负荷突变过程中可以有效减小输出电压的暂态突变及调节时间。最后在PSCAD（电力系统计算机辅助设计）/EMTDC（直流电磁暂态）环境中验证了控制策略的稳态与暂态性能。

1 系统建模

图1是典型的独立光伏发电系统，与常规系统相比，该系统增加了一级稳压Boost变换器。本文以虚线框中的支路为研究对象，主要研究该支路中稳压Boost变换器的输出稳压能力，在建模过程中，外部系统等效为可变负荷。

图1 独立光伏发电系统架构

1.1 光伏电池建模

图2为光伏电池电路模型[8-9]。其中：Iph为光伏电池的阵列电流，Id为反向饱和电流，Ish为泄露电流，Ipv为输出电流，Upv为输出电压，Rs为等效串联电阻，Rsh为等效泄露电阻。

生产厂家为用户提供短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um等参数，工程应用中一般仅考虑太阳能辐射和温度2个因素对输出功率的影响。光伏电池的出口电压与电流关系式如式（1）所示。

图2 光伏电池电路模型

其中：

式中：Gref与Tref分别为光照度和光伏电池温度参考值，一般取为1 000 W/m2，25℃；α为电流变化温度系数（A/℃）；β为电压变化温度系数（V/℃）。

1.2 Boost变换器建模

图3所示为Boost变换器，取状态变量为电感电流iL及电容电压uC，输入变量为电源电压ui，开关管S占空比为d。利用状态空间平均法[10]可以得到Boost变换器的状态方程为：

图3 Boost变换器拓扑

取静态工作点为：（IL，UC，Ui，D，R），它们分别为变量（uC，iL，ui，d，r）对应的直流稳态分量，在没有干扰的情况下均为定值。解得静态工作点状态变量解为：

在静态工作点对系统施加小扰动：uC=UC+ ΔuC，iL=IL+ΔiL，ui=Ui+Δui，d=D+Δd，r=R+Δr，代入状态方程，忽略二阶项可以得到如下变量间的传递函数：

化简得：

由式（6）可以看出，电感电流、输入电压、负载电流的变动都会引起输出电压的变动。

2 Boost变换器控制策略

2.1 光伏Boost变换器MPPT控制策略

光伏电池的出力随着光照度和温度的变化而变化，因此要实时实现对光伏电池的MPPT（最大输出功率跟踪）。常用的方法有恒定电压法、三点比较法、扰动观察法、电导增量法等[11-13]，此处采用电导增量法。

用电导增量法实现MPPT，其实质是控制变换器使得光伏电池出口电压为其最大功率点对应的电压值，因此对Boost变换器的控制即是以电导增量法求得的电压值为参考值的电压控制。控制示意图如图4所示，图5为采用单电压环控制的Boost变换器控制框图。

图4 基于Boost变换电路的MPPT控制示意

图5 光伏Boost变换器MPPT控制

图5中，ΔuMPPT为电导增量法求得的参考电压值，Gc为电压环补偿函数，GM为PWM（脉冲宽度调制）环节的传递函数为控制到输入电压的传递函数，Hu为电压反馈系数。

2.2 稳压Boost变换器前馈控制策略

常规的电压外环电流内环的双环控制尽管可以快速稳定地实现对输出电压的控制，但是对于诸如输入电压、负荷电流等变量变化时候引起的输出电压的变化仍不能很好地抑制。为此，提出一种将输入电压、负荷电流引入作为前馈环节的控制策略，可以很好的解决双环控制的不足。

图6 Boost变换器内电流环控制

图6为Boost变换器电流内环控制框图。

图6中：ΔiLref为电流环参考电流；GciC为电流环补偿函数；GM为PWM增益函数和可由式（4）与（5）求得；Hi为电流采样环节的传递函数。电流环传递函数为：

将电流环等效后的Boost变换器电压环控制框图如图7所示。

图7 Boost变换器双环控制框图

电压环传递函数为：

式中：ΔuCref为电压环参考电压的交流小信号分量，Hu为电压采样环节的传递函数，GcvC为电压环补偿函数。

采用恒压控制时候，可以认为ΔuCref=0，故Δui与Δir的变化将引起直流母线电压的波动。为了消除二者的波动对输出电压的影响，引入Δui与Δir的前馈量到电流环的参考电流生成环节。

引入前馈环后的控制框图见图8，图中Ku为输入电压前馈系数，Ki为输出电流前馈系数。

图8 Boost变换器前馈控制

电压环传递函数为：

若令：

则可以完全消除 Δui与 Δir的变动引起的ΔuC的变化，实现对输出电压更快速地控制。

3 仿真分析

为了验证上述控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC对所提的独立光伏发电系统进行建模仿真，系统主要的仿真参数[8，14]如表1所示。

表1 系统主要仿真参数

3.1 光伏Boost变换器MPPT控制策略验证

图9所示为光伏电池在不同光照度与温度下的输出电压、电流及功率特性曲线。由图9（a）与（c），可以看出，光伏电池模型很好地模拟了在光照度分别为1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2与温度分别为0℃，15℃，25℃时的输出特性。

图9（b）是在温度维持25℃不变，将光照度从1 000 W/m2降到800 W/m2再降到600 W/m2，光伏电池的输出功率与输出电流曲线。由于MPP点的电压随光照度减小稍微减小，功率变化主要表现在输出电流的变化。

图9（d）是在光照度维持1 000 W/m2不变，将温度从0℃升到15℃再升到25℃，光伏电池的输出功率与输出电流曲线。由于MPP点的电压随温度减小稍微减小，功率变化主要表现在输出电压的变化。

通过对比图9（a），（b），（c）中功率输出曲线的峰值点与图9（d），可以看出光伏MPPT Boost变换器很好地实现了最大功率跟踪。

图9 光伏输出随光照度及温度变化曲线

3.2 稳压Boost变换器控制策略验证

为了验证本文所提的前馈控制策略，仿真过程中分别在图10所示的t2与t4时刻设置了负荷电流跃变，t3与t5时刻设置了输入电压跃变。对比双环控制与在双环控制基础上加入前馈控制2种控制方式下的直流母线电压（除了引入前馈，其他所有参数均相同），表2给出了变量跃变时刻2种控制方式下直流母线电压数值及误差大小。

表2 2种控制方式下直流母线电压对比

图10 2种控制方式下直流母线电压曲线

从表2与图9可以看出，前馈控制的引入明显减少了双环控制在输入电压与负载电流突变时刻引起的直流母线电压的突变。同时，根据直流母线电压与负荷电流、输入电压的突变方向，明显可以看出负荷电流为正反馈，输入电压为负反馈，验证了控制与仿真的合理性。

4 结语

独立光伏发电系统中直流母线电压的稳定、快速控制至关重要，增加一级Boost控制器与提出的新的前馈控制策略，有效解决了在光伏随光照度与温度变化时出力波动以及负荷波动情况下引起直流母线波动的问题，后期针对所研究课题还需做如下进一步深入探讨。

（1）建立完整的独立光伏发电系统模型，除了所研究的支路，还应包括储能单元、直流负荷、交流负荷及对应的变换器。

（2）完善整个系统的能量管理方案，实现系统稳定、经济的运行。

[1]廖志凌．太阳能独立光伏发电系统关键技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2008．

[2]侯世英，房勇，孙韬，等．混合储能系统在独立光伏发电系统功率平衡中的应用[J]．电网技术，2011，35（5）∶183-187．

[3]LIU XIONG，WANG PENG，POH CHIANG LOH．Control of hybrid battery/ultra-capacitor energy storage for standalone photovoltaic system[C]．Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2010．

[4]李立伟，陈伟斌，马平．独立光伏电站蓄电池优化管理研究[J]．电力自动化设备，2009，29（4）∶110-113．

[5]廖志凌，阮新波．独立光伏发电系统能量管理控制策略[J]．中国电机工程学报，2009，29（21）∶46-52．

[6]王海波，杨秀，张美霞．平抑光伏系统波动的混合储能控制策略[J]．电网技术，2013，37（9）∶2453-2458．

[7]王树钊，吴红斌，赵波．光伏/蓄电池系统共直流母线的控制策略研究[J]．华东电力，2014，42（2）∶325-329．

[8]杨秀，杨菲，宗翔.基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并网系统的建模与仿真[J]．上海电力学院学报，2011，27（5）∶490-494．

[9]司传涛，周 林，张有玉．光伏阵列输出特性与MPPT控制仿真研究[J]．华东电力，2010，38（2）∶284-288．

[10]张卫平．开关变换器的建模与控制[M]．北京：中国电力出版社，2006．

[11]周林，武剑，栗秋华，等．光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J]．高电压技术，2008，34（6）∶1145-1154．

[12]杨永恒，周克亮．光伏电池建模及MPPT控制策略[J]．电工技术学报，2011，26（1）∶229-234．

[13]MA XIU JUAN，WU JIA YU，LI YAN MEI，et al．The research on the algorithm of maximum power point tracking in photovoltaic array[J]．The World of Power Supply，2009，36（4）∶36-38．

[14]贾华，付皎，张飞．独立光伏发电系统参数设定的研究[J]．电源技术，2014，38（5）∶847-850．

（本文编辑：杨 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

国家863高技术基金项目（2011AA05A106）

2015-03-03

王海波（1987），男，工程师，硕士，研究方向为光伏发电系统建模与控制、电力系统继电保护等。