隔离升压直流变换器型分布式发电系统

孙 强，邱琰辉，陈道炼

(青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 226071)

0 引 言

光伏、风力、地热等新能源具有清洁、无污染、可再生、运行维护量小、储量丰富等优点，越来越受到人们的重视。单一新能源发电系统经常会出现间歇性、不稳定、受天气影响严重等问题[1-4]，为提高系统的可靠性和稳定性，并使各种能源得到充分利用，需采用多新能源联合供电的分布式发电系统[5-8]。

文献[9-13]提出了传统两级多个单输入直流变换器型分布式发电系统。这类发电系统以传统的单输入直流变换器和单输入逆变器为基础，光伏、风力等新能源能量只能单向传递，这些能源分别经过单向直流变换器连接到公共的直流母线, 再经过Buck型逆变器变成需要的交流电。该系统可以实现多种能源联合供电，相比单输入能源供电系统，提高了供电质量，但是每一路输入源都需要单独控制、电路拓扑复杂、实用性受到很大程度的限制。

为了简化电路结构并降低成本，通常可采用一个多输入直流变换器取代多个单输入直流变换器，构成两级多输入直流变换器型新能源分布式发电系统[14-15]。多输入源通过一个多输入直流变换器连接至公共的直流母线上，后级为高频逆变器，前后级变换器通过中间直流电容解耦。与单输入直流变换器型多种新能源分布式发电系统相比，这种分布式发电系统具有多路输入源可集中控制、电路拓扑较简洁、实用性较好等优点。

本文提出了一个隔离升压直流变换器型分布式发电系统和最大功率能量管理控制策略，分析研究了其电路拓扑原理与系统建模，给出了1 kW实验结果。

1 电路拓扑

本文采用隔离升压直流变换器型分布式发电系统电路拓扑，如图1所示。该电路拓扑由前级Boost型多输入直流变换器和后级Buck型并网逆变器级联构成，其中Boost型多输入直流变换器是由多原边绕组单副边绕组的高频变压器将多路含输入滤波电容、储能电感、改进型有源箝位电路、高频逆变桥的高频逆变电路和一个共用的整流滤波电路联接构成。

图1 隔离升压直流变换器型分布式发电系统

隔离升压直流变换器型分布式发电系统的前级属于全桥电流型变换器，通过多原边绕组单副边绕组高频变压器磁通叠加的方式可以实现多路同时供电。

隔离升压直流变换器型分布式发电系统，具有电路拓扑简洁、易于多路输入、任一时刻多输入源同时或分时向负载供电、占空比调节范围宽、功率开关电压应力低、输入及输出高频电气隔离、输入电流纹波小、电压匹配能力强等特点，更适合于光伏、燃料电池等新能源发电场合。

2 最大功率能量管理控制策略

能量管理控制策略对于多新能源分布式发电系统来说是至关重要的。新能源的最大功率输出、系统的稳定运行及并网电流波形的控制是两级多输入直流变换器型分布式并网发电系统的三个控制目标。本文采用最大功率能量管理控制策略，其控制框图如图2所示。光伏、风力等新能源采用MPPT控制，输出最大功率，并网逆变器采用直流母线电压外环并网电流内环的双环控制策略，直流母线电压环采用负PI形式。当输入功率变大时，直流母线电压Udc将变大，此时直流母线电压调节器将增大并网电流幅值iop，并网功率变大，然后Udc变小并稳定在参考值；同理当输入功率变小时，直流母线电压环使得并网功率变小从而实现功率平衡。此外，加入100 Hz陷波器和电网电压前馈技术可以改善系统的性能，加快系统的响应速度。

图2 最大功率能量管理控制策略

3 系统建模

采用开关网络平均法建立前级Boost型多输入直流变换器的系统模型，如图3(a)所示。Boost型多输入直流变换器采用基于输入电压环的MPPT控制策略，直流母线电压由并网逆变器稳定，可将直流母线电压用一个恒定的直流源表示，将光伏、风力输入源分别用等效负载Rpv、Rwg表示，如图3(b)所示。

图3 前级Boost型多输入直流变换器的系统模型

光伏MPPT电压环传递函数框图如图4(a)所示。其中，GPI-ui1(s)是光伏电压环的补偿函数，HUi1是光伏电压的采样系数，GPWM(s)为锯齿载波的传递函数，G11(s)是光伏电压i1对第1路变换器占空比的传递函数G11(s)为：

(1)

图4 光伏电压环传递函数框图和频率特性图

将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代入光伏电压环传递函数框图，可得其开环和闭环传递函数，如图4(b)所示。由图可知，光伏电压内环补偿前的开环直流增益较小，补偿后开环直流增益变大，穿越频率为1.3 kHz，具有较好的稳态和动态性能。

(2)

将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代入并网电流传递函数可得并网电流环的开环和闭环频率特性图，如图5(b)所示。由图可知，并网电流内环补偿前的相位裕度小于0，系统不稳定，补偿后系统穿越频率1 kHz，相位裕度45°，低频增益较大，具有较好的稳态和动态性能。

4 实 验

设计实例采用了图1所示的电路拓扑和图2的最大功率能量管理控制策略。第一路采用光伏供电，选用Regatron公司的Topcon quadro可编程直流电源TC.P.16.800.400. PV. HMI模拟光伏输出，输入电压范围为40～60 V。第二路采用风力发电机及其整流滤波电路供电，输入电压范围为40～60 V。有源箝位开关管SC1及SC2、前级高频逆变桥开关管S11～S14及S21～S24采用MOSFET IXTQ74N20P(74 A/200 V)，有箝箝位二极管DC1及DC2、前级高频逆变桥阻断二极管D11～D14及D21～D24采用DSEI 60-06A(60 A/600 V)，整流二极管Dr1～Dr4采用DSEI 30-06A(37A/600 V)，Buck型逆变器开关管S1～S4采用IXFH26N50P(26 A/500 V)。

图5 直流母线电压外环并网电流内环双系统框图

第1路光伏输入源最大功率700 W，最大功率点电压48 V，采用MPPT控制，第2路光伏输入源最大功率450 W，最大功率点电压48 V，采用MPPT控制，1 kW输出时变换器波形如图6所示。实验结果表明：(1)第一路输入源电压Ui1为48.2 V,电流Ii1为14.5 A，输入功率为699 W，第二路输入源电压Ui2为47.9 V,电流Ii2为9.27 A，输入功率为444 W，光伏电池工作在最大功率点，如图6(a)、(b)所示；(2)直流母线电压Udc为380 V，直流母线恒定，如图6(c)所示；输出电压uo为220 V，输出电流io为 4.545 A， 输出功率为1 000 W,输出电压波形正弦度高，其THD为1%，如图6(d)所示。(3)高频变压器双向磁化，整流二极管电压应力为Udc且没有电压尖峰，如图6(f)～(g) 所示；(4)S11关断后，S11漏源电压保持不变，S11及其他超前开光管实现了零电流关断，如图6(g)所示；(5)S13及其他滞后开关管实现了零电压开通，且其关断电压尖峰被有效抑制，如图6(h)所示。

图6 两路光伏供电、1 kW输出时变换器波形

光伏最大功率1 200 W，最大功率点电压48 V，单路光伏源供电、1 kW输出时，系统光照突变波形如图7所示。光照幅度由1 000 W/m2变500 W/m2然后再变为800 W/m2，直流母线电压稳定，光伏最快地追踪到了新的最大功率点。

光伏最大功率570 W，最大功率点电压48 V，两路光伏源采用相同的参数供电、不同光照下变换器变换器效率曲线如图8所示。变换器满载效率为0.881,后级Buck型逆变器满载效益为0.953，可得前级直流变换器单路光伏源供电时满载效益为0.924，变换效率较高。

图7 单路光伏供电时光照突变波形

图8 双路光伏供电效率曲线

5 结 论

本文提出了隔离升压直流变换器型分布式发电系统电路拓扑和最大功率能量管理控制策略，用一个多输入直流变换器代替多个单输入直流变换器，简化了电路结构。对多个占空比进行控制，提高了控制的自由度，扩大了占空比调节范围。通过分析工作原理、系统的建模及实验研究，验证了上述方案的可行性。该系统结构简单、电压匹配能力强、效率高、更适合于光伏等新能源发电场合。