新型光伏直流汇集系统的控制拓扑

胡谦宇，袁仲滨，毕一凡，郭 珂

（重庆大学 电气工程学院，重庆 400030）

光伏并网规模逐年增加，但是传统交流汇集系统具有无功传输、谐振谐波等问题，对并网以及实际运行造成危害[1-3]。由于直流汇集系统不存在汇集系统的功角稳定或谐波谐振等稳定性问题，且光伏发电单元本身输出的直流电经过直流升压汇集后再进行传输，无需直流-交流变换环节，同样电压等级下损耗更小[4-5]。通过多个模块输出级联将整个系统的输出电压抬高以便直流并网，但此时光伏发电单元端电压随输出功率而变化，随光伏发电阵列输出波动而变化，将会损坏该部分光伏发电单元。

针对基于模块化级联的光伏直流升压汇集系统，本文提出一种新的储能式拓扑结构，后级实现各模块的能量转移。该拓扑结构无需添加协调控制系统，且结构简单、易于实现、可靠性高、可扩展性强。在Simulink搭建了四个光伏阵列通过模块化级联的仿真模型，仿真结果验证了该拓扑结构的有效性。

1 储能式均压拓扑结构与能量转移工作原理

图1 中单个均压单元由一个电感和两个开关管构成。前级单元的电压分别用Udc＿1～Udc_n表示，理想情况下，有Udc_1=Udc_2=Udc_3=Udc_4=…=Udc_n=Ue，其中Ue为前级单元输出电压特定值。其中共包含4 个均压单元，其中K1、K2负 责 实 现Udc_1、Udc_2的 均 压，K11、K21负 责 实 现Udc_1、Udc_2和Udc_3、Udc_4的均压控制，系统运行过程中，各个开关器件同时进行工作，实现均压。

图1 汇集系统后级均压拓扑简图

研究以K1、K2构成的均压单元分析拓扑结构的工作过程。假定初始情况下，Udc_1＞Udc_2，忽略线路的阻抗以及开关管的导通压降。图2 中给出了系统各工作模态图，工作模态可分为四个阶段：

阶段1：等效电路如图2（a），0＜t≤t0，两个开关管均处于断开状态，电感中电流为0。

阶段2：等效电路如图2（b），t0＜t≤t1，t0时刻开通，K1，K2处于断开状态，电感中电流逐渐增加，状态方程如式（1）所示。

解得：

阶段3：等效电路如图2（c），t1＜t≤t2，t1时刻断开K1，K2中反并联的二极管导通，K2仍处于断开状态，电感中电流逐渐减小，状态方程如式（3）所示。

阶段4：等效电路如图2（d），t=t2时，两个开关管均处于断开状态，电感中电流降为0。可解出t2是：

图2 不同阶段的均压模块

当阶段4 完成后，可以在之后的任意时刻t0′重新导通K1，由此均压电路重新进入阶段1，开始下一个均压周期的工作。

2 均压控制策略

2.1 均压模块控制

以两个模块K1、K2构成的一个基本均压单元为例，其中，Δmin 是进行均压比较的限值电压。图2 所示电路的工作原理可分为两个情况讨论：

情况1：U1>U2。若二者之差大于Δmin，取或后产生K1、K2驱动脉冲，均压工作开始；若此二者之差不大于Δmin，则右上方与门以及右下方的输出都为零，均压模块不工作。

情况2：U2>U1。若二者之差大于Δmin，取或后产生K1、K2驱动脉冲，均压工作开始；若此二者之差不大于Δmin，则右下方与门以及右上方的与门的输出为零，均压模块不工作。

2.2 均压单元的参数与运行特性

以两个模块K1、K2构成的一个基本均压单元为例，均压电路工作时的电感电流为iL（t），Udc＿1释放的功率Pdc＿1和Udc＿2释放的功率Pdc＿2的波形如图3 所示。

图3 未加入均压后级控制后的输出电压

均压电路处于周期性工作状态，取t0～t2之间的一个工作周期T 作为研究对象，并定义：

假定均压模块所连的两个单元的能量差为W，忽略均压前后Udc＿1的变化，均压周期为T，则均压时间为：

由此可知，在实验系统中，可根据器件的开关频率、变换器输出放电特性和负载特性确定L。

3 仿真验证

本节主要搭建了基本模块和DC/DC 变换器（包含四个模块）的详细仿真模型来验证前文所提到的均压策略有效性。通过4 个模块级联以加入均压模块拓扑验证均压控制策略的有效性。

在MATLAB/Simulink 中搭建基本模块的仿真模型，其中各个元器件的参数以及均压模块的主要参数如表1 所示。

表1 模块主要参数

BFBIC 的能量由光伏阵列提供。设定光伏阵列在标准情况（温度25℃，光照强度165W/m2）下最大功率为43W，在最大功率时光伏阵列电压为43V。开始时刻光伏电站温度设定为25℃，光照强度为1000W/m2。

对于整个4 块级联的组合变换器而言，设定一组外界环境变化值，通过对比加入递进分层均压控制模块前后负载端各个子模块输出电压的波形变化来仿真验证均压策略的效果。给定各个模块光照强度随时间变化的仿真结果如表2 所示。

表2 光伏光照强度变化表

图3 给出了无均压控制电路时各子模块的输出电压，从结果波形可以看出，随着光照强度在某一点进行突变后，输出电压也随之变化，各模块提供给后端的电压差距大，不稳定。

图4 表示仅使用一级均压电路后的各模块输出电压，与使用两级均压模块的仿真结果比较，其仅在1s后稳定了输出电压，均压性能较差。

图4 加入一级均压模块后输出电压

图5 为4 个子模块级联时两级均压控制负载端输出电压，从0.2s 开始，模块4 的光照强度突变，至1.5s仿真结束均稳定实现了各模块之间的均压，期间的最大压差ΔVO≈2V。

图5 两级均压控制输出电压

由实验结果可以看出，文章提出的均压拓扑结构工作有效可行，控制算法正确且易于工程实现，可以实现级联变换器输出端的均压。储能系统可以完成充放电，能够为电力系统提供能量吞吐服务，实现电能的优化利用。

4 结论

文章在各个光伏模块间相互独立控制的基础上，提出了一种适用于模块均压的后级递进拓扑结构，以解决光伏串联汇集单元中不均匀光照导致的模块不能正常升压的问题。该拓扑结构主要通过储能元件能够储存能量的特点，使得不同模块后级输出的电能进行自动的能量交换，以达到均压的目的。最后通过Simulink 搭建了4 个模块级联的仿真模型，仿真结果验证了该拓扑结构的有效性。