直流微網(wǎng)中平行DC／DC變換器的控制
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
葉友泉 楊冠魯
（華僑大學(xué)，福建省廈門市361021）
摘要：提出以多墻體光伏為研究對象的光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)。將在逆變器并聯(lián)控制中廣泛使用的下垂控制策略應(yīng)用到平行DC／DC變換器的控制中，與電壓、電流環(huán)構(gòu)成三閉環(huán)控制，從而抑制平行DC／DC變換器之間的環(huán)流。通過Simulink仿真分析，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定及有效抑制各平行DC／DC變換器之間的環(huán)流。最后，在實驗室搭建實驗平臺，驗證該控制策略的可行性。
關(guān)鍵詞：光伏直流微網(wǎng)；DC／DC變換器：直流母線電壓；下垂控制；虛擬阻抗；環(huán)流；三閉環(huán)控制策略：仿真
中圖分類號：TM615doi: 10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 03. 008
0 引言
受多墻體光伏的啟發(fā)，本文旨在研究一種直流微網(wǎng)系統(tǒng)：三面鋪滿光伏電池板的墻壁，每面墻為一獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過DC／DC變換連接到同一條直流母線上，母線上可接蓄電池和其他變換器。本文所要解決的問題是如何控制連接3個不同光伏系統(tǒng)的直流母線電壓，并解決系統(tǒng)環(huán)流問題。對于離網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)，目前絕大多數(shù)的文獻(xiàn)都是研究如何通過光伏系統(tǒng)與蓄電池相互配合使母線電壓穩(wěn)定；對于并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)，幾乎都是通過雙向逆變器來控制前級直流母線電壓；對于只由光伏系統(tǒng)本身加上控制器就能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定的系統(tǒng)，則很少有相關(guān)。提出了基于博弈論的控制策略，使得多個分布式發(fā)電裝置通過相互博弈達(dá)到納什均衡狀態(tài)，雖然滿足直流微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性要求，但是采用博弈論控制方法的電流諧波會較高，而且參數(shù)設(shè)計復(fù)雜，并沒有分析系統(tǒng)環(huán)流問題。提出一個電壓下垂綜合控制方法，以調(diào)節(jié)一個孤立的直流微網(wǎng)的直流母線電壓，但也沒有分析系統(tǒng)環(huán)流問題。本文主要目標(biāo)是在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上提出一種控制策略，能夠在穩(wěn)定直流母線電壓的同時抑制系統(tǒng)環(huán)流。
1 光伏直流微網(wǎng)
本文考慮的低壓直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，東、南、西各個墻體的光伏陣列通過DC／DC變換器連接到直流母線上，向直流母線和負(fù)載供電，光伏陣列只通過母線相連，沒有互聯(lián)的通信。各個獨立控制的光伏發(fā)電裝置分別向直流母線供電，共同提供負(fù)載所需的功率，同時控制直流母線電壓使其穩(wěn)定在設(shè)定值。
2下垂控制
直流微網(wǎng)中最常用的下垂控制原理，如圖2所示。
下垂控制易于實現(xiàn)，由于采用分布式的本地控制，系統(tǒng)無需采用通信線，故增加了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)直流母線電壓在允許范圍內(nèi)波動時，對直流微網(wǎng)中的每個變換器進(jìn)行下垂控制，將變換器的輸出功率按比例分配給負(fù)載，從而維持直流母線電壓的穩(wěn)定。采取下垂控制時的輸出電壓與電流之間的關(guān)系如下所示：
3環(huán)流問題
圖1展示了3個并聯(lián)DC／DC變換器作為光伏陣列和一個恒定電壓負(fù)載的接口電路，用UDC1、UDC2.UDC3和R1、R2、R3分別代表變換器輸出電壓和電纜電阻。為了方便分析，取其中兩路作為分析對象，其等效電路如圖3所示。I1、I2分別為變換器1和變換器2的輸出電流，Ic12為從變換器1到變換器2的電流，I’1 為負(fù)載電流分量，IL為負(fù)載電流，UL和RL分別為負(fù)載電壓和電阻�，F(xiàn)將環(huán)流分析列于表1。
對圖3進(jìn)行分析可知：
由以上分析可知，因為電壓偏差的存在，變換器給負(fù)載提供電流的同時，變換器之間還會存在環(huán)流。
4三閉環(huán)控制策略
由式(1)及第3節(jié)分析可知，可以通過在每個變換器的輸出端增加一系列虛擬電阻器來調(diào)節(jié)變換器的電流，使環(huán)流最小化，等效電路如圖4所示。
此時，變換器新的輸出電壓表達(dá)式即為：
加入虛擬電阻后，變換器控制框圖如圖5所示。
5 建模仿真及分析
利用Matlab／Simulink軟件搭建系統(tǒng)模型，包括兩個光伏電池模型，用兩個Boost變換器將光伏電池連接到直流母線，分別記為變換器1和變換器2，構(gòu)成一個基于光伏發(fā)電的直流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)參考電壓為24 V。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：Boost電路輸出電感為1 m H，輸出電容為200 μF，開關(guān)頻率為10 kHz，負(fù)載為20 Ω。
仿真設(shè)置開始時2個光伏系統(tǒng)光照強(qiáng)度均為800 W. ffl-2.0.5 s后光照強(qiáng)度分別變?yōu)? 000 W. m-2和600 W. m-2，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6 (a)可知，系統(tǒng)經(jīng)過充電階段，在0.1 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，0.5 s時光照強(qiáng)度突變，系統(tǒng)又在20 ms后重新回到穩(wěn)態(tài)，母線電壓穩(wěn)定在23.6 V左右。圖6(b)為由變換器1到變換器2的環(huán)流情況，由圖可知，環(huán)流基本得到抑制。
6實驗驗證
為進(jìn)一步驗證提出的控制策略的正確性和可行性，利用實驗室現(xiàn)有的Arduino MEGA2560開發(fā)板設(shè)計2個控制器，Boost升壓電路參數(shù)設(shè)置與仿真一致，與開路電壓為21.6 V的兩塊光伏電池板共同組成直流微網(wǎng)，實驗時使兩塊光伏電池板光照強(qiáng)度不同。實驗中使用MAX471測量DC／DC變換器輸出電流，用霍爾電壓傳感器測量母線電壓，使用串口監(jiān)測器觀察記錄數(shù)據(jù)。將測得數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB并繪制圖如圖7、圖8所示�？紤]到傳感器的測量誤差，記錄到的實驗數(shù)據(jù)基本與仿真吻合。
7 結(jié)論
本文提出的三閉環(huán)控制策略，通過引入虛擬阻抗的方法來穩(wěn)定直流微網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)母線電壓和抑制變換器之間的環(huán)流。通過仿真分析和實驗的驗證，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，有效抑制了各并聯(lián)變換器之間的環(huán)流。該控制策略為光伏直流微網(wǎng)的研究提供了新的應(yīng)用方法。
