董曉鋒, 吳紅飛, 陸楊軍, 孫 凱, 胡海兵

(1. 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京航空航天大學(xué), 江蘇省南京市 210016;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084)

0 引言

以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為代表的大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為世界各國(guó)解決能源與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑[1]。長(zhǎng)期以來(lái),光伏交流并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的主要技術(shù)途徑。近年來(lái),隨著大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)帶來(lái)的一系列電能質(zhì)量、消納和調(diào)度等問(wèn)題[2-3]以及以柔性直流技術(shù)為核心的輕型直流輸電系統(tǒng)、高壓直流微網(wǎng)系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展使人們充分認(rèn)識(shí)到,將本身為直流輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入直流電網(wǎng)在效率、經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量等方面所特有的優(yōu)勢(shì)[4-7],使得光伏直流升壓匯集與并網(wǎng)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[8-9],中國(guó)在2016年將光伏電站直流升壓匯集接入技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)。

相比于傳統(tǒng)低壓并網(wǎng)形式,將光伏發(fā)電并入中高壓直流電網(wǎng)在系統(tǒng)容量、效率、靈活性和穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢(shì)[6]。然而,由于網(wǎng)側(cè)直流電壓較高,單個(gè)直流模塊很難直接承受網(wǎng)側(cè)高電壓,另一方面,光伏輸出直流電壓通常較低。為了同時(shí)兼顧發(fā)電側(cè)低電壓和并網(wǎng)側(cè)高電壓,可以采用模塊化輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(input-parallel output-series,IPOS)結(jié)構(gòu)[10]。模塊化IPOS結(jié)構(gòu)在高壓電力電子固態(tài)變壓器、高壓輸出電源模塊等系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用[11-12],但目前在光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用和報(bào)道還較少。模塊化串并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一是保證各模塊串聯(lián)側(cè)電壓均衡。雖然關(guān)于串聯(lián)模塊的均壓控制已經(jīng)有了大量的研究成果,但其針對(duì)的系統(tǒng)通常為輸入為恒壓源、輸出為電壓源特性的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)[13-17],如文獻(xiàn)[13]研究的輸入IPOS系統(tǒng),輸入、輸出都為電壓源性質(zhì),而光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中功率模塊的輸入通常呈現(xiàn)恒功率特性、而輸出則為直流電網(wǎng),面向傳統(tǒng)恒壓源為輸入源的IPOS系統(tǒng)的電壓均衡控制策略無(wú)法直接用于光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[8]提出一種模塊化級(jí)聯(lián)光伏直流接入系統(tǒng),該系統(tǒng)中各個(gè)功率模塊連接獨(dú)立的光伏陣列,當(dāng)各光伏陣列之間功率不匹配時(shí)需要依靠后級(jí)降壓斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電容電壓均衡,這一方面帶來(lái)額外的開(kāi)關(guān)損耗,另外受到斬波電路占空比的限制,輸出側(cè)電容承受的電壓之和遠(yuǎn)大于實(shí)際高壓母線電壓。如果將各個(gè)光伏組件的輸出并聯(lián)形成低壓直流母線,則可以在組件輸出功率不匹配時(shí)仍能保證后級(jí)各IPOS模塊輸出功率均衡。但此時(shí)多個(gè)模塊同時(shí)在低壓側(cè)并聯(lián),如何在保證高壓并網(wǎng)側(cè)各模塊輸出功率均衡的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓直流母線的穩(wěn)定調(diào)節(jié)是成為模塊化IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在IPOS系統(tǒng)中引入集中控制器,雖然可以解決各模塊均衡控制的問(wèn)題,但隨著系統(tǒng)模塊數(shù)量的增加,集中控制不可避免對(duì)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)影響。此外,傳統(tǒng)IPOS系統(tǒng)電壓均衡控制較少考慮模塊故障帶來(lái)的影響。在光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)IPOS功率模塊的熱插拔、從而能夠在線替換故障模塊,對(duì)于提高并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。對(duì)于多模塊串并聯(lián)功率系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各獨(dú)立功率模塊的完全自主運(yùn)行、避免依賴集中控制器或模塊間的通信,是該類系統(tǒng)運(yùn)行控制所期望達(dá)到的最終效果。

本文提出一種模塊化IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)分布式自主電壓均衡控制策略,無(wú)須依靠通信和中央控制器,只采用一個(gè)輸入電壓控制環(huán)即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各IPOS模塊輸出電壓自主均衡控制和低壓側(cè)并聯(lián)母線的穩(wěn)定調(diào)節(jié),同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的熱插拔,保證系統(tǒng)分布式自主穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)提高了整個(gè)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與控制策略分析

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所研究的模塊化分布式光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示,其前級(jí)為模塊化分布式發(fā)電單元,后級(jí)為本文所關(guān)注的由多個(gè)DC-DC模塊輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)構(gòu)成的模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)。其中前級(jí)分布式發(fā)電單元負(fù)責(zé)各光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制,IPOS系統(tǒng)則負(fù)責(zé)并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)。此外,由于多個(gè)并網(wǎng)直流功率模塊輸出串聯(lián)接入高壓直流母線,IPOS系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)各模塊輸出電壓的均衡,以提高模塊化系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。圖中,PI表示比例—積分控制;PWM表示脈寬調(diào)制。

圖1 模塊化分布式光伏發(fā)電直流并網(wǎng)系統(tǒng)與控制框圖Fig.1 Modular DC grid-connected photovoltaic system and control diagram

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

從系統(tǒng)能量關(guān)系的角度,圖1(a)所示兩級(jí)式模塊化光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩級(jí)式交流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相似,其中VL為低壓直流母線電壓,VH為高壓直流母線電壓。后級(jí)IPOS系統(tǒng)通過(guò)低壓直流母線的調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的協(xié)調(diào)控制和整個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量平衡[17]。相比于交流系統(tǒng),直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于不涉及鎖相、諧波等問(wèn)題其控制更加簡(jiǎn)單,后級(jí)并網(wǎng)模塊只需對(duì)低壓母線進(jìn)行單電壓環(huán)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的協(xié)調(diào)和并網(wǎng)功率控制,如圖1(b)所示。由于并網(wǎng)模塊對(duì)其輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),控制邏輯與調(diào)節(jié)輸出電壓的情況是相反的,當(dāng)?shù)蛪耗妇€電壓基準(zhǔn)大于實(shí)際母線電壓VL時(shí),并網(wǎng)模塊需減小并網(wǎng)功率以提升VL,當(dāng)VLr小于VL時(shí),并網(wǎng)模塊需增大并網(wǎng)功率以降低VL。

當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中只有一個(gè)集中并網(wǎng)模塊時(shí),圖1(b)的控制策略是可行的。但對(duì)于圖1(a)所示模塊化IPOS并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),當(dāng)各模塊各自獨(dú)立控制、相互之間不共享任何信息時(shí),由于實(shí)際基準(zhǔn)和采樣電路參數(shù)的分散性,各模塊的等效母線電壓基準(zhǔn)無(wú)法完全相等(將采樣電路等影響全部等效為電壓基準(zhǔn)的差異)。

其中,VLr為模塊低壓母線電壓基準(zhǔn),Vo為輸出電壓,根據(jù)控制邏輯,多模塊在低壓側(cè)并聯(lián)時(shí),實(shí)際母線電壓VL將由等效母線電壓基準(zhǔn)最低的模塊決定,此時(shí)如果不加任何限制,該模塊將承擔(dān)所有并網(wǎng)功率。即便對(duì)模塊加入最大并網(wǎng)功率限制,也會(huì)使得等效基準(zhǔn)最低的模塊始終運(yùn)行于最大功率輸出狀態(tài),造成各功率模塊熱應(yīng)力嚴(yán)重不均。此外,圖1(b)所示的控制環(huán)路中并沒(méi)有涉及對(duì)并網(wǎng)模塊輸出電壓的調(diào)節(jié),無(wú)法實(shí)現(xiàn)各輸出串聯(lián)模塊在高壓輸出側(cè)的電壓均衡。

1.3 IPOS模塊分布式自主電壓均衡控制策略

雖然輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)系統(tǒng)和IPOS系統(tǒng)互為對(duì)偶關(guān)系,其均壓控制策略具有一定的相似性,但是ISOP系統(tǒng)利用模塊間共享的輸出電壓信息來(lái)間接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)模塊均壓,而IPOS系統(tǒng)則利用各模塊共享的輸入電壓信息來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)均壓,因此ISOP系統(tǒng)的控制策略也無(wú)法適用于本文研究的IPOS光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)。

在此,根據(jù)低壓側(cè)直流母線電壓基準(zhǔn)與并網(wǎng)模塊功率的內(nèi)在邏輯關(guān)系,考慮建立低壓側(cè)母線電壓基準(zhǔn)與并網(wǎng)模塊輸出功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制,當(dāng)并網(wǎng)功率增加時(shí)自動(dòng)升高母線電壓基準(zhǔn),從而主動(dòng)抑制單模塊并網(wǎng)功率的增加。另外,對(duì)于IPOS系統(tǒng),還應(yīng)考慮建立各模塊輸出電壓均衡機(jī)制,主動(dòng)實(shí)現(xiàn)各模塊輸出電壓均衡。同時(shí)注意到,模塊化串聯(lián)輸出系統(tǒng)中各模塊輸出電流自然相等,各模塊輸出電壓的大小就直接反映了各模塊輸出功率的大小?；谏鲜鲆蛩?本文提出將各模塊輸出電壓信息直接疊加入低壓側(cè)母線電壓基準(zhǔn)的分布式自主電壓均衡控制策略,采用該策略的IPOS直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制框圖如圖2(a)所示。

圖2 IPOS并網(wǎng)系統(tǒng)自主電壓均衡控制框圖與單模塊輸入輸出電壓關(guān)系Fig.2 Diagram of autonomous voltage balance control for IPOS grid-connected system and relationship between input and output voltages for single module

圖中,Vo,1和Vo,N分別為模塊1和模塊N的輸出電壓;VLr,1和VLr,N分別為模塊1和模塊N考慮實(shí)際參數(shù)影響后的等效電壓基準(zhǔn);VLro,1和VLro,N則分別為模塊1和模塊N中疊加了各自輸出電壓信息后的電壓基準(zhǔn);kvo為各模塊輸出電壓疊加系數(shù)。相比于圖2(a)所示控制框圖,所提出的并網(wǎng)模塊控制環(huán)路中引入了輸出電壓信息,因此可以同時(shí)對(duì)低壓側(cè)母線電壓和各模塊的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外,各模塊的控制是完全獨(dú)立的,相互之間不需要通信或集中控制器,實(shí)現(xiàn)完全分布式控制。

根據(jù)圖2(a)所示控制邏輯,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)存在的關(guān)系為:

VL=VLro,i=VLr,i+kvoVo,i

(1)

式中:VLr,i,Vo,i和VLro,i分別為任意第i個(gè)并網(wǎng)模塊的等效給定電壓基準(zhǔn)、輸出電壓和疊加了輸出電壓信息的實(shí)際電壓基準(zhǔn);i=1,2,…,N。

圖2(b)給出了任意第i個(gè)并網(wǎng)模塊輸入輸出電壓關(guān)系。顯然,任意模塊的輸入電壓VL都與其輸出電壓成正比關(guān)系。對(duì)于輸出串聯(lián)系統(tǒng),模塊輸出電壓的增加就意味著輸出功率增加,而輸入電壓基準(zhǔn)隨輸出電壓升高的內(nèi)在邏輯反過(guò)來(lái)抑制模塊自身輸出功率和電壓的增加,從而避免了由于各模塊自身參數(shù)差異導(dǎo)致的等效電壓基準(zhǔn)不一致造成的個(gè)別模塊功率應(yīng)力、熱應(yīng)力和輸出電壓過(guò)高的情況。

1.4 輸出電壓均衡特性

模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)中,各模塊輸出電壓的均衡情況也同時(shí)反映各功率模塊的功率應(yīng)力均衡情況。以兩個(gè)并網(wǎng)功率模塊串聯(lián)為例,分析本文所研究的控制策略均壓特性。假設(shè)由于參數(shù)不一致的影響,導(dǎo)致兩模塊等效給定電壓基準(zhǔn)VLr,1和VLr,2滿足:

VLr,2=VLr,1+ΔV

(2)

式中:ΔV為采樣、基準(zhǔn)等電路參數(shù)不一致性對(duì)等效電壓基準(zhǔn)的影響。

采用本文所提出的自主電壓均衡策略,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)兩模塊電壓滿足:

VL=VLr,i+kvoVo,1=VLr,2+kvoVo,2

(3)

由式(2)和式(3)可得:

(4)

即

(5)

由式(5)可知,等效給定電壓基準(zhǔn)VLr較低的模塊1實(shí)際輸出電壓更高,且兩模塊的電壓差與等效電壓基準(zhǔn)之差ΔV成正比,和輸出電壓疊加系數(shù)kvo成反比。

圖3給出了kvo對(duì)兩模塊均壓效果影響的示意圖。顯然,圖3 (a)所示kvo=0時(shí),VL由VLr,1決定,模塊1將承擔(dān)所有功率和全部輸出電壓,模塊2輸出電壓和功率為0;隨著kvo的增加,兩模塊輸出電壓均衡效果也越好。但kvo越大,隨著輸出電壓的波動(dòng),低壓側(cè)直流母線電壓VL的波動(dòng)范圍也越大。然而,對(duì)于圖1(a)所示光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),低壓直流母線允許有一定的波動(dòng)范圍;另一方面,實(shí)際電路中,由于采樣和基準(zhǔn)電路參數(shù)造成的各模塊等效給定電壓基準(zhǔn)的差值很容易控制在1%以內(nèi),因此,不需要很大的kvo就能夠?qū)崿F(xiàn)較好的輸出電壓均衡效果。

圖3 kvo對(duì)均壓效果的影響Fig.3 Impact of kvo on voltage sharing

上述分析雖然是以兩并網(wǎng)模塊串聯(lián)為例說(shuō)明的,其結(jié)論同樣適用于更多模塊構(gòu)成的IPOS直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。由于各模塊完全獨(dú)立控制,其他模塊的切入或切除不會(huì)對(duì)當(dāng)前模塊自身的控制產(chǎn)生影響,從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中故障模塊的熱切除以及新模塊的熱切入,即可以實(shí)現(xiàn)模塊的熱插拔,有效提升整個(gè)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

下面以N個(gè)(N≥3)DC-DC模塊構(gòu)成的IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)為例,討論本文所提出的分布式自主電壓均衡控制策略的穩(wěn)定性,其中DC-DC模塊采用文獻(xiàn)[18]所研究的半有源整流原副邊移相控制全橋變換器,單模塊電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A圖A1,單個(gè)變換器所用的參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1,N個(gè)模塊IPOS系統(tǒng)小信號(hào)模型見(jiàn)附錄A圖A2。關(guān)于該電路的詳細(xì)工作原理和特性,文獻(xiàn)中已經(jīng)有詳細(xì)論述,本文不再贅述。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]采用的小信號(hào)建模方法,得到單個(gè)變換模塊的輸出電壓小信號(hào)表達(dá)式如下。

輸出電壓小信號(hào)表達(dá)式為:

(6)

(7)

(8)

由圖2(a)所示單模塊控制策略,可得DS,i與控制環(huán)路各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為:

(VLr-Vo,ikvo+VLr,i)GPIKPWM=DS,i

(9)

(10)

式中:GPI和KPWM分別為PI調(diào)節(jié)器和PWM調(diào)制器的等效增益;kp和ki分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)。

由此得到:

(11)

假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)且兩模塊輸出電壓相等,即Vo,1=Vo,2=…=Vo,i=VH/N,則由式(3)可得IPOS系統(tǒng)低壓側(cè)直流母線電壓VL擾動(dòng)和高壓側(cè)電壓VH擾動(dòng)之間的關(guān)系為:

(12)

根據(jù)式(6)至式(12),當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí),得到任意兩模塊(模塊k和j)的輸出電壓之差的小信號(hào)擾動(dòng)為:

(13)

假設(shè)KPWM=1,將式(10)代入式(13)可得輸出電壓之差擾動(dòng)的小信號(hào)表達(dá)式,可得其特征根方程為:

D(s)=a4s4+a3s3+a2s2+a1s1+a0

(14)

(15)

由(15)可知,特征根各項(xiàng)系數(shù)都大于0。根據(jù)勞斯穩(wěn)定性判據(jù),系統(tǒng)穩(wěn)定需滿足:

(16)

根據(jù)附錄A表A1所示參數(shù),取kvo=0.02,分析式(13)所示系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖。圖4(a)給出了kp從0增大時(shí)兩模塊系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖,其中選取ki為1 000。

從圖4(a)中可以看出,不論kp取什么值,系統(tǒng)的根軌跡始終在左半平面。

圖4(b)給出了kp=10,ki從0增大的閉環(huán)根軌跡圖,不論ki取什么值,系統(tǒng)的根軌跡始終在左半平面。

根據(jù)上述穩(wěn)定性分析可知,當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生導(dǎo)致任意兩模塊輸出電壓發(fā)生差異時(shí),該兩模塊的電壓之差不會(huì)發(fā)散,表明采用分布式自主電壓均衡控制策略時(shí),系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)始終是趨于穩(wěn)定的。而由式(5),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)任意兩模塊的電壓之差僅由模塊等效電壓基準(zhǔn)之差和輸出電壓疊加系數(shù)kvo決定。

圖4 系統(tǒng)根軌跡圖Fig.4 Root locus of IPOS system

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提模塊化IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)電壓自主均衡控制策略的有效性,在實(shí)驗(yàn)室搭建了由三臺(tái)半有源全橋變換器構(gòu)成的低壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái),各變換器模塊的參數(shù)與附錄A表A1一致,附錄A圖A3給出了三模塊直流并網(wǎng)IPOS系統(tǒng)樣機(jī)圖。其中,前級(jí)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的控制方法為擾動(dòng)觀察法,由于前級(jí)非本文研究重點(diǎn),主要功能是為后級(jí)提供輸入功率與形成低壓母線VL,因此其控制方法不在此贅述。

附錄A表A2是單模塊輸出功率100 W至900 W情況下,變換器的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流的數(shù)據(jù)表,從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),輸出電壓在輸出功率范圍下能夠保持恒定,波動(dòng)較小。附錄A圖A4給出了采用本文所提分布式自主電壓均衡控制策略時(shí),各并網(wǎng)直流模塊輸出電壓和并聯(lián)直流母線電壓關(guān)系曲線,各模塊所用輸出電壓疊加系數(shù)kvo約為0.19。從圖中可以看到,當(dāng)模塊輸出電壓從約80 V到150 V之間大幅變化時(shí),并聯(lián)直流母線電壓從146 V變化到158 V。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以通過(guò)調(diào)整kvo來(lái)調(diào)節(jié)并聯(lián)直流母線電壓的波動(dòng)范圍。由附錄A圖A4可知,雖然各個(gè)模塊輸入輸出電壓曲線關(guān)系并不完全一致,但輸入側(cè)電壓VL與各模塊輸出電壓Vo始終保持正比關(guān)系,且各電壓曲線始終彼此接近,這可以保證在任意并聯(lián)直流母線電壓下,各模塊輸出電壓都具備較好的均壓效果。

附錄A圖A5(a)給出了直流并網(wǎng)功率變化時(shí)各模塊的均壓效果實(shí)驗(yàn)波形,圖中io表示各模塊串聯(lián)輸出電流,實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)各模塊串聯(lián)輸出總母線電壓設(shè)定為300 V。從圖中可以看到,當(dāng)直流并網(wǎng)功率發(fā)生擾動(dòng)(變大或變小)時(shí),各直流并網(wǎng)模塊的輸出電壓都穩(wěn)定在100 V左右,表明各模塊串聯(lián)輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)了較好的均壓效果,同時(shí)表明各模塊能夠較好地均分總并網(wǎng)功率。

附錄A圖A5(b),(c)給出了模擬并網(wǎng)直流母線電壓VH(各模塊串聯(lián)總電壓)波動(dòng)時(shí)各并網(wǎng)直流模塊輸出電壓均衡實(shí)驗(yàn)波形,分別為串聯(lián)輸出側(cè)總電壓VH和并聯(lián)母線電壓VL與各模塊輸出電壓的實(shí)驗(yàn)波形。從附錄A圖A5(b)可以看到,當(dāng)并網(wǎng)母線電壓突變(變大或變小)時(shí),各模塊輸出電壓能夠?qū)崟r(shí)跟隨并網(wǎng)直流母線電壓變化,在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中都能夠保證較好的均壓效果,表明了本文所采用的電壓均衡控制策略的有效性。由附錄A圖A5(c)可知,當(dāng)模塊輸出電壓變高或變低時(shí),由于各模塊輸入輸出電壓的聯(lián)動(dòng)效應(yīng),各模塊的輸入側(cè)并聯(lián)直流母線電壓也會(huì)跟隨輸出電壓同步變高或變低,其變化趨勢(shì)與附錄A圖A4所示關(guān)系一致。

附錄A圖A5(d)給出了模擬IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)某直流并網(wǎng)模塊熱插拔時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。在實(shí)驗(yàn)時(shí),三模塊IPOS直流并網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中在線切除和接入其中一個(gè)模塊(模塊3)。由附錄A圖A5(d)可知,當(dāng)模塊3熱切除時(shí),該模塊的電壓Vo,3瞬間跌落到0,而其余兩個(gè)模塊的輸出電壓Vo,1和Vo,2瞬時(shí)增加,該兩模塊的總電壓仍等于總的并網(wǎng)直流電壓VH,在該過(guò)程中Vo,1和Vo,2仍實(shí)時(shí)保持電壓均衡。當(dāng)模塊3熱切入時(shí),該模塊的輸出電壓Vo,3從0開(kāi)始增加,另外兩個(gè)模塊的電壓則同步減小,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后三個(gè)模塊的輸出電壓仍然均衡。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果充分表明本文所提出的分布式自主電壓均衡控制策略完全支持IPOS模塊化直流并網(wǎng)系統(tǒng)各模塊的熱插拔,保證了整個(gè)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出并研究了一種適用于模塊化光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分布式自主運(yùn)行控制策略,理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1)所提出的控制策略能夠自主實(shí)現(xiàn)各串并聯(lián)并網(wǎng)功率模塊串聯(lián)側(cè)電壓均衡,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)母線的分布式無(wú)主從調(diào)節(jié),保證整個(gè)模塊化直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2)各直流并網(wǎng)模塊各自完全獨(dú)立控制,無(wú)需中央控制器或依賴通信,實(shí)現(xiàn)了模塊化串并聯(lián)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的完全分布式自主運(yùn)行。

3)所提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)功率模塊的熱插拔。

4)所提出的控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

本文的后續(xù)工作可以圍繞變換器系統(tǒng)的建模分析展開(kāi),以期獲得更為優(yōu)化的控制方法。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。