胡謙宇，袁仲濱，畢一凡，郭 珂

（重慶大學 電氣工程學院，重慶 400030）

光伏并網(wǎng)規(guī)模逐年增加，但是傳統(tǒng)交流匯集系統(tǒng)具有無功傳輸、諧振諧波等問題，對并網(wǎng)以及實際運行造成危害[1-3]。由于直流匯集系統(tǒng)不存在匯集系統(tǒng)的功角穩(wěn)定或諧波諧振等穩(wěn)定性問題，且光伏發(fā)電單元本身輸出的直流電經(jīng)過直流升壓匯集后再進行傳輸，無需直流-交流變換環(huán)節(jié)，同樣電壓等級下?lián)p耗更小[4-5]。通過多個模塊輸出級聯(lián)將整個系統(tǒng)的輸出電壓抬高以便直流并網(wǎng)，但此時光伏發(fā)電單元端電壓隨輸出功率而變化，隨光伏發(fā)電陣列輸出波動而變化，將會損壞該部分光伏發(fā)電單元。

針對基于模塊化級聯(lián)的光伏直流升壓匯集系統(tǒng)，本文提出一種新的儲能式拓撲結構，后級實現(xiàn)各模塊的能量轉移。該拓撲結構無需添加協(xié)調控制系統(tǒng)，且結構簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高、可擴展性強。在Simulink搭建了四個光伏陣列通過模塊化級聯(lián)的仿真模型，仿真結果驗證了該拓撲結構的有效性。

1 儲能式均壓拓撲結構與能量轉移工作原理

圖1 中單個均壓單元由一個電感和兩個開關管構成。前級單元的電壓分別用Udc＿1～Udc_n表示，理想情況下，有Udc_1=Udc_2=Udc_3=Udc_4=…=Udc_n=Ue，其中Ue為前級單元輸出電壓特定值。其中共包含4 個均壓單元，其中K1、K2負 責 實 現(xiàn)Udc_1、Udc_2的 均 壓，K11、K21負 責 實 現(xiàn)Udc_1、Udc_2和Udc_3、Udc_4的均壓控制，系統(tǒng)運行過程中，各個開關器件同時進行工作，實現(xiàn)均壓。

圖1 匯集系統(tǒng)后級均壓拓撲簡圖

研究以K1、K2構成的均壓單元分析拓撲結構的工作過程。假定初始情況下，Udc_1＞Udc_2，忽略線路的阻抗以及開關管的導通壓降。圖2 中給出了系統(tǒng)各工作模態(tài)圖，工作模態(tài)可分為四個階段：

階段1：等效電路如圖2（a），0＜t≤t0，兩個開關管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流為0。

階段2：等效電路如圖2（b），t0＜t≤t1，t0時刻開通，K1，K2處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸增加，狀態(tài)方程如式（1）所示。

解得：

階段3：等效電路如圖2（c），t1＜t≤t2，t1時刻斷開K1，K2中反并聯(lián)的二極管導通，K2仍處于斷開狀態(tài)，電感中電流逐漸減小，狀態(tài)方程如式（3）所示。

階段4：等效電路如圖2（d），t=t2時，兩個開關管均處于斷開狀態(tài)，電感中電流降為0。可解出t2是：

圖2 不同階段的均壓模塊

當階段4 完成后，可以在之后的任意時刻t0′重新導通K1，由此均壓電路重新進入階段1，開始下一個均壓周期的工作。

2 均壓控制策略

2.1 均壓模塊控制

以兩個模塊K1、K2構成的一個基本均壓單元為例，其中，Δmin 是進行均壓比較的限值電壓。圖2 所示電路的工作原理可分為兩個情況討論：

情況1：U1>U2。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅動脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右上方與門以及右下方的輸出都為零，均壓模塊不工作。

情況2：U2>U1。若二者之差大于Δmin，取或后產(chǎn)生K1、K2驅動脈沖，均壓工作開始；若此二者之差不大于Δmin，則右下方與門以及右上方的與門的輸出為零，均壓模塊不工作。

2.2 均壓單元的參數(shù)與運行特性

以兩個模塊K1、K2構成的一個基本均壓單元為例，均壓電路工作時的電感電流為iL（t），Udc＿1釋放的功率Pdc＿1和Udc＿2釋放的功率Pdc＿2的波形如圖3 所示。

圖3 未加入均壓后級控制后的輸出電壓

均壓電路處于周期性工作狀態(tài)，取t0～t2之間的一個工作周期T 作為研究對象，并定義：

假定均壓模塊所連的兩個單元的能量差為W，忽略均壓前后Udc＿1的變化，均壓周期為T，則均壓時間為：

由此可知，在實驗系統(tǒng)中，可根據(jù)器件的開關頻率、變換器輸出放電特性和負載特性確定L。

3 仿真驗證

本節(jié)主要搭建了基本模塊和DC/DC 變換器（包含四個模塊）的詳細仿真模型來驗證前文所提到的均壓策略有效性。通過4 個模塊級聯(lián)以加入均壓模塊拓撲驗證均壓控制策略的有效性。

在MATLAB/Simulink 中搭建基本模塊的仿真模型，其中各個元器件的參數(shù)以及均壓模塊的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 模塊主要參數(shù)

BFBIC 的能量由光伏陣列提供。設定光伏陣列在標準情況（溫度25℃，光照強度165W/m2）下最大功率為43W，在最大功率時光伏陣列電壓為43V。開始時刻光伏電站溫度設定為25℃，光照強度為1000W/m2。

對于整個4 塊級聯(lián)的組合變換器而言，設定一組外界環(huán)境變化值，通過對比加入遞進分層均壓控制模塊前后負載端各個子模塊輸出電壓的波形變化來仿真驗證均壓策略的效果。給定各個模塊光照強度隨時間變化的仿真結果如表2 所示。

表2 光伏光照強度變化表

圖3 給出了無均壓控制電路時各子模塊的輸出電壓，從結果波形可以看出，隨著光照強度在某一點進行突變后，輸出電壓也隨之變化，各模塊提供給后端的電壓差距大，不穩(wěn)定。

圖4 表示僅使用一級均壓電路后的各模塊輸出電壓，與使用兩級均壓模塊的仿真結果比較，其僅在1s后穩(wěn)定了輸出電壓，均壓性能較差。

圖4 加入一級均壓模塊后輸出電壓

圖5 為4 個子模塊級聯(lián)時兩級均壓控制負載端輸出電壓，從0.2s 開始，模塊4 的光照強度突變，至1.5s仿真結束均穩(wěn)定實現(xiàn)了各模塊之間的均壓，期間的最大壓差ΔVO≈2V。

圖5 兩級均壓控制輸出電壓

由實驗結果可以看出，文章提出的均壓拓撲結構工作有效可行，控制算法正確且易于工程實現(xiàn)，可以實現(xiàn)級聯(lián)變換器輸出端的均壓。儲能系統(tǒng)可以完成充放電，能夠為電力系統(tǒng)提供能量吞吐服務，實現(xiàn)電能的優(yōu)化利用。

4 結論

文章在各個光伏模塊間相互獨立控制的基礎上，提出了一種適用于模塊均壓的后級遞進拓撲結構，以解決光伏串聯(lián)匯集單元中不均勻光照導致的模塊不能正常升壓的問題。該拓撲結構主要通過儲能元件能夠儲存能量的特點，使得不同模塊后級輸出的電能進行自動的能量交換，以達到均壓的目的。最后通過Simulink 搭建了4 個模塊級聯(lián)的仿真模型，仿真結果驗證了該拓撲結構的有效性。