多模直流模塊式光伏發電系統前級DC/DC變換器研究

嘉興學院機電工程學院 ■ 周晨 劉春元 謝玉飛

0 引言

DC/DC變換器是光伏發電系統中的一個重要組成部分，具有高電壓增益的特點，能夠將光伏組件發出的不穩定的微弱電壓進行放大，而且可提高光伏發電的利用率。DC/DC變換器是通過控制半導體開關來控制輸出電壓的電路。由于自身具有一系列的優點，直流模塊式光伏發電系統在今后的應用必然越來越多，因此，開展其核心部分——前級DC/DC變換器的研究對促進光伏產業的發展具有重要的現實意義。

本文分析了光伏發電系統的結構及性能，通過對DC/DC變換器進行分析，選擇了隔離型電流饋電半橋變換器，并進行了理論分析與仿真驗證。

1 DC/DC變換器的分析與選擇

對于光伏發電系統而言，要使輸出電壓升高，應選擇具有升壓的電路；而要實現高效率，可以加入軟開關技術。光伏組件的最大電壓一般為50 V，而直流母線電壓一般為200 V[1]。由于升壓較高，因此不能選用一般的非隔離型升壓變換器，雖然仍可以選擇級聯的非隔離型變換器，但其安全性能較低[2]。相較于非隔離型變換器，隔離型變換器顯然更加安全。但一般的隔離型變換器效率較低，不能滿足要求，因此要選擇既能實現高電壓增益，又能提高光伏發電系統效率的變換器。

半橋變換器與推挽型變換器相比，不存在偏磁問題，變壓器結構簡單，因此，本文選用半橋變換器。半橋變換器的輸出電壓U0為：

式中，N1、N2分別為變壓器一、二次側匝數；Ton為開關管的導通時間；T為開關周期；Um為峰值電壓。

由于在半橋變換器中存在電容，而電容又具有隔直的作用，因此當半橋變換器中2個開關管的導通時間不一致時，半橋變換器可以起到自動平衡的作用。通常存在變壓器的變換器可輕易實現高電壓增益。半橋變換器有電壓饋電與電流饋電2種形式，分別如圖1、圖2所示。

圖1 電壓饋電半橋變換器

圖2 電流饋電半橋變換器

電壓饋電半橋變換器通過控制開關S1和S2的交替導通，使電路工作在不同狀態下；通過改變開關的占空比可以改變輸出電壓的值[3]。

通過與圖1對比分析可發現，電流饋電半橋變換器的結構較為簡單，且所用元器件少，開關損耗與導通損耗較小，可以提高整個系統的利用效率[4]。因此，選擇電流饋電半橋變換器較為合適。

綜上分析，本文選擇隔離型電流饋電半橋變換器進行研究。

2 直流模塊式光伏發電系統的結構及性能

直流模塊式光伏發電系統的結構可分為串聯直流模塊、旁路直流模塊和并聯直流模塊3種結構。

2.1 串聯直流模塊

由于光伏發電得到的輸出電壓通常較小，只有幾十伏，因此一般通過串聯若干個光伏組件從而得到較高的直流母線電壓。在串聯直流模塊式系統結構中，每個單獨的光伏組件可以分別進行MPPT控制，當其中1個光伏組件處于陰影或失配條件下時，系統中的其他組件仍會正常工作。因此，將不同類型的光伏組件組合在一起就成為光伏發電系統。

圖3為串聯直流模塊式光伏發電系統結構圖，在一定條件下，能夠讓每個單獨的光伏組件都工作在其最大功率點處，以此來增加能量的轉換效率。

圖3 串聯直流模塊式光伏發電系統結構圖

假設在某個光伏發電系統中串有n個直流模塊，設第k個光伏組件的輸出電壓為Uk、輸出功率為Pk，則串聯直流模塊的輸出功率Po為：

對于串聯直流模塊，其輸出電流相同，根據電流、電壓和功率之間的關系，可知輸出電壓與輸出功率成正比，若直流母線電壓為U，則光伏組件的輸出電壓Uk為：

光伏組件的輸出電壓具有一定的取值范圍，其需滿足：

由式(3)～式(4)可以看出，光伏組件的輸出功率有特定的范圍，當超出特定范圍時，直流模塊將會退出運行，造成系統能量的損失[5]。

2.2 旁路直流模塊

在串聯直流模塊中，不同光伏組件在不同光照條件時的輸出電流不同，而其輸出電流受到最小輸出電流的限制，這種情況會降低組件輸出能力，嚴重時還會產生熱斑。因此，為了改善輸出能力，可以為每個光伏組件集成1個DC/DC變換器，組成旁路直流模塊；而且為了使光伏組件的輸出電壓相等，可使該DC/DC變換器的輸出電壓與輸入電壓相等，即每個光伏組件的輸出電壓都為U0，則可利用式(2)求得旁路直流模塊的輸出功率。

圖4為旁路直流模塊式光伏發電系統結構圖，其中需要使每個光伏組件的電氣特性相同。但由于在不同的光照條件和溫度下，電氣特性一致時，最大功率點也不可能在一條線上，因此旁路直流模塊也不能保證每個光伏組件工作在最大功率點，只能保證每個光伏組件工作在相同電壓下的最大功率點[6]。

圖4 旁路直流模塊式光伏發電系統結構圖

2.3 并聯直流模塊

上述兩種模塊雖然可以提高光伏發電系統的轉換效率，但是系統只能以串為單位進行擴容，而且線路也較為復雜。因此可采用并聯集成模塊，當集成1個DC/DC變換器時，可以將光伏組件輸出的較低電壓變換為較高電壓，同時也可以進行獨立的MPPT。則可利用式(2)求得并聯直流模塊的輸出功率。

圖5為并聯直流模塊式光伏發電系統結構圖。并聯直流模塊中，每個模塊工作時相互不影響，且輸出電壓受到直流母線電壓的鉗位。此時，每個模塊單獨工作在自己的最大功率點處[7-8]。

圖5 并聯直流模塊式光伏發電系統結構圖

2.4 3種結構的性能對比

串聯直流模塊、旁路直流模塊、并聯直流模塊3種結構的性能對比如表1所示。

表1 直流模塊式光伏發電系統的結構和性能比較

由表1可知，串聯直流模塊的能量轉換效率高且系統較簡單，但是容錯性差，變換器增益不高；旁路直流模塊的能量轉換效率低，可擴展性差，雖然運行成本低，但變換器增益同樣不高；而并聯直流模塊可擴展性好，系統不復雜，抗失配性很好，容錯性也好，變換器增益高。

3 變換器的運行控制策略研究

3.1 恒功率控制

光伏發電系統運行時，光伏組件的輸出功率為恒定值。假設在t時刻光伏組件的輸出電流為I(t)、輸出電壓為U(t)、輸出功率為P(t)，求出輸出功率的期望值Pref(t)與輸出功率的采樣值PDC(t)之差ΔPt，即ΔPt=Pref(t)-PDC(t)；然后利用PI控制求出占空比的變化量Δd；通過比較前一時刻和后一時刻的輸出功率變化，判斷P(t)和P(t-1)的差值，若二者差值大于零，則表明仍然可以調節占空比。

3.2 恒壓控制

光伏發電系統運行時，光伏組件的輸出電壓為恒定值。假設在t時刻光伏組件的輸出電流為I(t)、輸出電壓為U(t)、輸出功率為P(t)，直流母線的采樣電壓為Udc(t)，直流母線電壓的參考值為Uref(t)，則求出參考值與采樣值的差值ΔU=Uref(t)-Udc(t)；然后利用PI控制求出占空比的變化量Δd；通過比較前一時刻和后一時刻的功率變化，判斷P(t)和P(t-1)的差值，若二者差值大于零，則表明仍然可以調節占空比[9]。

3.3 MPPT控制

MPPT即最大功率點跟蹤。由于光伏發電系統的輸出特性容易受到外界環境的干擾，如輻照度、溫度、濕度等，因此，為了得到高效率的光伏發電系統，需要對輸出功率進行跟蹤；在光伏組件的輸出特性曲線中，在某一電壓下可以得到最大輸出功率，該點稱為最大功率點。在不同輻照度與不同環境溫度下，使光伏組件始終工作在最大功率點的技術叫做最大功率點跟蹤技術。

3.4 多模式控制

目前對前級DC/DC變換器的理論研究中，一般多是針對控制DC/DC變換器來實現最大功率點跟蹤控制[10-12]。按照《光伏電站接入電網技術規定》的要求，大型光伏電站應實現有功及無功的控制，這就使得光伏發電系統并不能始終進行最大功率點跟蹤控制。進一步來說，在構建交流微電網或直流微電網時，在獨立運行模式下，根據能量平衡的需要，光伏發電系統要工作于恒壓模式或恒功率模式，而僅依靠控制后級的DC/AC逆變器并不能實現恒壓模式或恒功率模式，所以根據需要，前級DC/DC變換器必須能支持直流模塊式光伏發電系統運行于多種工作模式。

4 仿真結果

4.1 電路模型

圖6為直流模塊式光伏發電系統的電路模型。在光照條件下，光伏組件輸出功率，光伏組件后接DC/DC半橋變換器，通過MPPT控制輸出，觀察最大功率點，并通過PWM調制控制開關管的開通與關斷。

圖6 直流模塊式光伏發電系統的電路模型

本文仿真采用基于擾動觀察法的MPPT仿真模型，仿真電路連接光伏組件及DC/DC變換器，光伏組件所處環境溫度為25 ℃，光伏組件的輸出端與變換器連接，輸出用1個負載表示，通過示波器可以測量輸出電壓、輸出電流的波形，同時也可以測得光伏組件的I-V特性及P-V特性。

4.2 仿真模型

基于擾動觀察法的MPPT仿真模型的輸入為光伏組件的輸出電壓和輸出電流，MPPT算法的輸入電壓與輸入電流通過MPPT模塊，輸出占空比作為PWM的輸入信號，在MPPT的輸入模塊中，通過擾動觀察法，在參數模塊中給電路一個擾動，此時可以通過函數來判斷擾動的方向，以此來追蹤最大功率點。電路的初始占空比為0.65，最低占空比為0.50，設置最大占空比為0.75。

仿真模型中光伏陣列參數如表2所示，電路各元件參數如表3所示。

表2 光伏陣列參數

表3 半橋變換器參數

4.3 仿真結果圖

通過Matlab/Simulink仿真可以得到光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線，測試在環境溫度為25 ℃、輻照度為1000 W/m2情況下進行，如圖7所示。

圖7 光伏組件I-V特性和P-V特性曲線

由圖7可知，光伏組件的輸出電流基本保持在16.7 A，最大輸出功率為288.5 W，在最大功率點處對應的輸出電壓約為18 V。

圖8為一天中在不同環境溫度下光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線。仿真中光伏組件的輻照度為1000 W/m2，環境溫度為25 ℃。

由圖8可知，在輻照度不變的情況下，當環境溫度升高時，I-V特性曲線會略微下移，電流會有所減小；當環境溫度降低時，P-V特性曲線則會有所上移；在同一電壓下，環境溫度越低，光伏組件的輸出功率越大；同樣，隨著環境溫度的降低，同一功率所對應的輸出電壓會增加。

圖9為MPPT控制圖。從圖中可以發現，輸出功率在變化一段時間后會趨于穩定，穩定值約為288.5 W。

圖8 不同環境溫度下光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線

圖9 MPPT控制圖

圖10為MPPT控制下的輸出電壓波形圖。從圖中可以看出，電壓經過短暫的調整最終會趨于穩定，穩定值約為18 V。

圖10 MPPT控制下輸出電壓波形圖

圖11為MPPT占空比波形圖。從圖中可以看出，占空比隨著光伏組件的發電情況而自動變化，最終工作在最大功率點處，此時占空比約為0.6。

圖11 MPPT占空比波形圖

圖12為DC/DC變換器的輸出電壓波形圖。從圖中可以看出，其輸出電壓基本上趨于210 V。

圖12 負載輸出電壓波形圖

經過仿真驗證達到了預期的效果，驗證了變換器的可行性。

5 結論

本文對DC/DC變換器進行了分析，并對比了采用這種變換器的光伏發電系統的結構及性能；介紹了變換器的運行控制，并通過理論分析與仿真驗證得到如下結論：實驗選用的隔離型電流饋電變換器能夠較好地實現高電壓增益和高效率，在運行控制仿真時，選用擾動觀察法能夠很好地觀測輸出功率，從而得到預期的效果，驗證了變換器的可行性，具有較大的應用前景。