0 引言

    光伏发电是将太阳能转化为电能的发电方式，基于目前新一轮能源革命的背景，充分利用太阳能已成为未来能源行业发展的主要选择。直流离网光伏发电系统的架构如图1所示，主要由太阳能帆板、帆板与直流母线间的DC/DC变换器、蓄电池以及蓄电池与直流母线之间的双向DC/DC变换器组成^[1]。该架构中的DC/DC变换器将多组太阳能帆板的功率分别变换至直流母线侧，图中的储能环节则通过对系统缺额或盈余功率进线补偿或储存来维持直流母线电压稳定。图1中的非隔离DC/DC升压变换器及其相应控制策略是本文的研究重点。

    当直流母线V_bus的功率需求较大时，因太阳能帆板的输出电压及功率受温度及光照的影响，需采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracing，MPPT)的方式使帆板始终保持最大功率输出的状态^[2-4]。而当V_bus的功率需求较小时，所有变换器同时工作将引起轻载效率低等问题，由图2可知，此时提高效率最简单直接的方法就是减少工作模块数量，如图中虚线所示，从而确保系统在全功率范围内高效地实现能量变换^[5-6]。

    根据负载功率动态调整工作模块数量的方法在单输入、单输出的多相交错并联变换器中已有应用。文献[7]基于多相交错DC/DC变换器，提出了根据输出功率适当减少工作相数以消除未工作相的损耗的方案。文献[8]提出了相数变化下电源系统环路控制器的设计方法，以改善输出电压瞬态特性。但上述控制策略，在如图1所示的由多个非隔离DC/DC升压变换器组成的多输入、单输出电源系统中并不适用。

    本文选择Super Boost拓扑实现太阳能帆板与直流母线之间的能量变换，各模块采用母线V_bus控制器及帆板MPPT控制器并联的双环控制方式，通过判断V_bus控制器输出的数值决定各个模块启动或关闭的工作状态，并将通过仿真验证了上述控制策略的有效性。该控制策略在满足电源系统负载需求的前提下，将充分利用帆板能量，可为提高直流离网光伏发电系统全负载范围内的运行效率提供理论依据。

1 变换器的工作原理及参数设计

1.1 Super Boost拓扑的工作原理

    Super Boost拓扑于1979年被LANDSMAN E E提出^[9]，原理图如图3所示。图中L_{1_a}与L_{1_b}为一对耦合电感，在一个开关周期内分析该拓扑的工作原理。

    由此可见，Super Boost与传统Boost的输入、输出电压关系一致。

1.2 输入纹波抵消支路

    与传统Boost拓扑仅有输入滤波电感相比，Super Boost拓扑因耦合电感L₁的存在，可同时减小输入、输出电流纹波，进而减小输出滤波电容的容值。在此基础上，文献[10]的输入端新增了一条纹波抵消支路，如图4所示，通过耦合电感的新绕组L_{1_c}使该支路产生与原输入侧大小相等、方向相反的电流纹波，以此达到输入电流纹波抵消的目的。

    输入电流I_{in_sum}与原输入电流I_in、支路电流I_L2的关系为：

    综上所述，在设计Super Boost拓扑各电感参数时，首先可确认L_{1_a}以及L_{1_b}的电感量，在此基础上按照上述方法计算L₂，增加输入纹波抵消支路。因L₂的电感量较小且只流过交流量，可以设计得十分小巧。

2 发电系统的控制策略

    各模块中的MPPT环路首先将根据u_{bus_MEA}的数值判断是否启动，并由太阳能帆板的电流、电压采样信号i_{Mn_SA_s}、u_{Mn_SA_s}共同产生MPPT环路的基准值u_{Mn_SA_ref}，再以u_{Mn_SA_s}作为环路的反馈值。V_bus环路与MPPT环路的控制输出u_{Mn_MEA_PID}与u_{Mn_MPPT_PID}中的较小值将作为总控制输出u_{Mn_PID}，最终与三角波比较后产生驱动信号d_n1与d_n2。

    为提高直流离网光伏发电系统全功率范围内的能量变换效率，将根据负载功率动态调整参与工作的模块数量，相应控制域设计如图6所示。如前所述，u_{bus_MEA}为母线V_bus的电压环输出控制信号，该信号将随V_bus功率需求的增加而逐渐减小。

    首先，阐述各模块顺次启动的过程，当u_{bus_MEA}<u_{M1_set}时，模块1开始工作；若母线侧的负载功率需求进一步增加，使u_{bus_MEA}减小至u_{M2_set}，模块2将顺次启动，此时两模块同时工作；若仍旧无法满足母线需求，使u_{bus_MEA}减小至u_{M1_MPPT_set}时，模块1将开始以MPPT的模式工作，以便充分地利用太阳能帆板的输出功率。上述过程的关键波形如图7所示，在t₀~t₁时间段内，V_bus负载功率较小，仅模块1参与工作；在t₁~t₂时间段内，V_bus负载功率增加，模块1与模块2均以V_bus环路控制的方式共同工作；在t₂~t₄时间段内，负载功率进一步增加，模块1中的MPPT功能启动，并在t₃时刻满足u_{M1_MPPT_PID}>u_{M1_MEA_PID}的条件，此后模块1以MPPT环路控制的方式与模块2共同工作；在t₄~t₆时间段内，负载功率大幅增加，模块3启动的同时模块2的MPPT功能也一并启动，并在t₅时刻满足u_{M2_MPPT_PID}>u_{M2_MEA_PID}的条件，此后模块1、2以MPPT环路控制的方式与模块3共同工作。

    其次，各模块根据负载功率顺次关断的过程与上述启动过程相对应，关键波形如图8所示。在t₇~t₈时间段内，V_bus负载功率较大，模块1、2以MPPT环路控制的方式与模块3共同工作；在t₈~t₉时间段内，负载功率开始减小，模块2的MPPT功能关闭的同时模块3退出工作；在t₉~t₁₀时间段内，负载功率进一步减小，模块1的MPPT功能关闭，模块1与模块2继续以V_bus环路的方式工作；在t₁₀~t₁₁时间段内，V_bus负载功率极小，模块2退出工作，仅模块1输出功率。

3 仿真结果

3.1 Super Boost稳态仿真

    按照输入侧太阳能帆板开路电压90  V，短路电流25 A，最大功率1 500 W，变换器输出侧母线电压100 V设计Super Boost拓扑参数，具体如表1所示。在输出功率1 000 W的条件下进行带输入纹波抵消支路的稳态仿真，所得波形如图9所示。图中未经抵消支路前的输入电流I_in纹波峰峰值约为4 A，抵消支路电流仅有交流量，且幅值与I_in纹波峰峰值相近，方向相反，最终总输入电流I_{in_sum}纹波峰峰值为0.4 A。

    上述结果表明，该拓扑具有低输入、输出电流纹波的优点，且本文针对参数计算的方法正确。

3.2 负载功率变化时的控制策略仿真

    为验证本文提出的控制策略，以发电系统中共3个模块为例，在负载功率逐渐增大以及逐渐减小的条件下分别进行仿真。图10所示是功率逐渐增加时的关键波形，各模块的工作状态可与图7相对应。

    因每个太阳能帆板最大输出功率为1 500 W，在t₀~t₁时间段内，V_bus输出功率为1 000 W，因此仅模块1工作且未启用MPPT功能。在t₁时刻，V_bus输出功率阶跃至1 500 W，u_{bus_MEA}减小使模块2启动，此后两模块以V_bus环路控制的方式共同工作。在t₂时刻，V_bus输出功率进一步增加至2 000 W，模块1的MPPT功能启动，且由u_{M1_ PID}波形可知，直至t₂时刻模块1才由V_bus环路控制模式切换至MPPT环路控制模式。在t₄时刻，V_bus输出功率大幅增加至3 600 W，模块3启动且用于稳定V_bus母线电压，模块1、2均以MPPT的方式将帆板最大功率变换至母线侧。

    图11所示是功率逐渐减小时的关键波形，各模块的工作状态可与图8相对应。在t₇~t₈时间段内，V_bus输出功率3 600 W，三个模块共同工作。在t₈时刻，V_bus输出功率降至3 200 W，模块2关闭MPPT功能。在t₉时刻，V_bus输出功率进一步降至2 600 W，模块3关闭，模块1、2继续工作。在t₁₀时刻，V_bus输出功率最终降至1 000 W，

    因此模块1退出MPPT环路控制的模式且模块2关闭，模块1以V_bus环路控制的方式继续工作。

    上述仿真结果表明，本文提出的光伏发电系统工作模块数量随负载功率增加及减小而动态变化的控制策略，对母线V_bus的影响较小，简单可靠。

4 结论

    本文针对直流离网光伏发电系统，提出了具体控制策略，该策略在满足电源系统负载需求的前提下，充分利用了帆板能量，并可根据负载需求动态调整工作模块数量，为提高直流离网光伏发电系统全负载范围内的运行效率提供了理论依据。此外，本文采用了带纹波抵消支路的Super Boost拓扑实现太阳能帆板与直流母线之间的功率变换，该拓扑具有低输入、输出电流纹波的优点，从而大幅降低了输入、输出侧滤波电容的容值。最后，本文通过仿真的手段验证了上述拓扑及控制策略的有效性，仿真结果表明发电系统可随负载功率增加、减小而自动启用或关闭各模块及其MPPT，凭借上述手段提高了全功率范围内的效率。

参考文献

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作者信息:

刘  贺1，2，张东来3，王子才1，张  华2

(1.哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨150001；2.深圳航天科技创新研究院 电力电子所，广东 深圳518057；

3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院，广东 深圳518055)