光伏直流升压汇集系统中直流变换器控制策略研究

摘要

太阳能光伏发电具有间歇性以及波动性等固有特征，需要先通过集中汇集和升压后才能并入电网。传统的交流升压、交流汇集系统谐波谐振、无功传输问题日益突出，一方面严重影响光伏电站与电力系统的安全稳定运行，另一方面严重影响光伏电站的送出能力。相比之下，直流系统不存在交流系统固有的功角稳定或谐波谐振等稳定性问题，不存在交流系统无功功率过剩或缺乏导致的电压稳定及电能质量问题。此外，光伏所发的直流电采用直流汇集的方式能够更好的接入直流电网，无需中间交-直流变换环节，减少了变换损耗及一次设备投入，具有可观的经济效益。目前主要研究的光伏直流升压汇集系统包括全直流级联型和集中串联型，两种汇集系统在拓扑结构、适应场合、以及直流变换器的需求上均不相同，但它们在不均匀光照下均存在变换器串联输出电压失衡问题，变换器输出电压失衡容易导致最大功率跟踪（MPPT）控制失效，严重时还有可能造成整个系统运行故障。为了改善两种汇集系统在不均匀光照下对功率扰动的适应性，本文针对光伏直流升压汇集系统中直流变换器的控制策略展开了研究。　　首先，分析了两种光伏直流升压汇集系统拓扑的优缺点以及各自适应的场合，根据两种汇集拓扑对直流变换器的要求不同，本文在全直流级联型汇集系统中使用变拓扑结构的Boost全桥隔离型变换器（BFBIC），而在集中串联型汇集系统中使用组合变换器，即多个BFBIC子模块输入并联输出串联（IPOS-BFBIC）。随后介绍了直流升压变换器（BFBIC）的工作原理，建立了光伏直流升压汇集系统的小信号模型，并求得系统闭环传递函数。　　随后，分析了全直流级联型汇集系统中汇集单元内不均匀光照导致的MPPT控制失效问题。由于全直流级联型汇集系统的每个汇集单元是由多个发电模块串联组成，不均匀光照会导致汇集单元内的光伏阵列功率失衡，进而造成对应的变换器分压不均，受到变换器占空比限制，变换器间输出电压严重失衡时，部分变换器的输出电压可能不能满足稳定运行的要求，进而导致MPPT控制失效以及系统运行故障。本文提出了一种协调控制策略，通过变BFBIC拓扑结构来改变变换器的工作模式，使变换器拥有更宽的增益比范围，根据光伏阵列间功率失衡的程度，变换器可以自动切换工作模式，以解决变换器间分压不均而导致的MPPT控制失效问题。　　最后，分析了集中串联型汇集系统中IPOS组合变换器内部子模块均压均流问题以及不均匀光照造成的MPPT控制失效问题。如果IPOS组合变换器内的子模块分压分流不均，将会降低组合系统的工作效率和使用寿命，本文提出了分布式的均压均流控制策略，不仅可以改善模块间的均压均流效果，还可以提高组合系统的模块化程度。同样，集中串联型汇集系统中各汇集单元间不均匀光照会导致组合变换器间输出电压失衡，受到子模块占空比限制，组合变换器输出电压严重失衡时，同样可能造成MPPT控制失效以及系统运行故障，本文在组合变换器分布式控制的基础上，提出了一种基于子模块投切的组合变换器协调控制策略，通过调整子模块的个数来改变组合变换器的输出电压范围，以解决组合变换器间分压不均而导致的MPPT控制失效问题。

目录

1 绪 论

1.1 选题的背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 高压大功率直流变换器研究现状

1.2.2 IPOS 组合变换器研究现状

1.2.3 变换器串联输出电压均衡控制策略研究现状

1.3 本文的主要工作

2 直流升压变换器拓扑结构及系统小信号模型

2.1 DC/DC变换器拓扑结构

2.2 系统小信号建模及闭环传递函数

2.2.1 MPPT 控制算法

2.2.2 系统小信号模型

2.2.3 系统闭环传递函数

2.3 本章小结

3 全直流级联型汇集系统中变换器控制策略

3.1 宽增益比直流变换器

3.1.1 Buck-Boost 全桥隔离型直流变换器拓扑结构

3.1.2 Buck-Boost 全桥隔离型直流变换器调制方式

3.1.3 基于 Buck-Boost 全桥变换器的系统小信号模型及闭环传递函数

3.1.4 系统闭环控制设计

3.2 不均匀光照下全直流级联型汇集单元内变换器间协调控制策略

3.2.1 不均匀光照下全直流级联型汇集单元内变换器输出关系

3.2.2 不均匀光照下变换器间协调控制策略

3.3 仿真验证

3.4 本章小结

4 集中串联型汇集系统中直流变换器控制策略

4.1 IPOS 组合变换器拓扑结构及控制策略

4.1.1 组合变换器拓扑结构

4.1.2 组合变换器分布式控制方案

4.2 不均匀光照下组合变换器间的协调控制策略

4.2.1 不均匀光照下汇集单元间组合变换器的输出关系

4.2.2 子模块投切控制策略

4.3 仿真验证

4.3.1 组合变换器调节裕度抑制功率扰动的仿真

4.3.2 组合变换器投切控制抑制功率扰动的仿真

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间取得的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致 谢