上海电力 ２０１４年第１期 光伏发电系统双半桥ＤＣ／ＤＣ 变换器的建模与控制 田 越，郑 真，马晔晖 （上海电力学院电气工程学院，上海 ２０００９０） 摘要：针对对称双半桥双向ＤＣ／ＤＣ变换器在光伏发电系统中的应用问题，通过状态空间平均法得出 其动态小信号模型，构建了双闭环＋移相控制系统控制结构，通过仿真验证了理论分析和设计的有效性。 关键词：光伏发电系统；双半桥变换器；移相控制；双闭环控制 中图分类号：ＴＭ４６１ 文献标志码：Ｂ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｄｕａｌ ｈａｌｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ—ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ＴＩＡＮ Ｙｕｅ，ＺＨＥＮＧＺｈｅｎ，ＭＡ ｙｅ—ｈｕｉ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｄｕａｌ ｈａｌｆ ｂｒｉｄｇｅ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ—ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｕａｌ ＣｌＯＳｅ ｌｏｏｐ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉａｇｒａｍ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ；Ｄｕａｌ ｈａｌｆ ｂｒｉｄｇｅ；Ｐｈａｓｅ～ｓｈｉｆｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏ 引言 当今世界，环境和能源问题成为世界各国关 心的热点问题。随着环境污染和能源危机的日益 热点。 提出了一种新型对称双半桥隔离式ＤＣ／ＤＣ 变换器［３］，其结构和控制方法均简单，无需通过辅 助电路就能实现软开关。然而，由于该变换器控 制系统的阶数增加，因此给电路的分析和设计带 来了难度。在双半桥ＤＣ／ＤＣ变换器状态空间平 均模型＿４］的基础上，建立了双闭环系统控制框图， 严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源 结构、探索新能源、发展可再生能源等措施，以实 现能源的可持续发展与和谐发展。太阳能发电作 为可再生能源发电的一种，由于其资源丰富、开发 利用较为方便，近年来已得到广泛的应用。光伏 发电作为太阳能发电方式的一种类型，是太阳能 利用的主要形式。光伏发电是指根据光生伏打效 应，利用光伏电池板将太阳光能转化为电能的直 接发电方式＿１］。 光伏系统受天气因素的影响很大，在阳光照 并在仿真平台上建立仿真模型并进行了仿真。 １光伏发电系统模型 光伏发电系统与电网断开运行，保 障负荷供电。该系统包括太阳能光伏阵列，ＤＣ／ ＤＣ功率变换器，储能系统和负载。由于光伏发 电受光照条件影响，输出功率具有随机性的特点， 因此，需要配置储能缓冲装置来确保供电的连续 射条件不好时系统出力明显降低，对于离网型光 伏发电系统会造成供电的不稳定甚至断电［２］。储 性和可靠性。为了提高发电利用率，光伏系统工 作于ＭＰＰＴ方式，使得因环境因素变化而引起的 发电功率波动更为突出。通过储能系统提出连续 功率和瞬时峰值功率，从而实现光伏发电系统的 功率稳定。 能系统一方面可以使电力系统具备瞬时功率调节 的能力，另一方面配合电力电子变流器可以构建 ＵＰＳ高可靠性供电电源。因此，为光伏系统配置 电池储能系统来构建混合发电系统成为提高光伏 系统接入友好性和调节电网电能质量的一个研究 １．１光伏发电系统模型 光伏发电是指根据光生伏打效应，利用光伏 ２４一 ２０１４年第１期 上海电力 电池板将太阳光能转化为电能的直接发电方式。 光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单 元。光伏电池是一种直流电源，其单体输出电压 较低、输出功率较小，通常根据实际需要对其进行 相应串并联组成光伏阵列。光伏电池等效电路如 图１所示光伏电池由一个光生电流源 。 和一个 二极管Ｄ并联组成。其中二极管不是一个在导 通和关断两种模式间切换的理想型开关元件，其 电压和电流之间存在连续性非线性关系，考虑内 部损耗，通过增加串联电阻Ｒ。和并联电阻Ｒ 来 模拟。 ） 。 ｚ 图ｌ光伏电池等效电路 由图２光伏电池输出特性曲线可知，光伏电 池在输出电压较低时，其输出电流几乎不变，可以 看成一个直流恒流电源。光伏电池的Ｐ－Ｕ曲线 是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电 压变化而变化，在变化过程中存在一个最大值。 幽２太阳能电池典型输出特性曲线 光伏发电系统采用ＭＰＰＴ（最大功率跟踪） 控制，ＭＰＰＴ算法采用扰动观察法［５］。扰动观察 法是通过周期性的给太阳能阵列的输出电压加扰 动，通过比较其输出功率与前一周期的输出功率 的大小，来寻找最大功率点，具有结构简单，被测 参数少，容易实现等优点。 １．２储能系统模型 储能系统（ＥＳＳ）由蓄电池、电力电子器件和 控制器组成，系统结构必须满足蓄电池储能双向 运行的要求，即蓄电池既能够向外部系统供给电 能（放电），又能够从外部系统获得电能（充电）。 蓄电池储能通常接入光伏或风力等具有间歇性和 随机性的发电系统运行，此时蓄电池作为过渡电 源维持分布式发电系统的稳定。 图３示出对称半桥双向ＤＣ／ＤＣ变换器的主 电路拓扑及其变压器两侧在一个开关周期内的理 想电压和电流波形。此处，电压和电流都被折算 到变压器初级。该变换器采用移相控制方式，其 低压和高压侧的两个电压型半桥逆变电路在变压 器初级和次级生成了两个方波电压 和 ，通 过改变 、 之间的移相角 ，即可改变变换器 所传输的能量大小。 图３双半桥变换器电路图 时『日ｊ（ｓ） 图４ 两侧开关管的开断信号图 ２ 系统控制 在光伏发电系统中，储能系统是主控单 元。光伏发电具有波动性，造成光伏发电系统的 输出功率具有不稳定性，因此需要储能系统来平 滑光伏发电系统的功率输出，以实现微网系统整 体输出功率的稳定。为减少直流母线对蓄电池的 冲击，实现母线与蓄电池的电气隔离，储能系统通 过双半桥变换器连接蓄电池和直流母线同时可以 提高Ｄｃ／Ｄｃ变换的升压比，从而降低蓄电池的 端电压，使储能系统的运行维护更加安全便捷。 双半桥变换器的移相控制可以方便精确地实现储 能系统输出功率的控制以及充放电状态的转换。 双闭环控制可以保证控制的稳定性以及动态响应 速度。为了获得稳定的直流母线电压和良好的动 态响应，基于文献［３］的变换器的基础控制算法， 将变换器的移相控制与双闭环控制相结合，控制 ２５— 上海电力 ２０１４年第１期 框图如图６所示。 图５双闭环拄制策略 当系统的负荷突然上升，导致系统功率缺额 时，系统的输出电压Ｕ 下降，产生正的偏差（Ｕ 一Ｕ 。）。偏差信号（Ｕ ｒｅｆ—Ｕ ）通过ＰＩ控制使蓄 电池参考电流Ｉ 上升，蓄电池参考电流通过内环 ＰＩ使得相角 增大，储能系统输出功率增加。 同理，当系统的负荷突然下降，导致系统功率 盈余时，系统的输出电压【， 上升，电压上升产生 的负偏差（Ｕ 一Ｕ 。）使蓄电池参考电流Ｉ 下降， 蓄电池参考电流Ｉ 通过内环ＰＩ使得相角 减 小，储能系统输出功率减小。 ３ 仿真分析 在系统运行中，由储能系统来维持光伏 发电系统电压的稳定，系统的功率平衡。分别考 虑负荷变化仿真结果表明，通过储能系统的调节 作用可以维持系统电压稳定，功率平衡。当负荷 变换时，光照强度保持１ ０００ Ｗ不变，温度稳定在 ２５℃。此时光伏发电功率输出保持在３９ ｋＷ。在 ０至０．２５ Ｓ，负荷保持４５ ｋＷ，在０．２５ Ｓ时负荷突 然上升到５Ｏ ｋｗ，０．２５至０．５ ｓ保持在５０ ｋｗ。 由图６、图７可以看出，储能系统可以迅速弥 补系统内因负荷上升而造成的功率缺额，实现直 流微网的功率平衡。由图７可以看出，在负荷发 生变化时，直流母线电压在经历短时下降３８０ Ｖ 后，可以迅速回复到４００ Ｖ保持稳定，超调量在直 流母线电压允许波动范围±１０ ９／６以内。 ４： …～一 一一一．………一一一… ． …．． ．… ２ｉ …０ 一ｌ＿＿一 ＿ ． 一 ０ ０．０５ ０．１ ０．１５ ０．２ ０．２５ ０ｌ３ ０．３５ ０．４ ０．４５ ０．５ 时间／ｓ 图６ 负荷变化时的系统输出功率 图７负荷变化时的系统输出电压 ４ 结论 本文提出了一种光伏发电系统，包括光 伏阵列，负荷以及储能系统。储能系统采用双半 桥变换器接入系统，通过移相控制与双闭环控制 相结合，实现了系统的功率平衡电压稳定。 参考文献： ［１］ 丁菲．含多种分布式电源和储能的低压微网系统的暂态建 模与仿真［Ｊ］．硕士论文．２０１０． ［２］陈娟，何小阳，等．光伏系统最大功率跟踪控制的仿真研究 ＥＪ３．南通大学学报，２０１０，９（２）：３５—３８． Ｅ３３徐德鸿．电力电子系统建模及控制ＥＭ］．北京：机械工业出 版社，２００６． ［４］王成悦，张兴．电动汽车对称半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的建模和 控制［Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（１０）：２７—３０． ［５］刘莉，张彦敏．一种扰动观察法在光伏发电ＭＰＰＴ中的应 用ＥＪ３．电源技术，２０１０，３４（２）：１８６—１８９． 作者简介：田 越（１９８８一），男，硕士研究生，研究方向为电 力系统及自动化。 （收稿日期：２０１４—０１—１５）
