石俊;彭辉
【摘 要】醋酸
传统的交流型并网发电系统中,可以通过检测电网电压或频率,采用有功扰动、无功扰动或频率扰动等方法实现防孤岛控制.而在共直流母线系统中,母线直流电压是唯一可检测的变量,因此传统的防孤岛控制策略无法适用.以共直流母线分布式系统中光伏直流模块的防孤岛控制为研究对象,建立了模块正常运行和孤岛运行时的数学模型,推导得到了在两种工况下模块输出电压的时域表达式,并在此基础上提出了一种基于注入电流扰动法的新型防孤岛控制策略.该控制策略的核心思路是通过控制模块输出电流和扰动步长来改变在扰动时间内模块的输出电压特性,并根据检测判据来决策是否发生孤岛.最后,以Boost+FB-LLC的两级式结构作为光伏直流模块的工作拓扑,并设计了一台1000 W的实验样机,样机实验结果验证了所提出的防孤岛控制策略的有效性. 泌尿生殖
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2018(041)006petri网
【总页数】5页(P1401-1405)
【关键词】光伏;防孤岛;电流扰动;扰动系数;扰动步长
【作 者】石俊;彭辉
【作者单位】九江学院电子工程学院,江西 九江332005;九江学院电子工程学院,江西 九江332005
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
共直流母线分布式系统中,直流负载直接连接在直流母线上,省去交流型分布式系统中的逆变器装置和整流器装置,可以获得更高的能量利用效率。为此学术界将共直流母线系统推广到分布式发电系统中[1-4],其系统结构如图1所示。多种形式的直流源,通过各自的DC/DC变换器,变换得到稳定的输出电压,然后接入到公共的直流母线。多种形式的负载,通过DC/DC变换器或DC/AC变换器,从直流母线取电满足负载供电需求。系统中一般配备有双向DC/AC变换器,以满足能量调度需求。
图1 共直流母线分布式发电系统
共直流母线分布式系统具有稳定性更高,容量更大,为分布式发电提供了很好的模式,有很好的发展前景。因此其控制方法[2-3]、能量管理策略[4-5]等正成为研究热点。
在共直流母线分布式发电系统中,与PV面板直接相连的DC/DC变换器,也被称为光伏直流模块PDM(Photovoltaic DC Module),是系统的关键装置之
一。其运行的可靠性会直接影响到整个系统的稳定性,为此,学术界也对此进行了深入分析和研究[6-11]。总结已有的文献报道,可以发现,已有的研究主要集中在新型直流模块拓扑[7-9]和MPPT跟踪控制[10-11]等方面,而关于防孤岛控制的研究还鲜有文献报道,这就降低了其实际应用价值。
为此,本文以光伏直流模块的防孤岛控制为研究对象。首先,以Boost+FB-LLC(Full Bridge LLC,FB-LLC)作为本文的直流模块拓扑结构,并对该电路拓扑进行了工作原理分析。其次,本文分析了光伏直流模块的孤岛效应,并提出了一种基于注入电流扰动法的新型防孤岛控制策略。最后,本文研制了一台1 000 W的光伏直流模块样机,并完成了孤岛保护实验。
1 光伏直流模块电路结构
所提出的光伏直流模块如图2所示。
图2 光伏直流模块电路结构
光伏面板经过Boost调压后再输入到FB-LLC实现隔离功率变换。LLC的输出电压与直流母线之间设计有DC Relay,以符合安全要求。MCU的采样信号包括PV侧的输入电压Vpv和输入电流Ipv,直流源的母线电压Vbus,变换器输出电压Vout和输出电流Iout,以及Bulk电压Vbulk。MCU的EPWM模块输出PWM信号,分别控制Boost和FB-LLC以实现功率变换。
2 孤岛效应分析
直流模块正常运行和孤岛运行时的等效电路,分别如图3(a)和图3(b)所示。为了简化分析,PDM等效为直流电流源。
图3 孤岛效应等效电路图
正常运行时,DC Relay闭合,PV向直流母线注入电流,变换器的数学模型为:
(1)
式中,vout和iout为PDM输出电压和输出电流;Vbus为直流母线电压;ibus为输入到直流母线的电流;ic为流过输出电容Cout的电流;Rs为总寄生电阻,其组成部分为Relay寄生电阻和线路寄生电阻。
求解式(1)可得PDM正常运行时输出电压vout(norm)(t)的时域表达式为:
vout(norm)(t)=(Vbus+IoutRs)(1-e-t/(RsCout))
(2)
孤岛运行时,DC Relay断开,PV向负载供电,变换器的数学模型为:
(3)
式中,RL为等效负载电阻,iL为负载电流。
求解式(3)可得PDM孤岛运行时输出电压vout(island)(t)的时域表达式为:
(4)
3 防孤岛控制策略的设计与实现
3.1 防孤岛控制策略的设计
所提出的防孤岛控制策略是基于扰动电流注入的方法,策略中有两个关键参数,扰动系数k和扰动步长Tstep,下面具体给出该策略的原理。
假定PDM运行时,输出电流为Iout,在输出电流的给定量上,叠加扰动电流Iinj,并且定义扰动系数为k,扰动系数满足式(5):
(5)
因此,在扰动模式下,调整后的PDM输出电流Iout_new可以表示为:
Iout_new=(1+k)Iout
(6)
给定扰动电流的维持时间定义为扰动步长Tstep,扰动步长的设置需要兼顾PDM正常运行和孤岛运行时的输出电压在电流扰动时的响应。
进一步地,假定在t时刻开始扰动电流注入,推导得到(t+Tstep)时刻的孤岛检测判据:
银监会2013年8号文(7)
图4显示了防孤岛控制策略的原理图,正常运行时,分别施加负电流扰动(k=-0.1)和正电流扰动(k=0.2),输出电压在给定的扰动步长内均稳定到相应电压值,且该电压值未触发孤岛检测判据。孤岛运行时,在给定扰动步长内触发孤岛检测判据,为了加快检测时间,在加大扰动电流的同时采用自动减小扰动步长的算法,以实现快速检测。
图4 防孤岛控制策略原理图
图5 防孤岛控制策略实现流程图
3.2 防孤岛控制策略的实现
图5给出了所提出的孤岛检测算法的实现流程图。MCU主中断中,先是进行AD采样,获得输
出电压、输出电流和母线电压等关键参数;再获取输出电流给定,该给定量是由MPPT算法计算得到的;紧接着程序进入孤岛检测使能判断,若未使能,则重置所有检测参数,比如k和Tstep。若使能,则进入下一步。判定检测是否完成,若完成,则判断孤岛检测是否使能并进入相应处理程序。若未完成,则顺序进入下一步。紧接着,程序根据输出电压和输出电压值计算得到负载RL,该值在检测判据中有重要应用。之后,扰动电流开始注入,若满足式(7)的孤岛判据,则开始加大扰动,并减小扰动步长。否则进入反向扰动,并判定是否完成双向扰动。若达到孤岛检测电压下限,则检测完成并置位检测发生标志位。若双向扰动完成,则检测完成并清除检测发生标志位。
4 实验与分析
为了验证所提出方案的可行性,制作了一台实验样机,输入电压为0～120 V;输出电压为380 V,额定功率1 000 W。
图6 样机实验波形
图6为满载下的实验波形,图6中,vgs、vds分别为LLC原边管子的驱动电压和漏源电压,可以
发现,开关管实现了软开关。ir为谐振腔电流,满载下谐振腔峰值电流为26.3 A。vCr为谐振电容两端电压。
图7为防孤岛控制策略的验证波形。图7(a)为正常运行时电流扰动对输出电压的影响。可以看到,当施加正向扰动或反向扰动时,扰动步长Tstep均为5 ms,输出电压只存在较小的直流值变化,对系统运行没有影响,Relay驱动电压一直维持在高电平。图7(b)为孤岛发生时的检测过程,扰动步长Tstep从5 ms开始,慢慢减小到1 ms,伴随扰动步长Tstep每减小1 ms,扰动系数k减小-0.1。在扰动开始后的14.6 ms时刻,检测到输出电压低于电压下限(330 V),孤岛检测完成,并且检测到孤岛,从而关闭relay驱动,PDM停止运行。
图7 防孤岛控制实验波形
5 总结
随着直流输出型能源和直流负载的日趋增加,共直流母线分布式发电方案将会得到进一步推广。本文针对目前还较少被报道的光伏直流模块的防孤岛控制进行了研究,旨在进一步完善共直流母线分布式发电系统的理论体系,并提升其实际应用价值。文中分析了孤岛效应,并详核酸外切酶
细介绍了所提出的基于注入电流扰动法的防孤岛控制策略。进一步地,搭建了一台基于“Boost+FB-LLC”隔离型功率变换方案的光伏直流模块,并在孤岛实验平台上验证了本文所提出的防孤岛控制策略的有效性。
参考文献:
三二三事变【相关文献】
[1] Guerrero J M,Blaabjerg F,Zhelev T,et al. Distributed Generation:Toward a New Energy Paradigm[J]. IEEE Ind Electron Mag,2010,4(1):52-64.
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