Boost-Buck光伏接口變換器控制策略研究

摘要：級聯(lián)應用的Buck和Boost變換器具有簡單、高效、非隔離及寬電壓輸入范圍等優(yōu)點，常用作直流微網(wǎng)光伏接口變換器。實際應用中，需對其設計合適的控制策略以滿足直流微網(wǎng)運行外特性要求，此外還需解決當變換器工作在高效率的單管模式時，升、降壓模態(tài)的平滑切換問題。以Boost-Buck變換器為研究對象，設計了一種控制策略實現(xiàn)外特性要求。同時分析了模態(tài)過渡問題產(chǎn)生的原因，給出加入雙管降頻工作區(qū)間的解決方法。研制樣機對控制策略進行了驗證，實驗結(jié)果表明所提出的控制策略能實現(xiàn)變換器的高效率和平滑運行，滿足直流總線供電系統(tǒng)控制要求。
關(guān)鍵詞：變換器；光伏接口；直流微網(wǎng)；控制策略

1 引言
作為太陽能利用主要方式之一，光伏發(fā)電已受到越來越多的關(guān)注。針對光伏逆變器以單機電源方式接入電網(wǎng)產(chǎn)生的控制困難、成本高等問題，分布式供電系統(tǒng)(微電網(wǎng))得到了廣泛研究。分布式直流供電系統(tǒng)(直流微網(wǎng))由于可實現(xiàn)能量的高效利用，降低系統(tǒng)成本和保證供電可靠性，其研究得到了重視。作為光伏發(fā)電對直流微網(wǎng)的接口電路，其控制上具有一定特殊性。首先，太陽能作為單方向輸出電能模塊，要接入直流微網(wǎng)，就必須要求接口電路滿足最大功率跟蹤控制和下垂控制特性要求。若微網(wǎng)電能不足，光伏電池能以最大功率輸出；若微網(wǎng)電能過剩，光伏電池輸出要能支撐母線電壓。其次，直流微網(wǎng)接口電路無需逆變；微網(wǎng)本身一般對大電網(wǎng)隔離，可降低隔離要求，相應提高變換器效率將是研究的另一重點。
級聯(lián)應用基本Buck和Boost變換器，即雙管Buck-Boost和Boost-Buck電路滿足簡單、高效、非隔離及寬電壓輸入范圍的要求，是光伏接口變換器的優(yōu)選拓撲。兩拓撲均有兩個開關(guān)管，工作方式有多種選擇。其中，單管工作模式，即在同一時刻只有一個開關(guān)管處于高頻工作狀態(tài)的模式能顯著減小變換器損耗，是合適高效的工作方式。但在使用單管模式時會出現(xiàn)升、降壓模態(tài)平滑過渡問題。
Boost-Buck電路較雙管Buck-Boost電路還有輸入輸出電流連續(xù)，利于減小濾波電容的優(yōu)勢，此處選擇前者作為直流微網(wǎng)光伏接口變換器展開控制策略研究。先給出接口變換器外特性要求并設計相應的控制策略。接著介紹Boost-Buck電路，給出單管工作調(diào)制策略，并分析升降壓切換問題的原因，提出解決方案。搭建樣機進行實驗研究，結(jié)果證明了該控制策略的有效性。

2 光伏接口變換器的外特性及實現(xiàn)
圖1為光伏接口單元外特性要求，根據(jù)直流微網(wǎng)的能量管理要求，光伏接口電路外特性需分成最大功率跟蹤區(qū)和電壓調(diào)整區(qū)，光伏接口電路要能在這兩個外特性區(qū)間切換，根據(jù)能量管理需求決定控制變換器工作狀態(tài)。圖中，Kss為電壓調(diào)整區(qū)輸出電壓下垂斜率。

要滿足圖1所示的光伏接口電路外特性要求，變換器處理的能量應在輸入、輸出功率值中取較小值，即變換器控制量需要分別從輸入側(cè)和輸出側(cè)產(chǎn)生，進行取小。

為實現(xiàn)圖1輸出特性，設計光伏接口變換器控制框圖，如圖2所示。圖中，uc為調(diào)節(jié)器輸出，um為調(diào)制波，d為占空比，Upv_r，Uo_r，Io _r分別為輸入電壓、輸出電壓、電流的參考值。共需要采樣4個量：輸入電壓Upv_r、輸入電流Ipv、輸出電壓Uo及輸出電流Io。Upv與Ipv主要用于實現(xiàn)MPPT控制，Uo用于實現(xiàn)母線支撐控制，Io用于限流，共3個調(diào)節(jié)器：Gc1(s)，Gc2(s)和Gc3(s)。3個值取小不會同時工作，分別實現(xiàn)前述兩種工作狀態(tài)。

3 Boost-Buck光伏接口變換器控制策略
3．1 Boost-Buck光伏接口變換器
Boost-Buck光伏接口變換器結(jié)構(gòu)如圖3所示。Upv為光伏陣列輸出電壓；Uo為變換器輸出電壓；L1，L2為輸入、輸出電感；C1為中間電容，C2為輸出電容。記Boost，Buck開關(guān)管占空比分別為d1，d2。

3．2 單管調(diào)制策略
為簡化控制策略，降低開關(guān)損耗，Boost-Buck變換器宜采用單管工作模式。UpvUo，電路處于升壓模式，此時d1為0～1，d2=1；Upv> Uo，電路處于降壓模式，d1=0，d2在0～1間調(diào)節(jié)。

實現(xiàn)Boost-Buck變換器單管模式調(diào)制策略如圖4所示。調(diào)制偏移量K與三角波峰值相等。Boost和Buck模式共用調(diào)節(jié)器，將Boost功率管的調(diào)制波上移K后作為Buck的調(diào)制波，簡化調(diào)節(jié)器設計的同時保證了單管工作。