Boost變換器阻抗特性及其穩(wěn)定性分析

摘要：在以光伏發(fā)電單元為主微源的直流微電網(wǎng)中，光伏發(fā)電單元的阻抗特性及穩(wěn)定性是研究的關(guān)鍵。此處將Boost變換器的輸出阻抗作為研究對象，對連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下的Boost變換器進(jìn)行小信號建模，得到變換器的開環(huán)輸出阻抗。對光伏發(fā)電單元采用電壓下垂控制方式進(jìn)行控制，分析了在該控制方式下變換器的閉環(huán)輸出阻抗。最后依據(jù)阻抗比判據(jù)，分析了線路中不同的寄生電容對光伏發(fā)電單元穩(wěn)定性的影響，總結(jié)出規(guī)律性結(jié)論，對直流微電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，實(shí)驗結(jié)果驗證了上述理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；下垂控制；穩(wěn)定性分析

1 引言
為便于將分布式發(fā)電單元連接到電網(wǎng)上，出現(xiàn)了微電網(wǎng)的概念。隨著光伏電池成本降低，它已被作為主要的分布式發(fā)電單元而得到廣泛應(yīng)用。由于光伏電池是直流源，因此在與電網(wǎng)及直流負(fù)載的連接中，直流微電網(wǎng)將成為最合適的構(gòu)架。為提高微電網(wǎng)冗余性和可靠性，將發(fā)電單元模塊化已成為解決方案之一。模塊化后的發(fā)電單元的輸入、輸出阻抗將成為微電網(wǎng)的研究重點(diǎn)。
已有文獻(xiàn)只是利用阻抗匹配準(zhǔn)則對Buck變換器在單電壓閉環(huán)控制時的輸出阻抗和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，而未考慮發(fā)電單元的實(shí)際工作情況，故此處以光伏發(fā)電單元為背景，首先對光伏發(fā)電單元變換器進(jìn)行小信號建模，求取其開環(huán)輸出阻抗，其次引入電壓下垂控制，分析了在該控制方式下微源變換器閉環(huán)輸出阻抗，最后根據(jù)阻抗比禁止區(qū)判據(jù)對光伏發(fā)電單元的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

2 原理與設(shè)計
圖1為所研究的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，其微源包括光伏發(fā)電單元、蓄電池儲能單元及負(fù)載。

其中光伏發(fā)電單元是直流微電網(wǎng)的主要發(fā)電單元，儲能單元作為能量管理單元，在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，調(diào)節(jié)微源與負(fù)載間的功率平衡。當(dāng)光伏發(fā)電單元最大輸出功率遠(yuǎn)大于負(fù)載需求功率時，光伏發(fā)電單元不能再以最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方式進(jìn)行控制，需對其輸出功率進(jìn)行限制。
2．1 Boost變換器輸出阻抗模型
2．1．1 Boost變換器小信號模型
光伏電池通過Boost變換器連接到微電網(wǎng)上，如圖2所示。在忽略開關(guān)損耗，考慮電感串聯(lián)等效電阻的情況下，根據(jù)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時的等效電路，變換器的小信號模型如圖3所示。

根據(jù)圖3的小信號模型可推導(dǎo)出在CCM下Boost變換器的開環(huán)輸出阻抗為：

2．1．2 Boost變換器的電壓下垂控制
輕載時，為穩(wěn)定直流母線電壓，對光伏發(fā)電單元采用電壓下垂控制，控制框圖如圖4所示。為變換器放電閾值的擾動量，為變換器輸出電流的擾動量，為光伏電池輸出電流的擾動量，k為所需要設(shè)計的下垂系數(shù)，與系統(tǒng)的額定功率Pu，電壓等級的最小值Udcmin及各閾值間的變化量△U有關(guān)。

基于下垂控制的Boost變換器閉環(huán)輸出阻抗為：

式中：G1為電壓外環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)；Gic為電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)；Gud為輸出電壓到控制占空比的傳遞函數(shù)。