張書槐,閆海云,王議鋒,宋飛,戴晨松,韋徵
(1.天津大學電氣與自動化工程學院,天津 300072;
2.南京南瑞太陽能科技有限公司,江蘇 南京 211000)
光伏微電網(wǎng)中級聯(lián)DC-DC變換系統(tǒng)穩(wěn)定性研究
張書槐1,閆海云1,王議鋒1,宋飛2,戴晨松2,韋徵2
(1.天津大學電氣與自動化工程學院,天津 300072;
2.南京南瑞太陽能科技有限公司,江蘇 南京 211000)
相對于交流微電網(wǎng),直流微電網(wǎng)因其高效且可靠的特點近些年受到了廣泛的關注。基于含隔離型LLC諧振變換器的直流微電網(wǎng)結構,應用Middlebrook判據(jù),通過比較前級Boost變換器和后級LLC諧振型DC-DC變換器的輸出和輸入阻抗,對該級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)的穩(wěn)定性加以判斷。Matlab仿真證明Middlebrook判據(jù)的判定效果良好,可用于提升直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
直流微電網(wǎng);級聯(lián);Middlebrook判據(jù);LLC諧振變換器;穩(wěn)定性;小信號模型
隨著新能源和儲能在電網(wǎng)中更多的接入,微電網(wǎng)的建設與運行顯得尤為重要。類似計算機、LED燈等設備利用直流電,采用直流微電網(wǎng)結構可以有效降低逆變和整流過程帶來的功率損耗,提高供電效率和可靠性,故受到了廣泛的重視[1]。
直流微電網(wǎng)典型結構如圖1所示。在直流微電網(wǎng)中,分布式電源和儲能發(fā)出的電能通過前級DC-DC變換器首先匯集到直流母線,再通過后級DC-DC變換器輸送給負載。而采用該種兩級DC-DC的供電結構可能會引起微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的諧振和不穩(wěn)定現(xiàn)象。文獻[2]詳細介紹了用于級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)穩(wěn)定性判定的Middlebrook判據(jù),該判據(jù)不僅可以用來判定系統(tǒng)穩(wěn)定性,也能保證系統(tǒng)的動態(tài)性能。
圖1 直流微電網(wǎng)典型結構Fig.1 DC microgrid typical structure
文獻[3-4]研究了分布式供電系統(tǒng)中,影響B(tài)uck類DC-DC變換器輸入和輸出阻抗的因素,得出控制環(huán)路、功率等級和開關頻率均對輸入和輸出阻抗有影響的結論。文獻[5]給出了一種適用于高壓輸入低壓輸出的兩級式DC-DC變換器的拓撲結構和控制方式,詳細介紹了計算Buck類變換器和半橋變換器的輸入、輸出阻抗的方式。文獻[1]給出了一種主從控制模式下的直流微電網(wǎng)級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)結構,建立了詳細的微電網(wǎng)小信號模型,并通過控制環(huán)路補償?shù)姆绞剑淖兞溯敵鲎杩?,使系統(tǒng)穩(wěn)定。
近來LLC諧振型DC-DC變換器因其效率高,具備電氣隔離可保障供電安全性等優(yōu)勢越來越多地被應用在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中[6]。
圖2為一典型的包含LLC諧振型DC-DC變換器的光伏微電網(wǎng)級聯(lián)DC-DC功率變換系統(tǒng)。本文僅以一輸入一輸出的直流級聯(lián)系統(tǒng)為例展開分析。分布式光伏或其他電源(如氫燃料電池)通過Boost變換器與直流母線連接,而直流母線通過LLC諧振型DC-DC變換器為負載供電。其中Boost變換器用來實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤或者用于穩(wěn)定直流母線電壓(當Uin側接氫燃料電池等分布式電源時),而LLC則用于給負載Ro供電,額定工作點時,LLC工作在諧振頻率附近,以獲得極高的效率。
圖2 光伏微電網(wǎng)級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)結構圖Fig.2 DC microgrid cascaded DC-DC system structure
本文介紹了Boost變換器和LLC諧振型DC-DC變換器的小信號模型建立方法,以及其輸出和輸入阻抗的計算方式。采用Middlebrook判據(jù),通過比較兩者的輸出和輸入阻抗,達到判定級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果,并給出提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施。Matlab仿真證實了Middlebrook判據(jù)的判定效果良好,并可以用于改善光伏微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
作為前級變換器,Boost電路的輸出阻抗可用來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,搭建Boost電路的DCDC小信號模型[7]見圖3),進而計算其輸出阻抗。
圖3 Boost電路的小信號模型Fig.3 Small signal model of Boost converter
在圖3中,電路中全部擾動由輸入電壓擾動u?s,占空比擾動d?和負載電流擾動引起。其中重要參數(shù)為
Boost電路雙閉環(huán)控制框圖見圖4,由于Boost電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制,而控制環(huán)路對其輸出阻抗產(chǎn)生影響,對此種控制方式下Boost電路的閉環(huán)輸出阻抗Zout,CL(s)進行計算得
圖4 Boost電路雙閉環(huán)控制框圖Fig.4 Dual-loop control scheme of Boost converter
類似上一章,搭建LLC諧振型DC-DC變換器的小信號模型[8],并計算其輸入阻抗,用以判定系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖5所示為LLC變換器的大信號模型。
圖5 LLC大信號模型Fig.5 LLC large signal model
圖5中Ug為直流輸入電壓,Ig為直流輸入電流,Uo為交流等效輸出電壓,Uab為等效基波輸入電壓,Lr,Cr,Lm為諧振電感、諧振電容和勵磁電感,Co為濾波電容(折算到變壓器原邊),r為濾波電容等效串聯(lián)電阻(折算到原邊),Ri為等效基波負載(折算到原邊)。當LLC諧振變換器穩(wěn)態(tài)運行時,諧振電流iLr(t),勵磁電流iLm(t),與諧振電壓uCr(t)可以由基波近似:
式中iLrs,iLrc,iLms,iLmc,uCrs和uCrc為基波的幅值;ωs為基波的角頻率。
可以推出LLC諧振變換器的大信號模型的狀態(tài)方程為
輸出方程如下式:
使狀態(tài)方程式(4),式(5)中的狀態(tài)變量的一階導數(shù)為零可得到其穩(wěn)態(tài)解:
其中
為求解LLC的輸入阻抗,加入擾動量u?g,提取LLC諧振變換器的小信號模型,進而求得其開環(huán)輸入阻抗為
即便前級的Boost變換器與后級的LLC諧振型DC-DC變換器各自都穩(wěn)定,級聯(lián)后也可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象[5]。根據(jù)Middlebrook判據(jù),系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是在全頻率范圍內(nèi)滿足:
即前級Boost變換器的輸出阻抗在全頻率范圍內(nèi)小于等于后級LLC諧振型DC-DC變換器的輸入阻抗。為分析該系統(tǒng)穩(wěn)定性,在Matlab中搭建了仿真模型。Boost電路參數(shù)為:輸入電壓Vin=200 V,占空比D=0.5,濾波電感L=100 mH,濾波電容C=1 000 μF。LLC電路參數(shù)為:變壓器變比n∶1=400/630,輸入電壓Ug=400 V,諧振頻率f=80 kHz,諧振電感Lr=40 μH,勵磁電感Lm= 152 μH,諧振電容Cr=99 nF,濾波電容Co=1.24 mF,濾波電容等效串聯(lián)電阻r=1 mΩ,等效輸出電阻Ri=32.42 Ω。
如圖6所示,當LLC帶載4 kW時,在一定頻率范圍內(nèi)存在|Zout|>|Zin|的情況,不滿足Middlebrook判據(jù)。由圖7可知,LLC輸出電壓波形出現(xiàn)震蕩,證明當系統(tǒng)控制環(huán)路和電路參數(shù)設計不合理時,該級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)不穩(wěn)定。
圖6兩級DC-DC輸出輸入阻抗對比圖(開環(huán))Fig.6 Comparation of open-loop output and input impendence of cascaded DC-DCs
圖7LLC輸出電壓波形圖(開環(huán))Fig.7 LLC output voltage in open-loop mode
為解決該問題,嘗試采用修正控制模式和電路參數(shù)的方法解決該問題。
4.1采用LLC閉環(huán)控制
LLC采用閉環(huán)控制,通過調(diào)節(jié)LLC工作頻率將輸出電壓控制在630 V。給出擾動量u?g,如圖8所示,解出,得到閉環(huán)輸入阻抗Zin,CL:
式中:Zin為開環(huán)輸入阻抗;Gcf為控制器傳遞函數(shù)。
圖8 LLC閉環(huán)控制小信號系統(tǒng)框圖Fig.8 LLC small signal architecture in closed-loop mode
通過計算驗證,閉環(huán)下,兩級DC-DC輸出輸入阻抗對比圖如圖9所示,LLC輸入阻抗提高,該系統(tǒng)滿足Middlebrook判據(jù)。LLC輸出電壓波形如圖10所示,整個系統(tǒng)在全頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
圖9 輸出輸入阻抗對比圖(閉環(huán))Fig.9 Comparation of closedloop output and input impendence
圖10 LLC輸出電壓波形圖(閉環(huán))Fig.10 LLC output voltage in closed-loop mode
4.2調(diào)整Boost電路參數(shù)
研究發(fā)現(xiàn),降低濾波電感值,提高Boost電路輸入電壓,可以降低輸出阻抗[2],進而使系統(tǒng)滿足Middlebrook判據(jù),達到穩(wěn)定的效果。
按照濾波電感20 mH,輸入電壓300 V,重新設計Boost電路,LLC做開環(huán)控制。兩級DC-DC輸出輸入阻抗對比圖如圖11所示,Boost電路的輸出阻抗較圖6降低,滿足Middlebrook判據(jù)。LLC輸出電壓波形如圖12所示,系統(tǒng)穩(wěn)定。
圖11 輸出輸入阻抗對比圖Fig.11 Comparation of output and input impendence
圖12 LLC輸出電壓波形Fig.12 LLC output voltage in closed-loop mode
本文介紹了Boost變換器和LLC諧振型DC-DC變換器的輸出和輸入阻抗的計算方式,采用Middlebrook判據(jù)判定該級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
通過LLC閉環(huán)控制和Boost電路參數(shù)調(diào)整的方式改變了輸出輸入阻抗關系,并用Matlab進行了驗證,提升了級聯(lián)DC-DC系統(tǒng)和光伏微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
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Stability Analysis of LLC Isolated DC-DC Cascaded System in DC Microgrid
ZHANG Shuhuai1,YAN Haiyun1,WANG Yifeng1,SONG Fei2,DAI Chensong2,WEI Zheng2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China;
2.NARI Solar Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211000,Jiangsu,China)
Nowadays,compared to AC microgrid,there is an increasing interest on DC microgrid,for its higher efficiency and greater reliability.Based on a typical structure for DC microgrid,containing an isolated DC-DC converter(LLC).By using Middlebrook′s criterion,output and input impedance of the former stage Boost converter and the latter stage LLC resonant DC-DC converter were compared,stability of cascaded system was judged.Matlab simulationprovethatMiddlebrook′scriterioniseffective,andcanbeusedtoimprovestabilityofDCmicrogrid.
DC microgrid;cascaded;middlebrook′s criterion;LLC resonant converter;stability;small signal model
TM401
A
2015-09-10
修改稿日期:2016-02-26
國家自然科學基金資助項目(51307117);天津市科技支撐計劃重點資助項目(14ZCZDGX00035)
張書槐(1990-),男,博士,Email:zhangshuhuai@tju.edu.cn