独立光伏储能系统鲁棒稳定电流控制器参数设计-北极星储能网

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为提高独立光伏储能系统的可靠性,提出了恒流充电模式下光伏接口变换器的鲁棒PI 控制器参数的设计准则和设计方法。针对采用前置电容式Boost变换器的独立光伏储能系统,建立了包含光伏电池动态模型的系统小信号模型,基于劳斯稳定判据分析了恒流充电模式下接口变换器的稳定工作条件。分析表明,光伏电池的动态输出电阻ro及静态工作点(占空比D)对系统稳定性存在影响。ro越小,占空比D越大,系统越难稳定,因此应在最小ro、最大占空比D的工况下设计输出电流控制器参数。基于该设计准则和方法所得到的PI控制器参数具有很好的鲁棒性,可以确保独立光伏储能系统在实际变参数条件下的稳定性。

0 引言

独立光伏储能系统可以为常规电网无法到达的偏远地区居民用电、户外作业用电、通信等问题提供解决途径,且其无需大量的基础设施投资成本,因此得到了广泛应用[1-3]。一般而言,独立光伏储能系统中的光伏接口变换器同时也是蓄电池的充电接口。为延长蓄电池的使用寿命,并提高太阳能利用率,光伏接口变换器通常采用恒流、最大功率、恒压3阶段充电[4-5]。在这3个充电阶段,光伏接口变换器均需要保持稳定运行,以提高系统的可靠性。

电力电子系统的稳定性受静态工作点、电源的输出阻抗等多种因素的影响[6]。由于光伏电池的动态输出阻抗和工作点会随着光照、温度、负载功率等因素而变化[7],因此,实际运行环境下独立光伏储能系统存在鲁棒稳定性问题。为了确保变参数条件下独立光伏储能系统具有较强的鲁棒性,需要优化设计3阶段充电模式下的控制器参数。

已有文献分析了3阶段充电模式下独立光伏储能系统的稳定性问题。文献[6,8-10]指出在恒压或恒流充电模式下,光伏电池存在唯一的稳定工作区,且稳定工作区由系统的控制回路构成决定。然而,上述文献对确定稳定工作区后如何设计控制器参数未作进一步探讨。文献[11]提出了光伏充电接口变换器的控制器设计方法：最大功率充电(maximum power ging,MPC)模式下,光伏电池可等效为恒流源,且需要在光伏电池的标准测试条件(standard testing condition,STC)下设计输入电压控制器;恒压充电(constant voltage ging,CVC)模式下,光伏电池等效为恒压源且在空载情况下设计输出电压控制器参数。尽管该设计方法可以使系统具有较强的鲁棒性,然而该文献未给出上述方法的理论依据。文献[12-13]基于光伏电池实际动态电路模型,分别对MPC和CVC两种模式下独立光伏储能系统的稳定性进行了分析,并给出了鲁棒稳定PI控制器的设计准则和设计方法。遗憾的是,文献[11-13]均未对恒流充电(constant current ging,CCC)模式下独立光伏储能系统的鲁棒稳定控制器设计进行研究。

为此,本文以输出电流单闭环控制结构为例,基于包含光伏电池实际动态电路模型的独立光伏储能系统小信号模型,深入研究了CCC模式下,稳定工作区为电压区时系统的鲁棒稳定性,提出了变参数条件下输出电流鲁棒稳定控制器的设计准则和方法,并通过实验验证了理论分析的正确性。

1 CCC模式下独立光伏储能系统的稳定性分析

1.1 独立光伏储能系统小信号模型

以Boost光伏接口变换器为例。图1给出了该变换器的主电路和电感电流连续时的交流小信号模型。图1中：Cin、RCin为前置电容及其寄生电阻;Co、RCo为输出滤波电容及其寄生电阻;L、RL为输入滤波电感及其寄生电阻。开关管S的通态电阻为Ron,二极管D的通态压降为UD。此外,蓄电池采用电压源UB与内阻RB的串联电路来等效[14-15]。

图1中的阴影部分为光伏电池的动态电路模型;iph为光生电流源,其与光强成正比;rD和CD分别为光伏二极管在当前静态工作点处的小信号动态电阻和动态电容;Rsh和Rs分别为并联等效电阻和串联等效电阻。

图1 独立光伏储能系统

1.2 输出电流闭环控制稳定条件

为实现3阶段充电功能,光伏接口变换器必须满足如图2所示的外特性要求。图2中：Pmax为光伏电池最大功率;UB为蓄电池端电压;Uo,max为输出过压保护阈值;Uo,min为输出欠压保护阈值;Io为蓄电池充电电流;Io,max为输出过流保护阈值。因此,光伏储能系统需要同时具备输出电流控制器Gc1(s)、输入电压控制器Gc2(s)和输出电压控制器Gc3(s),如图3所示。图3中：uin、iin分别为光伏接口变换器的输入电压和输入电流,uin,ref为输入电压基准;uo、io分别为光伏接口变换器的输出电压和输出电流;uo,ref、io,ref分别为输出电压基准和输出电流基准。可以看出,当Pmax/UB

图2 独立光伏储能系统中接口变换器的外特性

图3 3阶段充电控制系统框图

图4 输出电流单闭环系统控制框图

图4中：Gc1(s)为输出电流控制器;Kio为输出电流反馈系数;Fm为PWM调制器增益。为提高系统轻载时的可靠性,CCC模式下光伏电池的稳定工作区通常选择为电压区。此时,Rin>ro,Rin为后级变换器输入电阻,ro为光伏电池输出电阻。当采用图4所示的单闭环控制结构时,输出电流控制稳定的必要条件为Fm(Rin-ro)>0,因此Fm>0 [9]。

取τn=10μs、Fm=0.4、Kio=0.5。若Uo=42V、Io=4A、D=0.11,则当kp=0.5,ki=10 000时,可得系统稳定条件为1.55Ω

表1 式(3)的系数表达式

表2 光伏电池仿真模型参数(STC)

表3 前置电容式Boost变换器主电路参数

若Uo=42V、Io=4A、rD=0.34Ω,则当kp=0.3、ki=5000时,可得系统稳定条件为0

因此,为使系统具有较强的鲁棒性,需要在最小ro和最大占空比D的工况下设计输出电流控制器参数,此即CCC模式下光伏接口变换器鲁棒PI控制器参数的基本设计准则。

图5给出了光照、温度和负载变化时的光伏电池I-V特性曲线。图5中,upv、ipv分别为光伏电池输出端电压和电流。由图5(a)可以看出,相同温度下,随着光照变强或负载功率减小,相应工作点处切线变陡(输出电阻ro明显减小),但输入电压近似不变(即占空比D近似不变)。由图5(b)可以看出,相同光照和负载下,随着温度上升,输入电压明显减小,而相应工作点处的切线基本平行。显然,最强光照、最小负载和最高温度条件下,ro最小且占空比D达到最大。由设计准则可知,求取该工况下ro及占空比D的值并代入稳定条件,可以得到输出电流控制器参数选择范围。该方法虽然可以确保系统具有较强的鲁棒性,但是其需要实验测定ro和Upv,设计过程非常复杂。

图5 光伏电池输出I-V特性曲线

原标题：独立光伏储能系统鲁棒稳定电流控制器参数设计

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