戶用型光伏供電系統(tǒng)DC／DC變換器的研究

劉鳳杰，付 青，朱昌亞，程光蕾，馬桂龍

（1.中山大學(xué)，廣州510006；2.天寶電子（惠州）有限公司，惠州516005）

0 引 言

在當(dāng)前世界傳統(tǒng)化石能源短缺和環(huán)保壓力的雙重作用下，清潔的可再生能源發(fā)展越來越受到世界各國的重視，各國掀起了可再生能源的開發(fā)熱潮。利用太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、小水電、地?zé)崮艿惹鍧嵉目稍偕茉磥泶鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的煤、石油等化石能源，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的理念，已成為全人類的一種共識。在新能源開發(fā)利用領(lǐng)域，光伏發(fā)電發(fā)展最快，早在20世紀(jì)80年代末就有國家開始建設(shè)大型的光伏電站。然而大型光伏電站的修建與維護(hù)成本都很高，目前國內(nèi)的大型光伏電站基本都是政府投資的實(shí)驗(yàn)性電站。戶用光伏供電系統(tǒng)不僅能有效地解決當(dāng)下能源危機(jī)與環(huán)境污染問題，而且成本低、易于維護(hù)，已在許多發(fā)達(dá)國家得到了大力的推廣及應(yīng)用。

1 戶用光伏系統(tǒng)

戶用光伏供電系統(tǒng)通過安裝在住戶屋頂或幕墻上的太陽能電池，將可持續(xù)的太陽光轉(zhuǎn)化成綠色的電能。常規(guī)的戶用型光伏發(fā)電系統(tǒng)有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型2種。本文研究的是一種新型混合型戶用光伏系統(tǒng)，圖1是這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

混合型戶用光伏系統(tǒng)包括光伏組件、DC／DC變換器、蓄電池組和并網(wǎng)逆變設(shè)備。光伏組件將可再生太陽光轉(zhuǎn)換成電能；DC／DC變換器實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）；充放電控制器將電能儲存在蓄電池中；并網(wǎng)逆變設(shè)備將蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成可供用戶負(fù)載使用的220V交流電，或?qū)㈦娔莛佀偷诫娋W(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。在系統(tǒng)脫離電網(wǎng)并且太陽光較弱時(shí)，蓄電池可以提供一定的能量供給，保證重要負(fù)載的正常運(yùn)行；在有電網(wǎng)或光照充足時(shí)，可以對蓄電池充電，多余的電能則饋送到電網(wǎng)中供其他用戶使用?；旌闲蛻粲霉夥╇娤到y(tǒng)具有更大的靈活性，但由于其儲能設(shè)備輸出電壓的特殊性，其系統(tǒng)控制也較復(fù)雜。

2 戶用型DC／DC變換器

戶用型光伏發(fā)電系統(tǒng) DC／DC變換器[1-2]的功能是將低壓直流電轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的350V高壓直流電，以供后級逆變器轉(zhuǎn)換使用。針對戶用型光伏供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了一種帶高頻變壓器的推挽正激電路。該電路相當(dāng)于2個(gè)單端正激電路并聯(lián)工作，故將此電路拓?fù)涿麨橥仆煺ぷ儞Q器電路（PPFC）[3-4]。由于推挽正激電路[5]在傳統(tǒng)推挽型變換器中引入了箝位電容，有效克服了傳統(tǒng)推挽變換器變壓器磁芯偏磁和開關(guān)應(yīng)力大的固有缺陷，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

推挽正激變換器拓?fù)淙鐖D2所示，它由2個(gè)功率管VT1與VT2、1個(gè)箝位電容C和1個(gè)高頻變壓器T組成。變壓器由3個(gè)繞組組成，2個(gè)變壓器初級繞組L1，L2和1個(gè)輸出繞組L3。變換器的副邊采用全橋型整流電路，并通過1個(gè)LC濾波器給后級供電。DS1和DS2為反并聯(lián)二極管，C1為輸入濾波電容，C2為整流后濾波電容。同一時(shí)刻，VT1和VT2只有一個(gè)開關(guān)管閉合。在功率管關(guān)斷時(shí)，箝位電容C為原邊變壓器漏感儲存的能量提供了1個(gè)釋放的回路，儲存漏感能量，避免了開關(guān)管上的電壓尖峰，同時(shí)抑制了磁芯偏磁。此外，同一時(shí)刻高頻變壓器低壓側(cè)都有2個(gè)線圈流過電流，因此流過功率管的電流小，并且線圈電流有正也有負(fù)，使得高頻變壓器不容易發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，變壓器的利用率也很高。

圖2 推挽正激變換器電路圖

推挽正激電路具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[6]：

（1）減小了輸入電流脈動的安秒乘積，從而減小了輸入輸出濾波器的體積和重量；

（2）在主功率管關(guān)斷時(shí)，箝位電容為變壓器原邊漏感儲存的能量提供了一個(gè)釋放的回路，抑制了功率管的電壓尖峰，使得在實(shí)際電路中可以選擇電壓等級較小的功率管，同時(shí)可以減小功率管的導(dǎo)通損耗；

（3）由于是雙向勵(lì)磁，變壓器磁芯利用率高；

（4）相比推挽變換器以及全橋DC／DC電路，推挽正激電路能有效抑制變壓器偏磁而使得系統(tǒng)工作更可靠。此外推挽正激電路比BOOST電路更適合于輸入低電壓、大電流的中大功率場合。

3 控制算法及MPPT的研究

本文研究的戶用光伏供電系統(tǒng)DC／DC變換器采用全數(shù)字化智能控制技術(shù)[7]，其整體控制框圖如圖4所示。主要包括控制電路、電壓電流檢測電路及驅(qū)動電路。系統(tǒng)采用工業(yè)級高速數(shù)字信號處理（DSP）芯片TMS320F2812作為核心控制芯片，具有處理速度快、全數(shù)字控制、軟件算法靈活、集成外設(shè)豐富等特點(diǎn)，能有效消除擾動對系統(tǒng)的影響，改善系統(tǒng)的性能，提高DC／DC變換器輸出波形的精度和轉(zhuǎn)換效率。

圖3 系統(tǒng)整體控制框圖

如圖3所示，系統(tǒng)以DSP為控制核心，通過傳感器全方位監(jiān)控高頻DC／DC變換器的狀態(tài)，并對輸入輸出電流進(jìn)行保護(hù)，獲得即時(shí)輸入輸出的電壓電流檢測值，送入DSP中，經(jīng)過計(jì)算分析，輸出高頻脈寬調(diào)制（PWM）信號，經(jīng)隔離驅(qū)動電路驅(qū)動DC／DC變換器中的電力電子器件。

在光伏應(yīng)用系統(tǒng)中，太陽電池是關(guān)鍵部件。由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界環(huán)境因素不斷變化，為了使光伏陣列始終輸出最大功率，必須對光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行控制，使其始終處于最大功率點(diǎn)電壓上。光伏陣列的MPPT控制的關(guān)鍵是處理好算法快速性和精度之間的矛盾，而常規(guī)的MPPT算法無法從根本上解決這一問題。本文提出一種改進(jìn)后的預(yù)測MPPT算法[8-9]，該算法是在擾動觀察法的基礎(chǔ)上，加入自適應(yīng)預(yù)測算法，從而提高M(jìn)PPT的跟蹤速度和精度。

圖4為自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制的MPPT控制框圖，其中p（n）為光伏陣列輸出功率，u（n）、I（n）分別為采樣得到的光伏陣列的輸出電壓與電流，d（n）為輸出占空比。輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制預(yù)測下一時(shí)刻光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入擾動觀察法比較判斷擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進(jìn)行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

圖4 自適應(yīng)預(yù)測MPPT控制框圖

在自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制中，X（n）為當(dāng)前及過去光伏陣列的輸出電壓向量，即X（n）＝[u（n），u（n－1）…，u（n－N＋1）]，y（n）和＾y（n）分別為當(dāng)前時(shí)刻光伏陣列的輸出功率及其預(yù)測值，＾y（n＋1）為下一時(shí)刻輸出功率的預(yù)測值?；谧赃m應(yīng)預(yù)測機(jī)制的MPPT算法與傳統(tǒng)的擾動觀察法區(qū)別在于光伏陣列下一時(shí)刻輸出的功率由自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制得出，并通過擾動觀察法與當(dāng)前時(shí)刻的功率進(jìn)行比較，及時(shí)改變擾動方向，在提高M(jìn)PPT的快速性的同時(shí)減少功率損失。圖5是自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制的MPPT算法的控制流程圖。

圖5 自適應(yīng)預(yù)測MPPT算法流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，課題組制作了1臺3.5kW戶用型推挽正激DC／DC變換器樣機(jī)。其具體參數(shù)為：輸入側(cè)蓄電池組電壓為24V，最大輸入電流為150A，功率管選用MOSFET，工作頻率為30kHz，箝位電容為470μF，輸出濾波電感為2mH，濾波電感為2mH，使用示波器測得相關(guān)信號波形如圖6所示。

圖6（a）所示為推挽正激變換器中MOSFET的驅(qū)動波形，該波形由TMS320F2812的定時(shí)器產(chǎn)生，頻率為30kHz，PWM信號經(jīng)TLP250光電隔離放大后驅(qū)動MOSFET，實(shí)現(xiàn)其開通和關(guān)斷。

圖6（b）所示為推挽正激變換器中VT1的驅(qū)動波形及其漏源極之間的電壓波形。從圖中可見，由于增加了箝位電容，開關(guān)管上的漏源極電壓被箝位在2倍輸入電壓左右，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間并沒有很大的尖峰電壓。但由于變壓器存在漏感，會引起開關(guān)管在開通關(guān)斷后的一段時(shí)間內(nèi)有振蕩現(xiàn)象。

圖6（c）所示為推挽正激變換器變壓器副邊電壓輸出波形，在波形頂端有少量的尖峰，該尖峰主要由變壓器漏感以及線路雜散電感引起，通過改變變壓器工藝以及改善印制電路板（PCB）布線策略可減小此電壓尖峰。

圖6 推挽正激MOSFET驅(qū)動波形

圖7所示為DC／DC變換器最終輸出的350V直流電壓波形和光伏組件的輸出電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)方案具有可行性和合理性，適合于實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)束語

圖7 DC－DC變換器輸出電壓

本文主要介紹了戶用型光伏供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)戶用型光伏供電系統(tǒng)的性能要求，采用帶高頻隔離變壓器的推挽正激電路作為系統(tǒng)DC／DC變換器的主電路，解決了傳統(tǒng)推挽電路中變壓器磁芯偏磁以及功率開關(guān)應(yīng)力過高的問題。同時(shí)，在擾動觀察法的基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，預(yù)測下一采樣時(shí)刻的光伏陣列輸出功率，及時(shí)改變擾動方向，在提高跟蹤速度的基礎(chǔ)上，兼顧系統(tǒng)的控制精度，減少功率損耗。改進(jìn)后的算法能夠彌補(bǔ)常規(guī)擾動觀察法的不足，成倍提高系統(tǒng)的跟蹤速度，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，達(dá)到快速、穩(wěn)定、精確的MPPT控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案切實(shí)可行，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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