二象限D(zhuǎn)C-DC變換器光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任 娟，杜 堅(jiān)，王秀娟，張爭(zhēng)鋒

(①西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610500；②北京文安科技發(fā)展有限公司，北京100083)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，太陽(yáng)能作為理想的可再生能源受到了許多國(guó)家的重視?；谔?yáng)能電池種類的不斷增多，光伏發(fā)電的投資在很大程度上得到了改善，發(fā)電效率得到了大幅度的提高，應(yīng)用范圍和市場(chǎng)規(guī)模也逐步擴(kuò)大，通過對(duì)比生物質(zhì)能、水能和風(fēng)能等幾種常見新能源，太陽(yáng)能發(fā)電具有經(jīng)濟(jì),無污染，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種二象限D(zhuǎn)C-DC變換電路，并與最大功率跟蹤電路并聯(lián)，完成對(duì)蓄電池的充放電和升降壓電路功能，以降低功率變換器的損耗，提高光伏組件的利用率。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的半橋式二象限 DC-DC變換器系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要實(shí)現(xiàn)的功能是：①完成光伏組件與直流蓄電池之間的想到連接，實(shí)現(xiàn)二者之間的升、降壓功能；②能夠?qū)χ绷餍铍姵剡M(jìn)行充、放電操作；③能夠與最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電路并聯(lián)，以降低功率變換器的損耗，提高光伏組件的利用率。

圖1 整體框架

此次設(shè)計(jì)的半橋式二象限 DC-DC變換器的控制流程如圖2所示。由圖1可知，要實(shí)現(xiàn)光伏組件、直流負(fù)載及直流蓄電池三者之間的聯(lián)系，必須先分別對(duì)光伏組件的輸出電壓、輸出電流，直流負(fù)載的負(fù)載電壓、負(fù)載電流，蓄電池的端電壓、蓄電池輸出電流信號(hào)進(jìn)行采樣和調(diào)理，然后比較光伏組件的輸出功率與負(fù)載功率的大小：若光伏組件輸出功率恰好等于負(fù)載消耗的功率（=），則系統(tǒng)處于理想工作狀態(tài)，控制電路控制雙向DC-DC變換器關(guān)斷；若光伏組件輸出功率大于負(fù)載消耗（＞），則多于的能量將儲(chǔ)存在蓄電池中，控制電路控制雙向DC-DC變換器運(yùn)行于Buck模式；若光伏組件輸出功率小于負(fù)載消耗所需功率（＜），并且滿足此時(shí)蓄電池的端電壓大于該蓄電池的最小電壓（＞），要求蓄電池放電補(bǔ)充系統(tǒng)能量，控制電路將控制雙向DC-DC變換器運(yùn)行于Boost模式[1]。

圖2 控制流程

2 各級(jí)電路設(shè)計(jì)

2.1 二象限D(zhuǎn)C-DC變換器主電路

變換器兩側(cè)電源分別是光伏組件（PV Array）及直流蓄電池，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流變換器應(yīng)具有保護(hù)系統(tǒng)中光伏組件的功能，因此在光伏組件輸入端接一個(gè)防反充二極管，作用是防止蓄電池放電時(shí)電能反向流動(dòng)，對(duì)光伏組件進(jìn)行反充電操作，造成光伏組件的損壞[3]。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)二象限D(zhuǎn)C-DC變換器主電路圖如圖3所示。

圖3 二象限D(zhuǎn)C-DC變換器主電路

二象限D(zhuǎn)C-DC變換器與最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電路并聯(lián)，開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由MPPT電路輸出，當(dāng)光伏組件輸出的電能多于負(fù)載所需的能量時(shí)，剩余能量將對(duì)直流蓄電池充電，此時(shí)變換器應(yīng)處于Buck工作模式，運(yùn)行于第一象限；當(dāng)光伏組件輸出的電能少于負(fù)載所需的能量時(shí)，要求直流蓄電池放電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中所缺少的那部分能量，此時(shí)變換器應(yīng)處于Boost工作模式，運(yùn)行于第二象限。

2.2 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

以TLP250芯片為中心的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

TLP250的管腳6輸出信號(hào)要送到MOSFET的柵極，需要經(jīng)過一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電阻R1，該電阻的作用是抑制柵極引線寄生電感產(chǎn)生的振蕩，同時(shí)該電阻也是MOSFET輸入電容的充、放電回路。其值大小應(yīng)適中，如果選擇過大，則必然造成開關(guān)速度的降低；如果選擇過小，則起不到抑制寄生振蕩的作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇120R= Ω此外，圖中電阻R2、電容C2和5 V的穩(wěn)壓管D1共同構(gòu)成了柵源負(fù)偏壓電路，負(fù)值-5 V。為提高M(jìn)OSFET的耐壓和抗干擾能力，在柵源極間并聯(lián)了一只10kΩ的電阻R3。同時(shí)為了防止柵源過電壓造成柵源氧化層擊穿，以至MOSFET永久損壞，在柵源極間并聯(lián)了一個(gè)20 V的齊納二極管。

2.3 信號(hào)采樣及調(diào)理電路

在控制電路中，對(duì)光伏組件輸出電壓、輸出電流和蓄電池端電壓、充電電流的信號(hào)采集、調(diào)整，直接影響到PWM控制波形的產(chǎn)生，因此，專門的采樣調(diào)理電路在控制電路是非常重要的。在此采用霍爾傳感器來完成電壓、電流的采樣，霍爾傳感器輸出端緊連一個(gè)電壓跟隨器，其電路形式如圖5所示。

圖5 采樣及調(diào)整電路

3 仿真及調(diào)試

調(diào)試時(shí)使用 DJK20掛件來輸出控制 MOSFET的PWM信號(hào)，調(diào)整PWM占空比為0.3。C1和 C2為470 μF，圖6中模塊設(shè)置情況為：電源側(cè) V1= 4 0V 為直流電壓源，V2= 1 2V 為直流蓄電池，功率MOSFET管的開關(guān)頻率50 kHz，占空比為0.3，的開關(guān)頻率50 kHz，占空比為0.7，儲(chǔ)能電感 Lf= 0 .16mH 。

圖6 仿真結(jié)果

降壓仿真時(shí)，設(shè)置電壓源 V1= 4 0V 處于工作狀態(tài)，而蓄電池 V2關(guān)斷，加入PWM波控制兩個(gè)MOSFET，此時(shí)的輸入電壓與輸出電壓的仿真波形如圖6（a），由圖中的波形可見開始時(shí)，輸出電壓 V2有一定的振蕩，但振蕩持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，隨后 V2波形穩(wěn)定，大小為12 V。這就驗(yàn)證了主電路能夠?qū)崿F(xiàn)降壓功能。

同理，升壓仿真時(shí)，設(shè)置電壓源 V1關(guān)斷，而蓄電池V2= 1 2V 處于放電狀態(tài)，加入 PWM波控制兩個(gè)MOSFET，此時(shí)的輸入電壓與輸出電壓的仿真波形如圖6（b），由圖中的波形可見開始時(shí)，輸出電壓 V1有一定的振蕩，但振蕩持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，隨后1V波形穩(wěn)定，大小為40 V。這就驗(yàn)證了主電路能夠?qū)崿F(xiàn)升壓功能[5]。

通過上述的仿真分析，不難看出設(shè)計(jì)的這種二象限D(zhuǎn)C-DC變換器的確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電路的升、降壓功能。由于開始時(shí)計(jì)算的電路濾波電容過小導(dǎo)致實(shí)物安裝時(shí)的調(diào)試結(jié)果沒有達(dá)到理想的效果。

利用實(shí)驗(yàn)定DJK20輸出的PWM波形對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的驗(yàn)證波形如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路的PWM

整個(gè)電壓跟隨器是以LM358集成運(yùn)放為核心，在信號(hào)處理電路中它的作用主要在于保持采樣信號(hào)原樣輸出，利用輸入電壓跟隨器輸入阻抗遠(yuǎn)大于輸出阻抗的特點(diǎn)來隔離采樣電路與主控芯片，電路緩沖。在其輸出端同樣加設(shè)了一個(gè)3.3 V的穩(wěn)壓二極管，以此來保證輸入 TMS320LF2407DSP的電壓不會(huì)超過其允許值。圖8顯示了此電壓跟隨器的波形調(diào)試結(jié)果。

圖8 電壓跟隨器調(diào)試波形

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)出了一種二象限D(zhuǎn)C-DC變換器，該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)光伏中對(duì)能量的雙向流動(dòng)，完成對(duì)蓄電池的充、放電和升、降壓電路功能。以TMS320LF2407DSP為主控芯片，根據(jù)控制電路各個(gè)部分的不同的作用，分模塊完成了整個(gè)控制電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

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