基于互鎖驅(qū)動(dòng)方式的光電互補(bǔ)系統(tǒng)

盧剛菊， 胡天友， 張子英， 張文合

(電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

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基于互鎖驅(qū)動(dòng)方式的光電互補(bǔ)系統(tǒng)

盧剛菊， 胡天友， 張子英， 張文合

(電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

在使用多輸入變換器作為主電路的光電聯(lián)合供電系統(tǒng)中，采用現(xiàn)有的能量管理策略并利用交錯(cuò)雙邊沿脈寬調(diào)制方式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)光伏與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)工作并克服了光電聯(lián)合供電系統(tǒng)中的一主要問(wèn)題，即在光伏電池與電網(wǎng)同時(shí)供電時(shí)，電網(wǎng)電流會(huì)通過(guò)光伏電池板使測(cè)得的光伏電池板電流比實(shí)際值大，導(dǎo)致光伏電池板的最大功率跟蹤失敗。針對(duì)此問(wèn)題，提出了另外一種新的驅(qū)動(dòng)方式——互鎖，該方式不僅能解決該問(wèn)題還能使系統(tǒng)電流脈動(dòng)小。從理論上分析了互鎖驅(qū)動(dòng)方式的調(diào)制效果，并與交錯(cuò)雙邊沿調(diào)制的效果進(jìn)行了比較，然后利用Matlab/Simulink建立互鎖模型，仿真驗(yàn)證了互鎖方法的有效性。

聯(lián)合供電系統(tǒng)； 多輸入變換器； 交錯(cuò)雙沿調(diào)制； 互鎖

0 引 言

單獨(dú)使用太陽(yáng)能的局限性很大，它往往需要其他能源作補(bǔ)充[1-2]，光電聯(lián)合供電有很大的應(yīng)用潛力。很多電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能量管理策略[3-4]不斷被提出。然而在采用多輸入變換器的光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，以雙輸入Buck變換器為例：當(dāng)兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)會(huì)影響到對(duì)光伏電流的測(cè)量，進(jìn)而影響光伏最大功率跟蹤，采用交錯(cuò)雙邊沿PWM驅(qū)動(dòng)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題[5-6]。本文提出一種互鎖驅(qū)動(dòng)方式，采用這種方式也可以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并且電流波動(dòng)很小而且更加平滑。

1 基于雙Buck的供電系統(tǒng)

1.1 主電路拓?fù)?/p>

采用雙輸入Buck變換器做為主電路[7-8]，其原理圖見(jiàn)圖1。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：① 穩(wěn)定輸出電壓；② 分配電源的功率，太陽(yáng)能優(yōu)先。

圖1 雙Buck電路拓?fù)湓韴D

下面介紹其工作原理。根據(jù)2個(gè)開關(guān)管的開通狀態(tài)可以分為下面4種情況：

(1)Q1導(dǎo)通，Q2截止，Uin1單獨(dú)向負(fù)載供電，VD2始終導(dǎo)通，Uin1、Q1、VD1、Lf、Cf和RLd相當(dāng)于一個(gè)Buck變換器；

(2)Q1截至，Q2導(dǎo)通，Uin2單獨(dú)向負(fù)載供電，VD1始終導(dǎo)通，Uin2、Q2、VD2、Lf、Cf和RLd又相當(dāng)于一個(gè)Buck變換；

(3)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，Uin1和Uin2串聯(lián)向負(fù)載供電，此時(shí)整個(gè)電路相當(dāng)于一個(gè)Buck變換器；

(4)Q1和Q2同時(shí)截止，Lf通過(guò)VD1、VD2續(xù)流向負(fù)載供電。

1.2 工作模式分析

根據(jù)負(fù)載情況系統(tǒng)工作在兩種模式[9]：

模式Ⅰ：Po>P1max，太陽(yáng)能功率不足，需要電網(wǎng)補(bǔ)充；太陽(yáng)能以最大功率輸出；

模式Ⅱ：Po

其中，Po、P1max分別為負(fù)載功率和太陽(yáng)能功率。

2 互鎖驅(qū)動(dòng)方式分析

互鎖，就是兩路PWM波互相鎖定，在同一時(shí)刻只允許一路PWM輸出，即在PWM1輸出時(shí)，通過(guò)邏輯門強(qiáng)制使得PWM2輸出為無(wú)效；同理，在PWM2輸出時(shí)，強(qiáng)制PWM1輸出為無(wú)效[10-11]。PWM1和PWM2在利用互鎖驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)該選擇不同的頻率。

2.1 PWM1和PWM2的頻率不同

為了清楚說(shuō)明其控制過(guò)程，本文設(shè)定實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟蹤的Q1管驅(qū)動(dòng)PWM1采用相對(duì)較低的頻率，而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的Q2管的PWM2則采用較高的頻率。鎖定方式為：在PWM1信號(hào)為高電平時(shí)，通過(guò)邏輯電路控制PWM2為低電平；PWM1為低電平時(shí)，PWM2則正常工作，見(jiàn)圖2。

圖2 鎖定方式驅(qū)動(dòng)信號(hào)

分析可知，鎖定方式與交錯(cuò)雙邊沿PWM調(diào)制技術(shù)效果是一樣的。下面進(jìn)行理論分析：交錯(cuò)雙邊沿PWM波形見(jiàn)圖3。采用交錯(cuò)雙邊沿PWM技術(shù)在一個(gè)周期T1內(nèi)，電網(wǎng)提供的能量為

(1)

圖3 交錯(cuò)雙邊沿PWM波形

理想情況下，采用鎖定方式在PWM1的1個(gè)周期T1內(nèi)，電網(wǎng)提供的能量為

(2)

負(fù)載需要的能量是不變的，因此

W1=W2

由式(1)和式(2)可知：

(3)

表明在T1周期內(nèi)，Q1管開通時(shí)間不變，Q2管采用兩種方法的開通時(shí)間是相等的，提供相同的能量，因此兩者效果一樣[12-13]。

2.2 PWM1和PWM2的頻率相同

PWM1和PWM2頻率相等時(shí)，可以分析其與交錯(cuò)雙邊沿調(diào)制PWM波是一樣的[14]，下面分析原因。

如圖4所示，兩者頻率相同，模式Ⅰ中，需要電網(wǎng)補(bǔ)充能量，1個(gè)周期內(nèi)補(bǔ)充能量為：

圖4 頻率相同時(shí)的PWM波形

但由于PWM1的作用，電網(wǎng)實(shí)際的輸出能量為：

顯然電網(wǎng)補(bǔ)充的能量不夠，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)增加電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)占空比,直到滿足dTon=Ton2-Ton1。另外，由文獻(xiàn)[6]可知，在

時(shí)，必定滿足：

因此兩者頻率相同時(shí)，其實(shí)是文獻(xiàn)[6]中提出的交錯(cuò)雙邊沿驅(qū)動(dòng)的另一種實(shí)現(xiàn)形式而已。

3 采用互鎖驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用Matlab/Simulink建模仿真主要參數(shù)指標(biāo)如下：

(1) 太陽(yáng)能電池板開路電壓150 V，短路電流16 A，最大功率2.025 kW；光強(qiáng)1.0 kW/m2，溫度25 °C；

(2) 市電為單相220 V/50 Hz；

(3) 輸出電壓要求為120 V(±2%)；負(fù)載額定功率2.88 kW。

圖5給出了仿真模型圖[15]，圖6給出了采用互鎖驅(qū)動(dòng)方式后的系統(tǒng)模式Ⅰ的波形，圖(a)為太陽(yáng)能電壓Upv(中)、電流Ipv(上)和功率Ppv(下)波形；圖(b)為負(fù)載電壓波形；圖(c)為驅(qū)動(dòng)和光伏電流波形；圖7給出了未采用防止兩管同時(shí)導(dǎo)通措施時(shí)的系統(tǒng)模式Ⅰ下的波形。

圖5 Simulink模型圖

4 結(jié) 語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在基于雙Buck的光伏與市電聯(lián)合供電的系統(tǒng)中，不采用防止兩管同時(shí)導(dǎo)通措施時(shí)，系統(tǒng)會(huì)非常不穩(wěn)定(見(jiàn)圖7)。從圖6可以看到，采用互鎖驅(qū)動(dòng)方式可以使系統(tǒng)很穩(wěn)定地工作，最大功率跟蹤非常準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的，電流相對(duì)于采用交錯(cuò)雙邊沿驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，波動(dòng)小而且比較平緩。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性。

(a)太陽(yáng)能Upv、Ipv、Ppv波形

(b)負(fù)載電壓波形

(c)驅(qū)動(dòng)和Ipv波形圖6 系統(tǒng)波形

圖7 未采用任何措施時(shí)的系統(tǒng)波形

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Research of Hybrid Power System Composed of Photovoltaic and Commercial Power Based on Inter-lock PWM

LUGang-ju，HUTian-you，ZHANGZi-ying，ZHANGWen-he

(University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 611731, China)

The hybrid power system based on multi-input converter can work under suitable mode with power management strategy which has been put forward and interleaved dual-edge modulation PWM. It also can solve a major problem that the track of maximum power fails when photovoltaic cells and the commercial power supply are load at the same time. Now a new drive method is put forward-inter-lock. This method can not only solve the problem, but also have low fluctuation of the system current. The paper theoretically analyzes the modulation effects of inter-lock drive, and compares it with dual-edge modulation PWM. Then Matlab/Simulink is used to establish inter-locking model and simulate It verifies the effectiveness of inter-lock driving method.

hybrid power system； multi-input converter； interleaved dual-edge modulation； inter-lock

2014-07-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(61106107)

盧剛菊(1991-)，女，貴州遵義人，碩士生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。Tel.:15196604179;E-mail:x_julucky@126.com

胡天友(1955-)，男，四川成都人，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

Tel.:13808185978;E-mail:hutianyou138@sina.com

TM 615

A

1006-7167(2015)05-0052-03