新型多輸入升壓變換器的交錯控制研究

侯世英　陳復(fù)

摘要：在基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入升壓變換器中，由于其開關(guān)管必須同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷，因此很難實現(xiàn)對各輸入源的獨立控制.基于此，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進行改變，并采用交錯控制策略進行研究.首先對基于交錯控制的雙輸入升壓變換器的工作原理及性能進行了分析，然后通過拓撲推演得到了n路輸入的高升壓變換器.最后，進行了仿真和實驗研究，實驗結(jié)果表明：該變換器不僅具有較大的電壓增益，而且允許所有開關(guān)管不同時導(dǎo)通、不同時關(guān)斷，并且占空比不完全一致，實現(xiàn)了各輸入源的獨立控制，在新能源利用方面具有一定的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：新能源；多輸入；開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；高增益；交錯控制

中圖分類號：TM46 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0085-07

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，以及它所造成的環(huán)境污染和全球變暖等問題日益嚴重，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視.目前，應(yīng)用較多的新能源發(fā)電方式主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可永續(xù)利用的特點.但在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，每一個輸入源均需要一個DC/DC變換器與之對應(yīng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且其自身存在隨機性、間歇性、地域性、輸出非線性等局限性[1]，極大地限制了新能源聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的發(fā)展.基于上述原因，采用一個多輸入變換器（Multi-input Converter，MIC）代替多個單輸入變換器的思想逐漸形成，MIC不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實現(xiàn)能源的優(yōu)先利用，降低系統(tǒng)成本，而且允許多種性質(zhì)、幅值和特征不同的能源輸入，因此，MIC的發(fā)展受到國內(nèi)外專家學(xué)者的極大關(guān)注[2-4].

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了一些MIC拓撲.文獻[5-6]所提出的MIC結(jié)構(gòu)簡單，但在任意時刻只能有一個輸入源工作，輸入能源利用效率低.文獻[7]所提出的MIC既能實現(xiàn)多個輸入源分時供電，又能實現(xiàn)同時供電，但該變換器實質(zhì)上是將多個Boost單元并聯(lián)在輸出側(cè)，并未減少元件數(shù)量.雖然上述兩類MIC組成結(jié)構(gòu)簡單，但電壓增益與傳統(tǒng)的單輸入Boost變換器一樣，應(yīng)用場合受到了限制.隨著MIC研究的深入，同時供電型MIC種類增多，相應(yīng)的控制策略也隨之出現(xiàn)，其中交錯控制在同時供電型MIC中應(yīng)用廣泛[8-14].

文獻[15]結(jié)合開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，得到一種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的新型單開關(guān)升壓變換器，并在此基礎(chǔ)上衍生出一種新型多輸入升壓變換器[16]，該變換器開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小，降低了系統(tǒng)成本，電感電流紋波較小且連續(xù)，任何輸入電源供電時，所有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均參與工作，器件利用率及能量輸入效率高，所有開關(guān)管僅由同一信號驅(qū)動，控制簡單.但從另一方面而言，所有開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷卻帶來了一定的局限性，如不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時作為輸入源輸入時，無法實現(xiàn)各輸入源的獨立控制.本文針對文獻[16]所提多輸入升壓變換器的不足，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組合方式進行一定的改變，并采用交錯控制的方法，使其不僅保留原拓撲高增益、多路輸入、開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小、電感電流紋波小等優(yōu)點，而且允許不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時作為輸入源輸入，并易于實現(xiàn)各輸入源的獨立控制.

1雙輸入升壓變換器

1.1拓撲變形

對于另外3種情況的交錯波，可以采用相同的方法對其工作原理及輸入＼＼輸出電壓關(guān)系進行分析，得到的結(jié)果見表2.

2基于交錯控制的n輸入升壓變換器

根據(jù)文獻[15]可知，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以進行級聯(lián)組合，因此，將多個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)按圖3所示方式進行級聯(lián)得到一種新型的n路輸入升壓變換器，如圖7所示.

可以看出，在具有n個輸入源和n個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的情況下，該拓撲同樣可以滿足大小、特征、幅值不同的輸入源同時輸入，且占空比可以不同；若某輸入源為光伏輸入時，通過調(diào)節(jié)其輸入電流的參考值可以很容易地實現(xiàn)其最大功率輸出，即實現(xiàn)MPPT，提高了能源利用效率，拓展了該拓撲的應(yīng)用場合，尤其是在新能源聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用.

對兩種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入DC/DC變換器的性能特點進行比較，見表3.

由表3可知：

1） 文獻[16]所提變換器僅能進行分時供電，而本文中的多輸入變換器在同時供電下均能正常工作，充分利用了輸入源.

2） 兩種多輸入變換器輸出電壓的表達式略有不同，但均能使輸出電壓獲得較高的電壓等級，均具備高增益的特點.

3） 文獻[16]所提的變換器僅能在開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷的條件下工作，雖然控制簡單，但無法實現(xiàn)各輸入源的獨立可控；而本文中的變換器除了能在開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷的情況下工作，還能工作在開關(guān)管交錯導(dǎo)通的情況下，能很好地實現(xiàn)對各輸入源的獨立控制.

3仿真與實驗研究

3.1仿真研究

為了驗證前述理論分析的正確性，本文根據(jù)圖4所示雙輸入升壓變換器，在Matlab中搭建了仿真模型，仿真模型參數(shù)見表4.

由圖8可以看出：

1） 圖8（a），（b）和（c）所示電感電流存在一定的啟動沖擊，這是由Boost電路本身的性質(zhì)決定的，且在仿真中，由于電路參數(shù)比較理想，忽略了部分器件自身的阻抗，因而啟動沖擊電流較大.但是實際電路中，啟動沖擊電流會比仿真時小一些.

2） 交錯波占空比D1和D2分別為0.3和0.4，此時UC1和UC2及Uo的理論值分別為45.7 V，40.0 V和115.4 V，可以發(fā)現(xiàn)，圖8（d），（e）和（f）所示仿真輸出電壓與理論計算值接近，說明了前述理論分析的正確性.

3.2實驗研究

為了進一步驗證理論分析與仿真結(jié)果的正確性，在實驗室搭建雙輸入升壓電路樣機，除開關(guān)頻率變?yōu)?0 kHz外，其余電路參數(shù)與仿真模型參數(shù)基本一致.兩個開關(guān)管交錯180o導(dǎo)通，得到如圖9所示的實驗波形.

圖10為實驗樣機的實測工作效率，從圖中可以看出，變換器在不同的負載條件下，其效率曲線是變化的，且其最大工作效率大約為92.7%.

4結(jié)語

本文對多個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的連接方式進行了重新組合，在交錯控制方式下，對其雙輸入情況下的工作原理、性能特性進行了分析，并在此基礎(chǔ)上對基于交錯控制的多輸入情況進行了推衍，最后進行仿真及樣機實驗，實驗結(jié)果表明：

1） 對本文所示的多輸入DC/DC變換器采用交錯控制是可行的，且所有開關(guān)管占空比不完全一致，使各輸入源能實現(xiàn)獨立控制，拓展了應(yīng)用場合.

2） 輸出電壓等于各輸入源電壓的（1+Dn）/（1-Dn）倍之和，同樣具備了高增益的性質(zhì).

3） 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的多輸入DC/DC在同時供電情況下正常工作，未造成輸入源閑置的情況，輸入源利用率高，且各輸入源之間互不影響，非常適合于新能源聯(lián)合利用的場合.

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