應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一種高升壓比的多級(jí)BOOST電路

陳鵬飛，楊玉杰，王 嵬，朱連成，魏 東

（1.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.國(guó)家電網(wǎng)鞍山供電公司 鞍山新能實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001）

應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一種高升壓比的多級(jí)BOOST電路

陳鵬飛1，楊玉杰1，王 嵬2，朱連成1，魏 東1

（1.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.國(guó)家電網(wǎng)鞍山供電公司 鞍山新能實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001）

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出電壓高等，本文設(shè)計(jì)一種高升壓比的BOOST變換電路。仿真實(shí)驗(yàn)證明，N級(jí)BOOST電路升壓比是單級(jí)BOOST電路的N倍；控制簡(jiǎn)單，輸出電壓快速性好，諧波失真比低，且無論各個(gè)輸入電壓源電壓相等與否，均可以通過一套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定；該電路具有低電流、電壓應(yīng)力等特點(diǎn)，有利于提高變換器效率和提高電路使用壽命。

多級(jí)BOOST電路；光伏發(fā)電系統(tǒng)；虛擬仿真

21世紀(jì)中期，光伏發(fā)電技術(shù)逐步成熟，會(huì)取代火力發(fā)電等方式，成為最主要的電能來源［1-5］。目前使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能光伏陣列輸出直流電一般為24 V，而逆變電路一般需要760～780 V的直流電壓才能保證逆變之后的交流電滿足用戶的使用需求，通過BOOST電路將24 V直流電升高三十倍以上是很困難的，所以實(shí)現(xiàn)高效率快速直流升壓已經(jīng)成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的核心部分［6-7］。如果使用電力變壓器，通過耦合電感升高電壓，不但會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，還會(huì)引起開關(guān)器件電壓應(yīng)力過高，難以得到令人滿意的電壓輸出。文獻(xiàn)［7］中為得到高升壓比，采用將BOOST變換器級(jí)聯(lián)的方法，這種方法提高了升壓比，但是成本、體積、效率卻有所變差，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將兩個(gè)BOOST升壓電路采用串聯(lián)方式簡(jiǎn)單連接，前一級(jí)升壓電壓難以維持，第二級(jí)升壓更難將前一級(jí)升壓電流保持，最終使得輸出電壓不升反降，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行困難。

綜合上述分析，本文提出一種由N個(gè)BOOST變換器相互連接，完成高升壓比持續(xù)輸出電壓的目標(biāo)，通過MATLAB仿真和數(shù)據(jù)分析，得到一種高電壓升壓比，多路輸入，開關(guān)器件電壓應(yīng)力低，低輸入電流紋波等特點(diǎn)的BOOST升壓電路［8］。

1 工作原理

以圖1所示兩級(jí)BOOST電路為基礎(chǔ)模型，經(jīng)過理論分析，提出如下假設(shè)：（1）BOOST電路中的電感電流連續(xù)，即il1、il2始終大于0。（2）電容C0、C1為無限大電容，使得電容上的電壓波形理想化，無波動(dòng)。（3）所有器件都是理想原件，沒有開通電壓損耗，沒有開通延時(shí)。（4）開關(guān)器件選擇使用交替控制，并且其觸發(fā)脈沖的占空比D＞0.5。

圖1 兩級(jí)高升壓比電路Fig.1 Two input high step-up converter

波形圖2表示為兩級(jí)BOOST電路在工作時(shí)的IGBT觸發(fā)脈沖波形、輸出電壓波形。由圖2可知，在一個(gè)工作周期中，根據(jù)IGBT開通和關(guān)斷可分為三種工作狀態(tài)，圖中的觸發(fā)脈沖信號(hào)占空比為0.7，每一種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3所示。

圖2 波形示意圖Fig.2 Main waveform

圖3 等效電路Fig.3 Equivalent circuit

（1）狀態(tài)1：由 Q1、Q2的波形可知，S1正處于通路，S2沒有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于開路，VD1的電流方向與其導(dǎo)通方向相反，處于關(guān)斷狀態(tài)。則電路可化簡(jiǎn)為圖3a所示，電感L1兩端電壓根據(jù)假設(shè)（3）的描述等于電源uin1的電壓，電流il1逐漸上升；在電感L2兩端的電壓ul2=uin2-uc1，電流il2逐漸減??；且il1、il2電流方向如圖3a所示，電容電流ic1=il2，電容C1上電壓逐漸上升。

（2）狀態(tài)2：由 Q1、Q2的波形可知，S2正處于通路，S1沒有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于開路，VD2的電流方向與其導(dǎo)通方向相反，處于關(guān)斷狀態(tài)。則電路可化簡(jiǎn)為圖3b所示，電感L2兩端電壓根據(jù)假設(shè)（3）的描述等于電源uin2的電壓，電流il2逐漸上升；在電感L1兩端的電壓ul1=uin1+uc1-u0，電流il1逐漸降低；且il1、il2電流方向如圖3b所示，電容電流ic1=il2，電容C1上電壓逐漸下降。

（3）狀態(tài)3：由 Q1、Q2的波形可知，S1、S2正處于通路，VD1、VD2電流均處于關(guān)斷狀態(tài)，電感L1兩端電壓因?yàn)殚_關(guān)原件導(dǎo)通所以等于電源uin1的電壓，同理電感L2兩端電壓也等于電源uin2的電壓，電流il1、il2在電池的作用下呈線性升高的趨勢(shì)；電容C1被短路導(dǎo)致電流ic1=0，從而電容電壓uc1保持不變。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 升壓比

通過上文對(duì)兩級(jí)BOOST電路三種工作狀態(tài)的分析，根據(jù)電感原件的伏秒平衡特點(diǎn)可知

由式（4）可得，兩級(jí)BOOST變換器輸出電壓等于兩個(gè)輸入電壓為uin1、uin2的BOOST變換器經(jīng)疊加后輸出的和電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了高升壓比的BOOST變換器，當(dāng)使用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)有uin1=uin=uin2，則輸出電壓為

其中升壓比為2/(1-D)。

2.2 輸入電流

在一個(gè)工作周期中，可分為三種工作狀態(tài)，在狀態(tài)1中，電容C1通過電源充電，充電電流等于il2，充電所需時(shí)間為一個(gè)周期中觸發(fā)脈沖高電平的時(shí)間，即(1-D)Ts；在工作狀態(tài)2中，電容C1在放電狀態(tài)，其放電電流為il1，放電所需時(shí)間等于一個(gè)周期中觸發(fā)脈沖屬于高電平的時(shí)間，即(1-D)Ts；在工作狀態(tài)3時(shí)，由于IGBT導(dǎo)通，電容C1被短路。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電流il1、il2的平均值為I1、I2，在一個(gè)工作周期中必須保證電容的充電和放電電荷相等，所以根據(jù)上述分析推出

如果在施加觸發(fā)脈沖時(shí)，將S1、S2兩個(gè)開關(guān)元件的觸發(fā)脈沖占空比調(diào)制到相同數(shù)值，易得各路輸入電流相等；當(dāng)電路中出現(xiàn)兩開關(guān)原件觸發(fā)脈沖占空比不一致的情況，設(shè)原件S1的占空比為D1，S2的占空比為D2，則輸入電流可以根據(jù)電荷守恒得出

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可以通過調(diào)節(jié)占空比D1和D2來控制電流I1和I2進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

2.3 開關(guān)管的電壓應(yīng)力

開關(guān)管的電壓應(yīng)力是指工作電壓與額定電壓的比值。在長(zhǎng)期使用過程中長(zhǎng)期出現(xiàn)高電壓應(yīng)力的情況，會(huì)縮短開關(guān)管的使用壽命，影響整個(gè)系統(tǒng)的使用安全，造成嚴(yán)重后果。設(shè)圖1中開關(guān)管S1、S2的電壓應(yīng)力等于us1和us2，二極管VD1和VD2的電壓應(yīng)力等于ud1和ud2。，則可得出

由式（11）可得，當(dāng)兩個(gè)電源uin1和uin2相等時(shí)，S1、S2和VD1在工作時(shí)所承受的電壓應(yīng)力在數(shù)值上等于輸出電壓u0的一半，VD2承受的電壓應(yīng)力等于輸出電壓。而傳統(tǒng)使用的BOOST電路中，電壓應(yīng)力均為輸出電壓u0，所以本文提出的多級(jí)BOOST電路顯著降低了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，從而使系統(tǒng)的使用壽命得到延長(zhǎng)。

3 結(jié)構(gòu)推演

3.1 升壓比

在圖1中，是典型的雙輸入兩級(jí)BOOST電路，實(shí)際工作時(shí)，可以將兩個(gè)輸入電源簡(jiǎn)化，再由結(jié)構(gòu)的推演得到一種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一路輸入多級(jí)高升壓比的直流變換器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該電路同樣進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）多級(jí)BOOST電路中的電感電流連續(xù)，即il1，il2，…，iln均始終大于0。

（2）電容C0，C1，…，Cn均為無限大電容，使得電容上的電壓波形理想化，無波動(dòng)。

（3）所有器件都是理想原件，沒有開通電壓損耗，沒有開通延時(shí)。

圖4 單輸入高升壓比變換器Fig.4 Single input high step-up converter

（4）開關(guān)器件選擇使用交替控制，且各個(gè)觸發(fā)脈沖一次相差Ts/N秒，并且脈沖的占空比D＞(1-1/N)。在理論范圍內(nèi)，開關(guān)的占空比的最大值為1，但是在實(shí)際使用時(shí)，占空比有一個(gè)明確的極限，這也限制了多級(jí)BOOST變換器的最大級(jí)數(shù)。

設(shè)第k級(jí)輸出電壓u0與輸入電壓uink的比值為 Mk，即

其中k=1,2,…,N。根據(jù)電感元件的磁勢(shì)平衡可得

如圖4的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)中，各路輸入電源電壓相等，則

由式（16）可知，在需要高升壓比的電路中，可以通過本電路實(shí)現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)BOOST電路中無法通過單純的改變占空比來實(shí)現(xiàn)的高升壓的缺點(diǎn)，適用場(chǎng)合更加廣泛。

3.2 輸入電流

假設(shè)各級(jí)輸入電流il1，il2，…，iln的平均值為I1，I2，…，In，根據(jù)電容的電荷守恒可得到：

（1）各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比相同，得

（2）各開關(guān)原件的驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比不同，得

該電路適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流變換環(huán)節(jié)，采取調(diào)解IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比這一方式即可控制輸入電流，便于進(jìn)行最大功率跟蹤調(diào)節(jié)，完成高效光伏發(fā)電過程。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

圖5為仿真模塊結(jié)構(gòu)，使用MATLAB/SIMULINK 2010a版本建立仿真模型，采用一路輸入三級(jí)升壓的BOOST變換器，輸入直流電為24 V，為達(dá)到輸出780 V直流電，經(jīng)過計(jì)算和理論分析，設(shè)三級(jí)電感 L1=L2=L3=0.6 mH，三級(jí)電容C1=C2=C3=1 μF，開關(guān)頻率 fs=100 kHz，占空比為83%。

仿真波形如圖6所示，圖7為開關(guān)管IGBT1、IGBT2、IGBT3的驅(qū)動(dòng) Q1、Q2、Q3波形，占空比為0.83。圖8a為二極管Diode1、Diode2、Diode3端電壓ud1、ud2、ud3波形變化，由圖可知，三個(gè)全控器件及二極管VD1所承受的電壓應(yīng)力約為輸出電壓u0的1/3，二極管Diode2、Diode3所承受的電壓應(yīng)力在數(shù)值上等于輸出電壓u0的2/3，在二極管處于關(guān)斷情況下，端電壓近似為輸出電壓u0的1/3，由此可得到該電路有利于降低關(guān)斷損耗，提高系統(tǒng)使用效率，由于驅(qū)動(dòng)電路Q1、Q2、Q3的占空比不完全相等，使電壓應(yīng)力與理論分析數(shù)據(jù)略有誤差；第二波形為開關(guān)管 IGBT1、IGBT2、IGBT3兩端電壓 uds1、uds2、uds3的波形；第三波形可以看出在一路輸入的三級(jí)BOOST電路中，電容C1的端電壓近似為輸出電壓的2/3。根據(jù)波形分析，輸出電壓為單級(jí)BOOST電路輸出的三倍，與上文理論分析結(jié)果保持一致。

圖5 升壓器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of step-up converter

圖6 仿真波形Fig.6 Simulation waveform

圖7 驅(qū)動(dòng)脈沖Fig.7 Drive pulse

圖8 電壓波形Fig.8 Voltage waveform

5 結(jié)論

本文在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況上進(jìn)行合理分析，提出一種單輸入高升壓比的BOOST電路，通過工作狀態(tài)理論分析，數(shù)據(jù)計(jì)算和模擬仿真，得出如下結(jié)論：（1）采用N個(gè)BOOST電路，升壓比等于N個(gè)BOOST電路效果疊加，輸出電壓高，適用于大功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)。（2）控制簡(jiǎn)單，輸出電壓快速性好，仿真實(shí)驗(yàn)中只需0.1 s就可達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，總諧波失真比僅有59.8%。（3）開關(guān)器件的電壓應(yīng)力小，提高系統(tǒng)效率，對(duì)于器件的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。

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［］［］

Highstep-upBOOSTconverterappliedinphotovoltaic powergenerationsystem

CHEN Pengfei1，YANG Yujie1，WANG Wei2，ZHU Liancheng1，WEI Dong1

（1.School of Electronic and Information Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Anshan New Energy Industrial Co Ltd，State Grid Anshan Electric Power Supply Company，Anshan 114001，China）

A non-isolated high step-up BOOST converter was proposed to solve the problems of complex photovoltaic modules and high output voltage in this paper.Experiments show that the step-up ratio of n-levels BOOST converter is N times as much as one-level BOOST circuit，the output voltage could be get faster，output voltage can be controlled easier and faster than those of the basic BOOST converter.it has low current and voltage stress，the efficiency and of the converter is improved and，the lifetime of the circuit is prolonged.

multi-levels BOOST converter；photovoltaic power generation systems；virtual simulation

February 4，2017）

TM46

A

1674-1048（2017）03-0211-07

10.13988/j.ustl.2017.03.011

2017-02-04。

陳鵬飛（1995—），男，山東濟(jì)南人。

楊玉杰（1963—），女，遼寧鞍山人，副教授。