節(jié)能光伏系統(tǒng)雙向DC變換裝置設(shè)計與研究

李中望

摘要：隨著新能源汽車的大量使用，越來越多的光伏充電站涌現(xiàn)出來，雙向DC變換裝置是其中重要的組成部分，目前應(yīng)用的包括Buck-Boost式、Cuk式等等。經(jīng)過合理地設(shè)置，通過控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比，來改變系統(tǒng)輸出阻抗，最終完成最大功率跟蹤控制。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng);DC變換;充電

0 ?引言

在能源供應(yīng)日趨緊張和全球氣候變暖因素的大背景下，太陽能的應(yīng)用越來越廣泛。該種資源取之不盡，用之不竭，是一種最具代表性的可再生能源，同時它的應(yīng)用對生態(tài)環(huán)境也沒有負(fù)面影響。目前，世界各國都在不斷深入推進太陽能技術(shù)的應(yīng)用。我國擁有豐富的太陽能資源，因此，太陽能應(yīng)用技術(shù)的研究具有相當(dāng)廣闊的前景。

根據(jù)A.E.貝克勒爾提出的光生伏打效應(yīng)，陸續(xù)生產(chǎn)出一系列包括光伏電池在內(nèi)的光伏器件。應(yīng)用太陽能電池實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（輻射能轉(zhuǎn)化為電能）的發(fā)電系統(tǒng)稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)。一套完整的節(jié)能光伏系統(tǒng)（以新能源汽車的光伏充電站為例）的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光伏充電站可以用于新能源汽車的充電，儲能設(shè)備目前主要包括超級電容、蓄電池模塊以及飛輪等等。目前，在控制過程中，應(yīng)用單片機為主控芯片，通過軟、硬件的合理設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)整體集成度的提高，減小了系統(tǒng)的體積，可靠性也得到有效的提升。當(dāng)前存在的主要問題是效率問題，具體來看，首先是光伏電池能量轉(zhuǎn)化的效率不高，一般進行光電轉(zhuǎn)換只有不到15%的效率;而如果想最終實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，需要引入并網(wǎng)逆變器，用來將光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)需要的交流電。顯然，逆變器的效率無法達到100%，因此，整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的總效率大概只能維持在10%左右。為了克服上述問題，一方面是持續(xù)研發(fā)轉(zhuǎn)換效率更高的光伏電池，另外，從系統(tǒng)控制層面出發(fā)，完成光伏電池的輸出功率的最大化。光伏電池在使用過程中，時刻受到外界溫度、光照強度以及加帶負(fù)載的影響，對于不同的外界條件，光伏電池最大功率點也在發(fā)生著變化，實現(xiàn)準(zhǔn)確的跟蹤就能時時刻刻獲得光伏電池的最優(yōu)工況，完成能量轉(zhuǎn)換的最大化。

光伏電池輸出功率可以通過圖2電路進行測量。輸出功率的表達式如式（1）所示。

由公式（1）可知，光伏電池的輸出阻抗等于負(fù)載阻抗時，可以獲得最大的輸出功率。因此，追求光伏電池的最大功率點實質(zhì)上就是對系統(tǒng)負(fù)載阻抗和光伏電池輸出阻抗進行合理匹配。一般情況下，實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，可以通過采用不同的控制方式（開環(huán)控制和閉環(huán)控制），前者控制起來比較簡單，但是過于依賴光伏電池的固有輸出特性，從實踐層面上，只能實現(xiàn)近似的跟蹤，效率不高。針對這種情況，考慮引入負(fù)反饋技術(shù)，采用閉環(huán)控制，對光伏電池的輸出電壓和輸出電流進行采集和控制，實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。其中，擾動觀察法是最常用的一種方法，即通過對光伏電池的電壓以及電流進行擾動，觀察光伏電池不斷波動的輸出功率，通過比較擾動前后的功率，合理調(diào)整擾動方向，使電池工作在最大功率點。

在實際設(shè)計中，光伏電池的內(nèi)阻往往不受光照強度的單一影響，外界的溫度和帶載的情況同樣對其產(chǎn)生影響，因此，電池內(nèi)阻實際上是一個變量，在這種情況下，獲得最大輸出功率的過程就會比較復(fù)雜。我們在光伏電池和系統(tǒng)負(fù)載之間設(shè)置DC/DC變換裝置，通過控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比，改變系統(tǒng)輸出阻抗，經(jīng)過合適地調(diào)整、控制后，最終完成最大功率跟蹤控制。

在光伏系統(tǒng)中，DC/DC變換裝置承擔(dān)了電能變換的關(guān)鍵功能，電路結(jié)構(gòu)包括Boost（升壓式）、Buck（降壓式）、Cuk（庫克式）、Buck-Boost（升降壓式）等。其中，Boost實現(xiàn)升壓，輸出電壓平均值大于輸入電壓，輸出與輸入的電壓極性一致。本裝置無法降壓只能實現(xiàn)升壓，電流波動性方面，輸入波動小，而輸出的波動較大;裝置結(jié)構(gòu)簡單，常用于直流電壓的升壓，家用液晶電視的背光電源經(jīng)常采用此種裝置。Buck電路可以實現(xiàn)降壓功能，但不能升壓。輸入和輸出電壓的極性一致，電流波動性方面，輸入波動大，輸出波動小，結(jié)構(gòu)比較簡單，擁有比較好的動態(tài)特性。而Buck-Boost電路充分融合了以上電路的優(yōu)點，同時具備升壓和降壓功能，輸出和輸入的極性相反。Cuk電路本質(zhì)為斬波器（升壓或降壓），輸出電壓和輸入電壓極性相反，從結(jié)構(gòu)上看，輸入回路和輸出回路都有電感的存在，因此電量脈動較小，可以在許多特定場合使用。目前在光伏領(lǐng)域一般采用的DC/DC變換裝置為Buck-Boost式和Cuk式。兩者的特點各不相同。

我們以Buck-Boost電路為例，進行原理分析，相應(yīng)電路如圖3所示。

1 ?VT導(dǎo)通區(qū)間

當(dāng)VT管導(dǎo)通時，電源Uc電壓全部加到電感L兩側(cè)，流經(jīng)電感的電流iL呈線性增長，電路中的二極管由于陰極承受高電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，電容C作為電源給負(fù)載供電。當(dāng)t=ton時，電感電流iL增長至最大值iLmax，增加量記為ΔiL （1）：

其中，T為觸發(fā)脈沖周期，ρ為占空比。

2 ?VT關(guān)斷區(qū)間

當(dāng)VT管關(guān)斷時，二極管將導(dǎo)通，電源與電感之間的線路被切斷，電流iL將借助二極管續(xù)流。在VT導(dǎo)通區(qū)間L積累的能量將通過續(xù)流二極管向電容C和電阻R遷移。電感電流iL將線性減小直至到0，減小量記為ΔiL （2）：

在穩(wěn)定工作的前提下，每個周期中，VT導(dǎo)通時，電感電流增加量與VT截止時電感電流減小量恒等。DC/DC變換裝置的設(shè)計已經(jīng)歷三個發(fā)展階段，第一階段是采用單向DC/DC變換器實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，第二階段采用兩重單向DC-DC變換裝置復(fù)合實現(xiàn)能量雙向傳遞，當(dāng)前，我們設(shè)計的雙向DC/DC變換裝置可以很容易地實現(xiàn)能量的傳遞（雙向），如圖4所示。

高性能DC/DC變換裝置目前在包括新能源汽車在內(nèi)的各領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)、半導(dǎo)體封裝技術(shù)的不斷提高，變換裝置的轉(zhuǎn)換效率比以前更高，應(yīng)用也更加簡便。DC/DC變換裝置的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)工作性能，因此，對于它的研究具有非常重要的意義。

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