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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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并网光伏发电系统的高升压变换器

C.Ramya1, M.Benazir1和B.Priya2
  1. 研究生[PED]，印度泰米尔纳德邦，坦贾维尔，国王工程学院，电子电气工程系
  2. 印度泰米尔纳德邦坦贾维尔国王工程学院电子电气工程系助理教授
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摘要

提出了一种用于并网光伏发电系统的高升压变换器。提出了一种不对称交织技术，实现了高效率的高升压增益。高升压变换器采用交错模式的升压变换器和一个耦合电感来提高升压比。交错技术将转换器并联连接以共享功率流，从而减小了电感和电容器的尺寸、重量和体积。该变换器在不使用高占空比的情况下，通过电感和变换器的耦合实现了高升压转换比。升压转换器放置在第一阶段，以实现更高的电压转换比。这种两相形成用于降低电流应力、电流纹波和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的传导损耗。由于漏电感被回收到输出端，因此转换效率高。这种光伏应用的主要要求是发电机和负载的小波纹以及高电压转换率。

关键字
升压变换器，MOSFET，耦合电感，光伏系统。

介绍
由于汽油、柴油等不可再生能源日益减少，能源危机在大多数国家都是一个重要问题，因此可再生能源吸引了人们对发电的兴趣。在可再生能源中，太阳能的吸引力较大，因为它与其他可再生能源相比具有更大的优势，如面积的选择不复杂，系统既可以作为孤立系统运行，也可以作为一个整体系统的一部分接入电网，它没有活动部件;它使用寿命长，维护要求低，最重要的是，它是一种提供环保电力的解决方案。光伏系统需要一个电力电子接口与电网相连。最常用的dc/dc转换器是升压转换器，它提供可接受的电压转换比，也要求电源[1]提供连续电流。光伏应用所要求的特性是注入电源的纹波电流小，转换效率高。在光伏发电的情况下，电流纹波影响发电，因为它在最大功率点(MPP)周围产生振荡，减少了从光伏发电机[9]提取的能量。这些特性使升压变换器成为光伏系统接口的理想选择。此外，它需要在发电机和电源转换器之间进行滤波，这也增加了系统的功率损耗、尺寸、重量、成本和顺序。另一种减小变换器输入电流纹波的方法是采用交错结构。
交错技术将dc/dc转换器并联起来，在两个或多个转换链之间共享功率流。然而，传统的交错变换器存在一些缺点，如为了获得高增益而使占空比极大，从而增加了电流纹波、导通损耗和关断损耗。然后，开关电压应力高，输出二极管反向恢复问题非常严重，这会引起额外的电压和电流应力和损耗，并且电磁干扰(EMI)噪声非常严重。为了提高电压增益，交错结构可以与变压器或电感器一起使用。交错变换器能够在不改变PWM技术(只需要移相)和升压变换器[12]-[15]电路理论的情况下减小输出电流纹波。当占空比高时，理论上电压增益是无限的。因此，随着占空比(D)的增加，开关导通周期变长，导致导通损耗增加。单开关升压变换器的额定功率限制为开关额定[12]。交错并联拓扑是增加功率和减少输入电流纹波的解决方案，允许使用较低额定功率的开关。

提出系统模型和假设
图1显示了所提出的具有电压倍增器单元的不对称交错变换器的电路结构。该变换器的电压乘法器模块由耦合电感、传统升压变换器和升压电容器[20]组成。这个电容器提供了一个额外的电压转换比。耦合电感的漏能被回收到输出电容中，耦合电感的匝数比可以通过设计来增大电压增益。可调节乘法器的数量以获得所需的占空比;更高的升压速率很容易从电压倍增器[13]获得。耦合电感的耦合系数用“。”表示。和“*”。耦合电感等效电路包括磁化电感Lm、Lk。该变换器由直流输入电压Vin、两个电源开关S1和S2、四个二极管D1、D2、D3、D4和四个电容器C1、C2、C3、Cb组成。偶联电感匝一次绕组为Np1，匝次绕组为Ns2。
提出的系统优点有
1)该变换器具有输入电流纹波小、导通损耗小的特点，适用于大功率应用;
2)变换器实现了可再生能源系统的高升压增益。
3)漏电能量被再利用并送到输出端，缓解了主开关上的大电压尖峰
4)变换器主开关电压应力明显低于输出电压应力。

工作原理
电压倍增器是一种电路，它将电力从低电压转换为高电压。模块，其堆叠在升压变换器上，形成不对称的交错结构[14]。采用ns匝的耦合电感初级绕组串联以减小输入电流纹波，ns匝的耦合电感次级绕组串联以扩大电压增益。耦合电感的匝数比是相同的。
所提出的变换器工作在连续导通模式(CCM)下，并且功率开关在稳定工作时的占空比与180◅相移交错;占空比大于0.5传统的交错升压变换器[15]。输入侧采用交错结构，减小输入电流纹波，提高功率水平。
电压倍增器单元放置在输出侧，以实现高升压增益并简化电路结构。此外，开关电压应力随耦合电感匝数比的增大而减小。输出电压随负载漂移而变化，检测到的反馈信号经比例积分控制器处理，内部比较器产生相移180°的交错PWM。该变换器在一个开关周期内的关键稳定波形包含6种模式

操作方式
模型1 [0,t1]
在t= 0时，S1和S2两个开关都打开，所有二极管都反向偏置。磁化电感器Lm1、Lm2和漏电电感器slk1、Lk2由输入电压源evin线性充电，电路如图2所示。
模式2 [t1, t2]
在t= t1时，电源开关s2断开，因此二极管D2和d4导通。储存在磁化电感Lm2中的能量被转移到二次侧，这给输出滤波电容器C3充电。输入电压源、磁化电感Lm2、漏电电感lk2和升压电容Cb通过二极管D2向输出滤波电容c1释放能量，从而延长c1电压。电路如图2 (b)所示。
模式3 [t 2, t 3]
在t=t2时，泄漏电感Lk2的总能量已完全释放到输出滤波电容C1，二极管D2自动关闭，因此二极管中没有反向恢复问题。磁化电感Lm2通过二极管D4将能量转移到充电输出滤波电容C3的二次侧，直到t3。电路如图2(c)所示。
模式4 [t 3, t 4]
在t= t3时，电源开关S2打开，所有二极管都反向偏置。磁感和漏感随输入电压Vin线性充电。电路如图2 (d)所示。这种模式4类似于模式1。
模式5 [t 4, t 5]
在t=t4时，电源开关S1断开，接通二极管D1和D3。存储在充磁电感Lm1中的能量被转移到对输出滤波电容器C2进行二次侧充电。输入电压源和磁化电感Lm1通过二极管D1向升压电容器Cb释放能量，后者将多余的能量储存在Cb中。这种操作模式如图2所示。(e)
模式6 [t 5, t 0]
在t = t5时，泄漏电感Lk1的总能量已完全释放到升压电容Cb，因此二极管D1自动关断。磁化电感Lm1通过二极管D3将能量转移到对输出滤波电容器C2充电的二次侧，直到0。

仿真结果及讨论
在MATLAB软件中对电路进行了仿真。高升压变换器的电路仿真和输出波形分别如图3和图4所示，所提出的高升压变换器在输入40v时输出380v。所提变换器的仿真结果如图4所示。
所提出的高升压变换器功能是基于元件的选择和耦合电感的设计，耦合电感的一次漏电电感的值设置得尽可能接近，以保证电流共享性能。占空比为0.6时，匝数比n = 1时电压增益为10，匝数比n = 5时增益为10。在Po=400W时，变换器的转换效率为96.8%，在最大输出功率下，变换器的转换效率约为96.1%。将所提出的变换器的性能与[13]和[14]中引入的其他交错变换器进行比较，如表2所示。

结论
本文介绍了该转换器的拓扑原理，并给出了仿真结果。该变换器通过电压乘法器模块和电压钳位特性成功实现了高效的高升压转换，没有极端占空比和多个匝比。交错脉宽调制方案减少了通过每个电源开关的电流，并将输入电流纹波限制了约6%。实验结果表明，漏电能量通过电容Cb回收到输出端。电源开关上的电压应力被限制在远低于输出电压(380V)的水平。这些开关，传导到低额定电压和低导通状态电阻MOSFET，可以选择。从上述工作来看，主要挑战如下:
1)如何延长电压增益，如何避免极端占空比以减小电流纹波;
2)如何降低开关电压，使低压mosfet可用，以降低功率器件成本和导通损耗;
3)如何实现软开关性能，降低开关损耗;
4)如何缓解输出二极管反向恢复问题，减少反向恢复损耗。

表格一览
表的图标 表的图标
表1 表2

数字一览


数字 数字 数字 数字 数字
图1 图2一个 图2 b 图2 c 图2 d
数字 数字 数字 数字
图2 e 图2 f 图3 图4

参考文献















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