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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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利用CUK和SEPIC变换器拓扑结构改善可再生能源并网电能质量的新方法

K总监1, M.KarunaKaran2和Dr.C.Kumar3.
  1. PG学者，SKP工程师。印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦纳马莱大学
  2. 研究学者，AP/EEE, SKP工程印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦纳马莱大学
  3. SKP工程部学术总监印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦纳马莱大学
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文提出了利用CUK和SEPIC转换器集成混合可再生能源。在现有的可再生能源中，风能和光伏发电因其丰富性和可持续性而被广泛利用，在风能和光伏电力调节系统中，接口转换器系统作为主要部件，负责使输出与负载兼容。当引入低电压时，该系统可以有效地提高和调节所需的输出电压。近年来，SEPIC逆变器因其独特的拓扑结构而受到研究人员的广泛关注，并因其兼具降压和升压功能而被成功地提出作为替代电源转换概念。它具有经济的功率转换，高性能，元器件数量少，提高效率，提高功率因数，降低成本。

关键字
CUK变换器;SEPIC转换器;混合动力系统;可再生能源。

介绍
随着人们对全球变暖和化石燃料储量枯竭的日益关注，许多人都在寻找可持续能源解决方案，为子孙后代保护地球。除了水电，风能和光伏能源最有潜力满足我们的能源需求。单独来说，风能能够提供大量的电力，但它的存在是高度不可预测的，因为它可能一会儿在这里，一会儿就消失了。同样，太阳能全天都存在，但太阳照射水平因太阳强度和云、鸟、树等投射的不可预测的阴影而变化。风能和光伏系统共同的固有缺点是它们的间歇性使它们不可靠。然而，通过结合这两种间歇电源并结合系统的功率传输效率和可靠性可以显著提高。
世界上几乎所有地区都有这样或那样的可再生资源。由此看来，可再生能源的研究越来越受到人们的重视。太阳能和风能是两种最常用的可再生能源。风能已经成为目前最便宜的可再生能源技术，并引起了全世界科学家和教育工作者的兴趣。光伏电池将阳光中的能量转换成直流电。与其他可再生能源相比，pv具有额外的优势，它们没有噪音，几乎不需要维护。混合太阳能和风能提供了一种现实的发电形式。在利用可再生能源发电方面进行了许多研究，并在早些时候提出了许多论文。风能和太阳能系统由于其不可预测的性质而非常不可靠。在光伏板与柴油电力系统相结合的情况下，分析了燃料消耗的减少。 It was seen that the incorporation of an additional renewable source can further reduce the fuel consumption. When a source is unavailable or insufficient in meeting the load demands, the other energy source can compensate for the difference. Several hybrid wind/PV power systems with Maximum Power Point Tracking (MPPT) control have been proposed earlier. They used a separate DC/DC buck and buck- boost converter connected in fusion in the rectifier stage to perform the MPPT control for each of the renewable energy power sources. These systems have a problem that, due to the environmental factors influencing the wind turbine generator, high frequency current harmonics are injected into it. Buck and buck-boost converters do not have the capability to eliminate these harmonics. So the system requires passive input filters to remove it, making the system more bulky and expensive.

示意图表示
采用Cuk和Sepic转换器拓扑的可再生能源并网方案如图所示。
A.PV数组
光伏阵列由许多串联或并联的太阳能电池[8]组成。每个太阳能电池是由一个PN结半导体组成，它可以通过光伏效应产生电流。不同日照条件下光伏阵列典型输出功率特性曲线如图2所示。可以看出，每条功率特性曲线上都存在一个最大功率点。因此，要充分利用光伏阵列的最大输出功率。
B.WIND涡轮
在各类风力发电机中，可靠性和效率较高的永磁同步风力发电机是首选[13]-[16]。
的力量P风的风可以推导为
方程(1）
其中ρ是空气密度(kg/m)， A是面积(m)扫ty风叶片，V风为风速(m/s)。已经证明，风力涡轮机的能量转换效率Cp是叶尖速比λ的函数提示，定义为
方程（2）
其中ωr为风机叶片转速(rad/sec)，为风机叶片扫过面积的半径。Cp对λ的典型曲线提示如图所示，只有在特定的叶尖速比下，Cp才会达到最大值。由于风速不是恒定的，所以风力机的转速必须是可调的，以保证一个恒定的叶尖速比来获得最大的Cp。风力机输出电流的变化会引起转速的变化，同时也会引起λ提示改变。因为Cp是λ的函数提示时，风力机的输出功率也会发生变化。因此，通过控制风力机的输出电流，可以调节风力机叶片的转速，达到合适的叶尖速比。最终可以得到Cp的最大值，并将最大功率从气流传递给风力机，产生最大功率。
C.CONVERTER拓扑
1.CUK转换器:
Cuk变换器是一种DC-DC变换器，其输出电压值大于或小于输入电压值。Cuk变换器实际上是升压变换器和降压变换器的级联组合。电压增益由方程给出
Vo= - Vin(D/(1-D))
非隔离Cuk转换器包括两个电感、两个电容、一个开关(通常是一个晶体管)和一个二极管。其原理图如图1所示。这是一个逆变变换器，所以输出电压相对于输入电压是负的。
电容器C用于传递能量，并通过晶体管和二极管的换相交替连接到转换器的输入和输出。
两个电感L1和L2分别用于将输入电压源(Vi)和输出电压源(Co)转换为电流源。事实上，在短时间内，电感可以被认为是电流源，因为它保持恒定的电流。这种转换是必要的，因为如果电容器直接连接到电压源，电流只会受到(寄生)电阻的限制，导致高能量损失。用电流源(电感器)给电容器充电可以防止阻性限流及其相关的能量损失。
2.SEPIC转换器:
单端初级电感变换器(SEPIC)是一种DC-DC变换器，允许其输出端的电势(电压)大于、小于或等于其输入端的电势(电压);SEPIC的输出由控制晶体管的占空比控制。
SEPIC类似于传统的buckboost变换器，但优点是具有非反向输出(输出具有与输入相同的电压极性)，使用串联电容器将能量从输入耦合到输出(因此可以更优雅地响应短路输出)，并且能够真正关机:当开关关闭时，其输出下降到0v，随后是相当大的瞬态电荷转储。
基本SEPIC的原理图如图2所示。与其他开关模式电源(特别是DC-to-DC转换器)一样，SEPIC在电容器和电感器之间交换能量，以便从一个电压转换到另一个电压。交换的能量由开关S1控制，这通常是一个晶体管，如MOSFET;与双极结晶体管(BJTs)相比，MOSFET提供更高的输入阻抗和更低的压降，并且不需要偏置电阻(因为MOSFET的开关是由电压差异控制的，而不是像BJTs那样由电流控制)。
图像

结果与讨论
在本节中，给出了仿真结果，以验证所提出的cuk和SEPIC输出级可以支持单独和同时运行。在这里，我们得到集成风力和光伏电路的最大输出为500V DC。
在这里，我们得到了CUK和SEPIC转换器的输出与集成逆变器

结论
本文提出了一种用于风能/太阳能混合发电系统的多输入CUK-SEPIC整流级。
该电路的特点是:
1)不需要额外的输入滤波器来滤除高频谐波;
2)两种可再生能源都可以增加/减少(支持广泛的光伏和风能输入);
3)每个源都可以实现MPPT;
4)支持单独操作和同时操作。
文中介绍了该逆变器的工作原理，并对其进行了实际应用验证。仿真结果验证了该拓扑结构的特点。

数字一览
数字 数字 数字 数字
图1 图2 图3 图4

参考文献










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