双有源桥式直流配电系统太阳能功率优化器的设计与实现

C Anusuya¹， S.Venkatasubramanian先生²

PG学者，Sri Sairam工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度
助理教授，Sri Sairam工程学院，金奈，泰米尔纳德，印度

摘要

本文提出了一种高阶跃太阳能功率优化器(SPO)，该优化器可有效地从光伏(PV)板中获取最大能量，然后将能量输出到直流微电网。现有结构集成了耦合电感和开关电容技术，以实现高升压增益。该系统增强了双有源电桥的特点和跟踪最大功率和提高输入功率的摄动观测算法。光伏能量被收集并给予双有源桥电路，在那里它可以使用线性变压器高度加强。线性变压器的匝数比为1:4，这个输出又被送到换流桥上。换流器将交流电转换为直流电。这个直流电源作为直流配电系统的输入。该方法效率高，易于实现。用于实现的组件数量也少于现有系统。采用MATLAB/ SIMULINK软件对不同太阳能电池板功率下的双有源桥进行了仿真。指标术语-双有源电桥，最大功率点跟踪算法，光伏板

关键字

双主动式电桥，最大功率点跟踪算法，光伏板

我的介绍。

化石燃料持续枯竭，它们的使用导致了气候变化，这是一个每年都变得更加严重的问题。一个光伏发电系统,它使用可再生资源,被广泛应用于应急设施和发电的大规模使用传统的光伏发电系统是一个或多字符串光伏阵列,连接到一个或多个中央pv众多系列连接光伏模块连接的光伏阵列实现的直流环节电压足以被连接到电连接到电力通过DC AC逆变器。然而，由阴影效应引起的功率降低是集中式光伏系统不可避免的问题。微型逆变器或交流模块的使用最近被提出用于单个光伏电池板。虽然这种离散光伏发电解决方案可以部分消除阴影问题，但微型逆变器结构限制了系统能量的收集效率，并需要较高的成本。

开发了太阳能功率优化器(SPO)作为替代方案，以最大限度地从每个单独的光伏模块收集能量。SPO被用作具有最大功率点跟踪(MPPT)的dc-dc转换器，它将光伏板电压提高到直流微电网连接或通过dc-dc逆变器发电的最佳电压水平。图1.1显示了单个光伏板的能量。在所有可再生能源中，光伏太阳能发电和太阳能热能具有最大的潜力，因为太阳能实际上是一种无限的资源，随处可得。

光伏组件提供的功率取决于它们的亮度、温度和阴影条件。光伏板具有非线性特性，在某一工作点有一个最大功率点(Maximum power Point, MPP)，其坐标为VMPP电压和IMPP电流。由于MPP依赖于太阳照射和电池温度，它永远不会随着时间的推移而恒定;因此，应使用最大功率点跟踪(MPPT)来跟踪其变化。

2太阳能功率优化器框图

该系统采用双有源桥作为直流-直流升压变换器的类型，用双有源桥代替耦合电感。微控制器中嵌入了扰动观察算法，方法简单，易于跟踪最大功率和平衡直流链路电压。

太阳能电池板连接双有源电桥，其电压和电流由最大功率点控制器感知。采用摄动法和观测法对最大功率点进行跟踪，获得面板的最大功率。这个最大功率被给予双有源电桥和直流负载。双有源电桥包含两个电压源全桥电路或半桥电路(甚至推挽电路)和一个高频变压器。无功网络简单地由串联到高频变压器的电感L组成;因此，DAB直接利用了变压器杂散电感。由于对称电路结构，DAB很容易实现双向功率传输。DAB的主要优点是无源元件数量少，开关电流均匀共享，并且具有软开关特性。采用DAB转换器拓扑结构，实现了高功率密度。

3双主动桥

提出了一种具有高功率密度和软开关操作的双有源桥转换器(DAB)，用于在低压电池和高压直流母线之间转换电能。它是一个DC-AC-DC变换器，允许能量在电源和负载之间传输。它是由高频变压器隔离的降压和升压双向变换器。

源端和负载端都是全桥电路，以固定频率工作。两个全桥通过高频变压器连接。全桥电路在器件中具有最小的电压和电流应力，变压器的VA额定值最小。高频变压器可以将不同的电压等级与变压器的匝比集成在一起。它还提供电气隔离，这可能是行业标准所要求的。最后，变压器的漏电电感可作为能量传递元件。在每一个循环中，一小部分来自源的能量在传输到负载之前被存储在这个泄漏电感器中。电感可以通过使用与变压器串联的外部电感器来增加。下图显示了DAB转换器的电路。DAB电路的开关以恒定频率工作。 The switches are operated at a fixed frequency and with a fixed duty cycle of 50%.

四、dab dc-dc变换器的调制策略

分析了DAB DC-DC变换器的三种调制策略

相移灯

三角调制

梯形调制

相移(PS)调制

移相调制是双有源桥式变换器中广泛应用的技术。移相操作时，变压器和变换器电感l分别施加开关频率fS和相移的矩形变压器电压vT1 (t)和vT2(t)，功率传输由移相角Ã Â相位差越大，传输的功率就越大。它由方程给出，

相移调制的实现非常简单。可以使用半桥电路产生高频变压器电压vT1 (t)和vT2 (t)。电力电子器件数量较少。缺点是当工作点与标称工作点显著不同时，高频变压器中有高水平的无功功率循环。对于相移调制，不可能直接影响变压器电流的形状，因为它取决于直流电压V1和V2以及相移Ã Â三角调制

当电压V1和V2显著不同时，使用三角调制。当变压器的匝数比为时，可以实现这种调制方法

三角形调制的开关模式如下所示

三角形调制的优点和缺点是，这种方法允许在低压侧实现ZCS，这是低开关损耗、高开关速度和低EMI所需要的。在这种方法中，低压侧开关的寄生电感被用作变换器电感l的一部分，这对于特定的变换器来说是特别有趣的，因为电感l的值很低。

五、梯形调制

当变压器的匝数比为V1≈V2/n时，可以实现梯形调制方法。梯形调制的优点是具有较好的变换器效率。这是因为全桥电路工作时占空比很大。结果在较低的RMS电流比三角调制。与相移调制相比，开关损耗更小。梯形调制的开关模式如下所示。

太阳能电池板:

太阳能电池板(光伏组件或光伏板)是一种封装的、相互连接的太阳能电池组件，也称为光伏电池。太阳能电池板可以作为一个更大的光伏系统的组件，在商业和住宅应用中产生和供应电力。由于单个太阳能电池板只能产生有限的电量，许多装置包含多个电池板。光伏系统通常包括一组太阳能电池板、一个逆变器，有时还包括电池和互连线路。

理论与构建:

太阳能电池板利用来自太阳的光能(光子)通过光伏效应来发电。模块的结构(承载)构件可以是顶层，也可以是底层。大多数模块使用基于晶圆的晶体硅电池或基于碲化镉或硅的薄膜电池。将电流从面板上带走的导线可能含有银、铜或其他导电(但一般不含磁性)过渡金属。这些电池必须通过电的方式相互连接，并与系统的其他部分相连。电池还必须防止机械损坏和受潮。大多数太阳能电池板都是刚性的，但也有基于薄膜电池的半柔性太阳能电池板。电气连接是串联进行的，以实现所需的输出电压和/或并联以提供所需的电流能力。在部分或全部遮阳的情况下，以及在夜间，可能需要单独的二极管以避免反向电流。单晶硅电池的p-n结可能具有足够的反向电流特性，而这些特性是不必要的。 Reverse currents waste power and can also lead to overheating of shaded cells. Solar cells become less efficient at higher temperatures and installers try to provide good ventilation behind solar panels. Some recent solar panel designs include concentrators in which light is focused by lenses or mirrors onto an array of smaller cells. This enables the use of cells with a high cost per unit area in a cost-effective way.

根据结构的不同，光伏板可以从一系列频率的光中产生电力，但通常不能覆盖整个太阳范围(特别是紫外线、红外线和低光或漫射光)。因此，大量入射的阳光能量被太阳能电池板浪费了，如果用单色光照明，它们可以提供更高的效率。

因此，另一种设计理念是将光分割成不同的波长范围，并将光束定向到调谐到这些范围的不同电池上。据预计，这将使效率提高50%。也有人提出使用红外光伏电池来提高效率，也许还能在夜间发电。目前在商业产品中达到的最佳阳光转化率(太阳能电池板效率)约为21%，通常低于其隔离电池的效率。太阳能电池板的能量密度是在每单位表面积的峰值功率输出方面描述的效率，通常以瓦特每平方英尺(W/ft2)的单位表示。

独立光伏系统组件光伏电池

光伏电池或光电池是一种通过光伏效应将光能转化为电能的半导体器件。如果光子的能量大于带隙，电子就会被发射出来，电子的流动就会产生电流。然而，光伏电池不同于光电二极管。在光电二极管中，光落在半导体结的n通道上并转换为电流或电压信号，但光伏电池始终是正向偏置的。

光伏模块

通常会有多个光伏组件串并联布置，以满足能源需求。市场上有不同尺寸的光伏组件(一般尺寸从60w到170W)。例如，一个典型的小型海水淡化厂需要几千瓦的电力。

Mosfet驱动器irs2110

IR2110/IR2113是高电压，高速功率MOSFET和IGBT驱动器，具有独立的高侧和低侧参考输出通道。逻辑输入兼容标准CMOS或LSTTL输出，低至3.3V逻辑。

输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，设计用于最小的驱动器交叉传导。传播延迟匹配，以简化在高频应用中的使用。浮动通道可用于驱动高侧配置的n通道功率MOSFET或IGBT，其工作电压可达500或600伏。

DsPIC33FJ32MC302/304,dsPIC33FJ64MCX02/X04 &dsPIC33FJ128MCX02/X04系统管理:

灵活的时钟选项:-外部，晶体，谐振器，内部RC -完全集成锁相环(锁相环)-极低抖动锁相环，上电定时器，振荡器启动定时器/稳定器，看门狗定时器与自己的RC振荡器故障安全时钟监视器(FSCM)，多源复位。

电源管理:

片上2.5V稳压器，时钟源之间的实时切换，空闲，睡眠和打瞌睡模式与快速唤醒

MPPT的matlab摄动观察算法(p&o)实现

Perturb & Observe算法指出，当光伏板的工作电压被一个小增量扰动时，如果由此产生的功率P的变化为正，则我们沿着MPP的方向前进，并在同一方向继续扰动。如果P是负的，我们就偏离了MPP的方向，而供给扰动的符号必须改变。

VI模拟。

MATLAB是一种高性能的技术计算语言。它在一个易于使用的环境中集成了计算、可视化和编程，其中问题和解决方案用熟悉的数学符号表示。

模拟结果固定辐射

光伏阵列。这些电流和电压波形是通过Simulink/Matlab得到的。该阵列有五个面板，这些面板已被严肃平行地排列。每个面板都是认真和平行连接。双有源电桥的输出电压为100v。

双有源电桥输出电压如图6所示。输出电压提高到400v。双有源电桥是在两组电桥之间有线性变压器。因此，100v被提升到400v，并被给予转换器。该转换器将交流电转换成直流电，然后发送到直流负载作为输入。

变量的辐射

太阳能电池板设置跟踪可变辐射使用最大功率点跟踪算法。对于不同的太阳辐射，双主动电桥的输出如下所示。当MPPT使能时，双主动桥的输出可达620w。未使能MPPT时输出为450w。

7结论

本文对太阳能功率优化器的MATLAB仿真进行了简要总结。在本项目中，最初将变化量固定为20000w/m2，然后进行模拟。针对不同的辐射，用MATLAB对输出进行了仿真。本文的结果是利用MPPT算法得到最大输出，然后进行步进。在图7的最后一节中可以清楚地显示和区分。利用MPPT算法和双有源桥电路实现了直流分布式系统的太阳能功率优化器，并验证了所获得的输出是有效的。

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