低功率光伏转换系统的转换器设计

Swapnil Zadey¹， Subroto Dutt²

M-Tech学生，RCERT，钱德拉普尔，印度
印度钱德拉普尔RCERT电气与电力系教授

摘要

太阳能转换系统是传统发电系统的一种替代方案。它没有运行成本，因为免费提供和无污染的太阳辐射。从太阳能电池阵列获得的电压是可变的，为了从太阳能电池板获得稳定的电压，需要DC-DC转换器来恒定的功率生产。主要有三种变换器，即降压、升压和降压-升压变换器，可用于增加或降低电压。介绍了一种基于PV源的移动充电电路。该系统的电路结构采用降压变换器组合PWM MPPT技术。本研究以降压转换器为充电器，为移动电池充电。输入电压通常可以从最初的(12V)下降到(5V)，并在移动电池充电所需的4.5V范围内提供一个稳压电压。

关键字

Buck转换器，MOSFET，移动充电系统，MPPT技术，光伏系统。

我的介绍。

DC-DC变换器在当今社会中被认为具有非常重要的经济意义，并且可能是少数常用在开关电源中的电子电路之一，一般广泛应用于家庭太阳能系统中，以产生所需的输出功率[6]。更复杂的应用需要电子转换器来处理来自光伏设备的电力。这些变换器可用于调节负载时的电压和电流，控制并网系统中的潮流，并主要跟踪设备[10]的最大功率点(MPP)。因此，本文试图研究光伏系统中的一种电子变换器，即Buck变换器，并为电子变换器设计人员提供一种计算实现该变换器所需元器件值的简便方法。

A. DC-DC转换器

有三种开关模式DC-DC转换器，降压，升压和降压升压。降压模式用于降低输出电压，升压模式用于增加输出电压。在降压升压模式下，输出电压可以保持比源电压高或低，但极性相反。这些转换器的最简单形式如图1、2和3所示。这些转换器由相同的组件组成，一个电感，L，一个电容器，C和一个开关，它有两种状态u = 1和u = 0。所有转换器连接到直流电源电压(无调节)Vin，并通过控制开关状态向负载电阻R提供调节电压vo。在某些情况下，负载也可能是感性的，例如直流电动机，或大约是电流负载，例如在级联配置中。为了简单起见，这里只考虑电流和电阻性负载。

B.工作原理:

DC-DC变换器的工作原理可以解释如下。在降压模式下，当开关在位置1上时，直流电源向电路供电，从而在电阻上产生输出电压。当开关位置变为0时，储存在电感和电容器中的能量将通过电阻放电。适当地控制开关位置可以使输出电压保持在低于源的期望水平。

在升压模式下，当开关位于位置1时，电路分为两部分:左边的电源为电感器充电，同时右边的电容器使用先前存储的能量维持输出电压。当开关位置变为0时，直流电源和储存在电感中的能量都将向右侧电路供电，从而提高输出电压。同样，通过控制开关顺序，输出电压可以维持在所需的水平。

最后，对于降压升压模式，开关位置1和0表示电感的充放电模式。适当控制开关顺序可以使输出电压高于或低于直流电源。由于电感器不能改变电流的方向，输出电压与直流电源相反。本文介绍了Buck变换器的设计与仿真。选择Buck转换器的原因是我们的负载是4.5V的移动电池，我们将只用一个PV模块为其充电，该模块在12 V左右运行时产生的瓦数最多。因此，我们需要一个DC/DC变换器，它可以接受较高的输入电压并将其转换为较低的输出电压。这只能由Buck转换器来完成。首先，我们将简要介绍Buck转换器的功能，然后写出它的基本方程。

2buck变换器工作原理简介

一、电路说明:

Buck转换器的基本电路如下图4所示。在这个基本电路中使用了两个开关，通常是一个受控(MOSFET)和一个不受控(二极管)，以实现从输入到输出的单向功率流。该电路也使用一个电容器和一个电感来存储和传输能量从输入到输出。它们还过滤或平滑电压和电流[10]。

2电路操作:

我们使用电感和电容器作为能量存储元件，通过连续打开和关闭开关来控制从输入到输出的能量流，开关通常是一种工作在两种状态下的电子设备:当开关在α t的持续时间内(α为占空比)，开关传导电感电流，二极管变为反向偏压。这导致整个电感的正电压VL = Vin−Vout。该电压导致电感电流IL线性增加。当开关关闭时，由于感应储能，IL继续流动。电流现在流过二极管，VL =−Vout持续一段时间(1−α)T，直到开关再次打开。图1所示的Buck变换器的基本电路有两个储能元件:电感和电容，它们可以用二阶微分方程计算。我们从电容电压的微分方程开始，在ON状态下，由:

IV.SIMULINK模型

光伏阵列的Simulink模型如下图所示，利用可变输入辐射参数对其进行仿真，得到结果:

这三种模式的DC-DC变换器在MATLAB/Simulink中统一实现，如图8所示。

模型的输入输出连接如图9所示。模型的第一个输入是开关

8号信号1或0。第二部分定义了直流电源电压和内阻。第三个输入用于定义输出电流。该模型有两个输出，输出电压和电感电流，这是系统的状态。该模型可以配置许多参数。这些参数分别是:电容，C，电感，L，电容和电感的内阻，RC和RL。可以通过下拉菜单选择三种转换器模式。还可以通过选择或取消选择“零电容电压”选项来定义初始电容电压为零或非零值。最后，“正电感电流”选项定义了是否应该强制该条件。

3仿真结果

对上述方程和上述模型进行模拟后，可得到以下结果:

四。结论

因此，本文成功设计并仿真了一种buck变换器，与移动充电电路相结合，获得4.5 v左右的恒定输出，为手机充电。从仿真结果可以看出，通过使用buck变换器，我们能够将可变的电压和电流转换为恒定的电压和电流。由于太阳能电池板根据太阳辐射提供可变的电流和电压，我们使用PWM MPPT技术获得连续的最大功率输出，然后将其输入到降压转换器。我们进一步的研究工作将是Buck、Boost和Cuk变换器的比较研究。

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