关键字 |
| 交错升压变换器，最大功率点跟踪，光伏系统，占空比，扰动和观察。 |
介绍 |
| 一般来说，各种DC-DC变换器拓扑结构已用于能源系统。不管他们的差异如何，他们都试图从系统中输入最大的功率，而电路本身的能量损失尽可能小。DC-DC变换器是一种开关变换器，它固有地在电流中引入一定的纹波，从而降低了效率。通常这种纹波通过在输出端使用滤波器来最小化。虽然这是一种解决方案，但滤波器的大小、成本和寿命取决于所使用的转换器类型。转换器基于buck, boost, buck-boost和cuk是派生拓扑。本文讨论了在两种不同的拓扑结构下采用交织技术的升压变换器以获得高电压增益。实现的拓扑不同，其输出也不同。 |
文献调查 |
| 在[1]中提出了一种单位功率因数升压变换器的并联技术。该系统基于双单元变换器，在连续电感电流模式下工作。通过一个特别小的电感，两个MOSFET脉冲宽度调制并联，这提供了一个增加的输出功率。该方法可以并行任意数量的PWM单元。在[2]中提出了采用n个相同升压变换器并联电流模式控制(CMC)的DC - DC开关变换器。CMC有助于降低在相同占空比下总输入电流和输出电压的纹波。这里不需要使用永恒的三角形或锯齿信号。在[3]中提出了一种带有两个交错互耦升压变换器的变换器。这种方法有助于在两个并联升压变换器之间实现相等的电流共享。对交错式升压变换器进行了分析，并与传统的升压变换器进行了比较。 Two boost converters in interleaved operation named, Interleaved Dual Boost (IDB) and Switched Capacitor Interleaved Dual Boost (SCIDB) has been presented in [4]. This interleaved boost converter under sliding mode control is analyzed in this paper. This interleaving technique results in a step-up structure. Interleaved boost converter with the use of zero current transition and a soft commutation technique operating in Critical Conduction Mode (C-DCM) was investigated in [5]. The turn-ON of the main switches occurs naturally at ZCS due to the operation of C-DCM and also the reverse recovery losses of the diodes are minimized. The circuit of the converters has been implemented by using a single Erasable Programmable Logic Device (EPLD). A Coupled-Inductor Interleaved Boost Converter (CIBC) fed PV system using a fuzzy controller with a feedforward MPPT scheme was developed in [6]. This system has low switch current loss and improves efficiency than the noncoupled converter system. For the given solar insolation the tracking algorithm changes the duty ratio of the converter so that the solar cell array voltage equals the voltage corresponding to the MP point. |
| 在[7]中提出了一种新型ZCS-PWM升压整流器。利用该电路实现了功率转换和pfc中的9个过渡状态。整流器采用状态空间平均模型构建。整流器采用ZCS，效率高。在[8]中引入了一种双电感、交错功率因数校正的升压变换器，当占空比大于0.5时，该变换器表现出电压加倍器特性。转换器的这种电压加倍器特性适用于通用线(90-264 VRMS)。由于所提出的PFC升压整流器在低线时作为电压加倍器工作，与传统升压变换器相比，其效率得到了提高。在[9]中提出了一种电感耦合和电容开关的交错升压变换器新技术。与传统的交错升压变换器相比，将该技术添加到输出级，从而获得更高的升压增益和更低的电压应力。因此可以应用低导电阻和低压额定开关。负载电流可由各相均匀分担，无需任何额外的电流分担模块。 The switching losses can be reduced by the ZVT soft switching performance. An active clamped circuit adopted also helps in the reduction of switching losses and the leakage energy of the coupled inductor is recycled. A new dual interleaved active-clamp forward topology has been proposed in [10]. Series and parallel connection of two interleaved forward circuits on the primary and secondary side respectively. This proposed method provides a new solution to reduce the voltage stress and number of components. An interleaved boost converter with soft switching technique and modelling of PV topology with MPPT controller was proposed in [11]. This interleaved boost converter has been used to increase the output power in high power applications. This interleaved boost converter required low current rating of switching device since the current in each phase is distributed. An interleaving boost converter with PV and a passive snubber for battery charging applications was introduced in [12]. The snubber helps to reduce the voltage stresses at turn-off transition and to obtain maximum power P&O method is used. A interleaved boost converter which is magnetically coupled to a voltage doubler circuit, providing a voltage gain higher than that of conventional boost converter was discussed in [13]. This converter has low voltage stress across the switch, voltage balancing between output capacitors, low input-current ripple, and high switching frequency. |
| 在[14]中实现了一种软开关交错升压变换器，它包含两个分流的基本升压转换单元和一个辅助电感。该变换器在两个有源电源开关均为零电压时开启，以减少开关损耗，提高转换效率。这种相同的升压转换器的设计有助于一个示例设计。在[15]中研究了常规升压变换器与交错PFC升压变换器的比较。在相同条件下进行了比较，并对性能进行了评价。这些结果为交错PFC升压变换器提供了更好的性能，从而获得更高的效率和更低的THD值。针对锂离子电池在电动汽车上的应用，研究了两种主要的PFC升压变换器。研究了两种不同拓扑结构的交错升压变换器。拓扑1已经被操作以获得高电压增益，拓扑2也可以获得比拓扑1更高的电压增益。在这里，这两个拓扑都是由一个太阳模型作为输入源提供的。 |
数学模型 |
| 光伏板数学模型可表示为如图1所示 |
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| 描述光伏板在恒定辐照度和温度下的电学行为的方程为: |
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| 光伏板的输出电流等于DC-DC变换器的平均输入电流。光伏板的最大功率为: |
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| 交错升压变换器的框图如图2所示， |
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提出的方法 |
| 本文比较了两种不同拓扑结构的交错升压变换器的工作原理。所提出的拓扑结构以太阳能为线性模型，包含了交错升压变换器。并将该拓扑结构的交错boost变换器与MPPT协同工作，以获得最大输出。传统的交错式升压变换器是将一个升压变换器的多个级耦合以获得高电压增益。该方法与传统的交错升压变换器不同，它通过改变电感和电容的位置来获得高电压增益。拓扑1电路图如图3所示 |
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| 拓扑1的电路工作解释如下: |
| 模式(我) |
| 当两个开关都开，占空比小于0.5时，电感器L1和L2的电感电流线性上升并储存能量。输出电压与输入电压相似。输出电压与输入电压之比可得: |
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| 模式(2) |
| 当两个开关都开，占空比大于0.5到1时，电感L1和L2的电感电流随着输出电压大于输入电压线性上升。输出电压与输入电压之比可得: |
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| 拓扑2电路图如图4所示。 |
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| 拓扑2的电路工作以以下模式解释: |
| 模式(我) |
| 当两个开关都开，占空比小于0.5时，电感L1和L2的电感电流随输入电压线性上升，因此输出电压高于输入电压。 |
| 模式(2) |
| 当两个开关都打开，工作占空比大于0.5到1时，电感L1和L2向输入充电，因此输出电压高于输入电压。 |
MPPT系统 |
| 这里使用的MPPT技术是P&O方法。这种方法测量电压和电流的值，并由此计算出功率。通过与之前的功率值进行比较，来检查计算的功率是否更大。如果计算出的功率值大于先前的值，则同样地将电压值与当前值和先前值进行比较。如果电压也大于前一个值，则将基准值作为前一个电压，并增加一个恒定值;否则，将基准值作为前一个电压值，并减少一个恒定值。可表示为如图5所示的流程图， |
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仿真结果 |
| 利用simulink库中的模块，在MATLAB/simulink中设计了这两种拓扑结构的电路。拓扑1仿真图如图6所示 |
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| 图6为以太阳能为线性模型获得高电压增益的拓扑1仿真。 |
| 利用P&O算法设计了这两种拓扑的最大功率ppt控制器，并在Matlab/simulink中实现。所设计的MPPT控制器用于跟踪不同点的最大功率，并调整到最大功率的路径。MPPT的实现如图7所示 |
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| 拓扑2仿真示意图如图8所示 |
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| 图8为以太阳能为线性模型的拓扑2仿真，可获得高电压增益。不同拓扑结构下的仿真结果如下所示。所采用的参数为输入电压=5 V，占空比= 50%，频率=25 kHz，这对两种拓扑结构都是通用的。拓扑1输出电压为16.29 V，拓扑2输出电压为18.59 V。拓扑1和拓扑2的输出电压波形分别如图9和图10所示。 |
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| 图9和图10所示的波形来自带有MPPT的太阳线性模型，用于交错升压变换器拓扑，因此输出也是直流的。该波形揭示了工作于高电压增益的交错升压拓扑的操作。 |
| 当输入电压=5 V，占空比= 50%，频率=25 kHz时，拓扑1和拓扑2的功率波形分别如图11和图12所示。 |
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| 利用MPPT对交错升压变换器拓扑进行线性模型，得到输出功率波形，结果表明功率在最大功率处被跟踪。波形上升在初始点，然后它是保持不断的变换器是类似于升压变换器。对于100w电池板的太阳能线性模型，得到的光伏功率和光伏电压特性分别如图13和图14所示。 |
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| 从上面得到的曲线可以看出，由于辐照量的变化而获得的功率会使最大功率点向曲线右侧移动。该算法由于摄动而发生变化，在下一阶段它改变摄动的方向并远离最大值点。曲线从初始部分线性上升到最大功率点，然后急剧下降。 |
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| 得到的电压曲线是最大功率跟踪点的电压曲线。这条曲线取决于面板的辐照程度。PV电压曲线显示，在一段时间内保持恒定，之后随时间逐渐减小。 |
| 在常规升压变换器的基础上，对两种不同的拓扑结构进行了比较，得出了两种拓扑结构性能更好的结论。 |
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| 得到的对比结果绘制在图15中，如下图所示: |
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| 对比清楚地表明，与传统的boost和拓扑1相比，拓扑2操作具有更好的性能。 |
结论 |
| 仿真了交错boost变换器的不同拓扑操作，结果表明，具有MPPT的拓扑2操作可以获得更好的性能。 |
参考文献 |
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