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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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利用双向多输入升压变换器拓扑实现低成本混合电源系统

A.Mohandoss1, K.Sivaramachandran2， S.Ashwin karthik3., S.Murugan4
印度哥印拜陀R.V.S.工程技术学院EEE系P.G.学者
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

在这个提出的方法中，混合电力系统结合了光伏组件、风能和电池源，更有效地为偏远地区供电。该混合系统使用改进的双向多输入dc-dc升压变换器同步PV模块、电池和风源。该转换器驱动负载并更有效地利用混合动力系统产生的电力。根据定义，这种混合动力系统包含许多发电设备，如基于能源的风力涡轮机，光伏源，微型水电，以及作为发电输入源的燃料发电机。然而，所提出的三输入升压变换器被应用于混合光伏，风能和电池存储方案。变换器的四个自由占空比促进了输入源和负载之间的功率流动。该转换器具有利用低压电池的优点。该转换器的固有性质消除了pfc需要单独的输入滤波器。多输入转换器提供简单的电路拓扑结构，集中控制功率流是双向的。

关键字
太阳能光伏组件，风能系统，电池，三输入双向升压变换器。

介绍
混合动力系统被规划为更有效地发电。它们通常从庞大的中央电网中解放出来，用于偏远地区。混合动力系统由解释包含许多发电策略，如风力涡轮机，光伏模块，以及微水电和化石燃料鼻祖。然而，这种混合动力方案的范围从为一个或几个家庭计划的小型系统到为偏远岛屿电网或大型社区计划的大型系统，混合动力系统被视为向新兴世界中许多偏远社会提供电力的一种方式，在这些地方，大规模扩大电网的支出是令人望而却步的，柴油燃料的运输成本也非常高。可再生能源发电系统的使用减少了昂贵燃料的使用，允许使用更清洁的电力发电，还提高了偏远地区许多人的生活水平。
混合能源系统将多种能源生产或存储技术结合起来，以构建一个优化单个发电源特性的发电系统。例如，PV混合系统通常将光伏发电与储能(典型的可充电电池)和化石燃料发动机发电机相结合。光伏发电机没有燃料成本，不产生温室气体或其他空气污染物，噪音小，需要最少的维护，但它们有相对较高的资本成本，并间歇性地发电，取决于可用的阳光量(它们是不可调度的)。通过优化光伏阵列、电池和发电机组的规模，并通过适当的控制策略，实现光伏阵列和电池的资金成本与发电机组的运行成本和排放之间的经济妥协。
风力混合动力系统将风力涡轮机与其他存储和/或发电源结合在一起。风能及其发电潜力本身就是可变的。这种组合被描述为特别适合那些没有连接到更大电网的岛屿。在经常有风的地区，风能是一种非常有效的能源。典型的强风发生在低优先级土地利用的地区，收集区域垂直于地面，只占能量收集区域的一小部分。风力发电有很多好处，包括它几乎不会对空气、水或土壤造成污染;它是可再生的(不美味)。

相关工作
光伏(PV)能源因其无声、无污染、规模弹性大、保存量小等优点，在发电领域颇具吸引力。由于光伏发电在日照处理水平、环境温度和不稳定阴影等方面的必要性，光伏发电系统需要与其他能源配套，以确保可靠的电力供应。这种传统方法处理两种类型的mic:在第一种类型中，在一段时间内只允许一个电源将能量传递给负载。类似地，在第二类中，所有输入源可以单独或并发地将功率分配给负载。传统的将不同的电源组成一个混合电源系统的方法可以归类为交流耦合系统。然而，这些传统同化方法的主要缺点是方案拓扑多面、方案数量多、功耗大、成本高、体积大。然而，近年来，传统混合方案中使用的许多功率转换步骤都是由多输入转换器(MICs)交换的，它将不同的电源组合在一个结构中。
交流耦合系统结构复杂，器件数量大，输入源增加，控制技术成本高，与其他系统相比，系统体积大。因此不适合用于智能混合动力系统。类似地，这种交流耦合被多输入变换器所取代。

提出了混合动力系统模型
混合动力系统包括几个发电部件，通常有一个主要的控制系统，使系统能够提供所需质量的电力。发电部件可以利用可再生能源，如风力涡轮机、光伏和电池。在我们的项目中，三个输入源与dc-dc升压变换器混合。作为该变换器的一个有趣应用，该变换器的输入端口主要用于连接光伏电源和风能电池作为存储元件，该系统实现了光伏电源的最大功率和调节输出电压。然而，这种稳压输出电压的使用保证了对直流负载的可靠供电，这种变换器也能达到最大的升压效率。光伏-混合电力系统，这是一个组合的光伏阵列，风能，电池，提供一个可靠的电力生产系统。针对混合电力系统，提出了一种新型三输入dc-dc升压变换器。

A.拟模型框图
图像
图1。给出了具有多种输入源的多输入变换器的混合电源系统框图。改进后的升压变换器在集成组件中接口两个用于输入源的单向端口，一个用于存储组件的双向端口和一个用于输出负载的端口。然而，这种转换器在两个输入电源端口上都是电流源类型，也能够提高输入电压。这种安排只需要四个独立控制的电源开关，有四种不同的占空比。

B.常规交流耦合系统
SMA Solar Expertise在20世纪90年代开始使用其逆变器产品开发交流耦合系统平台。在接下来的几年里，SMA继续开发和完善其交流耦合的产品和集成方法。交流耦合系统具有复杂的系统拓扑结构、设备数量的增大以及输入源的增加等特点，其所采用的控制技术相对于其他系统规模较大的控制技术成本较高，因此不适合智能混合电源系统，这种交流耦合系统被多输入变换器所取代。

C.多输入转换器
提出了一种新颖的多能源转换拓扑结构。该拓扑能够将不同电压-电流特性的源连接到共同负载，同时实现低部件计数。研究了一种固定频率开关方法，并分析了由此产生的工作模式。与交流耦合结构相比，多输入变换器电路拓扑简单，双向潮流统一控制，可靠性高，成本低。在多绕组变压器中设计了两种磁通加式多输入变换器。由于变换器没有双向工作的可能性，且驱动电路复杂，输出功率受限，不适合混合动力系统，设计了一个三端口双向变换器，其中包含三个高能全桥电路，外加两个串联谐振槽电路，以及一个三绕组高频变压器。与三端口电路以及负载端的电感和二极管桥电路相结合，由于软开关操作，它延伸了更高的升压增益和更小的开关损失。
图像
图2。显示了多输入升压变换器随负载转换的示意图。输入源为光伏源、风能源和电池。

太阳能和风能

A. PV组件
随着人们对全球变暖和化石燃料储量枯竭的日益关注，一些人正在寻找可持续的能源解决方案，以保护地球的后代。所以现在要通过使用太阳能、电池和风能等可再生能源来产生电能。在我的工作中，我使用了带有MPPT控制的升压转换器来获得最大功率。光伏(Photovoltaic)是光伏电池从光中发电的技术和研究领域，通常用来指从阳光中发电。

B.太阳能V-I特性
每个太阳能电池都有自己的电压-电流特性。图中显示了典型光伏电池的v-i特性。从太阳能电池板中提取最大可能能量的困难在于特性曲线的非线性。该特性显示了两条曲线，一条显示了电流随电压增加的行为。另一条曲线为功率电压曲线，由公式(P=VI)得到。
图像
图3。说明了y轴为功率，x轴为电压的最大功率点曲线。类似地，另一个图形，电流在y轴，电压在x轴。这就是太阳能电池的V-I特性。

C.风能系统
风是太阳能的一种形式。风是由太阳光对大气的不均匀加热、地球表面的异常和地球自转引起的。风的流动形状被地球的景观、水的形式和植被所改善。这种气流，或运动能量，当被现代风力涡轮机“收集”时，可以用来发电。风力涡轮机，就像飞机的螺旋桨叶片，在移动的空气中工作，并为提供电力的发电机提供动力。简单地说，风力涡轮机与风扇不同。

d .电池
电池是一种由一个或多个电化学电池组成的装置，它将储存的化学能转换为电能作为输出。它由许多伏打电池组成;每个伏打电池包括两个半电池，由导电电解质包围阴离子和标题按顺序连接。一个半电池包括电解质和负离子(带负电荷的离子)漂移到的电极，阳极或负极;另一半电池包括电解液和电极(正电荷离子)，以及阴极或正极。

Dc-dc升压变换器
如介绍中所述，最大功率点跟踪本质上是负荷匹配的难点。然而，为了调整面板的输入电阻以固定负载电阻(通过改变占空比)，需要一个DC - DC变换器。已经考虑到DC到DC变换器的效率对于降压变换器是极端的，然后对于降压升压变换器，升压变换器的效率最低，但由于我们建议将我们的系统用于电网键控或输出端需要230 V的废物泵送结构，因此我们提出了升压变换器。
图像
视图。说明了升压变换器的功能框图。它是升压型DC-DC变换器。在输入端电感作为一个升压电感。

结果与讨论
在该系统中，光伏组件、风能和电池同步，提出了混合动力系统。三输入DC-DC升压变换器为混合动力系统的负载供电。利用MAT LAB对所提出的混合动力系统模型进行了分析。
图像
图5.描述了太阳能电池的PV Simulink电路。在此PV Simulink电路中提到了电流值和温度值。本文采用MATLAB仿真工具。
图像
图6建立了光伏系统仿真图。它是多输入升压变换器的来源之一。
图像
图。7为光伏系统的输出激励图。这是从PV系统获得的源电压。
图像
图8为风能系统仿真图。风能是自然界可利用的，它也是一种可再生能源，就像太阳能系统一样。因此，它被认为是我国混合动力系统的电源之一。
图像
图9为风能系统输出仿真输出波形。同样，它也是这个拟议系统的太阳能系统的来源。
图像
图10给出了双向多输入升压变换器系统的mat实验室仿真图。在建议的系统中，该升压变换器有三个输入。
图像
图11展示了混合动力系统的mat lab仿真图。该系统采用混合控制，提高了系统的效率和可靠性。
图像
Fig.12。阐述了多输入升压变换器混合动力系统的仿真输出。这种输出波形也解释了系统响应。

结论
提出了小型混合pv -风能和电池发电系统，一个监督控制器，它管理电力系统的运行模式和潮流，该控制器被设计成与新开发的本地控制器一起运行。光伏-混合电力系统，这是一个组合的光伏阵列，风能，电池，提供一个可靠的电力生产系统。光伏混合动力系统通常是偏远地区电气化的最佳解决方案。在系统的设计和规模设计中，我们假设该系统是一个自治系统。这种约束导致了无限个可能的系统构型，系统的模态和状态被设计来提供系统的平衡条件，而模态的吸引力是在特定的约束中保持的。因此使用MAT LAB仿真工具对混合系统的输出进行了测试。

参考文献
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