应用于光伏发电系统的输入并联输出串联 DC-DC 变换器

共同成长888 2014-05-12

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应用于光伏发电系统的输入并联输出串联 DC-DC 变换器

www. 2012-10-29 10:49:33 来源:郝海涛点击进入论坛

　　摘要:传统的高频隔离型的光伏并网系统，通过高频隔离变压器的插入极大地丰富了中小功率并网逆变器的拓扑形式，广泛应用于家庭单向光伏并网场合，同时也使得系统变换环节更复杂，系统效率受到影响。并且现阶段光伏并网发电系统中存在着DC-DC 变换器的工作特性和光伏串输出功率特性没有较好的互补融合的问题，影响了整个系统的功率变换效率。

　　因此本文提出了一种输入并联，输出串联的高效隔离型DC-DC 变换器，其中绝大部分功率通过高效率直流变压器传输到母线电压，而小部分的功率通过功率补偿器传输，即功率补偿器的输出电压即受控电压源电压补偿母线电压与DCX 输出电压的差值。本文给出了该拓扑的推导方法及其工作原理，并且通过一台1kW 的实验样机，验证所提出的拓扑的高效性。

　　关键词:光伏并网发电系统，功率架构，功率补偿，输入并联输出串联

　　1.引言

　　世界范围内使用化石能源带来的环境问题和传统能源的日益枯竭正挑战着人类工业文明的可持续发展[1]。幸运的是，在众多的可再生能源资源中，太阳能作为人类取之不尽、用之不竭的清洁能源，将成为本世纪备受瞩目的替代能源[2]，但其也面临着光伏电池板能量转换效率较低的问题，提高光伏发电系统的整体效率是有待解决的问题[3]。高频隔离型的光伏并网系统，通过高频隔离变压器的插入极大地丰富了中小功率并网逆变器的拓扑形式，广泛应用于家庭单向光伏并网场合，同时也使得系统变换环节更复杂，系统效率受到影响[4]。常用的 DC-DC 变换器有单级式和两级式发电系统。单级式发电系统常采用全桥直流变换器，通过采用移相控制实现软开关，但存在变压器副边占空比丢失现象，对变压器的设计带来一定复杂性，并且由于输入电压范围较宽，对系统的效率有一定影响。两级式发电系统通常采用Boost 变换器加全桥直流变换器的结构，Boost 变换器将太阳能电池的输出电压升到100 V 左右，再经过全桥直流变换器可以升压到380 V。由于全桥直流变换器同样采用移相控制可以实现软开关且开环工作，所以全桥直流变换器效率很高，但是全部功率都得通过两级变换器的传输，系统功率损耗增加，其次光伏串输出功率和Boost 变换器的工作效率没有配合上，影响了整个系统的功率变换效率[5]。

因此有学者提出一种用于提高采用DC-DC 串联DC-AC 功率架构的光伏并网发电系统在全输入电压范围内效率的功率补偿方法：即用一个与光伏串相串联的受控电压源去补偿光伏串输出电压与直流母线电压的差值，如图1 所示。其中受控电压源是基于功率变换器来实现的，将其命名为功率补偿器（PhotovoltaicRegulator, PVR ）[6]。这样，光伏串输出的功率可不经过任何处理直接馈入直流母线，但这种方法对光伏串的输出电压要求较高，且要求功率补偿器器必须是隔离型，但整个系统尚未实现隔离，并存在漏电流，具有一定的安全隐患。

　　因此本文以此为选题依据，提出了一种适用于光伏发电并网场合，输入并联，输出串联的具有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)功能的高升压比高效隔离型DC-DC 变换器拓扑，其效率会比传统的隔离型光伏并网发电系统大大提高。

　　2.隔离型功率补偿架构的推导

　　当光伏串的输出电压较低时，因此我们加入一个隔离型直流变换器(DC Transformer,简称DCX)，将大部分功率通过此变换器传输到母线上，起到一个升压隔离的作用。由于直流母线电压Vbus 受后级DC-AC控制稳定在预设值，功率补偿器输出电压即受控电压源βvi 补偿光伏串电压vPV 与Vbus 的差值。由此，vPV 可表示为：

　　功率补偿器通过采样光伏串的输出电压和电流经MPPT 算法完成对βvi 的控制就可实现对该光伏串的MPPT。通常功率补偿器的输入功率来源有很多选择，包括：单块光伏板的输出或是多块光伏板的输出、整个光伏串的输出、直流母线和电网。但是如果功率补偿器的输入功率仅仅来自于一块或是几块光伏板，则在极端情况下存在着功率补偿器输入功率不能满足其功率输出的可能，并且功率补偿器不能直接检测整个光伏串的输出电压，其MPPT 功能会受到影响;如果功率补偿器的输入功率取自电网，则功率补偿器必然成为AC-DC 变换器，除了成本的增加和效率的降低外，功率补偿器还必须满足诸如功率因数校正等一系列电网要求，其设计和实现会变得相当复杂。可见，直流母线和整个光伏串的输出是功率补偿器的输入功率来源的较好选择。图2 给出了输入功率分别源自直流母线和整个光伏串的功率补偿器的具体实施方法。如图（a）所示，当功率补偿器输入功率源自整个光伏串时，

由于DCX 是开环控制，取VDCX = 10vPV,，VR =Vbus-VDCX，图3 给出了当母线电压Vbus = 380 V ,vPV 在
30~38V 之间变化时，功率补偿器的输入功率分别取自整个光伏串（用红色实线表示）和直流母线（用蓝色
虚线表示）后DC ? 随vPV 的变化关系。可见在 DCX 和PVR 效率相等的情况下，功率补偿器输入功率取自整个光伏串时比取自直流母线的情况占优，并且这种优势随着vPV 的降低越来越明显。在确定了功率补偿器输入功率取自整个光伏串后，图4 给出了Vbus = 380 V，VDCX = 10vPV,，vPV 在30~38V 之间变化时，如果要求DC ? 达到95%，当DCX ?为97%，本文所提出的光伏并网发系统对其功率补偿器所补偿的功率和工作的效率的要求。

可见，光伏串输出电压越低，功率补偿器补偿的功率就越大，要求其功率转换效率就越高。反之，输出电压越高，功率补偿器补偿的功率就越小，要求其功率转换的效率就越低。必须注意的是：即使光伏并网发电系统采用了功率补偿概念，要求实现其高效率的功率变换，功率补偿器的效率也要达到一定高度
3．系统的架构及其控制方式
3.1 系统架构
为了满足功率补偿器的高效功率变换和隔离要求，本文选择将LLC 谐振全桥直流变换器作为主功率的传输，反激电路则作为功率补偿器[7]，如图5 所示。全桥直流变换器适用于大功率场合，而LLC 谐振全桥直流变换器能实现整个负载范围内所有开关管的ZVS 和整流二极管的ZCS。图6(a)给出了主电路图[8]。其中Q1~Q4 为四只开关管，D1~D4、C1~C4 分别是这四只开关管的体二极管和寄生电容，DR1~DR4 是输出整流管，Cf 是输出滤波电容；谐振元件包括电感Lr(包括变压器的原边漏感)、Lm 和电容Cr，其中Lr、Cr 分别为谐振电感和谐振电容，而Lm 与变压器并联，可以由变压器的励磁电感来实现，因此称之为励磁电感；由于谐振电容Cr 串联在原边回路中，同时起到隔直作用。
了使直流变压器的效率最高，本文设计LLC 谐振全桥直流变压器的开关频率fs 等于谐振频率fr。在这种模式下，励磁感Lm 一直被输出电压通过变压器箝位在nVo，不参与谐振工作，并且副边整流二极管电流临界连续，且自然续流到零因此可以实现ZCS，其波形图如图6(b)所示。

　　反激变换器作为通常采用的电路拓扑，其可以工作在非常广阔的输入电压范围，电路简单，元件少，成本低廉，适合小功率电路，但其效率一般不高，而本文提出的DC-DC 拓扑中，功率补偿器需要是一个隔离型电路且传输功率不高，因此本文选取反激电路来实现功率补偿。

　　3.2 系统控制方式

　　系统中由于全桥直流变换器只起到电压转换和电气隔离的作用，因此采用开环控制,则反激变换器相应要具有稳压和MPPT 两种工作模式, 当太阳能电池的最大输出功率大于负载所需功率时,DC-DC 变换器工作在稳压模式;反之，其工作在MPPT模式。MPPT 实质上是通过控制太阳能电池的输出电压或者输出电流,使其在任意不同的光照强度和温度下均能工作在最大功率点, 输出最大功率。本文采用应用最为广泛的扰动观察法,它控制简单,容易实现,对采样精度要求不高,跟踪效果较好,效率也较高。扰动观测法的工作原理是每隔一定的时间改变太阳能电池的输出电压或电流,并观测其后的功率变化方向, 再根据变化情况调整MPPT电路的工作, 最后使太阳能电池工作在最大功率点附近[9]。

4．实验结果
为了验证前面理论分析的正确性，在实验室完成了一台1kW 的IPOS DC-DC 变换器的原理样机，实验参数如表1 所示[10]。图 7 给出了输入电压为36V时LLC 的主要工作波形，波形从上到下分别是变压器原边AB 两端电压VAB波形谐振电感电流iLr，谐振电容上电压VCr，变压器副边电压Vrect，以及副边整流二极管电流iDR1 波形。

从图中可以看出，AB 点波形没有明显的尖峰，当励磁电感电流与谐振电感电流相等后，励磁电感不再被输出电压箝位，而是与Lr、Cr 共同谐振。此时副边整流管电流断续，整流二极管可以实现ZCS。由于选择了合适的λ，激磁电流与谐振电流相比，峰值不到谐振电流的10% ，降低了变压器的损耗，从图上可以读出谐振电流峰值为40A，励磁电流与谐振电流相等处平台的电流为5A。图 8、9、10 分别光伏电池输出电压vPV 为30V、33V、38V 的波形图。波形自而下分别为光伏电池输出电压VPV，反激驱动波形Vpvr-dri，LLC 变换器AB 点电压VAB，PVR 的输出Vpvr，LLC 变换器输出Vllc，以及变换器总的输出Vout。从上图可以看出，当光伏电池输出电压较低时，反激的占空比越大，补偿较多的功率；当光伏电池输出电压较高时，反激的占空比也较小，当输入电压等于38V 时，反激将停止工作。图 11、12分别是ISOP DC-DC 变换器在光伏串输出电流15A，25A 时的效率曲线，由图可知半载时，DCX 的效率达到96%，反激的效率较低为91%，但是由于反激工作功率较小，整体功率仍达到95%。满载时DCX 效率为92.5% ，反激效率较低最高为88%，但是整体效率仍在92%左右。

　　5.结论

　　本文针对采用DC-DC 串联DC-AC 功率架构的光伏并网发电系统，提出了一种用于提高其全输入电压范围内效率、降低其成本的功率补偿方法。再次基础上提出了一种输入并联，输出串联的高效隔离DC-DC变换器。并且基于实验，本文所提出的功率补偿方法的科学性及其优点得到了基本验证，下步工作就是不断优化变换器，提高整体效率。

　　参考文献

　　[1] Iannone F, Leva S and Zaninelli D. Hybrid photovoltaic

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　　environmental analysis. IEEE Power Engineering Society

　　General Meeting, 2005: 1503-1509.

　　[2] Trends in photovoltaic applications: survey report of

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　　PVPS,2010.HTTP://www.iea-pvps.org.

　　[3] Yuan B, Yang X, Li DH. Application of power

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　　power point tracking in grid-connected photovoltaic

　　system[C].IEEE IPEC 2010 ， Sapporo,Japan,June