戶用型光伏供電系統DC／DC變換器的研究

劉鳳杰，付 青，朱昌亞，程光蕾，馬桂龍

（1.中山大學，廣州510006；2.天寶電子（惠州）有限公司，惠州516005）

0 引 言

在當前世界傳統化石能源短缺和環保壓力的雙重作用下，清潔的可再生能源發展越來越受到世界各國的重視，各國掀起了可再生能源的開發熱潮。利用太陽能、風能、海洋能、生物質能、小水電、地熱能等清潔的可再生能源來代替傳統的煤、石油等化石能源，堅持可持續發展的理念，已成為全人類的一種共識。在新能源開發利用領域，光伏發電發展最快，早在20世紀80年代末就有國家開始建設大型的光伏電站。然而大型光伏電站的修建與維護成本都很高，目前國內的大型光伏電站基本都是政府投資的實驗性電站。戶用光伏供電系統不僅能有效地解決當下能源危機與環境污染問題，而且成本低、易于維護，已在許多發達國家得到了大力的推廣及應用。

1 戶用光伏系統

戶用光伏供電系統通過安裝在住戶屋頂或幕墻上的太陽能電池，將可持續的太陽光轉化成綠色的電能。常規的戶用型光伏發電系統有離網型和并網型2種。本文研究的是一種新型混合型戶用光伏系統，圖1是這種系統的結構框圖。

圖1 戶用光伏發電系統框圖

混合型戶用光伏系統包括光伏組件、DC／DC變換器、蓄電池組和并網逆變設備。光伏組件將可再生太陽光轉換成電能；DC／DC變換器實現光伏陣列最大功率點跟蹤（MPPT）；充放電控制器將電能儲存在蓄電池中；并網逆變設備將蓄電池輸出的直流電轉換成可供用戶負載使用的220V交流電，或將電能饋送到電網中，實現并網發電。在系統脫離電網并且太陽光較弱時，蓄電池可以提供一定的能量供給，保證重要負載的正常運行；在有電網或光照充足時，可以對蓄電池充電，多余的電能則饋送到電網中供其他用戶使用。混合型戶用光伏供電系統具有更大的靈活性，但由于其儲能設備輸出電壓的特殊性，其系統控制也較復雜。

2 戶用型DC／DC變換器

戶用型光伏發電系統 DC／DC變換器[1-2]的功能是將低壓直流電轉變成穩定的350V高壓直流電，以供后級逆變器轉換使用。針對戶用型光伏供電系統的特點，本文提出了一種帶高頻變壓器的推挽正激電路。該電路相當于2個單端正激電路并聯工作，故將此電路拓撲命名為推挽正激變換器電路（PPFC）[3-4]。由于推挽正激電路[5]在傳統推挽型變換器中引入了箝位電容，有效克服了傳統推挽變換器變壓器磁芯偏磁和開關應力大的固有缺陷，具有顯著的優點。

推挽正激變換器拓撲如圖2所示，它由2個功率管VT1與VT2、1個箝位電容C和1個高頻變壓器T組成。變壓器由3個繞組組成，2個變壓器初級繞組L1，L2和1個輸出繞組L3。變換器的副邊采用全橋型整流電路，并通過1個LC濾波器給后級供電。DS1和DS2為反并聯二極管，C1為輸入濾波電容，C2為整流后濾波電容。同一時刻，VT1和VT2只有一個開關管閉合。在功率管關斷時，箝位電容C為原邊變壓器漏感儲存的能量提供了1個釋放的回路，儲存漏感能量，避免了開關管上的電壓尖峰，同時抑制了磁芯偏磁。此外，同一時刻高頻變壓器低壓側都有2個線圈流過電流，因此流過功率管的電流小，并且線圈電流有正也有負，使得高頻變壓器不容易發生磁飽和現象，變壓器的利用率也很高。

圖2 推挽正激變換器電路圖

推挽正激電路具有以下幾個優點[6]：

（1）減小了輸入電流脈動的安秒乘積，從而減小了輸入輸出濾波器的體積和重量；

（2）在主功率管關斷時，箝位電容為變壓器原邊漏感儲存的能量提供了一個釋放的回路，抑制了功率管的電壓尖峰，使得在實際電路中可以選擇電壓等級較小的功率管，同時可以減小功率管的導通損耗；

（3）由于是雙向勵磁，變壓器磁芯利用率高；

（4）相比推挽變換器以及全橋DC／DC電路，推挽正激電路能有效抑制變壓器偏磁而使得系統工作更可靠。此外推挽正激電路比BOOST電路更適合于輸入低電壓、大電流的中大功率場合。

3 控制算法及MPPT的研究

本文研究的戶用光伏供電系統DC／DC變換器采用全數字化智能控制技術[7]，其整體控制框圖如圖4所示。主要包括控制電路、電壓電流檢測電路及驅動電路。系統采用工業級高速數字信號處理（DSP）芯片TMS320F2812作為核心控制芯片，具有處理速度快、全數字控制、軟件算法靈活、集成外設豐富等特點，能有效消除擾動對系統的影響，改善系統的性能，提高DC／DC變換器輸出波形的精度和轉換效率。

圖3 系統整體控制框圖

如圖3所示，系統以DSP為控制核心，通過傳感器全方位監控高頻DC／DC變換器的狀態，并對輸入輸出電流進行保護，獲得即時輸入輸出的電壓電流檢測值，送入DSP中，經過計算分析，輸出高頻脈寬調制（PWM）信號，經隔離驅動電路驅動DC／DC變換器中的電力電子器件。

在光伏應用系統中，太陽電池是關鍵部件。由于在實際應用中，外界環境因素不斷變化，為了使光伏陣列始終輸出最大功率，必須對光伏陣列的輸出電壓進行控制，使其始終處于最大功率點電壓上。光伏陣列的MPPT控制的關鍵是處理好算法快速性和精度之間的矛盾，而常規的MPPT算法無法從根本上解決這一問題。本文提出一種改進后的預測MPPT算法[8-9]，該算法是在擾動觀察法的基礎上，加入自適應預測算法，從而提高MPPT的跟蹤速度和精度。

圖4為自適應預測機制的MPPT控制框圖，其中p（n）為光伏陣列輸出功率，u（n）、I（n）分別為采樣得到的光伏陣列的輸出電壓與電流，d（n）為輸出占空比。輸入電壓信號經過自適應預測機制預測下一時刻光伏陣列的輸出功率，進入擾動觀察法比較判斷擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進行比較后，生成驅動開關器件的PWM脈沖信號，實現動態調節負載，最終實現最大功率點跟蹤控制。

圖4 自適應預測MPPT控制框圖

在自適應預測機制中，X（n）為當前及過去光伏陣列的輸出電壓向量，即X（n）＝[u（n），u（n－1）…，u（n－N＋1）]，y（n）和＾y（n）分別為當前時刻光伏陣列的輸出功率及其預測值，＾y（n＋1）為下一時刻輸出功率的預測值。基于自適應預測機制的MPPT算法與傳統的擾動觀察法區別在于光伏陣列下一時刻輸出的功率由自適應預測機制得出，并通過擾動觀察法與當前時刻的功率進行比較，及時改變擾動方向，在提高MPPT的快速性的同時減少功率損失。圖5是自適應預測機制的MPPT算法的控制流程圖。

圖5 自適應預測MPPT算法流程圖

4 實驗結果

根據實際設計要求，課題組制作了1臺3.5kW戶用型推挽正激DC／DC變換器樣機。其具體參數為：輸入側蓄電池組電壓為24V，最大輸入電流為150A，功率管選用MOSFET，工作頻率為30kHz，箝位電容為470μF，輸出濾波電感為2mH，濾波電感為2mH，使用示波器測得相關信號波形如圖6所示。

圖6（a）所示為推挽正激變換器中MOSFET的驅動波形，該波形由TMS320F2812的定時器產生，頻率為30kHz，PWM信號經TLP250光電隔離放大后驅動MOSFET，實現其開通和關斷。

圖6（b）所示為推挽正激變換器中VT1的驅動波形及其漏源極之間的電壓波形。從圖中可見，由于增加了箝位電容，開關管上的漏源極電壓被箝位在2倍輸入電壓左右，在開關管關斷的瞬間并沒有很大的尖峰電壓。但由于變壓器存在漏感，會引起開關管在開通關斷后的一段時間內有振蕩現象。

圖6（c）所示為推挽正激變換器變壓器副邊電壓輸出波形，在波形頂端有少量的尖峰，該尖峰主要由變壓器漏感以及線路雜散電感引起，通過改變變壓器工藝以及改善印制電路板（PCB）布線策略可減小此電壓尖峰。

圖6 推挽正激MOSFET驅動波形

圖7所示為DC／DC變換器最終輸出的350V直流電壓波形和光伏組件的輸出電壓波形。實驗結果證明本系統方案具有可行性和合理性，適合于實際應用，達到預期設計目標。

5 結束語

圖7 DC－DC變換器輸出電壓

本文主要介紹了戶用型光伏供電系統的特點，根據戶用型光伏供電系統的性能要求，采用帶高頻隔離變壓器的推挽正激電路作為系統DC／DC變換器的主電路，解決了傳統推挽電路中變壓器磁芯偏磁以及功率開關應力過高的問題。同時，在擾動觀察法的基礎上引入自適應預測機制，預測下一采樣時刻的光伏陣列輸出功率，及時改變擾動方向，在提高跟蹤速度的基礎上，兼顧系統的控制精度，減少功率損耗。改進后的算法能夠彌補常規擾動觀察法的不足，成倍提高系統的跟蹤速度，同時保證系統的穩態精度，達到快速、穩定、精確的MPPT控制。實驗結果表明該方案切實可行，具有較好的實際應用價值。

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