基于互鎖驅動方式的光電互補系統

盧剛菊， 胡天友， 張子英， 張文合

(電子科技大學，四川 成都 611731)

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基于互鎖驅動方式的光電互補系統

盧剛菊， 胡天友， 張子英， 張文合

(電子科技大學，四川 成都 611731)

在使用多輸入變換器作為主電路的光電聯合供電系統中，采用現有的能量管理策略并利用交錯雙邊沿脈寬調制方式時，可以實現光伏與電網的協調工作并克服了光電聯合供電系統中的一主要問題，即在光伏電池與電網同時供電時，電網電流會通過光伏電池板使測得的光伏電池板電流比實際值大，導致光伏電池板的最大功率跟蹤失敗。針對此問題，提出了另外一種新的驅動方式——互鎖，該方式不僅能解決該問題還能使系統電流脈動小。從理論上分析了互鎖驅動方式的調制效果，并與交錯雙邊沿調制的效果進行了比較，然后利用Matlab/Simulink建立互鎖模型，仿真驗證了互鎖方法的有效性。

聯合供電系統； 多輸入變換器； 交錯雙沿調制； 互鎖

0 引 言

單獨使用太陽能的局限性很大，它往往需要其他能源作補充[1-2]，光電聯合供電有很大的應用潛力。很多電路拓撲結構和能量管理策略[3-4]不斷被提出。然而在采用多輸入變換器的光電互補供電系統中，以雙輸入Buck變換器為例：當兩只開關管同時導通時會影響到對光伏電流的測量，進而影響光伏最大功率跟蹤，采用交錯雙邊沿PWM驅動可以很好地解決這個問題[5-6]。本文提出一種互鎖驅動方式，采用這種方式也可以使系統穩定工作，并且電流波動很小而且更加平滑。

1 基于雙Buck的供電系統

1.1 主電路拓撲

采用雙輸入Buck變換器做為主電路[7-8]，其原理圖見圖1。主要實現兩個功能：① 穩定輸出電壓；② 分配電源的功率，太陽能優先。

圖1 雙Buck電路拓撲原理圖

下面介紹其工作原理。根據2個開關管的開通狀態可以分為下面4種情況：

(1)Q1導通，Q2截止，Uin1單獨向負載供電，VD2始終導通，Uin1、Q1、VD1、Lf、Cf和RLd相當于一個Buck變換器；

(2)Q1截至，Q2導通，Uin2單獨向負載供電，VD1始終導通，Uin2、Q2、VD2、Lf、Cf和RLd又相當于一個Buck變換；

(3)Q1和Q2同時導通，Uin1和Uin2串聯向負載供電，此時整個電路相當于一個Buck變換器；

(4)Q1和Q2同時截止，Lf通過VD1、VD2續流向負載供電。

1.2 工作模式分析

根據負載情況系統工作在兩種模式[9]：

模式Ⅰ：Po>P1max，太陽能功率不足，需要電網補充；太陽能以最大功率輸出；

模式Ⅱ：Po

其中，Po、P1max分別為負載功率和太陽能功率。

2 互鎖驅動方式分析

互鎖，就是兩路PWM波互相鎖定，在同一時刻只允許一路PWM輸出，即在PWM1輸出時，通過邏輯門強制使得PWM2輸出為無效；同理，在PWM2輸出時，強制PWM1輸出為無效[10-11]。PWM1和PWM2在利用互鎖驅動時應該選擇不同的頻率。

2.1 PWM1和PWM2的頻率不同

為了清楚說明其控制過程，本文設定實現光伏最大功率跟蹤的Q1管驅動PWM1采用相對較低的頻率，而實現穩壓的Q2管的PWM2則采用較高的頻率。鎖定方式為：在PWM1信號為高電平時，通過邏輯電路控制PWM2為低電平；PWM1為低電平時，PWM2則正常工作，見圖2。

圖2 鎖定方式驅動信號

分析可知，鎖定方式與交錯雙邊沿PWM調制技術效果是一樣的。下面進行理論分析：交錯雙邊沿PWM波形見圖3。采用交錯雙邊沿PWM技術在一個周期T1內，電網提供的能量為

(1)

圖3 交錯雙邊沿PWM波形

理想情況下，采用鎖定方式在PWM1的1個周期T1內，電網提供的能量為

(2)

負載需要的能量是不變的，因此

W1=W2

由式(1)和式(2)可知：

(3)

表明在T1周期內，Q1管開通時間不變，Q2管采用兩種方法的開通時間是相等的，提供相同的能量，因此兩者效果一樣[12-13]。

2.2 PWM1和PWM2的頻率相同

PWM1和PWM2頻率相等時，可以分析其與交錯雙邊沿調制PWM波是一樣的[14]，下面分析原因。

如圖4所示，兩者頻率相同，模式Ⅰ中，需要電網補充能量，1個周期內補充能量為：

圖4 頻率相同時的PWM波形

但由于PWM1的作用，電網實際的輸出能量為：

顯然電網補充的能量不夠，系統會繼續增加電網驅動占空比,直到滿足dTon=Ton2-Ton1。另外，由文獻[6]可知，在

時，必定滿足：

因此兩者頻率相同時，其實是文獻[6]中提出的交錯雙邊沿驅動的另一種實現形式而已。

3 采用互鎖驅動方式的實驗結果

用Matlab/Simulink建模仿真主要參數指標如下：

(1) 太陽能電池板開路電壓150 V，短路電流16 A，最大功率2.025 kW；光強1.0 kW/m2，溫度25 °C；

(2) 市電為單相220 V/50 Hz；

(3) 輸出電壓要求為120 V(±2%)；負載額定功率2.88 kW。

圖5給出了仿真模型圖[15]，圖6給出了采用互鎖驅動方式后的系統模式Ⅰ的波形，圖(a)為太陽能電壓Upv(中)、電流Ipv(上)和功率Ppv(下)波形；圖(b)為負載電壓波形；圖(c)為驅動和光伏電流波形；圖7給出了未采用防止兩管同時導通措施時的系統模式Ⅰ下的波形。

圖5 Simulink模型圖

4 結 語

從實驗結果可以看出，在基于雙Buck的光伏與市電聯合供電的系統中，不采用防止兩管同時導通措施時，系統會非常不穩定(見圖7)。從圖6可以看到，采用互鎖驅動方式可以使系統很穩定地工作，最大功率跟蹤非常準確，可以實現預期的目的，電流相對于采用交錯雙邊沿驅動方式時，波動小而且比較平緩。仿真結果驗證了所提方法的正確性。

(a)太陽能Upv、Ipv、Ppv波形

(b)負載電壓波形

(c)驅動和Ipv波形圖6 系統波形

圖7 未采用任何措施時的系統波形

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Research of Hybrid Power System Composed of Photovoltaic and Commercial Power Based on Inter-lock PWM

LUGang-ju，HUTian-you，ZHANGZi-ying，ZHANGWen-he

(University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 611731, China)

The hybrid power system based on multi-input converter can work under suitable mode with power management strategy which has been put forward and interleaved dual-edge modulation PWM. It also can solve a major problem that the track of maximum power fails when photovoltaic cells and the commercial power supply are load at the same time. Now a new drive method is put forward-inter-lock. This method can not only solve the problem, but also have low fluctuation of the system current. The paper theoretically analyzes the modulation effects of inter-lock drive, and compares it with dual-edge modulation PWM. Then Matlab/Simulink is used to establish inter-locking model and simulate It verifies the effectiveness of inter-lock driving method.

hybrid power system； multi-input converter； interleaved dual-edge modulation； inter-lock

2014-07-07

國家自然科學基金(61106107)

盧剛菊(1991-)，女，貴州遵義人，碩士生，研究方向：電力電子與電力傳動。Tel.:15196604179;E-mail:x_julucky@126.com

胡天友(1955-)，男，四川成都人，高級工程師，研究方向：電力電子與電力傳動。

Tel.:13808185978;E-mail:hutianyou138@sina.com

TM 615

A

1006-7167(2015)05-0052-03