BFC直流變換器在光伏發電系統中的應用研究

劉芳+劉玉友+符再興

摘 要： 光伏發電系統中輸出電壓隨光強變化波動較大，為保證正常并網逆變，需要一種高增益的直流變換器將光伏輸出電壓提升到常規直流母線電壓。這里主要研究一種基于Boost拓撲、Flyback拓撲的升壓反激式變換器（BFC）在太陽能光伏發電系統的應用。BFC將Boost拓撲與Flyback拓撲輸入并聯、輸出串聯，反激拓撲中的初級線圈電感同時作為Boost拓撲的輸入電感，變壓器的漏感能量得到了利用。仿真結果表明，新型BFC直流變換器應用于光伏發電系統時，具有提高輸出電壓增益，減小電壓紋波，跟蹤效果更好等優點。

關鍵詞： 光伏發電； BFC拓撲； 高增益直流變換器； 漏感

中圖分類號： TN624?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0145?04

Application of boost?flyback DC converter in photovoltaic generation system

LIU Fang1， LIU Yuyou2， FU Zaixing1

（1. College of Information and Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology （Weihai Campus）， Weihai 264209， China；

2. Shandong Changdao Power Company， State Grid， Changdao 265800， China）

Abstract： The output voltage of photovoltaic power generation system changes with light intensity. In order to ensure normal grid?connected inversion， a high?gain DC/DC converter is needed to elevate the PV output voltage to normal level. The application of boost?flyback converter （BFC） based on boost topology and flyback topology in photovoltaic power generation systems is discussed. The BFC puts the inputs of boost topology and fly?back topology in parallel and puts the outputs of them in series. At the same time， the primary coil inductance of flyback topology is used as input inductance of boost topology， by which the leakage inductance of transformer is used fully. Simulation results show when BFC is applied to PV power generation system， BFC has the advantages of elevating the output voltage gain and reduce the voltage ripple， and has better tracking effect.

Keywords： photovoltaic generation； BFC topology； high?gain DC converter； leakage inductance

0 引 言

隨著經濟的快速發展，全球能源總消耗量日益增大。人們迫切需要尋找到一種可再生、儲量大、清潔方便的能源來支撐經濟的高速發展，開發和利用太陽能成為熱門研究方向。

光電轉化是利用光伏電池將太陽輻射能直接轉換成電能，且和儲能裝置、測量控制裝置和直流?交流轉換裝置相配合，構成光伏發電系統[1]。光伏電池輸出電壓大小隨光照強度變化波動較大，最低可至20～30 V。為保證正常并網逆變需要，需要一種具有高增益的直流變換器將光伏電池輸出電壓提升至常規直流母線電壓。本文探究了一種基于Boost拓撲與反激拓撲配合的Boost?Flyback Convertor （BFC） 的工作原理以及在太陽能光伏發電系統中的應用。BFC將Boost拓撲與Flyback拓撲輸入并聯、輸出串聯，并采用交錯導通技術。其中反激拓撲中的初級線圈電感同時作為Boost拓撲的輸入電感，變壓器的漏感能量得到了利用，減小了漏感損耗，提高了變換器的轉換效率。

1 Boost?Flyback變換器結構及分析

1.1 Boost?Flyback變換器工作原理

Boost電路和Flyback 電路的輸入結構相似，將兩個拓撲的“輸入并，輸出串”，就組成了新型的BFC（Boost?Flyback Converter） 拓撲[2]，如圖1 所示。變壓器的激磁電感和漏感分別為LM和LK，初級線圈電感為LP=LM+LK，變壓器原邊線圈匝數為Nx，變壓器副邊線圈的匝數為Ny，且Nx∶Ny=n。反激變換器的輸出二極管對應BFC中的D1，與此類似Boost變換器的輸出二極管對應DC1 。同時這里提高輸出電壓增益也可以通過調節變壓器匝比和占空比實現。

圖1 Boost?Flyback變換器示意圖

其工作過程可簡單分析如下：開關管導通時，電流通過初級線圈和開關管組成回路，電感LP起到儲能作用，同時給開關管寄生電容CDS充電。二極管D1因次級線圈電壓相位而處于反相截止狀態，DC1處也沒有電流通過，電路通過2個輸出級電容向負載提供能量；開關管S閉合時，通過次級線圈向負載供能。同時，Uin和初級線圈共同向電容CC和負載提供能量，其工作過程與Boost 電路類似。在該過程中，初級線圈的漏感部分LK中貯存的能量也通過DC1 傳輸到負載側，也就是說Boost 電路不僅具有升壓功能，同時也能吸收高頻變壓器中漏感儲存的能量，將漏感損耗能量傳輸到負載側，提高了變換效率；當開關管斷開時，DC1導通，形成UI?線圈?DC1?CC回路，開關管電壓被變壓器和電容CC鉗位，避免了因出現嚴重的關斷尖峰電壓而燒壞開關管的情況。采用BFC新型輸入輸出結構既大幅度提高電壓增益，同時減小了輸出電容的電壓應力。

1.2 電壓增益分析

開關管關斷后，負載由激磁電感LM（Flyback等效）和漏電感LK（Boost等效）供能。其中：UB為Boost變換器輸出電壓，UF=UC1+[UC1n]為反激變換器的輸出電壓。研究可得，對于BFC“輸入并，輸出串”時的電壓增益為：

[UOUI=UF+UBUI=k1+LKLM+1k] （1）

式中k為雙路輸出的電壓增益。

由式（1）可知，對比單一的Boost變換器或反激變換器，新型逆變器的輸出電壓大幅度增加，漏感和激磁電感的比值對輸出電壓提高幅度有很大影響，漏感與輸出電壓幅值成正比，就是說新型BFC變換器，利用變壓器的漏感來提高了電壓增益，同時解決了反激變換器的漏感問題，一舉兩得。由此可見，原邊開關管電流應力一定時，可以實現更大的輸出功率；漏感另一作用是對二極管電流的變化起到限制作用，增強系統

的電磁兼容性。

2 光伏系統中最大功率跟蹤的實現

根據文獻[3]等效電路建立Matlab/Simulink模型，如圖2所示。

圖2 光伏組件仿真模型

為實現最大功率跟蹤，這里選擇電導增量法[4]，根據文獻[3] 提供的P?V曲線可知，在最大功率點處存在dP/dV=0，分析可知在最大功率點處有下式成立[5?8]：

[dIdV=-IV] （2）

故可利用式（2）來判定光伏電池是否工作在最大功率點。

在U?I曲線上未達到最大功率點時存在關系：

[dIdV>-IV] （3）

在U?I曲線上超過最大功率點時存在關系：

[dIdV<-IV] （4）

光伏組件電壓可利用式（4）進行相應的調節。

相應的控制流程如圖3所示。

圖3 電導增量法流程圖

電導增量法的數學依據是在最大功率點處功率對電壓的導數為0。P?V曲線為單峰值曲線，從原理上來分析，用電導增量法進行最大功率跟蹤時屬于無差跟蹤，跟蹤效果比較理想[9?10]。

3 系統仿真及結果

圖4所示為電導增量法用于新型Boost?Flyback變換器的單路MPPT控制模型，在t=0.1 s的時刻施加光強和溫度的擾動，圖5，圖6為仿真結果。

圖4 新型BFC單路MPPT控制模型

圖5 光伏電池輸出功率

圖6 輸出電壓波形

3.1 BFC與Boost拓撲的MPPT比較

圖7所示為電導增量法用于Boost變換器的MPPT控制模型，在t=0.05 s的時刻施加光強和溫度的擾動，圖8，圖9為仿真結果。由單路BFC和傳統Boost仿真結果對比可知，將電導增量法應用于新型BFC拓撲上時，相對比傳統的Boost能夠平穩、快速地跟蹤光伏電池的最大功率，輸出電壓值更穩定。

圖7 Boost變換器MPPT控制模型

圖8 光伏電池輸出功率

圖9 輸出電壓波形

3.2 交錯導通的BFC的MPPT仿真

為了使BFC的高增益高效率的特點更加明顯，這里進一步采用了交錯導通的BFC模型來驗證。圖10所示為電導增量法用于交錯Boost?Flyback變換器的MPPT控制模型，拓撲中的器件參數保持不變，在t=0.07 s的時刻施加光強和溫度的擾動，圖11，圖12為仿真結果。比較傳統Boost變換器的MPPT控制波形與交錯的BFC變換器的MPPT控制波形，清楚看到：BFC的跟蹤速度相較于傳統Boost更快，超調量遠小于傳統Boost變換器；交錯BFC的跟蹤波形為一條平滑的曲線，紋波較小。而Boost變換器的波形則存在一定大小的紋波，輸出電能質量也不及交錯的BFC拓撲結構。交錯BFC的仿真結果要明顯優于單路的BFC。

圖10 交錯BFC的MPPT控制模型

圖11 光伏電池輸出功率

圖12 輸出電壓波形

4 結 語

本文主要工作是研究了具有高增益高效率特點的新型BFC變換器在光伏發電系統中的應用，并對此進行了仿真驗證。由于BFC變換器具有提高光伏輸出電壓、減小電壓紋波以及提高變換器的轉換效率等特點，相比于傳統的Boost變換器，BFC直流變換器應用于光伏發電時，最大功率點跟蹤速度更快，跟蹤過程更為平滑，超調小于Boost變換器，輸出波形穩定后的跟蹤波形也更穩定、波動小。

參考文獻

[1] 董妍.新型反激式光伏并網逆變器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[2] 古俊銀，吳紅飛.高效率高增益Boost?Flyback直流變換器[J].中國電機工程學報，2011，31（24）：40?45.

[3] XI Youhao， JAIN Praveen K. Zero voltage switching flyback converter topology [C]// ESC Record?IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference. [S.l.]： IEEE， 1997： 311?313.

[4] 劉翼.基于Simulink的光伏電池組件建模和MPPT仿真研究[J].科技導報，2010，28（18）：94?97.

[5] 徐鵬威，劉飛，劉邦銀，等.幾種光伏系統MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術，2007，41（5）：3?5.

[6] HOYO J. Study of an AC?AC flyback converter operating in DCM [C]// PESC Record?IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference， [S.l.]： IEEE， 2003， 2： 683?688.

[7] LI Quan， WOLFS P. A current fed two?inductor boost converter with an integrated magnetic structure and passive lossless snubbers for photovoltaic module integrated converter applications[J]. IEEE Transaction on Power Electronics， 2007， 22（1）： 309?321.

[8] 孔力.太陽能光伏發電[M].北京：機械工業出版社，2000.

[9] 郭爽，王豐貴.實用光伏電池建模及MPPT 算法仿真[J].現代電子技術，2014，37（8）：148?150.

[10] 錢嘉怡，朱東柏，王梓.光伏系統 MPPT 控制方法研究[J].價值工程，2011，30（10）：157?158.endprint