《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 一種用于光伏最大功率點跟蹤的Boost電路
NI-LabVIEW 2025
一種用于光伏最大功率點跟蹤的Boost電路
2019年電子技術應用第2期
潘 健,劉天俊,黎家成
湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心,湖北 武漢430068
摘要: 光伏發電系統中利用Boost電路進行最大功率跟蹤的過程存在電路升壓能力不足、輸入紋波較大等問題,利用開關電感結構替代并聯交錯Boost電路中電感,構成一種高升壓比且低紋波的改進型Boost電路。該電路在同一開關周期中擁有四種開關模式,存在三種不同工作狀態,利用平均周期建模法討論其不同占空比情況下輸出電壓增益及輸入電流紋波情況。MATLAB仿真結果表明,改進型Boost相比于傳統Boost電路具有更高的升壓能力;且在動態輸入條件下,具有較快的跟蹤速度,輸入電流紋波小,輸出功率控制效果穩定,適用于光伏發電最大功率點跟蹤。
中圖分類號: TK513.4
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181689
中文引用格式: 潘健,劉天俊,黎家成. 一種用于光伏最大功率點跟蹤的Boost電路[J].電子技術應用,2019,45(2):113-116.
英文引用格式: Pan Jian,Liu Tianjun,Li Jiacheng. A boost circuit for photovoltaic maximum power point tracking[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(2):113-116.
A boost circuit for photovoltaic maximum power point tracking
Pan Jian,Liu Tianjun,Li Jiacheng
Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy, Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China
Abstract: In the photovoltaic power generation system, the boost circuit for maximum power tracking has problems such as insufficient circuit boosting capability and large input ripple, an improved boost circuit to embed switching inductance into parallel interleaved boost converter is proposed. The circuit has four switching modes in the same switching cycle, where there are three different working states, and the output voltage gain and input current ripple at different duty cycles are discussed by using the average cycle modeling method. The result of MATLAB simulation shows that the improved boost circuit has higher boosting ability than the traditional boost circuit. In dynamic input condition, it has faster tracking speed, more stable output power and smaller input current ripple, which is suitable for the maximum power point tracking.
Key words : switching inductors;parallel interleaved boost circuit;boost gain;current ripple

0 引言

    光伏發電系統中,太陽能電池發電效率決定了光能的使用率,在動態環境下,維持電池板工作在最大功率是保證最大程度利用太陽能的關鍵。實際應用中,多采用爬坡法結合Boost電路對電池板輸出功率進行調節[1]。因此Boost電路的性能在很大程度上決定了跟蹤的速度和精度,影響著開關管開通關斷時間及器件電壓應力,間接影響光伏電池MPPT(最大功率點跟蹤)系統的壽命[2-3]。

    傳統Boost電路電壓增益為V(1-D),輸出紋波較大。為減小輸出紋波,同時降低器件電壓應力,出現了并聯交錯Boost電路[4-6],該結構由兩組電感和開關管構成的回路并聯而成,開關管交替導通,在一定程度上降低了開關器件和二極管的電壓應力,輸入電流紋波低。

    但由于傳統Boost電路及并聯交錯Boost電路輸出電壓增益相同,在應對普通低電壓場合時能夠滿足需求,當升壓需求增大時,電路工作占空比會隨之呈正比例增大,因升壓能力限制而造成開關器件在高占空比下長久使用,會縮短其壽命。因此具有高增益的改進型電路應運而生,如加入了開關電感的Boost電路[7-8]、具有開關電容的并聯交錯Boost電路[9]以及增加輸出電容從而提升升壓能力的并聯交錯Boost電路[10-11]和增加耦合電感的并聯交錯電路[12-13]等。

    本文在并聯交錯Boost電路基礎上,提出了一種基于開關電感的并聯交錯Boost電路,將并聯交錯電路中的電感替換成由三個二極管和兩個電感構成的開關電感形式,電路繼承了并聯交錯Boost電路的低紋波優勢,同時加入的開關電感取代了單一的電感,使得電路在運行過程中同一占空比下輸出增益更大。其適用于對控制精度和升壓效果要求較高的MPPT應用。

1 改進型并聯交錯Boost電路工作狀態分析

    改進型Boost電路如圖1所示,利用開關電感結構替代了傳統Boost電路單電感的工作結構,每組開關電感由兩個電感和三個二極管構成,且L1=L2=L3=L4=L。

dy1-t1.gif

    電路工作時采用并聯交錯電路控制模式,兩個開關管占空比相同,但開關管S2比開關管S1滯后半周期導通(相位差180°),主要工作狀態分為四個階段,如圖2所示。具體過程如下:

    (1)第一階段t1~t2(圖2(a)),S1導通,S2關斷。二極管D1、D3、D5導通,D2、D4、D6截止;電感L1、L2并聯充電,充電電壓為Vi,L3、L4串聯放電,電流為i2。

    (2)第二階段t2~t3(圖2(b)),S1關斷,S2關斷。二極管D2、D5導通,D1、D3、D4、D6截止。電感L1、L2串聯放電,電流為i1,L3、L4串聯放電,電流為i2

    (3)第三階段t3~t4(圖2(c)),S1關斷,S2導通,二極管D2、D4、D6導通,D1、D3、D5截止。電感L1、L2串聯放電,電流為i1,L3、L4并聯充電,充電電壓為Vi

    (4)第四階段t4~t5(圖2(d)),S1導通,S2導通。二極管D1、D3、D4、D5導通,D2、D5截止。電感L1、L2并聯充電,充電電壓為Vi,L3、L4并聯充電,充電電壓為Vi。

    四個階段電感電壓dy1-2-s1.gif和電容電流ic的關系如圖2(a)~圖2(d)。

dy1-t2.gif

2 改進型并聯交錯Boost電路分析

2.1 輸出電壓增益

    因占空比決定了Boost電路不同的工作模態,在一個周期中,當占空比處于0<D<0.5和處于0.5≤D<1時,單周期內系統所包含的工作狀態因S1、S2開通與關斷時間不同而有所區別,如圖3所示,圖中數字表示對應的工作狀態。現對系統連續工作模式下不同占空比情況進行分析:

dy1-t3.gif

    (1)占空比0<D<0.5

    在一個周期中,此時有三種不同的工作狀態,分別是S1導通、S2關斷(第一階段),S1關斷、S2關斷(第二階段)和S1關斷、S2導通(第三階段),如圖3(a)所示。

    對該周期采用平均周期建模法,一個周期內電感上的平均電壓大小有:

     dy1-gs1-2.gif

    將式(1)、式(2)化簡得:

    dy1-gs3-6.gif

    (2)占空比0.5≤D<1

    此時電路在一周期中有S1導通、S2導通(第四階段),S1導通、S2關斷(第一階段)和S1關斷、S2導通(第三階段)三種工作狀態,如圖3(b)所示。同理分析可得式(6)相同結論。

    綜上分析,本改進型并聯交錯Boost電路工作在0<D<1情況下電壓增益為:

    dy1-gs7.gif

相比于傳統Boost,電壓增益增加了D/(1-D)。

2.2 輸入電流紋波

    如前面所述,當電路工作在不同占空比(0<D<0.5和0.5≤D<1)時,輸入電感的紋波也會由此分為兩種情況討論,電流與開關信號之間的關系如圖4所示。

dy1-t4.gif

    (1)當0<D<0.5時,合成電流為i,占空比Di=2D。在任意一個DiTS/2時間段內,開關管S1導通、S2關斷,作用效果相同。選擇i1所在支路S1處于關斷狀態,電感L1、L2串聯放電;i1所在支路S2處于導通狀態,電感L3、L4并聯充電。

dy1-gs8-12.gif

3 仿真分析驗證

3.1 恒壓輸入下輸出性能仿真

    電感、電容和電阻的取值分別為:L1=L2=L3=L4=L=4×10-4H,C=2×10-4F,R=5 Ω。分別對傳統Boost電路和本電路進行對比仿真。輸入電壓Vi=10 V,占空比分別取0.2、0.5、0.8,如圖5所示,其中虛線為改進后電路輸出電壓,實線為傳統Boost電路輸出電壓。改進型拓撲結構明顯具有更好的升壓優勢,與理論計算基本符合。

dy1-t5.gif

3.2 光伏電池最大功率跟蹤仿真

    假設電池工作環境溫度T=25 ℃,在0~1 s區間,最大光照輻射強度S=1 000 W/m2,其中0.5~0.7 s區間,光照輻射強度逐步下降至S=250 W/m2并逐步回升。L1=L2=L3=L4=L=1.03×10-3H,C=1×10-3F,R=20 Ω。MPPT策略采用傳統擾動觀察法。

    圖6(a)為光伏電池輸出功率時間曲線。當仿真開始,輸出功率逐步提升到260 W左右;在t=0.5 s時,輻照強度逐步下降至S=250 W/m2,輸出功率降低至65 W左右,隨后隨著輻照強度上升,輸出功率也隨之上升,并回升至260 W,調節時間為0.035 s左右??梢姳靖倪M型拓撲能夠實現光伏電池最大輸出功率的實時跟蹤,且跟蹤響應速度較快,輸出性能穩定。

    圖6(b)為改進型拓撲輸入端電流,i1、i2分別為S1、S2對應回路輸入電流;i為光伏電池輸出電流即改進型拓撲輸入總電流??梢娸斎腚娏鱥頻率為i1、i2的2倍,且紋波經兩路電流合成后明顯降低,合成電流脈動范圍為7.55~7.63 A,紋波較小,且與理論計算相符。

dy1-t6.gif

    圖7為改進型拓撲輸出電壓及電流仿真波形,穩定狀態最大輸出電壓為72 V,根據光伏電池輸出電壓35 V計算可知,開通占空比為0.345左右,而傳統拓撲達到此穩定狀態開關占比需在0.5左右,在一周期中,改進型拓撲開關管開通時間明顯減少,且能達到相同升壓控制效果。

dy1-t7.gif

4 結論

    本文提出的開關電感并聯交錯Boost電路,輸出電壓增益較傳統拓撲升壓倍率提升了D/(1-D),且繼承了并聯交錯Boost電路低輸入電流紋波的特點。仿真驗證了拓撲的升壓能力是傳統拓撲的(1+D)倍;且在動態輸入環境下,其跟蹤的可靠性和穩定性,驗證該拓撲能夠應用于光伏電池最大功率點跟蹤。

參考文獻

[1] 徐德鴻,馬皓,汪賧生.電力電子技術[M].北京:科學出版社,2006.

[2] 李京,胡仁杰.光伏電池在Boost電路中的最大功率跟蹤[J].電氣技術,2013(4):21-24.

[3] 高任龍,謝樺,陳寧.Boost電路在光伏發電系統中的應用[J].電源技術,2012,36(3):377-379.

[4] 孫宏宇,王婕.交錯并聯Boost PFC電路數學建模與仿真[J].電源世界,2014(9):26-29.

[5] 賈浩文,高波,徐海濤,等.基于交錯并聯Boost電路的光伏MPPT研究[J].電力科學與工程,2017(4):7-12.

[6] 艾建坤,秦會斌.一種交錯并聯型Boost PFC的建模與設計[J].電子器件,2016(6):1537-1542.

[7] 高嵩,宋鶴,陳超波,等.開關電感Boost變換器建模與仿真分析[J].電源學報,2015(4):77-84.

[8] YI J H,CHOI W,CHO B H.Zero-voltage-transition interleaved boost converter with an auxiliary coupled inductor[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(8):5917-5930.

[9] 汪東,趙一,石健將,等.具有開關電容的隔離型交錯并聯Boost變換器[J].中國電機工程學報,2009(21):14-20.

[10] 邾玢鑫,任路路,吳襲.一種新型非隔離型高增益DC-DC變換器[J].電機與控制學報,2017(4):25-30.

[11] 程千,張代潤,程滿,等.一種適用于光伏發電系統的新型兩相交錯并聯Boost變換器[J].可再生能源,2015(11):1614-1618.

[12] ABDEL-RAHIM O,ORABI M,ABDELKARIM E,et al.Switched inductor boost converter for PV applications[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2012 Twenty-Seventh Annual IEEE.IEEE,2012:2100-2106.

[13] 薛利坤,王萍,王議鋒.基于開關電容和耦合電感的交錯并聯型高電壓增益雙向DC-DC變換器[J].電工技術學報,2016,31(24):181-187.



作者信息:

潘  健,劉天俊,黎家成

(湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心,湖北 武漢430068)

此內容為AET網站原創,未經授權禁止轉載。
主站蜘蛛池模板: 人人看人人搞 | a级在线免费观看 | 欧美日韩在线视频专区免费 | 91久久精品日日躁夜夜躁欧美 | 午夜叉 | xxxx日本xx| 日本xxxxx在线观看 | 丁香天堂网 | 动漫成年美女黄漫网站在线看 | 中国国产xxxxhd | 夜夜操天天操 | 日韩美三级| 午夜丁香影院 | 黄色毛片免费在线观看 | 日本爽妇网 | 国产精品久久久久久久久鸭 | 爆操在线| 99精品视频看国产啪视频 | 日本欧美成人免费观看 | 狍和美女一级aa毛片 | 97国产在线公开免费观看 | 婷婷亚洲综合五月天小说 | 伊人久久精品成人网 | 国产黄色免费观看 | 成人精品视频在线观看 | 亚洲高清成人欧美动作片 | 日本伊人网 | 欧美一区二区三区在观看 | 丁香五月欧美成人 | 成年网站免费入口在线观看 | 成片免费观看视频在线网 | 免费国产怡红院在线观看 | 久久亚洲网站 | 成人高清在线观看 | 欧美高清免费一级在线 | 亚洲欧美日韩国产综合 | 一级毛毛片毛片毛片毛片在线看 | 手机福利视频一区二区 | 成人va| www夜夜操com| 日韩三级观看 |