侯世英　陳復(fù)

摘要：在基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入升壓變換器中，由于其開關(guān)管必須同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，因此很難實(shí)現(xiàn)對各輸入源的獨(dú)立控制.基于此，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，并采用交錯(cuò)控制策略進(jìn)行研究.首先對基于交錯(cuò)控制的雙輸入升壓變換器的工作原理及性能進(jìn)行了分析，然后通過拓?fù)渫蒲莸玫搅薾路輸入的高升壓變換器.最后，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該變換器不僅具有較大的電壓增益，而且允許所有開關(guān)管不同時(shí)導(dǎo)通、不同時(shí)關(guān)斷，并且占空比不完全一致，實(shí)現(xiàn)了各輸入源的獨(dú)立控制，在新能源利用方面具有一定的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：新能源；多輸入；開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；高增益；交錯(cuò)控制

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0085-07

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，以及它所造成的環(huán)境污染和全球變暖等問題日益嚴(yán)重，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視.目前，應(yīng)用較多的新能源發(fā)電方式主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可永續(xù)利用的特點(diǎn).但在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，每一個(gè)輸入源均需要一個(gè)DC/DC變換器與之對應(yīng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且其自身存在隨機(jī)性、間歇性、地域性、輸出非線性等局限性[1]，極大地限制了新能源聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的發(fā)展.基于上述原因，采用一個(gè)多輸入變換器（Multi-input Converter，MIC）代替多個(gè)單輸入變換器的思想逐漸形成，MIC不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)先利用，降低系統(tǒng)成本，而且允許多種性質(zhì)、幅值和特征不同的能源輸入，因此，MIC的發(fā)展受到國內(nèi)外專家學(xué)者的極大關(guān)注[2-4].

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了一些MIC拓?fù)?文獻(xiàn)[5-6]所提出的MIC結(jié)構(gòu)簡單，但在任意時(shí)刻只能有一個(gè)輸入源工作，輸入能源利用效率低.文獻(xiàn)[7]所提出的MIC既能實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入源分時(shí)供電，又能實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電，但該變換器實(shí)質(zhì)上是將多個(gè)Boost單元并聯(lián)在輸出側(cè)，并未減少元件數(shù)量.雖然上述兩類MIC組成結(jié)構(gòu)簡單，但電壓增益與傳統(tǒng)的單輸入Boost變換器一樣，應(yīng)用場合受到了限制.隨著MIC研究的深入，同時(shí)供電型MIC種類增多，相應(yīng)的控制策略也隨之出現(xiàn)，其中交錯(cuò)控制在同時(shí)供電型MIC中應(yīng)用廣泛[8-14].

文獻(xiàn)[15]結(jié)合開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，得到一種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的新型單開關(guān)升壓變換器，并在此基礎(chǔ)上衍生出一種新型多輸入升壓變換器[16]，該變換器開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小，降低了系統(tǒng)成本，電感電流紋波較小且連續(xù)，任何輸入電源供電時(shí)，所有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均參與工作，器件利用率及能量輸入效率高，所有開關(guān)管僅由同一信號驅(qū)動(dòng)，控制簡單.但從另一方面而言，所有開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷卻帶來了一定的局限性，如不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時(shí)作為輸入源輸入時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)各輸入源的獨(dú)立控制.本文針對文獻(xiàn)[16]所提多輸入升壓變換器的不足，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組合方式進(jìn)行一定的改變，并采用交錯(cuò)控制的方法，使其不僅保留原拓?fù)涓咴鲆?、多路輸入、開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小、電感電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)，而且允許不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時(shí)作為輸入源輸入，并易于實(shí)現(xiàn)各輸入源的獨(dú)立控制.

1雙輸入升壓變換器

1.1拓?fù)渥冃?/p>

對于另外3種情況的交錯(cuò)波，可以采用相同的方法對其工作原理及輸入＼＼輸出電壓關(guān)系進(jìn)行分析，得到的結(jié)果見表2.

2基于交錯(cuò)控制的n輸入升壓變換器

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行級聯(lián)組合，因此，將多個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)按圖3所示方式進(jìn)行級聯(lián)得到一種新型的n路輸入升壓變換器，如圖7所示.

可以看出，在具有n個(gè)輸入源和n個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的情況下，該拓?fù)渫瑯涌梢詽M足大小、特征、幅值不同的輸入源同時(shí)輸入，且占空比可以不同；若某輸入源為光伏輸入時(shí)，通過調(diào)節(jié)其輸入電流的參考值可以很容易地實(shí)現(xiàn)其最大功率輸出，即實(shí)現(xiàn)MPPT，提高了能源利用效率，拓展了該拓?fù)涞膽?yīng)用場合，尤其是在新能源聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用.

對兩種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入DC/DC變換器的性能特點(diǎn)進(jìn)行比較，見表3.

由表3可知：

1） 文獻(xiàn)[16]所提變換器僅能進(jìn)行分時(shí)供電，而本文中的多輸入變換器在同時(shí)供電下均能正常工作，充分利用了輸入源.

2） 兩種多輸入變換器輸出電壓的表達(dá)式略有不同，但均能使輸出電壓獲得較高的電壓等級，均具備高增益的特點(diǎn).

3） 文獻(xiàn)[16]所提的變換器僅能在開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷的條件下工作，雖然控制簡單，但無法實(shí)現(xiàn)各輸入源的獨(dú)立可控；而本文中的變換器除了能在開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷的情況下工作，還能工作在開關(guān)管交錯(cuò)導(dǎo)通的情況下，能很好地實(shí)現(xiàn)對各輸入源的獨(dú)立控制.

3仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1仿真研究

為了驗(yàn)證前述理論分析的正確性，本文根據(jù)圖4所示雙輸入升壓變換器，在Matlab中搭建了仿真模型，仿真模型參數(shù)見表4.

由圖8可以看出：

1） 圖8（a），（b）和（c）所示電感電流存在一定的啟動(dòng)沖擊，這是由Boost電路本身的性質(zhì)決定的，且在仿真中，由于電路參數(shù)比較理想，忽略了部分器件自身的阻抗，因而啟動(dòng)沖擊電流較大.但是實(shí)際電路中，啟動(dòng)沖擊電流會(huì)比仿真時(shí)小一些.

2） 交錯(cuò)波占空比D1和D2分別為0.3和0.4，此時(shí)UC1和UC2及Uo的理論值分別為45.7 V，40.0 V和115.4 V，可以發(fā)現(xiàn)，圖8（d），（e）和（f）所示仿真輸出電壓與理論計(jì)算值接近，說明了前述理論分析的正確性.

3.2實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析與仿真結(jié)果的正確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建雙輸入升壓電路樣機(jī)，除開關(guān)頻率變?yōu)?0 kHz外，其余電路參數(shù)與仿真模型參數(shù)基本一致.兩個(gè)開關(guān)管交錯(cuò)180o導(dǎo)通，得到如圖9所示的實(shí)驗(yàn)波形.

圖10為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)測工作效率，從圖中可以看出，變換器在不同的負(fù)載條件下，其效率曲線是變化的，且其最大工作效率大約為92.7%.

4結(jié)語

本文對多個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的連接方式進(jìn)行了重新組合，在交錯(cuò)控制方式下，對其雙輸入情況下的工作原理、性能特性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對基于交錯(cuò)控制的多輸入情況進(jìn)行了推衍，最后進(jìn)行仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1） 對本文所示的多輸入DC/DC變換器采用交錯(cuò)控制是可行的，且所有開關(guān)管占空比不完全一致，使各輸入源能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，拓展了應(yīng)用場合.

2） 輸出電壓等于各輸入源電壓的（1+Dn）/（1-Dn）倍之和，同樣具備了高增益的性質(zhì).

3） 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的多輸入DC/DC在同時(shí)供電情況下正常工作，未造成輸入源閑置的情況，輸入源利用率高，且各輸入源之間互不影響，非常適合于新能源聯(lián)合利用的場合.

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