申瑋霓　王玉生　張　利　白連平

（1. 北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100192；2. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100083）

光伏發(fā)電雙管Buck-Boost電路兩模式控制方法的仿真與實驗研究

申瑋霓1王玉生2張利1白連平1

（1. 北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100192；2. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100083）

光伏電池輸出特性具有非線性的特征，其輸出功率隨著負(fù)載、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的變化而變化。調(diào)整光伏電池的輸出電壓或電流，是提高光伏電池發(fā)電效率的重要途徑，它需要用到直流變換電路。本文分析了雙管Buck-Boost電路，與常用的四個變換電路相比，該電路綜合了Buck電路和Boost電路的優(yōu)點，能分別實現(xiàn)降壓功能和升壓功能，具有輸入與輸出同極性，無源元件少，開關(guān)器件的損耗低等優(yōu)點。本文用Simulink對雙管Buck-Boost電路進(jìn)行了仿真，并做了實驗，仿真和實驗結(jié)果表明雙管Buck-Boost電路能較好地應(yīng)用于光伏發(fā)電DC/DC變換電路。

光伏發(fā)電；DC/DC變換電路；雙管Buck-Boost；Simulink仿真

DC/DC變換電路的工作原理是通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)，將一種持續(xù)的直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種可調(diào)的或固定的直流電壓。DC/DC變換電路又可稱為直流斬波電路，常見的一共有4種：Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk（Boost-Buck）電路［1］。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/DC變換電路是最大功率跟蹤的重要環(huán)節(jié)，與普通DC/DC變換電路不同，它不僅要實現(xiàn)直流電壓的變換，而且要實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，同時需要減小環(huán)境變化對光伏板輸出效率的影響。雙管Buck-Boost變換器將Buck和Boost變換器級聯(lián)在一起，具有輸入輸出同極性和升降壓特性。本文將上述幾種變換器進(jìn)行了比較，并對雙管Buck-Boost變換器的兩模式控制方法進(jìn)行了仿真分析，通過實驗驗證了電路的性能，提出了變換器在實際應(yīng)用中需要注意的問題。

1　雙管Buck-Boost電路工作原理

雙管Buck-Boost變換器如圖1所示：將Buck和Boost電路級聯(lián)起來，去掉電容C，兩個電感合并成一個電感就得到了雙管Buck-Boost變換器。該電路只包含兩個開關(guān)和兩個二極管，Buck電路和Boost電路共用一個電感。電路的工作模式根據(jù)輸入電壓和輸出電壓進(jìn)行判定，當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時，電路工作在Buck模式。當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時，電路工作在Boost模式。

圖1　雙管Buck-Boost電路

該電路的控制方法有5種：單模式雙管同開同關(guān)、單模式雙沿控制、單模式交錯控制、兩模式控制和三模式控制，目前兩模式控制是雙管Buck-Boost常采用的控制方法，它能減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提高電壓變換的效率［2］。

兩模式控制方法就是對兩個開關(guān)管分別單獨控制，讓電路處于升壓模式或降壓模式。當(dāng)開關(guān)管T1給驅(qū)動信號，開關(guān)管T2關(guān)斷時，電路如圖2所示。

圖2　降壓模式

此時電路為降壓電路，通過控制開關(guān)管T1的開通和關(guān)斷實現(xiàn)降壓功能。當(dāng)T1導(dǎo)通時，直流電源電壓Vs經(jīng)過T1直接輸出，D1反向截止，D2導(dǎo)通，電流經(jīng)電感L流向電容C和負(fù)載R，此時輸出電壓略小于輸入電壓。當(dāng)T1關(guān)斷時，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生左負(fù)右正的感應(yīng)電動勢，二極管D1、D2導(dǎo)通，電感經(jīng)兩個二極管和負(fù)載續(xù)流。與Buck電路不同的是電路中二極管D2存在壓降，在對輸入電壓進(jìn)行降壓變換時，必須考慮到二極管D2的壓降。當(dāng)電感電流連續(xù)（CCM）時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為［3］

式中，d1是開關(guān)管T1的占空比，Vd1是二極管D1的管壓降，Vd2是二極管D2的管壓降。當(dāng)開關(guān)管T1保持導(dǎo)通，開關(guān)管T2給驅(qū)動信號時，電路為升壓電路，電路如圖3所示。

當(dāng)開關(guān)T2導(dǎo)通時，電源向電感充電，電感電流增大，二極管均截止，此時只有電容C向負(fù)載供電。當(dāng)開關(guān)管T2關(guān)斷時，電感放電，電流減小，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生左負(fù)右正的感應(yīng)電動勢，電源Vs和電感L向負(fù)載和電容供電，二極管D1截止，D2導(dǎo)通。負(fù)載電壓為電源電壓和電感電壓之和，電容C在電路中起到濾波的作用，它可以減小負(fù)載的電壓紋波。當(dāng)電感電流連續(xù)（CCM）時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為

圖3　升壓模式

式中，d2為開關(guān)管T2的占空比；Vd2是二極管D2的管壓降。下表將雙管Buck-Boost變換器與常用的4種變換器做了比較。

表1　雙管Buck-Boost變換器與常用直流變換器比較

通過表格可以看出，雙管Buck-Boost不僅具有升降壓的特性，而且電路的輸入電壓與輸出電壓的極性是相同的，不存在輸出電壓與輸入電壓反向的情況，適合應(yīng)用于兩級光伏并網(wǎng)逆變器的前級直流變換［4］。與Buck-Boost和Cuk變換器相比，開關(guān)管承受的電壓低，占空比的調(diào)節(jié)范圍更廣。

2　基于Matlab/Simulink的雙管Buck-Boost電路仿真

Simulink仿真系統(tǒng)是Matlab最終要的組件之一，能夠使用戶和系統(tǒng)交互進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析。下面根據(jù)實際電路，利用Matlab/ Simulink設(shè)計一個雙管Buck-Boost變換器，輸入電壓模擬單塊光伏板的輸出電壓，選用22V的直流電源，負(fù)載電阻100Ω，設(shè)計電感和電容的值。設(shè)計步驟如下：

1）設(shè)計參數(shù)

（1）電路中的開關(guān)管選用Mosfet，開關(guān)頻率為5kHz。

（2）為了使系統(tǒng)能夠工作在電感電流連續(xù)模式，需要選擇合適的電感。占空比D在0～1之間變化，D=0時LC為最大的臨界電感值，負(fù)載電阻100Ω，基于以上參數(shù)可得最大臨界電感值：

考慮裕量以及電路性質(zhì)，選擇20mH的電感。

（3）計算電容值。電容值的大小通常由輸出紋波電壓決定。要求，占空比在0～1之間變化，可得電容臨界值

由于選用足夠大的電容值可以使輸出電壓變化很小，這里選擇470μF的電容。

2）建立仿真模型

按照雙管Buck-Boost變換器搭建Simulink仿真電路。電源電壓22V，負(fù)載電阻100Ω，驅(qū)動信號頻率5kHz，脈沖寬度50%，電感L值為20mH，電容C值為470μF，開關(guān)管Mosfet和二極管均選擇默認(rèn)參數(shù)，其中二級管導(dǎo)通壓降為0.8V，負(fù)載兩端加一個10μF的電容，起到濾尖峰的作用。本文選擇變換器的兩模式進(jìn)行仿真，即電路分別處于降壓狀態(tài)和升壓狀態(tài)。當(dāng)雙管Buck-Boost電路處于降壓模式時，其仿真模型如圖4所示，設(shè)置仿真時間為0.1s。

圖4　雙管Buck-Boost降壓模式電路圖

占空比為0.5時，截取部分仿真波形如下，從圖中可以看出，電感電流處于連續(xù)模式，輸出電壓大約在10V左右，理論上應(yīng)該為11V，這是由于二極管存在壓降導(dǎo)致的。

通過公式可計算出，輸出電壓

占空比為0.2時，仿真波形如下，電感電流平均值降低，輸出電壓平均值降低，輸出電壓理論值

占空比為0.8時，仿真波形如下，電感電流平均值升高，輸出電壓升高，輸出電壓理論值

當(dāng)雙管Buck-Boost處于升壓模式時，仿真模型電路如圖8所示。

圖5　占空比0.5

圖6　占空比0.2

圖7　占空比0.8

圖8 雙管Buck-Boost升壓模式電路圖

圖8中電路電源電壓仍然選擇22V，電路各參數(shù)不變。

占空比為0.5時，仿真波形如下，從圖中可以看出電路仍處于電感電流連續(xù)（CCM）模式，輸出電壓理論值為

圖9　占空比0.5

占空比為0.2時，仿真波形如下，輸出電壓理論值為

圖10　占空比0.2

3　實驗數(shù)據(jù)分析

作者基于雙管Buck-Boost電路制作了一個DC/DC變換器，控制器和實驗框圖如圖11所示。

圖11　控制器正面圖

圖12　實驗框圖

實驗選用開路電壓25V，短路電流2A的光伏電池作為輸入電壓。開關(guān)管采用Mos管IRF1407，通過瑞薩單片機(jī)R8C/2L發(fā)出PWM波驅(qū)動開關(guān)管的開通關(guān)斷，電感大小20mH，負(fù)載電阻100Ω。在400W/m2的條件下，對單片光伏板進(jìn)行升降壓實驗，實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2　實驗測試結(jié)果

表2中前三欄為降壓模式的測試結(jié)果，最后一欄為升壓模式的測試結(jié)果。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，由于光伏板的輸出功率是有限的，雙管Buck-Boost變換器處于升壓模式時，占空比不能過大，否則光伏板會無法帶動負(fù)載，出現(xiàn)電壓偏低的情況，因此雙管Buck-Boost主要用于降壓模式。

4　結(jié)果分析

利用雙管Buck-Boost的兩模式控制方法，能夠較好地對輸入電壓進(jìn)行降壓或升壓，但同時應(yīng)該注意到，兩個二極管的導(dǎo)通壓降對電路的轉(zhuǎn)換效率有著影響，尤其是在降壓模式時，二極管兩端的電壓占的比重較大。在升壓模式時，隨著占空比的增大，輸出電壓波動變大，甚至出現(xiàn)失真的情況，這是因為變換器工作在Boost模式時，變換器存在右半平面零點，它會限制變換器的帶寬，惡化其暫態(tài)響應(yīng)［5］。因此在實際電路中，主要考慮降壓模式的轉(zhuǎn)換效率，需要仔細(xì)選擇二極管的壓降，減小其對電路轉(zhuǎn)換效率帶來的影響。

5　結(jié)論

根據(jù)光伏板的光伏特性曲線，當(dāng)陽光充足時，直流變換器應(yīng)處于降壓模式，此時利用最大功率跟蹤的算法，如干擾觀測法、電導(dǎo)增量法等，可以使光伏板的輸出功率達(dá)到最大。當(dāng)環(huán)境變化，光照減弱，輸出電壓不足時，變換器應(yīng)處于升壓模式。雙管Buck-Boost變換器具有升降壓、輸入輸出同極性、器件應(yīng)力小等特點，適用于光伏系統(tǒng)的前級直流變換。本文通過仿真表明該變換器具有良好的升降壓功能，在實際的應(yīng)用中，需要注意因開關(guān)管和二極管的壓降帶來的損耗，由于二極管一般也有0.7～1V的壓降，在低電壓使用環(huán)境下，這個壓降使DC/DC變換效率降低。因此可以采用同步整流方式，使用NMOS代替肖特基二極管，降低導(dǎo)通壓降，提高DC/DC轉(zhuǎn)換效率。

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［2］ 姚川. 適用于寬輸入電壓范圍的Buck-Boost直流變換器及其控制策略的研究［D］. 武漢： 華中科技大學(xué)，2013.

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［4］ 肖華鋒， 謝少軍. 用于光伏并網(wǎng)的交錯型雙管Buck-Boost變換器［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2010（21）：7-12.

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Simulation and Experimental Study of Double-barreled Buck-Boost Circuit Two Modes Control in PV

Shen Weini1Wang Yusheng2Zhang Li1Bai Lianping1
（1. Beijing Information Science and Technology University， Institute of automation， Beijing 100192；2. Petrochina Planning & Engineering Institute， Beijing 100083）

The output of PV is nonlinear， its output power changes as load， light intensity and ambient temperature changes. To improve the efficiency of photovoltaic power generation， we need to adjust photovoltaic cell's output voltage or current with DC converter circuit. This paper analyzes the double-barreled Buck-Boost circuit， compared with the four common circuits， this circuit combines the advantages of Buck circuit and Boost Circuit， it can become buck or boost， the polarity of input and output are same， it has less passive components and low switching loss. This paper simulate the double-barreled Buck-Boost circuit with simulink， and made a real experiment， the simulation and experimental results show that the circuit can preferably apply to the DC/DC converter circuit of PV.

PV； DC/DC converter circuit； double-barreled Buck-Boost； simulink simulation

北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計劃項目（CIT&TCD201404126）

申瑋霓（1991-），男，湖北天門人，碩士研究生，主要從事光伏發(fā)電最大功率跟蹤方面的研究。