嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 ■ 周晨 劉春元 謝玉飛

0 引言

DC/DC變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，具有高電壓增益的特點(diǎn)，能夠?qū)⒐夥M件發(fā)出的不穩(wěn)定的微弱電壓進(jìn)行放大，而且可提高光伏發(fā)電的利用率。DC/DC變換器是通過(guò)控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)控制輸出電壓的電路。由于自身具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)在今后的應(yīng)用必然越來(lái)越多，因此，開(kāi)展其核心部分——前級(jí)DC/DC變換器的研究對(duì)促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能，通過(guò)對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行分析，選擇了隔離型電流饋電半橋變換器，并進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證。

1 DC/DC變換器的分析與選擇

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，要使輸出電壓升高，應(yīng)選擇具有升壓的電路；而要實(shí)現(xiàn)高效率，可以加入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。光伏組件的最大電壓一般為50 V，而直流母線電壓一般為200 V[1]。由于升壓較高，因此不能選用一般的非隔離型升壓變換器，雖然仍可以選擇級(jí)聯(lián)的非隔離型變換器，但其安全性能較低[2]。相較于非隔離型變換器，隔離型變換器顯然更加安全。但一般的隔離型變換器效率較低，不能滿足要求，因此要選擇既能實(shí)現(xiàn)高電壓增益，又能提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的變換器。

半橋變換器與推挽型變換器相比，不存在偏磁問(wèn)題，變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，本文選用半橋變換器。半橋變換器的輸出電壓U0為：

式中，N1、N2分別為變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)；Ton為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；Um為峰值電壓。

由于在半橋變換器中存在電容，而電容又具有隔直的作用，因此當(dāng)半橋變換器中2個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不一致時(shí)，半橋變換器可以起到自動(dòng)平衡的作用。通常存在變壓器的變換器可輕易實(shí)現(xiàn)高電壓增益。半橋變換器有電壓饋電與電流饋電2種形式，分別如圖1、圖2所示。

圖1 電壓饋電半橋變換器

圖2 電流饋電半橋變換器

電壓饋電半橋變換器通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S1和S2的交替導(dǎo)通，使電路工作在不同狀態(tài)下；通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的占空比可以改變輸出電壓的值[3]。

通過(guò)與圖1對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，電流饋電半橋變換器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且所用元器件少，開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗較小，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的利用效率[4]。因此，選擇電流饋電半橋變換器較為合適。

綜上分析，本文選擇隔離型電流饋電半橋變換器進(jìn)行研究。

2 直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能

直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)直流模塊、旁路直流模塊和并聯(lián)直流模塊3種結(jié)構(gòu)。

2.1 串聯(lián)直流模塊

由于光伏發(fā)電得到的輸出電壓通常較小，只有幾十伏，因此一般通過(guò)串聯(lián)若干個(gè)光伏組件從而得到較高的直流母線電壓。在串聯(lián)直流模塊式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)單獨(dú)的光伏組件可以分別進(jìn)行MPPT控制，當(dāng)其中1個(gè)光伏組件處于陰影或失配條件下時(shí)，系統(tǒng)中的其他組件仍會(huì)正常工作。因此，將不同類型的光伏組件組合在一起就成為光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖3為串聯(lián)直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在一定條件下，能夠讓每個(gè)單獨(dú)的光伏組件都工作在其最大功率點(diǎn)處，以此來(lái)增加能量的轉(zhuǎn)換效率。

圖3 串聯(lián)直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)在某個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中串有n個(gè)直流模塊，設(shè)第k個(gè)光伏組件的輸出電壓為Uk、輸出功率為Pk，則串聯(lián)直流模塊的輸出功率Po為：

對(duì)于串聯(lián)直流模塊，其輸出電流相同，根據(jù)電流、電壓和功率之間的關(guān)系，可知輸出電壓與輸出功率成正比，若直流母線電壓為U，則光伏組件的輸出電壓Uk為：

光伏組件的輸出電壓具有一定的取值范圍，其需滿足：

由式(3)～式(4)可以看出，光伏組件的輸出功率有特定的范圍，當(dāng)超出特定范圍時(shí)，直流模塊將會(huì)退出運(yùn)行，造成系統(tǒng)能量的損失[5]。

2.2 旁路直流模塊

在串聯(lián)直流模塊中，不同光伏組件在不同光照條件時(shí)的輸出電流不同，而其輸出電流受到最小輸出電流的限制，這種情況會(huì)降低組件輸出能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱斑。因此，為了改善輸出能力，可以為每個(gè)光伏組件集成1個(gè)DC/DC變換器，組成旁路直流模塊；而且為了使光伏組件的輸出電壓相等，可使該DC/DC變換器的輸出電壓與輸入電壓相等，即每個(gè)光伏組件的輸出電壓都為U0，則可利用式(2)求得旁路直流模塊的輸出功率。

圖4為旁路直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中需要使每個(gè)光伏組件的電氣特性相同。但由于在不同的光照條件和溫度下，電氣特性一致時(shí)，最大功率點(diǎn)也不可能在一條線上，因此旁路直流模塊也不能保證每個(gè)光伏組件工作在最大功率點(diǎn)，只能保證每個(gè)光伏組件工作在相同電壓下的最大功率點(diǎn)[6]。

圖4 旁路直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 并聯(lián)直流模塊

上述兩種模塊雖然可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，但是系統(tǒng)只能以串為單位進(jìn)行擴(kuò)容，而且線路也較為復(fù)雜。因此可采用并聯(lián)集成模塊，當(dāng)集成1個(gè)DC/DC變換器時(shí)，可以將光伏組件輸出的較低電壓變換為較高電壓，同時(shí)也可以進(jìn)行獨(dú)立的MPPT。則可利用式(2)求得并聯(lián)直流模塊的輸出功率。

圖5為并聯(lián)直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。并聯(lián)直流模塊中，每個(gè)模塊工作時(shí)相互不影響，且輸出電壓受到直流母線電壓的鉗位。此時(shí)，每個(gè)模塊單獨(dú)工作在自己的最大功率點(diǎn)處[7-8]。

圖5 并聯(lián)直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 3種結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

串聯(lián)直流模塊、旁路直流模塊、并聯(lián)直流模塊3種結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比如表1所示。

表1 直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能比較

由表1可知，串聯(lián)直流模塊的能量轉(zhuǎn)換效率高且系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，但是容錯(cuò)性差，變換器增益不高；旁路直流模塊的能量轉(zhuǎn)換效率低，可擴(kuò)展性差，雖然運(yùn)行成本低，但變換器增益同樣不高；而并聯(lián)直流模塊可擴(kuò)展性好，系統(tǒng)不復(fù)雜，抗失配性很好，容錯(cuò)性也好，變換器增益高。

3 變換器的運(yùn)行控制策略研究

3.1 恒功率控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，光伏組件的輸出功率為恒定值。假設(shè)在t時(shí)刻光伏組件的輸出電流為I(t)、輸出電壓為U(t)、輸出功率為P(t)，求出輸出功率的期望值Pref(t)與輸出功率的采樣值PDC(t)之差ΔPt，即ΔPt=Pref(t)-PDC(t)；然后利用PI控制求出占空比的變化量Δd；通過(guò)比較前一時(shí)刻和后一時(shí)刻的輸出功率變化，判斷P(t)和P(t-1)的差值，若二者差值大于零，則表明仍然可以調(diào)節(jié)占空比。

3.2 恒壓控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，光伏組件的輸出電壓為恒定值。假設(shè)在t時(shí)刻光伏組件的輸出電流為I(t)、輸出電壓為U(t)、輸出功率為P(t)，直流母線的采樣電壓為Udc(t)，直流母線電壓的參考值為Uref(t)，則求出參考值與采樣值的差值ΔU=Uref(t)-Udc(t)；然后利用PI控制求出占空比的變化量Δd；通過(guò)比較前一時(shí)刻和后一時(shí)刻的功率變化，判斷P(t)和P(t-1)的差值，若二者差值大于零，則表明仍然可以調(diào)節(jié)占空比[9]。

3.3 MPPT控制

MPPT即最大功率點(diǎn)跟蹤。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性容易受到外界環(huán)境的干擾，如輻照度、溫度、濕度等，因此，為了得到高效率的光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要對(duì)輸出功率進(jìn)行跟蹤；在光伏組件的輸出特性曲線中，在某一電壓下可以得到最大輸出功率，該點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)。在不同輻照度與不同環(huán)境溫度下，使光伏組件始終工作在最大功率點(diǎn)的技術(shù)叫做最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。

3.4 多模式控制

目前對(duì)前級(jí)DC/DC變換器的理論研究中，一般多是針對(duì)控制DC/DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制[10-12]。按照《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，大型光伏電站應(yīng)實(shí)現(xiàn)有功及無(wú)功的控制，這就使得光伏發(fā)電系統(tǒng)并不能始終進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，在構(gòu)建交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)時(shí)，在獨(dú)立運(yùn)行模式下，根據(jù)能量平衡的需要，光伏發(fā)電系統(tǒng)要工作于恒壓模式或恒功率模式，而僅依靠控制后級(jí)的DC/AC逆變器并不能實(shí)現(xiàn)恒壓模式或恒功率模式，所以根據(jù)需要，前級(jí)DC/DC變換器必須能支持直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于多種工作模式。

4 仿真結(jié)果

4.1 電路模型

圖6為直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路模型。在光照條件下，光伏組件輸出功率，光伏組件后接DC/DC半橋變換器，通過(guò)MPPT控制輸出，觀察最大功率點(diǎn)，并通過(guò)PWM調(diào)制控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。

圖6 直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路模型

本文仿真采用基于擾動(dòng)觀察法的MPPT仿真模型，仿真電路連接光伏組件及DC/DC變換器，光伏組件所處環(huán)境溫度為25 ℃，光伏組件的輸出端與變換器連接，輸出用1個(gè)負(fù)載表示，通過(guò)示波器可以測(cè)量輸出電壓、輸出電流的波形，同時(shí)也可以測(cè)得光伏組件的I-V特性及P-V特性。

4.2 仿真模型

基于擾動(dòng)觀察法的MPPT仿真模型的輸入為光伏組件的輸出電壓和輸出電流，MPPT算法的輸入電壓與輸入電流通過(guò)MPPT模塊，輸出占空比作為PWM的輸入信號(hào)，在MPPT的輸入模塊中，通過(guò)擾動(dòng)觀察法，在參數(shù)模塊中給電路一個(gè)擾動(dòng)，此時(shí)可以通過(guò)函數(shù)來(lái)判斷擾動(dòng)的方向，以此來(lái)追蹤最大功率點(diǎn)。電路的初始占空比為0.65，最低占空比為0.50，設(shè)置最大占空比為0.75。

仿真模型中光伏陣列參數(shù)如表2所示，電路各元件參數(shù)如表3所示。

表2 光伏陣列參數(shù)

表3 半橋變換器參數(shù)

4.3 仿真結(jié)果圖

通過(guò)Matlab/Simulink仿真可以得到光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線，測(cè)試在環(huán)境溫度為25 ℃、輻照度為1000 W/m2情況下進(jìn)行，如圖7所示。

圖7 光伏組件I-V特性和P-V特性曲線

由圖7可知，光伏組件的輸出電流基本保持在16.7 A，最大輸出功率為288.5 W，在最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的輸出電壓約為18 V。

圖8為一天中在不同環(huán)境溫度下光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線。仿真中光伏組件的輻照度為1000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃。

由圖8可知，在輻照度不變的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，I-V特性曲線會(huì)略微下移，電流會(huì)有所減??；當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，P-V特性曲線則會(huì)有所上移；在同一電壓下，環(huán)境溫度越低，光伏組件的輸出功率越大；同樣，隨著環(huán)境溫度的降低，同一功率所對(duì)應(yīng)的輸出電壓會(huì)增加。

圖9為MPPT控制圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，輸出功率在變化一段時(shí)間后會(huì)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為288.5 W。

圖8 不同環(huán)境溫度下光伏組件的I-V特性和P-V特性曲線

圖9 MPPT控制圖

圖10為MPPT控制下的輸出電壓波形圖。從圖中可以看出，電壓經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整最終會(huì)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為18 V。

圖10 MPPT控制下輸出電壓波形圖

圖11為MPPT占空比波形圖。從圖中可以看出，占空比隨著光伏組件的發(fā)電情況而自動(dòng)變化，最終工作在最大功率點(diǎn)處，此時(shí)占空比約為0.6。

圖11 MPPT占空比波形圖

圖12為DC/DC變換器的輸出電壓波形圖。從圖中可以看出，其輸出電壓基本上趨于210 V。

圖12 負(fù)載輸出電壓波形圖

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期的效果，驗(yàn)證了變換器的可行性。

5 結(jié)論

本文對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行了分析，并對(duì)比了采用這種變換器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能；介紹了變換器的運(yùn)行控制，并通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證得到如下結(jié)論：實(shí)驗(yàn)選用的隔離型電流饋電變換器能夠較好地實(shí)現(xiàn)高電壓增益和高效率，在運(yùn)行控制仿真時(shí)，選用擾動(dòng)觀察法能夠很好地觀測(cè)輸出功率，從而得到預(yù)期的效果，驗(yàn)證了變換器的可行性，具有較大的應(yīng)用前景。