光伏发电系统与电池充电器的交错提高转换器的应用程序

文摘

提出了一种光伏(PV)为电池充电器应用电力系统。充电器使用交叉促进与单独电容变换器有源开关的断开缓冲器,以减少电压应力断开过渡。因此,有源开关充电器可以用问世至今经营过渡(ZVT)降低切换损失,提高转换效率。为了吸引光伏阵列的最大功率和获取最优功率控制电池的充电器,perturbation-and-observation方法和芯片整合来实现最大功率点跟踪翻译(MPPT)算法和电源管理。最后,一个原型电池充电器是建立和实现。实验结果验证的性能和可行性提出了电力系统PV电池充电器的应用程序。

1。介绍

由于全球能源需求的持续增长为发展工业,增加社会意识的环境影响的广泛利用化石燃料,导致可再生能源的探索,如光伏阵列、风能等等。其中一个是光伏阵列的能量来源,干净,安静,不需维护的。然而,由于光伏阵列的不稳定和间歇性的特点,它不能提供一个常数或稳定的功率输出。因此,一个电源转换器(dc / dc转换器或dc / ac变换器)翻译和MPPT算法需要调节其输出功率。

翻译几个MPPT算法提出了(1- - - - - -10]。翻译的一些受欢迎的MPPT算法使用perturbation-and-observation方法(1- - - - - -3),增量电导法(4),恒压法(5,6),方法(7)、系统振荡法(8,9),脉动相关法(10]。perturbation-and-observation方法需要只有几个参数的测量,因此,促进翻译的MPPT控制。因此,它通常是应用于提高功率容量的光伏阵列。

一个典型的光伏电力系统如图1。光伏阵列通常需要一个电池充电器来增加其效用率。本文的研究只是关注光伏阵列电池充电器应用程序。充电器设计,许多充电方法已经开发出来,如涓流电流(CTC)不变,恒流(CC)、恒压(CV),混合CC / CV [11)和反射充电方法(12- - - - - -15]。CTC的方法有一个缺点,它有一个长的充电时间,CC和简历是电池充电器的最简单的方法,但是他们都导致充电不足的情况下,过度充电。混合CC / CV方法可以提高充电效率和充电时间,但它的缺点是难以控制。减少电池的充电时间,采用反射式充电方法。方法由高积极pulse-charging当前后跟一个高电流,短时间内负脉冲放电电流,和休息时间。高积极pulse-charging当前可以减少充电时间和负脉冲放电电流是减少电池的内部细胞压力和温度。休息时间可以提供电池在充电过程中反应时间。

基本的开关电源转换器有六个电路结构,如巴克,提振,buck-boost Cuk、Sepic,ζ转换器。为了获得连续的输入电流对电池充电器,基本提高转换器是广泛使用。然而,在高开关频率操作导致高切换损失,噪音,和组件的压力。这些缺点减少电力严重和恶化的表现基本提高转换器。为了减轻前面描述的问题,软开关技术引入到基本提高转换器降低切换损失。软交换技术可分为被动和主动的软交换技术。被动技术只使用被动元件执行软开关操作(16- - - - - -18]。活跃的技术添加一个或多个主动开关以及其他被动组件来执行软交换操作的基本开关电源转换器(19,20.]。出于成本考虑,该电池充电器与无源软开关技术是在低功率应用中更具吸引力。

基本提高转换器的无源无损断开电池充电器的应用程序通常是采用阻尼器,如图2(18),因为它有一个简单的结构。然而,基本提高变换器的缺点,它的输出纹波电流将在广泛导致较低的电池寿命。为了减少输出纹波电流和功率增加,两组提高转换器包含一种交叉的方式,如图3(21]。尽管交叉促进与两套无源软开关变换器电路也可以实现软开关特性,他们的组件数量和成本显著增加。克服前面讨论的缺点,一个交叉提高转换器单独电容断开电池充电器应用提出了阻尼器,如图4。该电池充电器只需要一个谐振电容这是与电感吗和减少有源开关的切换损失。

2。提出了充电器的控制算法

为了达到一个最优功率控制电池充电器,翻译一个MPPT算法和一个电源管理单元是必要的。这些控制算法描述如下。

2.1。拓扑结构的电池充电器

该充电器包括一个交叉促进转换器和一个控制器,如图5。此外,控制器采用翻译芯片实现MPPT的光伏阵列和电池充电管理。因此,控制器的电池充电器可分为三个单元。翻译他们MPPT操作、电池管理和电源管理单元。我的翻译,翻译的MPPT操作单元可以实现MPPT的光伏阵列。充电电池充电器与反射充电控制方法的算法通过电池管理单元减少充电时间。为了达到最好的能源利用光伏阵列,翻译一个MPPT和perturbation-and-observation翻译方法集成到一个MPPT操作单元。翻译自MPPT和充电算法必须关联实现最优控制的电池充电器,电源管理单元是必要的。达到最佳的稳定性和安全性提出电池充电器,函数的欠压、过流、过热保护电路是必需的。所有的保护信号也意识到在一个微芯片。

2.2。MPPT算法

光伏阵列的输出特性变化取决于气候条件,如温度的光伏阵列和日晒。在不同太阳日晒的p - v曲线如图6。从图6可以看到,每个日晒级别的最大功率,在那里是在最大的太阳日晒而最大功率是至少日晒的太阳。三个最大功率点可以通过一条直线连接。运行区右侧的直线定义为B区,而左边是定义为一个区域。自从在光伏阵列输出负载连接增加,光伏阵列的输出电压下降。因此,当光伏阵列的工作点位于一个区,输出负载必须减少使工作点的方法光伏阵列的最大功率点。另一方面,当光伏阵列的工作点对B区,输出负载必须增加。他们的操作条件图所示7。图7(一)显示了工作点位于区域,而图7 (b)说明了一个位于B区。点定位在一个工作区域时,工作点发生变化最大功率点点通过,,,,如图7(一)。当工作点位于B区,工作重点是改变最大功率点点通过,,,,如图7 (b)。根据不同的操作区域增加或减少输出负载、光伏阵列的工作点可以转移到边际产量。

为了提取光伏阵列的最大功率,采用一个简单的perturbation-and-observation方法。其流程图如图8。我的翻译,在MPPT流程图,和分别是,新的光伏阵列的电压和电流,和分别代表其旧的电压和功率值,是新能源光伏阵列的价值。翻译根据流程图的MPPT使用扰动观察法,第一步是读取新电压和当前光伏阵列,然后计算新的光伏发电。下一步是法官的关系和。根据的关系和翻译和程序的MPPT流程图,程序进入判断的关系和。当的关系和决定,可以指定操作的工作点。根据翻译的MPPT控制算法,当光伏阵列的工作点位于区域,电力系统连接光伏阵列提供负载功率必须减少输出功率关闭光伏阵列的工作点和MPP之间的距离。另一方面,当操作点位于B区,光伏电能必须增加接近光伏阵列最大功率点。最后,翻译过程的MPPT流程图返回到第一步判断下一个光伏阵列最大功率点。

2.3。电源管理

拟议的充电器是反射充电方法减少充电时间,因为电池的充电电压和电流必须保护电池寿命是有限的。概念的电池充电器的充电电流和电压波形如图反射充电方法9。图9(一个)充电显示反射波形的电池充电器电池电压低于最低,它的电池电压表示为充电不足的条件。图9 (b)显示反射下的电池充电器充电波形最大电池电压,它的表示为过度充电电池电压的条件。根据和或和电池充电器的功率限制曲线,如图9。当最大功率光伏阵列的更大或更少光伏阵列的功率操作点跟踪,如图10。如前所述,提出了充电器的充电和放电功率将有限的功率曲线延长电池寿命。

3所示。推导并提出了充电器的工作原理

为了描述该电池充电器的优点,其拓扑结构推导和操作原则简要描述如下。

3.1。推导的充电器

降低切换损失,无损断开缓冲器插入一个基本提高转换器如图2。当开关是打开,电容器吗和被指控通过电感器和二极管共振的方式。结束时的共振区间,电容器和被指控和夹在直到开关当开关是关闭的。是关闭的,存储在电容器中的电荷和通过二极管输出负载放电吗和,分别。因此,开关与问世至今过渡(ZVT)是关闭的。如前所述,尽管它可以实现软开关特性,其输出电流纹波比较大,高电流和低输出电压应用。因此,为了减少输出电流纹波,一个交叉方案通常是采用。之后,提出了交叉提升转换器与单独电容缓冲器。

两个无损断开缓冲器使用交叉提高转换器降低切换损失,如图3。为了简化电路的图3电压的电容器和取而代之的是直流电压吗和,分别。当电压的电容器和取而代之的是直流电压,能量存储在电容器吗和不需要排放他们的指控。因此,二极管和可以删除,如图(11日)。如果电压或= (),节点,C和E都有相同的潜力。因此,他们可以被合并为节点,如图11 (b)。基于交叉提高转换器的工作原理和断开缓冲器,运营状态的二极管(或)是一样的二极管(或)除了断开缓冲器的操作时间操作内共振模式。自谐振模式的持续时间比一段短的转换器,提出了节点F和D(或G和B)可以作为同一个节点结合H(或者我),如图11 (c)。它不会影响原来的工作原理。因为电感电流和是单向的派生转换器,电感和与二极管串联可以组合,取而代之的是电感。同样,电感器和和二极管也可以合并电感吗,如图11 (d)。在图11 (c),因为电容和和二极管和或和分别是并行连接,它们可以,分别包含电容器吗和二极管或。从图11 (d),它可以观察到,提高变换器只需要一个谐振电容,这与电感相关联和作为无损断开缓冲器,计数显著降低切换损失和组件。因此,图11 (d)提出了电池充电器的应用程序。

3.2。提出了充电器的工作原理

在图4该电池充电器,单独电容断开缓冲器开关可以实现ZVT功能活跃。提出了充电器的运作模式分为十个模式,如图12,他们的关键波形见图13。在下面,每个操作模式简要描述。

模式1(图12(一个);)。之前,二极管是随心所欲的,电感电流等于二极管电流。在、开关是打开的。在这个时间间隔的等效电路如图12(一个),可以发现,开关电流等于电容器电流的总和和电感电流。的时间间隔是很短的,电感电流约等于零,电容器电压接近于零。因此,开关电流约等于电容器电流。在这段时间间隔,当前突然增加了电感电流吗,突然下降到零。

模式2(图12 (b);)。在时间、电容电流等于电感电流,二极管是相对地有偏见。在这个时间间隔,缓冲器电容器共鸣的电感,开关电流就等于谐振电感电流的总和和电感电流。与此同时,电容电流达到最大值,可以表示如下: 在哪里的特性阻抗是吗或网络,等于或。

模式3(图12 (c);)。当,电容电压等于,二极管通过电感开始随心所欲。与此同时,开关还在在国家。开关电流现在等于电感电流而线性增加,而电感电流是线性下降。

模式4(图12 (d);)。在时间、开关是关闭的,因为电感电流必须是连续的,电容器吗开始放电维持连续电感电流。因此,开关可以用ZVT被关闭。

模式5(图12 (e);)。当时间到达,电压在电容器向零排放,二极管吗随心所欲的开始。在这段时间间隔,二极管和在随心所欲的电感吗和,分别。

模式6(图12 (f);≤t<)。在时间,二极管仍在随心所欲,但二极管吗停止随心所欲,因为电感电流下降到零。在这一刻,开关是打开的。电感电流等于二极管电流的总和和电容电流。另外,因为开关电流将流经电容器的低阻抗的路径吗,二极管电流将由开关电流。也就是说,在这个时间内,电容电流约等于开关电流。电容电流突然增加了电感电流吗,突然下降到零。

模式(图712 (g);)。在时间,二极管是相对地有偏见,谐振网络形成的电容和电感开始产生共鸣。开关电流等于电感电流的总和和电感电流、电容器是相对地指控。

模式(图812 (h);)。在,电容电压下降到。持续的时间间隔大约四分之一的共振周期。与此同时,电容电流达到最大值,可以表达的(1)。在这种模式下,二极管开始随心所欲,电感电流是线性增加。

模式(图912(我);)。在时间、开关是关闭的,由于电感电流必须在平稳过渡,电容电压将下降到维持一个连续电感电流。当,电容电压下降到零。

模式(图1012 (j);)。在这段时间间隔,二极管和在随心所欲的电感吗和,他们的电流和是线性下降。当开关再次打开的模式10,一个新的开关周期将会回收。

4所示。控制,提出了充电器的设计

为了实现最优控制的充电器,翻译的MPPT光伏阵列的操作算法和反射的充电电池必须考虑的算法。在以下、控制和提出了充电器的设计。

4.1。提出了充电器的控制

该充电器由一个交叉提高变换器和控制器。控制器采用CY8C27443由柏树公司的芯片。提出了充电器的框图如图14。在图14CY8C27443芯片分为三个单元:MPPT、电池管理、电源管理单元。翻译在MPPT单位,perturbation-and-observation方法采用跟踪光伏阵列最大功率点。最大的力量光伏阵列可以决定。此外,电池管理单元有四个输入信号(,,,),电池电压,是一组最大的电池电压,电池充电电流,是一组最大的电池充电电流。根据四个输入信号,和可以计算。的代表当前的充电电池,设置最大充电功率。此外,当等于或大于、保护判断使输出信号从低到高价值。的关闭发送PWM发生器的PWM发生器,以避免电池过度充电。在电源管理单元,一个比较器是用来判断的关系和。当(=)大于、信号高,操作开关选择器设置。当等于或小于、信号低,操作开关选择器设置吗。的和被发送到误差放大器达到误差值。当PWM发生器达到,和三角波PWM发生器实现PWM信号和通过比较器。交叉提升转换器可以改变充电电流根据PWM信号和。

4.2。提出了充电器的设计

系统实现了软开关充电器,电感器的设计或和阻尼器提出了如下。

4.2.1。准备电感器的设计或

自提出充电器操作的边界连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM)之间的关系和可以达到伏秒平衡原则。因此,传递函数可以表示为 在哪里责任比例的充电器。当占空比是由之间的关系和,电感器或也可以表示为 在哪里提出了充电器的切换周期和吗输出电流。

4.2.2。缓冲器设计电容器

该充电器,电容器共鸣的电感或在断开过渡平滑开关电压。中存储的能量可以确定为 完全消除开关断开损失,能量存储在电容器中必须至少等于断开损失呢。根据开关,开关损耗的计算可以表达的 在哪里在断开开关的下降时间过渡,代表输出电压和在断开开关电流转换开关。因此,电容器可以确定为

的峰值电流电容器的应限于不到的高峰值和,所以它不会增加当前评级的开关或。消除断开损失完全在不同的操作条件下,约等于200 ns实用的设计考虑。

5。测量数据和结果

验证分析和讨论,用于光伏系统充电48 V电池用以下规范实施:(我)输入电压: (光伏阵列),(2)输出电压: (4套12 V电池连接在系列),(3)输出最大电流:10,(iv)最大功率输出:540 W。

从(6),缓冲器电容器的价值可以计算为37 nF在哪里10,是54 V。在我们的设计样例中,采用39 nF的电容器。组件的功率级提出提高转换器决定如下:(我) ,:IRFP250,(2) ,:MVUR1560,(3) :470F,(iv) ,:30H,(v) :39 nF,(vi)电感器的核心:EE-35。

测量电压和电流波形的活跃与拟议中的单独电容缓冲器开关(如图4)和两组断开缓冲器(如图3)所示的数据15和16,分别。虽然我们可以观察到每个电源开关与ZVT功能关闭,仍然存在显著差异。与数据15和16,我们可以看到图的电压上升曲线15比图流畅吗16。交叉提高转换器的原因是两套断开缓冲器,导致突然精力活跃开关和导致更多的切换损失。图(17日)显示测量电感电流和充电电流单一提高变频器断开缓冲器,和图17 (b)显示测量电感电流和充电电流的交错与单独电容提高转换器断开缓冲器。从图17,可以看出该转换器与单独电容断开缓冲器涟漪充电电流较低。

做一个公平的比较,提出了充电器的硬件组件和硬开关增加充电器是尽可能保持相同。图18显示块的输出电压和电流波形下的两种充电器step-load变化之间的20%和100%,分别1 kHz和责任比例为50%。从图18,它可以观察到,尽管该充电器使用更少的组件数量,它得到几乎相同的动态性能与复杂的配置。该充电器的效率之间的比较和同行见图19。它可以观察到,该充电器不能总是产生在不同的操作条件下比其他人更高的效率。它有一个趋势,在高输出负载,提出了充电器的两个岔路缓冲器能产生更高的效率,在较低的讨论与两组断开充电器缓冲器收益率比其他人低效率。这背后的原因是,在一个固定的功率电平,输出负载更高水平将导致更高的开关电流和断开损失将远高于的和额外的传导损失呢和开关损耗。图20.显示电池电压的测量波形和充电电流用脉冲电流充电方法的重复率下1 s和责任比500 ms,如图14。图20(一个)下显示的波形,而图20 (b)说明了这些波形。从图20.,可以看出最大脉冲充电电流1,分别是有限的(约0.15摄氏度)和2(约0.3摄氏度),在每个电池采用铅酸电池和电池容量是12 V / 7啊,电池总电压50 V。测量电压波形,目前和权力光伏阵列的perturbation-and-observation翻译用于实现MPPT方法。图(21日)这些波形显示在最大功率点在100 W,而图21 (b)描述下这些波形在200 W。从图21,它可以发现跟踪光伏阵列的时间从0到最大功率点大约是40毫秒。

6。结论

摘要交叉提高转换器与电池充电器的被动阻尼器应用程序。该充电器单独电容缓冲器,以减少电压应力的有源开关在断开过渡。因此,拟议的充电器,可以显著提高转换效率。为了画出最大功率的光伏能源,一个简单的合并perturbation-and-observation方法实现最大功率转换。验证的优点提出了充电器,操作原理、稳态分析,详细描述了设计考虑。另外,从实验的效率提出了充电器,它已经表明,该充电器能产生更高的效率在重负载条件。一个电池充电器的实验原型应用程序(540 W, 54岁/ 10)是建立和评估,在满载条件下达到88%的效率。因此,提出交叉提升转换器是比较适合电池充电器的应用程序。

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