文摘
本文提出一个交叉高升压转换器与不同的软开关阻尼器对光伏能量转换的应用程序。高升压转换器,交叉耦合线圈技术用于减少输出纹波电流,提高输出功率。同时,两种类型的阻尼器,介绍了单独电容缓冲器和振型阻尼器,分别讨论了转换器来比较他们的表演的转换效率和切换损失。对光伏阵列的最大功率,perturbation-and-observation方法实现采用单片机来实现最大功率点跟踪翻译(MPPT)算法和功率调节方案。最后,交叉耦合线圈的两个原型提高转换器与一个单独电容缓冲器和振型阻尼器实现,分别。实验结果用于验证和比较讨论了转换器的性能和可行性在光伏转换应用程序中不同的阻尼器。实验结果表明,该系统适合光伏能量转换应用程序时的开关变换器的责任比例小于0.5。
1。介绍
近年来,为了提供足够的能量来维持世界经济发展,其中一个解决方案是完全的太阳能取之不尽,完全清晰的能量来源。然而,由于太阳能的不稳定和间歇性的特点,光伏(PV)电力转换系统电源转换器和最大功率跟踪算法需要将太阳能转化为电能,提供稳定的输出功率。随着电力电子技术的快速发展,光伏电力转换系统的转换效率增加明显(1,2]。最近,光伏电力转换系统非常认可和广泛用于电力转换系统,如光伏发电对电网连接,PV车辆收缩、电池充电器、抽水,和卫星电源转换系统。
从光伏阵列提取功率,电源转换器用于光伏电力转换系统。为了获得光伏阵列的最大功率,从而增加效用率的光伏阵列,开关变换器必须在光伏阵列的最大功率点(MPP),导致其输出电压没有保持所需的直流恒压。因此,开关与电池源并联用于保持在所需的直流恒压输出电压,如图1(一)。在图1(一),提供的直流电压提出光伏电力转换系统可以提供给直流负载dc / ac逆变器的发电功率转换系统(3- - - - - -8)和dc / dc变换器直流负载(9- - - - - -13]。在发电功率转换系统应用中,控制电源转换器必须考虑。在[4),提出了三种不同的拓扑控制是根据权力的处理阶段。从多级拓扑结构,如图1 (b),拥有一个更好的每个DC / DC变换器的控制性能,采用了光伏电力转换系统。因此,光伏电力转换系统包括开关变换器的光伏阵列的最大功率点跟踪翻译(MPPT)和电压调节开关变换器的直流负载的控制下多级拓扑。
(一)
(b)
翻译翻译的MPPT算法研究中,几个MPPT算法提出了(14- - - - - -23]。翻译的一些受欢迎的MPPT算法是恒定电压法(14,15)、系统振荡法(16,17),脉动相关法(18),β方法(19),增量电导法(20.),perturbation-and-observation方法(21- - - - - -23]。简单和容易实现的考虑下,perturbation-and-observation方法和用于提出光伏电力转换系统。
光伏阵列,因为输出电压光伏阵列的电压水平低,与更高的升压DC / DC变换器的电压比是必要的(24- - - - - -28]。在[24],voltage-fed转换器也不是最佳的候选人高升压的应用程序,因为他们通常有一个巴克类型配置和(或)LC滤波器在次级整流电路。这种电路结构,结果在一个大型变压器匝比,使变压器设计复杂,导致大量漏电感。与voltage-fed转换器相比,现任美联储转换器(25- - - - - -27)和耦合线圈转换器(28)高电压转换比应用程序更可取的选择。虽然现任美联储转换器采用在光伏发电系统中,也用作电压倍压器或乘数增加升压变压器的电压比。转换器采用倍压器或乘法器时,电容器的电压倍压器必须与低特种电容器等效串联电阻(ESR),高纹波电流评级(CRR)和高操作带宽。因此,它只适用于在低功率应用程序使用。在[28),高升压转换器通过耦合线圈。与转换器使用隔离变压器来获得高升压变压器的电压比,使用耦合线圈的一个更简单的绕组结构和更高的耦合系数。它不仅降低了电感电流,确保较低的传导损失也降低漏电感实现更低的开关损耗。因此,提高变换器的耦合线圈中使用该系统。
为进一步提高变换器的功率容量,boost变换器用于拟议的系统构造以交叉的方式(29日- - - - - -33]。此外,PWM集成电路有两个门信号用于驱动交叉转换器的开关。自美联储电压转换器的输入源用于类型,很难获得一个特殊的PWM集成电路与负载比大于0.5 (≥0.5),PWM集成电路与负载比在0.5中用来控制开关讨论提高转换器。因此,提出了转炉的操作限制在占空比为0.5。
当一个耦合电感器提高转换器用于光伏电力转换系统,能量被困在漏电感的耦合线圈不仅增加电压应力,而且诱发无损切换开关的转换器,明显。为了解决这些问题,提出了几种方法(34- - - - - -36]。在[34],resistor-capacitor-diode (R-C-D)阻尼器是用来减轻的开关电压应力消散的能量被困在漏电感电阻,降低转换器的转换效率。因此,一个被动的无损耗电路提出了(35)采用减少开关电压尖峰。与交叉的原理图如图2。尽管转换器和一个被动的无损的电路可以提高转换效率,活跃开关仍在硬开关在接通过渡。在[36),介绍了主动箝位电路实现问世至今切换(ZVS),提高了转换效率。然而,主动箝位电路的缺点是,很难实现软开关特性在轻负荷提高转换器。为了解决这个问题,提振型阻尼器插入活动夹提高转换器与耦合线圈,如图3。它可以提高转换效率的提高转换器在轻负荷,明显。由于复杂的电路结构如图2和3分别,他们简化了[37]和[38),如图4(一)和4 (b)。本文讨论了转换器之间的性能比较与单独电容缓冲器和提高提出了阻尼器类型。
(一)
(b)
2。该变换器的控制算法
当开关直流/直流转换器作为他们的权力中提取权力从光伏阵列的处理器和电源转换成直流电压供给直流负载,一个良好的电源管理系统用于管理权力需要光伏电力转换系统。在下面,电源转换系统提出的变换器的电路拓扑,MPPT算法,和电源管理。
2.1。该变换器的电路拓扑
提出的光伏电力转换系统使用光伏阵列作为其电源之一。提高光伏阵列的实用率,光伏阵列必须操作的最大功率。因此,如图5构造出一个光伏电力转换系统,光伏阵列开关变换器的来源,与电池源开关转换器,提出了一种控制器。提出光伏电力系统,两个直流/直流转换器实现交叉耦合线圈提高转换器与单独电容缓冲器如图4(一)。的翻译源使用光伏阵列MPPT控制算法提取光伏阵列的最大功率。电池源使用电压调节控制方法的其他监管权力光伏阵列和负载之间产生一个恒定的输出电压提供给直流负载。如图5翻译,控制器由MPPT单元,电源管理单元,和PWM集成电路单元用于控制直流/直流转换器与光伏阵列源确定MPP中描述perturbation-and-observation光伏阵列的方法(21- - - - - -23]。有两个电源管理产生的信号,控制信号和。控制信号是用来调节输出开关转换器翻译的MPPT控制算法。控制信号根据生成之间的关系最大功率光伏阵列和权力的负载。基于控制信号和输出脉宽调制集成电路单元生成控制信号与电压调节控制方法获得恒定的输出电压。保护被认为是,由单片机实现。保护包括过电流、过电压、过热保护的两个转换器和充电不足的电池。因此,提出了光伏电力转换系统可以用来实现光伏阵列的最佳效用率。
2.2。电源管理
光伏阵列的力量通过提出交叉提供给负载提高转换器。提出了能量转化的电源管理系统是由单片机实现,用于调节光伏阵列的功率和输出功率。据的权力之间的关系,,、操作电源管理模式可分为8模式和表中所示1。权力与光伏阵列输出功率的开关变换器作为其电源,是开关变换器以电池为电源,然后呢是负载的能力。此外,“1”代表的权力是由开关转换器或负载要求,而“0”代表的权力不是由开关转换器或由负载不是必需的。根据运作模式见表1光伏电力转换系统关闭操作模式的我,II, III, V,七世。因此,运作模式的四,六,八世描述如下。
2.2.1。第四操作模式
在第四模式,电池的开关变换器是用于向负载供电。一旦条件达到或能量存储在电池完全放电,该转换器是关闭。
2.2.2。运作模式六世
在VI模式,与光伏阵列开关转换器的电源是用于向负载供电。当权力等于或大于,光伏阵列的功率曲线的负载。一次,该转换器是关闭。
2.2.3。运营八世
当光伏电力转换系统操作模式八世,交叉提升转换器负载供电,如图6。在此操作模式,必须等于或大于。如果,提出了光伏电力转换系统关闭。当、操作条件可以进一步分为两种情况:和。在以下两种情况的简要描述。
(一)
(b)
(1) 和 。当和,电池的开关变换器源关闭,导致输出功率光伏阵列等于,如图6(一)。因此,光伏阵列源操作的开关变换器电压调节模式提供所需的直流电压加载。
(2) 和 。当和,光伏阵列的开关变换器源操作MPP的光伏阵列提取光伏阵列的最大功率。另一方面,电池的一个来源是用来维持所需的直流电压。功率曲线的作战模式下八世和如图6 (b)。从图6 (b),可以看出的总和和。
3所示。控制设计的光伏电力转换系统
如图7、控制器的电源转换系统包括两个主要单元,单片机和PWM集成电路单元。单片机是翻译,进一步分为MPPT单元和电源管理单元。在接下来的每个功能块将简单地描述。
3.1。翻译的MPPT单位
翻译翻译的MPPT单位使用perturbation-and-observation方法跟踪MPPT的光伏阵列和决定的最大力量光伏阵列,从而导致的输出功率进行进一步的电源管理。
3.2。电源管理单元
在电源管理单元,最大放电电流的电池是获取最大电池放电功率的。基于翻译的输出功率MPPT单位、最大电池放电功率和负载能力的1号,比较器决定了之间的关系和。讨论有两种关系。
3.2.1之上。我:
当、控制信号比较器1在低水平,导致进一步的比较和在比较器2号。如果低电平输出信号比较器的2号使权力选择器设置权力等于。一次、输出信号比较器的2号成为一个高水平,导致电源选择器设置等于。然后,参考当前块的力量和参考电压用于计算的参考电流获取当前的错误值(=),该转换器与光伏阵列的输出电流源,在电流误差放大器。
在光伏阵列的PWM发生器,控制信号和通过比较当前错误的价值与三角波产生的PWM发生器的光伏阵列。控制信号和用于驱动开关吗和该变换器的控制与光伏阵列电源从光伏阵列流入负载。
3.2.2。案例二:
当、控制信号比较器# 1的高水平,导致光伏阵列的PWM发电机和电池关闭。的电源管理单元还包括功能保护,过压、过流、欠压和充电不足的保护。如图7有六个输入信号,保护控制器,,,,,,,,在那里和输出电压的最大和最小值,是输出电流的最大值,是电池电压的最小值,输出电流,输出电压,是电池的电压。当,该转换器操作过电压的情况,导致输出信号在PWM的高水平和关闭发电机。此外,条件(过流条件),(欠压条件),或(充电不足条件)也使信号在一个高水平关闭的PWM发生器。
3.3。脉宽调制集成电路单元
提出提高转换器与电池源使用铅酸电池作为电源。为了实现光伏阵列之间的力量平衡,电池,和负载和维持一个恒定的输出电压,采用PWM集成电路单元。这个控制单元包括电池的电压误差放大器和PWM发生器。基于输出电压和参考电压电压,电压误差放大器决定了错误值的。电压误差值然后发送到PWM发生器的电池相比,三角波产生的PWM集成电路获取PWM信号和。信号和是用来控制开关吗和调节光伏阵列和负载之间的权力。同样,电池可以被关闭的PWM发生器的信号或。
4所示。实验结果
验证性能提出的光伏电力转换系统、直流/直流转换器实现了交叉耦合线圈提高转换器与单独电容缓冲器和振型阻尼器产生直流电压400 V的直流负载应用程序实现了以下规范。(一)提出了提高转换器与光伏阵列如下。(我)输入电压:34 ~ 42 V(光伏阵列)。(2)输出电压:400 V直流。(3)输出最大电流:3。(iv)最大功率输出:1.2千瓦。(B)提出提高转换器与电池如下。(我)输入电压:44 ~ 54 V直流(4套12 V电池连接在系列)。(2)输出电压:400 V直流。(3)输出最大电流:3。(iv)最大功率输出:1.2千瓦。
根据设计和规范提出了提高转换器的单独电容缓冲器,组件功率阶段提出了一个确定如下。(我)开关,,,:IRFP260N。(2)二极管,,,在系列:HFA08TB120×2(连接)。(3)耦合电感器,:30μH。(iv)漏电感的耦合电感器和:1.1μH。(v)核心的耦合电感器和:EE-55。(vi)匝比:20。
类似地,组件功率阶段提出的促进与提升类型转换器缓冲器决定如下。(我)开关:IRFP260N。(2)开关:IRFP260N。(3)二极管,,,在系列:HFA08TB120×2(连接)。(iv)二极管,,,,在系列:HFA08TB120×2(连接)。(v)耦合电感器,:30μH。(vi)漏电感的耦合电感器和:1.1μH。(七)核心的耦合线圈和:EE-55。(八)匝比:20。(第九)电感器,:3μH。(x)核心的电感,:DR28X12。(十一)电容器,,,:15μF。
验证性能高升压转换器应用于电力系统PV,一些重要的和列在表作比较2。从表可以看出2单独电容缓冲器提出提高转换器的组件数量少,成本低,容易控制电路,而提出的一个振型阻尼器组件数量更多,更高的成本,更多的复杂性控制电路,转换效率高。他们适合中等或高功率应用程序。此外,尽管高升压转换器提出[25,27)有较高的转换效率,它们只适用于低或中等功率级应用程序。
此外,每个DC / DC变换器的硬件维约210×297毫米。为了验证提出提高变换器的可行性与电池源、测量电压和当前波形开关如图8和9。图8显示的波形开关和50%的满载条件下,提出了一个采用单独电容缓冲器,而图9显示的波形开关和20%的满载条件下,当提出一个使用振型阻尼器。实验结果表明,当讨论提高转换器采用单独电容缓冲器,交换机可以操作zero-switching过渡(ZVT)断开过渡。讨论一个振型阻尼器的开关操作与ZVS开机过渡。
(一)
(b)
(一)
(b)
做一个公平的比较,提高变换器的组件与硬开关电路、单独电容缓冲器,提振型阻尼器保持相同。图10显示测量输出电压和当前波形的boost变换器与三个不同的阻尼器step-load变化在0%和100%之间的满载重复率为0.5赫兹和责任的比率为50%。从图10,它可以观察到输出电压的电压规定提高转换器的单独电容缓冲器和振型阻尼器大约一样的硬开关电路。它揭示了提高转炉单独电容缓冲器和振型阻尼器可以产生良好的动态性能。
(一)
(b)
根据该转换器的操作原理与单独电容缓冲器和提振型阻尼器,交换机的一个单独电容缓冲器在断开ZVT功能转变,而振型阻尼器的开关ZVS在开机过渡特性。他们的概念说明波形数据11 (b)和11 (c),分别。数据12(一个)和12 (b)显示当前波形交叉耦合线圈提高变换器的开关和电感与硬开关电路和单独电容缓冲器,分别。从图12 (b)可以看出,当一个提高变换器的开关交替提高转换器,二极管电流其他提高转换器的交叉流过一个开关电容缓冲器。因此,提高变换器的单独电容缓冲器会引发额外的接通开关损耗。拟议中的交叉提高转换器的关键参数值与单独电容缓冲器和满载条件下提振型阻尼器在表中列出3和4,分别。它可以从表中找到3和4该变换器的开关损失单独电容缓冲器,而提出的一个促进sunbber类型,增加20 ~ 30 W。比较讨论了交错的效率提高转换器与不同类型的阻尼器如图13。这表明boost变换器与振型阻尼器能产生最高转换效率比单独电容缓冲器与轻负荷沉重的负担。满载条件下提高转换器的转换效率与振型阻尼器和单独电容是86%和90%,分别。因为责任比例的开关两个讨论光伏电力转换系统是小于0.5,把耦合电感的比率更高的价值。因此,更高的电流通过开关转换器,导致一个更大的切换损失和传导损失。因此,转换器的转换效率两个讨论光伏电力转换系统可以进一步增加了减少耦合线圈的匝比。此外,如果进行了抗性开关转换器的减少,这些讨论的两个光伏电力转换系统将增加。较低的电阻进行可以选择开关。此外,两个开关并联连接可用于减少进行抵抗。通过这样做,该转换器的转换效率可以进一步增加了约3 ~ 5%。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
自提出提高转换器的单独电容和振型阻尼器使用相同的控制方法,翻译的测量结果MPPT和电源管理应该是相同的。因此,只有提出的测量结果与单独电容缓冲器本文所示。测量波形的电压,目前和权力下W如图14翻译,追踪时间的MPPT和光伏阵列实现了该转换器的电源是80 ms,从0到光伏阵列的最大功率。图15显示了输出电压的测量波形和当前和下W的电源管理提出光伏电力转换系统是在第四模式和操作。从图15,可以看出,输出电压维持在400 V和电流吗等于。当提出光伏电源转换系统单独电容缓冲器在模式VI和操作,测量输出电压的波形和电流和下W和W如图16,说明他们的输出电压在400 V,电流等于和W。
的操作条件提出光伏电力转换系统模式的八世可分为两种情况:和。输出电压的测量波形,电流,,下W和如图17。在此操作条件下,电流等于和等于0。翻译,提出提高转换器的MPPT用于供电负荷和光伏阵列在MPP,提出促进与电压调节时关闭。当,测量输出电压和电流,,下W和W如图18,说明输出电压仍然是夹在400 V和。实验结果表明,提出的两个光伏电力转换系统与单独电容缓冲器和提振型阻尼器可以实现电源管理。
5。结论
摘要交叉耦合线圈提高转换器与不同的软开关阻尼器提出了光伏阵列的应用程序。比较该转换器的性能与单独电容缓冲器或提振型阻尼器,MPPT算法,电源管理和控制提出光伏电力转换系统的设计首先详细描述。此外,perturbation-and-observation翻译方法用于实现MPPT算法。为进一步评估的性能和可行性提出光伏电力转换系统、光伏电力转换系统的原型具有不同软交换缓冲器和规范千瓦,千瓦已经建好了。实验结果表明,该变换器与振型阻尼器能产生更高的效率比单独电容缓冲器的硬开关电路,转换效率与单独电容缓冲器转换器和振型阻尼器在满载下86%和90%,分别。因此,提出了交叉耦合线圈提高转换器的单独电容缓冲器适合光伏阵列应用成本较低,而提出的一个振型阻尼器应用于光伏阵列电源转换系统更高的转换效率。