户用型光伏供电系统DC／DC变换器的研究

刘凤杰，付 青，朱昌亚，程光蕾，马桂龙

（1.中山大学，广州510006；2.天宝电子（惠州）有限公司，惠州516005）

0 引 言

在当前世界传统化石能源短缺和环保压力的双重作用下，清洁的可再生能源发展越来越受到世界各国的重视，各国掀起了可再生能源的开发热潮。利用太阳能、风能、海洋能、生物质能、小水电、地热能等清洁的可再生能源来代替传统的煤、石油等化石能源，坚持可持续发展的理念，已成为全人类的一种共识。在新能源开发利用领域，光伏发电发展最快，早在20世纪80年代末就有国家开始建设大型的光伏电站。然而大型光伏电站的修建与维护成本都很高，目前国内的大型光伏电站基本都是政府投资的实验性电站。户用光伏供电系统不仅能有效地解决当下能源危机与环境污染问题，而且成本低、易于维护，已在许多发达国家得到了大力的推广及应用。

1 户用光伏系统

户用光伏供电系统通过安装在住户屋顶或幕墙上的太阳能电池，将可持续的太阳光转化成绿色的电能。常规的户用型光伏发电系统有离网型和并网型2种。本文研究的是一种新型混合型户用光伏系统，图1是这种系统的结构框图。

图1 户用光伏发电系统框图

混合型户用光伏系统包括光伏组件、DC／DC变换器、蓄电池组和并网逆变设备。光伏组件将可再生太阳光转换成电能；DC／DC变换器实现光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）；充放电控制器将电能储存在蓄电池中；并网逆变设备将蓄电池输出的直流电转换成可供用户负载使用的220V交流电，或将电能馈送到电网中，实现并网发电。在系统脱离电网并且太阳光较弱时，蓄电池可以提供一定的能量供给，保证重要负载的正常运行；在有电网或光照充足时，可以对蓄电池充电，多余的电能则馈送到电网中供其他用户使用。混合型户用光伏供电系统具有更大的灵活性，但由于其储能设备输出电压的特殊性，其系统控制也较复杂。

2 户用型DC／DC变换器

户用型光伏发电系统 DC／DC变换器[1-2]的功能是将低压直流电转变成稳定的350V高压直流电，以供后级逆变器转换使用。针对户用型光伏供电系统的特点，本文提出了一种带高频变压器的推挽正激电路。该电路相当于2个单端正激电路并联工作，故将此电路拓扑命名为推挽正激变换器电路（PPFC）[3-4]。由于推挽正激电路[5]在传统推挽型变换器中引入了箝位电容，有效克服了传统推挽变换器变压器磁芯偏磁和开关应力大的固有缺陷，具有显著的优点。

推挽正激变换器拓扑如图2所示，它由2个功率管VT1与VT2、1个箝位电容C和1个高频变压器T组成。变压器由3个绕组组成，2个变压器初级绕组L1，L2和1个输出绕组L3。变换器的副边采用全桥型整流电路，并通过1个LC滤波器给后级供电。DS1和DS2为反并联二极管，C1为输入滤波电容，C2为整流后滤波电容。同一时刻，VT1和VT2只有一个开关管闭合。在功率管关断时，箝位电容C为原边变压器漏感储存的能量提供了1个释放的回路，储存漏感能量，避免了开关管上的电压尖峰，同时抑制了磁芯偏磁。此外，同一时刻高频变压器低压侧都有2个线圈流过电流，因此流过功率管的电流小，并且线圈电流有正也有负，使得高频变压器不容易发生磁饱和现象，变压器的利用率也很高。

图2 推挽正激变换器电路图

推挽正激电路具有以下几个优点[6]：

（1）减小了输入电流脉动的安秒乘积，从而减小了输入输出滤波器的体积和重量；

（2）在主功率管关断时，箝位电容为变压器原边漏感储存的能量提供了一个释放的回路，抑制了功率管的电压尖峰，使得在实际电路中可以选择电压等级较小的功率管，同时可以减小功率管的导通损耗；

（3）由于是双向励磁，变压器磁芯利用率高；

（4）相比推挽变换器以及全桥DC／DC电路，推挽正激电路能有效抑制变压器偏磁而使得系统工作更可靠。此外推挽正激电路比BOOST电路更适合于输入低电压、大电流的中大功率场合。

3 控制算法及MPPT的研究

本文研究的户用光伏供电系统DC／DC变换器采用全数字化智能控制技术[7]，其整体控制框图如图4所示。主要包括控制电路、电压电流检测电路及驱动电路。系统采用工业级高速数字信号处理（DSP）芯片TMS320F2812作为核心控制芯片，具有处理速度快、全数字控制、软件算法灵活、集成外设丰富等特点，能有效消除扰动对系统的影响，改善系统的性能，提高DC／DC变换器输出波形的精度和转换效率。

图3 系统整体控制框图

如图3所示，系统以DSP为控制核心，通过传感器全方位监控高频DC／DC变换器的状态，并对输入输出电流进行保护，获得即时输入输出的电压电流检测值，送入DSP中，经过计算分析，输出高频脉宽调制（PWM）信号，经隔离驱动电路驱动DC／DC变换器中的电力电子器件。

在光伏应用系统中，太阳电池是关键部件。由于在实际应用中，外界环境因素不断变化，为了使光伏阵列始终输出最大功率，必须对光伏阵列的输出电压进行控制，使其始终处于最大功率点电压上。光伏阵列的MPPT控制的关键是处理好算法快速性和精度之间的矛盾，而常规的MPPT算法无法从根本上解决这一问题。本文提出一种改进后的预测MPPT算法[8-9]，该算法是在扰动观察法的基础上，加入自适应预测算法，从而提高MPPT的跟踪速度和精度。

图4为自适应预测机制的MPPT控制框图，其中p（n）为光伏阵列输出功率，u（n）、I（n）分别为采样得到的光伏阵列的输出电压与电流，d（n）为输出占空比。输入电压信号经过自适应预测机制预测下一时刻光伏阵列的输出功率，进入扰动观察法比较判断扰动方向，从而确定占空比，占空比与三角波进行比较后，生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，实现动态调节负载，最终实现最大功率点跟踪控制。

图4 自适应预测MPPT控制框图

在自适应预测机制中，X（n）为当前及过去光伏阵列的输出电压向量，即X（n）＝[u（n），u（n－1）…，u（n－N＋1）]，y（n）和＾y（n）分别为当前时刻光伏阵列的输出功率及其预测值，＾y（n＋1）为下一时刻输出功率的预测值。基于自适应预测机制的MPPT算法与传统的扰动观察法区别在于光伏阵列下一时刻输出的功率由自适应预测机制得出，并通过扰动观察法与当前时刻的功率进行比较，及时改变扰动方向，在提高MPPT的快速性的同时减少功率损失。图5是自适应预测机制的MPPT算法的控制流程图。

图5 自适应预测MPPT算法流程图

4 实验结果

根据实际设计要求，课题组制作了1台3.5kW户用型推挽正激DC／DC变换器样机。其具体参数为：输入侧蓄电池组电压为24V，最大输入电流为150A，功率管选用MOSFET，工作频率为30kHz，箝位电容为470μF，输出滤波电感为2mH，滤波电感为2mH，使用示波器测得相关信号波形如图6所示。

图6（a）所示为推挽正激变换器中MOSFET的驱动波形，该波形由TMS320F2812的定时器产生，频率为30kHz，PWM信号经TLP250光电隔离放大后驱动MOSFET，实现其开通和关断。

图6（b）所示为推挽正激变换器中VT1的驱动波形及其漏源极之间的电压波形。从图中可见，由于增加了箝位电容，开关管上的漏源极电压被箝位在2倍输入电压左右，在开关管关断的瞬间并没有很大的尖峰电压。但由于变压器存在漏感，会引起开关管在开通关断后的一段时间内有振荡现象。

图6（c）所示为推挽正激变换器变压器副边电压输出波形，在波形顶端有少量的尖峰，该尖峰主要由变压器漏感以及线路杂散电感引起，通过改变变压器工艺以及改善印制电路板（PCB）布线策略可减小此电压尖峰。

图6 推挽正激MOSFET驱动波形

图7所示为DC／DC变换器最终输出的350V直流电压波形和光伏组件的输出电压波形。实验结果证明本系统方案具有可行性和合理性，适合于实际应用，达到预期设计目标。

5 结束语

图7 DC－DC变换器输出电压

本文主要介绍了户用型光伏供电系统的特点，根据户用型光伏供电系统的性能要求，采用带高频隔离变压器的推挽正激电路作为系统DC／DC变换器的主电路，解决了传统推挽电路中变压器磁芯偏磁以及功率开关应力过高的问题。同时，在扰动观察法的基础上引入自适应预测机制，预测下一采样时刻的光伏阵列输出功率，及时改变扰动方向，在提高跟踪速度的基础上，兼顾系统的控制精度，减少功率损耗。改进后的算法能够弥补常规扰动观察法的不足，成倍提高系统的跟踪速度，同时保证系统的稳态精度，达到快速、稳定、精确的MPPT控制。实验结果表明该方案切实可行，具有较好的实际应用价值。

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