基于互锁驱动方式的光电互补系统

卢刚菊， 胡天友， 张子英， 张文合

(电子科技大学，四川 成都 611731)



基于互锁驱动方式的光电互补系统

卢刚菊， 胡天友， 张子英， 张文合

(电子科技大学，四川 成都 611731)

在使用多输入变换器作为主电路的光电联合供电系统中，采用现有的能量管理策略并利用交错双边沿脉宽调制方式时，可以实现光伏与电网的协调工作并克服了光电联合供电系统中的一主要问题，即在光伏电池与电网同时供电时，电网电流会通过光伏电池板使测得的光伏电池板电流比实际值大，导致光伏电池板的最大功率跟踪失败。针对此问题，提出了另外一种新的驱动方式——互锁，该方式不仅能解决该问题还能使系统电流脉动小。从理论上分析了互锁驱动方式的调制效果，并与交错双边沿调制的效果进行了比较，然后利用Matlab/Simulink建立互锁模型，仿真验证了互锁方法的有效性。

联合供电系统； 多输入变换器； 交错双沿调制； 互锁

0 引 言

单独使用太阳能的局限性很大，它往往需要其他能源作补充[1-2]，光电联合供电有很大的应用潜力。很多电路拓扑结构和能量管理策略[3-4]不断被提出。然而在采用多输入变换器的光电互补供电系统中，以双输入Buck变换器为例：当两只开关管同时导通时会影响到对光伏电流的测量，进而影响光伏最大功率跟踪，采用交错双边沿PWM驱动可以很好地解决这个问题[5-6]。本文提出一种互锁驱动方式，采用这种方式也可以使系统稳定工作，并且电流波动很小而且更加平滑。

1 基于双Buck的供电系统

1.1 主电路拓扑

采用双输入Buck变换器做为主电路[7-8]，其原理图见图1。主要实现两个功能：① 稳定输出电压；② 分配电源的功率，太阳能优先。

图1 双Buck电路拓扑原理图

下面介绍其工作原理。根据2个开关管的开通状态可以分为下面4种情况：

(1)Q1导通，Q2截止，Uin1单独向负载供电，VD2始终导通，Uin1、Q1、VD1、Lf、Cf和RLd相当于一个Buck变换器；

(2)Q1截至，Q2导通，Uin2单独向负载供电，VD1始终导通，Uin2、Q2、VD2、Lf、Cf和RLd又相当于一个Buck变换；

(3)Q1和Q2同时导通，Uin1和Uin2串联向负载供电，此时整个电路相当于一个Buck变换器；

(4)Q1和Q2同时截止，Lf通过VD1、VD2续流向负载供电。

1.2 工作模式分析

根据负载情况系统工作在两种模式[9]：

模式Ⅰ：Po>P1max，太阳能功率不足，需要电网补充；太阳能以最大功率输出；

模式Ⅱ：Po

其中，Po、P1max分别为负载功率和太阳能功率。

2 互锁驱动方式分析

互锁，就是两路PWM波互相锁定，在同一时刻只允许一路PWM输出，即在PWM1输出时，通过逻辑门强制使得PWM2输出为无效；同理，在PWM2输出时，强制PWM1输出为无效[10-11]。PWM1和PWM2在利用互锁驱动时应该选择不同的频率。

2.1 PWM1和PWM2的频率不同

为了清楚说明其控制过程，本文设定实现光伏最大功率跟踪的Q1管驱动PWM1采用相对较低的频率，而实现稳压的Q2管的PWM2则采用较高的频率。锁定方式为：在PWM1信号为高电平时，通过逻辑电路控制PWM2为低电平；PWM1为低电平时，PWM2则正常工作，见图2。

图2 锁定方式驱动信号

分析可知，锁定方式与交错双边沿PWM调制技术效果是一样的。下面进行理论分析：交错双边沿PWM波形见图3。采用交错双边沿PWM技术在一个周期T1内，电网提供的能量为

(1)

图3 交错双边沿PWM波形

理想情况下，采用锁定方式在PWM1的1个周期T1内，电网提供的能量为

(2)

负载需要的能量是不变的，因此

W1=W2

由式(1)和式(2)可知：

(3)

表明在T1周期内，Q1管开通时间不变，Q2管采用两种方法的开通时间是相等的，提供相同的能量，因此两者效果一样[12-13]。

2.2 PWM1和PWM2的频率相同

PWM1和PWM2频率相等时，可以分析其与交错双边沿调制PWM波是一样的[14]，下面分析原因。

如图4所示，两者频率相同，模式Ⅰ中，需要电网补充能量，1个周期内补充能量为：

图4 频率相同时的PWM波形

但由于PWM1的作用，电网实际的输出能量为：

显然电网补充的能量不够，系统会继续增加电网驱动占空比,直到满足dTon=Ton2-Ton1。另外，由文献[6]可知，在

时，必定满足：

因此两者频率相同时，其实是文献[6]中提出的交错双边沿驱动的另一种实现形式而已。

3 采用互锁驱动方式的实验结果

用Matlab/Simulink建模仿真主要参数指标如下：

(1) 太阳能电池板开路电压150 V，短路电流16 A，最大功率2.025 kW；光强1.0 kW/m2，温度25 °C；

(2) 市电为单相220 V/50 Hz；

(3) 输出电压要求为120 V(±2%)；负载额定功率2.88 kW。

图5给出了仿真模型图[15]，图6给出了采用互锁驱动方式后的系统模式Ⅰ的波形，图(a)为太阳能电压Upv(中)、电流Ipv(上)和功率Ppv(下)波形；图(b)为负载电压波形；图(c)为驱动和光伏电流波形；图7给出了未采用防止两管同时导通措施时的系统模式Ⅰ下的波形。

图5 Simulink模型图

4 结 语

从实验结果可以看出，在基于双Buck的光伏与市电联合供电的系统中，不采用防止两管同时导通措施时，系统会非常不稳定(见图7)。从图6可以看到，采用互锁驱动方式可以使系统很稳定地工作，最大功率跟踪非常准确，可以实现预期的目的，电流相对于采用交错双边沿驱动方式时，波动小而且比较平缓。仿真结果验证了所提方法的正确性。

(a)太阳能Upv、Ipv、Ppv波形

(b)负载电压波形

(c)驱动和Ipv波形图6 系统波形

图7 未采用任何措施时的系统波形

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Research of Hybrid Power System Composed of Photovoltaic and Commercial Power Based on Inter-lock PWM

LUGang-ju，HUTian-you，ZHANGZi-ying，ZHANGWen-he

(University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 611731, China)

The hybrid power system based on multi-input converter can work under suitable mode with power management strategy which has been put forward and interleaved dual-edge modulation PWM. It also can solve a major problem that the track of maximum power fails when photovoltaic cells and the commercial power supply are load at the same time. Now a new drive method is put forward-inter-lock. This method can not only solve the problem, but also have low fluctuation of the system current. The paper theoretically analyzes the modulation effects of inter-lock drive, and compares it with dual-edge modulation PWM. Then Matlab/Simulink is used to establish inter-locking model and simulate It verifies the effectiveness of inter-lock driving method.

hybrid power system； multi-input converter； interleaved dual-edge modulation； inter-lock

2014-07-07

国家自然科学基金(61106107)

卢刚菊(1991-)，女，贵州遵义人，硕士生，研究方向：电力电子与电力传动。Tel.:15196604179;E-mail:x_julucky@126.com

胡天友(1955-)，男，四川成都人，高级工程师，研究方向：电力电子与电力传动。

Tel.:13808185978;E-mail:hutianyou138@sina.com

TM 615

A

1006-7167(2015)05-0052-03