一种用于光伏最大功率点跟踪的Boost电路

渊湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心袁湖北武汉430068冤

潘健袁刘天俊袁黎家成

摘要院光伏发电系统中利用Boost电路进行最大功率跟踪的过程存在电路升压能力不足尧输入纹波较大等问题袁利用开关电感结构替代并联交错Boost电路中电感袁构成一种高升压比且低纹波的改进型Boost电路遥该电路在同一开关周期中拥有四种开关模式袁存在三种不同工作状态袁利用平均周期建模法讨论其不同占空比情况下输出电压增益及输入电流纹波情况遥MATLAB仿真结果表明袁改进型Boost相比于传统Boost电路具有更高的升压能力曰且在动态输入条件下袁具有较快的跟踪速度袁输入电流纹波小袁输出功率控制效果稳定袁适用于光伏发电最大功率点跟踪遥关键词院开关电感曰并联交错Boost电路曰升压增益曰电流纹波中图分类号院TK513.4

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.181689

中文引用格式院潘健袁刘天俊袁黎家成.一种用于光伏最大功率点跟踪的Boost电路[J].电子技术应用袁2019袁45(2)院113-116.英文引用格式院PanJian袁LiuTianjun袁LiJiacheng.Aboostcircuitforphotovoltaicmaximumpowerpointtracking[J].ApplicationofElectronicTechnique袁2019袁45(2)院113-116.

Aboostcircuitforphotovoltaicmaximumpowerpointtracking

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy袁

HubeiUniversityofTechnology袁Wuhan430068袁China)

Abstract院Inthephotovoltaicpowergenerationsystem,theboostcircuitformaximumpowertrackinghasproblemssuchasinsuffi鄄cientcircuitboostingcapabilityandlargeinputripple,animprovedboostcircuittoembedswitchinginductanceintoparallelinter鄄leavedboostconverterisproposed.Thecircuithasfourswitchingmodesinthesameswitchingcycle,wheretherearethreediffer鄄entworkingstates,andtheoutputvoltagegainandinputcurrentrippleatdifferentdutycyclesarediscussedbyusingtheaveragecyclemodelingmethod.TheresultofMATLABsimulationshowsthattheimprovedboostcircuithashigherboostingabilitythanthetraditionalboostcircuit.Indynamicinputcondition,ithasfastertrackingspeed,morestableoutputpowerandsmallerinputcur鄄rentripple,whichissuitableforthemaximumpowerpointtracking.

Keywords院switchinginductors曰parallelinterleavedboostcircuit曰boostgain曰currentripple

PanJian袁LiuTianjun袁LiJiacheng

0引言

光伏发电系统中袁太阳能电池发电效率决定了光能的使用率袁在动态环境下袁维持电池板工作在最大功率用爬坡法结合Boost电路对电池板输出功率进行调节[1]遥是保证最大程度利用太阳能的关键遥实际应用中袁多采

电压增益相同袁在应对普通低电压场合时能够满足需求袁当升压需求增大时袁电路工作占空比会随之呈正比例增大袁因升压能力限制而造成开关器件在高占空比下路应运而生袁如加入了开关电感的Boost电路[7-8]尧具有开关电容的并联交错Boost电路[9]以及增加输出电容从而提升升压能力的并联交错Boost电路[10-11]和增加耦合电感的并联交错电路[12-13]等遥

本文在并联交错Boost电路基础上袁提出了一种基于开关电感的并联交错Boost电路袁将并联交错电路中的电感替换成由三个二极管和两个电感构成的开关电感形式袁电路继承了并联交错Boost电路的低纹波优势袁同时加入的开关电感取代了单一的电感袁使得电路在运行过程中同一占空比下输出增益更大遥其适用于对控制精度和升压效果要求较高的MPPT应用遥

长久使用袁会缩短其寿命遥因此具有高增益的改进型电

因此Boost电路的性能在很大程度上决定了跟踪的速度和精度袁影响着开关管开通关断时间及器件电压应力袁间接影响光伏电池MPPT渊最大功率点跟踪冤系统的寿命[2-3]遥

传统Boost电路电压增益为V(1-D)袁输出纹波较大遥

为减小输出纹波袁同时降低器件电压应力袁出现了并联回路并联而成袁开关管交替导通袁在一定程度上降低了开关器件和二极管的电压应力袁输入电流纹波低遥

但由于传统Boost电路及并联交错Boost电路输出交错Boost电路[4-6]袁该结构由两组电感和开关管构成的

叶电子技术应用曳2019年第45卷第2期

113

电源技术与应用PowerSupplyTechnologyandItsApplicationD1尧D3尧D4尧D5导通袁D2尧D5截止遥电感L1尧L2并联充电袁充电电压为Vi袁L3尧L4并联充电袁充电电压为Vi遥

四个阶段电感电压VL耀VL和电容电流ic的关系如

1

4

1改进型并联交错Boost电路工作状态分析改进型Boost电路如图1所示袁利用开关电感结构替代了传统Boost电路单电感的工作结构袁每组开关电感由两个电感和三个二极管构成袁且L1=L2=L3=L4=L遥

图2(a)耀图2(d)遥

2改进型并联交错Boost电路分析

2.1输出电压增益

因占空比决定了Boost电路不同的工作模态袁在一个周期中袁当占空比处于0(1)占空比0不同而有所区别袁如图3所示袁图中数字表示对应的工作状态遥现对系统连续工作模式下不同占空比情况进行分析院

在一个周期中袁此时有三种不同的工作状态袁分别

图1改进型并联交错Boost电路

是S1导通尧S2关断(第一阶段)袁S1关断尧S2关断(第二阶段)和S1关断尧S2导通(第三阶段)袁如图3(a)所示遥

对该周期采用平均周期建模法袁一个周期内电感上的平均电压大小有院

掖VL(t)=VL(t)业T=1[

TS

电路工作时采用并联交错电路控制模式袁两个开关管占空比相同袁但开关管S2比开关管S1滞后半周期导所示遥具体过程如下院

通(相位差180毅)袁主要工作状态分为四个阶段袁如图2(1)第一阶段t1耀t2(图2(a))袁S1导通袁S2关断遥二极管D1尧D3尧D5导通袁D2尧D4尧D6截止曰电感L1尧L2并联充电袁充电电压为Vi袁L3尧L4串联放电袁电流为i2遥

D2尧D5导通袁D1尧D3尧D4尧D6截止遥电感L1尧L2串联放电袁电D2尧D4尧D6导通袁D1尧D3尧D5截止遥电感L1尧L2串联放电袁电流为i1袁L3尧L4并联充电袁充电电压为Vi遥

(4)第四阶段t4耀t5(图2(d))袁S1导通袁S2导通遥二极管流为i1袁L3尧L4串联放电袁电流为i2遥

(3)第三阶段t3耀t4(图2(c))袁S1关断袁S2导通袁二极管

(2)第二阶段t2耀t3(图2(b))袁S1关断袁S2关断遥二极管

掖VL(t)=VL(t)业T=1[

TS

乙乙乙乙12S

t+0.5TS

t+DTSt+TS

1(V-V)(子)d子+

io

2乙乙t+DTSt

t+0.5TS+DTS

1(V-V)(子)d子]

io

24

S

乙乙Vi(子)d子+

1(V-V)(子)d子+

io

2t+0.5TS+DTSt+0.5TS

(1)

t+DTS

3t

t+0.5TS

t+TSt+TS

1(V-V)(子)d子+

io

2t+0.5TS+DTSt+0.5TS

1(V-V)(子)d子+

io

2Vi(子)d子+

t+0.5TS+DTS

1(V-V)(子)d子]

io

2(2)

(a)第一阶段袁S1导通袁S2关断

(b)第二阶段袁S1关断袁S2关断

(c)第三阶段袁S1关断袁S2导通

图2各工作状态

(d)第四阶段袁S1导通袁S2导通

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电源技术与应用PowerSupplyTechnologyandItsApplication(a)0<图3D不<0.5

同占空比下单周期(b)0.5工作状臆态

D<1

将式(1)尧式(2)化简得院

掖VL1

(t)=VL2

(t)业TS

=12(Vi-Vo)D+(Vi-Vo)(0.5-D)+ViD

掖V(3)L3

(t)=VL4

(t)业TS

=ViD+(Vi-Vo)(0.5-D)+12(Vi-Vo)D

而嗓(4)

掖单掖V周期V1

)=V内电感上的平均电压为0袁因此L(tL2

(t)业TS

=0L3

4

S

(5)联立式(t(3))=VL耀式(t(5))业T可=0

得院Vo(2)=1+DV此时占1-电空Di

路比在0.5一臆周D期<1

(6)

中有S(第一阶段)和S1导通尧S2导通(第四阶段)袁

三S1导通尧S种工作状2关断态袁如图3(b)所示遥1关断尧S同理分析2导通(第三阶段)

可得式(6)相同结论遥

综上分析袁本改进型并联交错Boost电路工作在0M=1+D(7)

相比于传统1-DBoost袁电压增益增加了D/(1-D)遥

2.2输入电流纹波

0.5臆如D前<1)面所时袁述输袁入当电电感路的工作在不同占空比(0讨论袁电流与开关信号之间的纹波关系也会如图由此4分所示为两遥

种情况TS

DTSS

DTTSS

1S2i1i2i

DiTSDiTS图04<1叶电子技术应用曳2019年第45卷第2期

任意(1)一个当D01尧L2串联放电曰i1所在支路S充电遥

2处于导通状态袁电感LL34并联尧驻i1=(Vi-Vo)DiTS=Vi-(8)驻i22LVLiD2TL22LVoDTS

2=i2S=2LViDTS(9)

驻i(0当0.5臆D<1时袁合成电流占空比Di=2D-1袁同理

(10)

驻i1=驻i2=2LViDiTS(11)驻i2(0.5臆D<1)=驻i1+驻i2=(4D-L2)ViTS

(12)

3仿真分析验证

3.1恒压输入下输出性能仿真

本4伊电10电感尧电容和电阻的取值分别为院L-4路H进袁行C=2对比伊10-4仿真F袁遥R输入=5赘遥电压分V别i=10对传V统1=L袁占Boost2=L3=空比分电L4别路=L取和=

电压0.2尧0.5袁实尧线0.8为袁传统如图Boost5所示电袁路其输中出虚电压线为遥改改进进后型电拓扑路结输构出

明显具有更好的升压优势袁与理论计算基本符合遥

D=0.2/0.5/0.8

t/s

图5不同占空比下输出电压

3.2光伏电池最大功率跟踪仿真

假设电池工作环境温度T=25益袁在0~1s区间大光照辐射强度S=1000W/m2照袁其中0.5~0.7s区间袁袁光

最

略=辐采L射强度逐步下降至S=250W/m2并逐步回升遥LL123用传统=L4=L=1.03扰动观伊10-3察法H遥

袁C=1伊10-3F袁R=20赘遥MPPT策=图6(a)为光伏电池输出功率时间曲线遥当仿真开始袁

输出功率逐步提升到260W左右曰在t=0.5s时袁辐照强度逐步下降至S=250W/m2右袁随后随着辐照强度上升袁袁输输出出功功率率也随降低之至上升65袁W并左回升至260W袁调节时间为0.035s左右遥可见本改进型拓

115

电源技术与应用PowerSupplyTechnologyandItsApplication扑能够实现光伏电池最大输出功率的实时跟踪袁且跟踪

响应速度较快袁输出性能稳定遥

图6(b)为改进型拓扑输入端电流袁i对应回路输入电流曰i为光伏电池输出电1尧i流2分别为S即改进型1尧拓S2

扑输入总电流遥可见输入电流i频率为i纹波经两路电流合成后明显降低袁合成电1流尧i2的2倍袁且7.55~7.63A袁纹波较小袁且与理论计算相符遥

脉动范围为

输出功率

t/s

(a)光伏电池输i出功率

1

i2

i

图6光伏电池(b输)输入t电/s

出功率流

及拓扑输入电流

图7为改进型拓扑输出电压及电流仿真波形袁稳定状态最大输出电压为72V袁根据光伏电池输出电压35V计算可知袁开通占空比为0.345左右袁而传统拓扑达到此稳定状态开关占比需在0.5左右袁在一周期中袁改进型拓扑开关管开通时间明显减少袁且能达到相同升压控制效果遥

8060输出电压

4020输出电流0

00.2

0.4

t/s

0.6

0.8

1

图7拓扑输出电压及电流

116

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com4结论本文提出的开关电感并联交错Boost电路袁输出电压增益较传统拓扑升压倍率提升了D/(1-D)袁且继承了并联交错Boost电路低输入电流纹波的特点遥仿真验证了拓扑的升压能力是传统拓扑的(1+D)倍曰且在动态输入环境下袁其跟踪的可靠性和稳定性袁验证该拓扑能够应用于光伏电池最大功率点跟踪遥参考文献

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电电感工的技术

交

学报袁2016袁31(24)院181-187.

作者简介院

(收稿日期院2018-06-10)

潘健渊1962-冤袁通信作者袁男袁本科袁教授袁主要研究方com向院遥

电力电子及传动尧控制科学工程袁E-mail院86146969@qq.

刘天俊渊1992-冤袁男袁硕士研究生袁主要研究方向院光伏发电技术遥黎家成渊1994-冤袁男袁硕士研究生袁主要研究方向院光伏

发电技术遥

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