0 引言

    光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池發(fā)電效率決定了光能的使用率，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，維持電池板工作在最大功率是保證最大程度利用太陽能的關(guān)鍵。實(shí)際應(yīng)用中，多采用爬坡法結(jié)合Boost電路對電池板輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)^[1]。因此Boost電路的性能在很大程度上決定了跟蹤的速度和精度，影響著開關(guān)管開通關(guān)斷時(shí)間及器件電壓應(yīng)力，間接影響光伏電池MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）系統(tǒng)的壽命^[2-3]。

    傳統(tǒng)Boost電路電壓增益為V(1-D)，輸出紋波較大。為減小輸出紋波，同時(shí)降低器件電壓應(yīng)力，出現(xiàn)了并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路^[4-6]，該結(jié)構(gòu)由兩組電感和開關(guān)管構(gòu)成的回路并聯(lián)而成，開關(guān)管交替導(dǎo)通，在一定程度上降低了開關(guān)器件和二極管的電壓應(yīng)力，輸入電流紋波低。

    但由于傳統(tǒng)Boost電路及并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路輸出電壓增益相同，在應(yīng)對普通低電壓場合時(shí)能夠滿足需求，當(dāng)升壓需求增大時(shí)，電路工作占空比會隨之呈正比例增大，因升壓能力限制而造成開關(guān)器件在高占空比下長久使用，會縮短其壽命。因此具有高增益的改進(jìn)型電路應(yīng)運(yùn)而生，如加入了開關(guān)電感的Boost電路^[7-8]、具有開關(guān)電容的并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路^[9]以及增加輸出電容從而提升升壓能力的并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路^[10-11]和增加耦合電感的并聯(lián)交錯(cuò)電路^[12-13]等。

    本文在并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路基礎(chǔ)上，提出了一種基于開關(guān)電感的并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路，將并聯(lián)交錯(cuò)電路中的電感替換成由三個(gè)二極管和兩個(gè)電感構(gòu)成的開關(guān)電感形式，電路繼承了并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路的低紋波優(yōu)勢，同時(shí)加入的開關(guān)電感取代了單一的電感，使得電路在運(yùn)行過程中同一占空比下輸出增益更大。其適用于對控制精度和升壓效果要求較高的MPPT應(yīng)用。

1 改進(jìn)型并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路工作狀態(tài)分析

    改進(jìn)型Boost電路如圖1所示，利用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)Boost電路單電感的工作結(jié)構(gòu)，每組開關(guān)電感由兩個(gè)電感和三個(gè)二極管構(gòu)成，且L₁=L₂=L₃=L₄=L。

    電路工作時(shí)采用并聯(lián)交錯(cuò)電路控制模式，兩個(gè)開關(guān)管占空比相同，但開關(guān)管S₂比開關(guān)管S₁滯后半周期導(dǎo)通(相位差180°)，主要工作狀態(tài)分為四個(gè)階段，如圖2所示。具體過程如下：

    (1)第一階段t₁～t₂(圖2(a))，S₁導(dǎo)通，S₂關(guān)斷。二極管D₁、D₃、D₅導(dǎo)通，D₂、D₄、D₆截止；電感L₁、L₂并聯(lián)充電，充電電壓為V_i，L₃、L₄串聯(lián)放電，電流為i₂。

    (2)第二階段t₂～t₃(圖2(b))，S₁關(guān)斷，S₂關(guān)斷。二極管D₂、D₅導(dǎo)通，D₁、D₃、D₄、D₆截止。電感L₁、L₂串聯(lián)放電，電流為i₁，L₃、L₄串聯(lián)放電，電流為i₂。

    (3)第三階段t₃～t₄(圖2(c))，S₁關(guān)斷，S₂導(dǎo)通，二極管D₂、D₄、D₆導(dǎo)通，D₁、D₃、D₅截止。電感L₁、L₂串聯(lián)放電，電流為i₁，L₃、L₄并聯(lián)充電，充電電壓為V_i。

    (4)第四階段t₄～t₅(圖2(d))，S₁導(dǎo)通，S₂導(dǎo)通。二極管D₁、D₃、D₄、D₅導(dǎo)通，D₂、D₅截止。電感L₁、L₂并聯(lián)充電，充電電壓為V_i，L₃、L₄并聯(lián)充電，充電電壓為V_i。

    四個(gè)階段電感電壓和電容電流ic的關(guān)系如圖2(a)～圖2(d)。

2 改進(jìn)型并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路分析

2.1 輸出電壓增益

    因占空比決定了Boost電路不同的工作模態(tài)，在一個(gè)周期中，當(dāng)占空比處于0<D<0.5和處于0.5≤D<1時(shí)，單周期內(nèi)系統(tǒng)所包含的工作狀態(tài)因S₁、S₂開通與關(guān)斷時(shí)間不同而有所區(qū)別，如圖3所示，圖中數(shù)字表示對應(yīng)的工作狀態(tài)。現(xiàn)對系統(tǒng)連續(xù)工作模式下不同占空比情況進(jìn)行分析：

    (1)占空比0<D<0.5

    在一個(gè)周期中，此時(shí)有三種不同的工作狀態(tài)，分別是S₁導(dǎo)通、S₂關(guān)斷(第一階段)，S₁關(guān)斷、S₂關(guān)斷(第二階段)和S₁關(guān)斷、S₂導(dǎo)通(第三階段)，如圖3(a)所示。

    對該周期采用平均周期建模法，一個(gè)周期內(nèi)電感上的平均電壓大小有：

    將式(1)、式(2)化簡得：

    (2)占空比0.5≤D<1

    此時(shí)電路在一周期中有S₁導(dǎo)通、S₂導(dǎo)通(第四階段)，S₁導(dǎo)通、S₂關(guān)斷(第一階段)和S₁關(guān)斷、S₂導(dǎo)通(第三階段)三種工作狀態(tài)，如圖3(b)所示。同理分析可得式(6)相同結(jié)論。

    綜上分析，本改進(jìn)型并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路工作在0<D<1情況下電壓增益為：

相比于傳統(tǒng)Boost，電壓增益增加了D/(1-D)。

2.2 輸入電流紋波

    如前面所述，當(dāng)電路工作在不同占空比(0<D<0.5和0.5≤D<1)時(shí)，輸入電感的紋波也會由此分為兩種情況討論，電流與開關(guān)信號之間的關(guān)系如圖4所示。

    (1)當(dāng)0<D<0.5時(shí)，合成電流為i，占空比D_i=2D。在任意一個(gè)D_iT_S/2時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)管S₁導(dǎo)通、S₂關(guān)斷，作用效果相同。選擇i₁所在支路S₁處于關(guān)斷狀態(tài)，電感L₁、L₂串聯(lián)放電；i₁所在支路S₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感L₃、L₄并聯(lián)充電。

3 仿真分析驗(yàn)證

3.1 恒壓輸入下輸出性能仿真

    電感、電容和電阻的取值分別為：L₁=L₂=L₃=L₄=L=4×10^-4H，C=2×10^-4F，R=5 Ω。分別對傳統(tǒng)Boost電路和本電路進(jìn)行對比仿真。輸入電壓V_i=10 V，占空比分別取0.2、0.5、0.8，如圖5所示，其中虛線為改進(jìn)后電路輸出電壓，實(shí)線為傳統(tǒng)Boost電路輸出電壓。改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明顯具有更好的升壓優(yōu)勢，與理論計(jì)算基本符合。

3.2 光伏電池最大功率跟蹤仿真

    假設(shè)電池工作環(huán)境溫度T=25 ℃，在0~1 s區(qū)間，最大光照輻射強(qiáng)度S=1 000 W/m²，其中0.5~0.7 s區(qū)間，光照輻射強(qiáng)度逐步下降至S=250 W/m²并逐步回升。L₁=L₂=L₃=L₄=L=1.03×10^-3H，C=1×10^-3F，R=20 Ω。MPPT策略采用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法。

    圖6(a)為光伏電池輸出功率時(shí)間曲線。當(dāng)仿真開始，輸出功率逐步提升到260 W左右；在t=0.5 s時(shí)，輻照強(qiáng)度逐步下降至S=250 W/m²，輸出功率降低至65 W左右，隨后隨著輻照強(qiáng)度上升，輸出功率也隨之上升，并回升至260 W，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.035 s左右。可見本改進(jìn)型拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)光伏電池最大輸出功率的實(shí)時(shí)跟蹤，且跟蹤響應(yīng)速度較快，輸出性能穩(wěn)定。

    圖6(b)為改進(jìn)型拓?fù)漭斎攵穗娏鳎琲₁、i₂分別為S₁、S₂對應(yīng)回路輸入電流；i為光伏電池輸出電流即改進(jìn)型拓?fù)漭斎肟傠娏鳌？梢娸斎腚娏鱥頻率為i₁、i₂的2倍，且紋波經(jīng)兩路電流合成后明顯降低，合成電流脈動(dòng)范圍為7.55~7.63 A，紋波較小，且與理論計(jì)算相符。

    圖7為改進(jìn)型拓?fù)漭敵鲭妷杭半娏鞣抡娌ㄐ危€(wěn)定狀態(tài)最大輸出電壓為72 V，根據(jù)光伏電池輸出電壓35 V計(jì)算可知，開通占空比為0.345左右，而傳統(tǒng)拓?fù)溥_(dá)到此穩(wěn)定狀態(tài)開關(guān)占比需在0.5左右，在一周期中，改進(jìn)型拓?fù)溟_關(guān)管開通時(shí)間明顯減少，且能達(dá)到相同升壓控制效果。

4 結(jié)論

    本文提出的開關(guān)電感并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路，輸出電壓增益較傳統(tǒng)拓?fù)渖龎罕堵侍嵘薉/(1-D)，且繼承了并聯(lián)交錯(cuò)Boost電路低輸入電流紋波的特點(diǎn)。仿真驗(yàn)證了拓?fù)涞纳龎耗芰κ莻鹘y(tǒng)拓?fù)涞?1+D)倍；且在動(dòng)態(tài)輸入環(huán)境下，其跟蹤的可靠性和穩(wěn)定性，驗(yàn)證該拓?fù)淠軌驊?yīng)用于光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤。

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作者信息:

潘  健，劉天俊，黎家成

（湖北工業(yè)大學(xué) 太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430068）