Cúk型電路拓撲在太陽能路燈控制器中的應用

李桂玲等

摘 要： 本文針對Cúk型拓撲的電路特點，提出了基于Cúk拓撲的太陽能控制器功率變換電路設計和仿真，首先對最大功率點跟蹤策略進行了探討和分析，從而引入了Cúk型拓撲結(jié)構(gòu)的理論研究，在此基礎上進行了電路參數(shù)設計，利用Matlab工具建立了仿真模型，并進行了仿真，達到了預期效果。

關(guān)鍵詞： Cúk型拓撲 太陽能路燈控制器 應用

1.引言

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種新能源技術(shù)得到廣泛應用，在一定程度上緩解了能源危機。太陽能路燈照明系統(tǒng)作為這一技術(shù)的典型應用，其發(fā)展空間大，目前正朝著高效、可靠、低成本、智能化方向發(fā)展[1]。作為系統(tǒng)的核心部件——控制器，其性能的優(yōu)劣直接影響應用，尤其是其效率指標尤為關(guān)鍵，與電路結(jié)構(gòu)、充電方法、器件選擇等諸多因素有關(guān)，這里又以電路拓撲結(jié)構(gòu)影響最大。因此，合理選擇電路拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)效率提升、延長電池使用壽命、降低成本至關(guān)重要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能路燈控制系統(tǒng)框圖

文中選用的Cúk型電路，其輸入的直流電壓可在一定范圍內(nèi)變化，而輸出的直流電壓則非常平穩(wěn)。通過改變Cúk電路中的電感值或開關(guān)頻率，可以將紋波電壓控制在很小范圍，理論上甚至可以為零。并且，在開關(guān)管的導通和截止期間，都能傳遞功率，傳輸效率高。另外，Cúk電路的電壓變比理論上可在0～∞變化，通過改變PWM的占空比可以實現(xiàn)電壓比的調(diào)整。因此，該結(jié)構(gòu)電路既可以實現(xiàn)升壓變換，又可以實現(xiàn)降壓變換[2]。由此可見，Cúk電路結(jié)構(gòu)非常適合光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列最大功率點跟蹤，可大幅提高系統(tǒng)效率。

2.最大功率點跟蹤的必要性

在太陽能路燈照明系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要途徑是實時檢測太陽能電池組件的輸出功率，通過一定控制算法預測當前狀況下組件可能的最大功率輸出，從而改變當前阻抗情況，調(diào)整太陽能電池組件的工作點，使其始終工作在最大功率點的附近，這一過程就稱為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），相應技術(shù)稱為最大功率點跟蹤技術(shù)[3]。在充電控制部分加入最大功率點跟蹤技術(shù)，能更有效地利用太陽能電池組件轉(zhuǎn)換的能量，極大地提高轉(zhuǎn)換效率。

通常，為使負載獲得最大功率，通常要進行負載合理匹配，即使負載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻。但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻會受到光照強度、環(huán)境溫度等多種因素的影響，是變化的[4]。因此，上述方法難以實現(xiàn)最大輸出功率點的跟蹤。

一般是在太陽能電池板和負載之間增加一個DC/DC變換器，實現(xiàn)太陽能電池負載的阻抗變換，通過改變DC/DC變換器中功率開關(guān)管的導通率調(diào)整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點，從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制[5]。常見的拓撲結(jié)構(gòu)有：Buck、Boost、Buck-Boost、Cúk型，筆者采用Cúk變換器，它同時具有升壓和降壓功能，Cúk變換器應用于太陽能路燈控制器中，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率點跟蹤，大大提高系統(tǒng)效率。

3.Cúk電路拓撲

3.1Cúk電路特點

Cúk型電路拓撲與前面三種電路拓撲相比，具有以下突出優(yōu)點。

3.1.1輸入、輸出電流連續(xù)，基本均為平穩(wěn)的直流，脈動很小，不需要加濾波器就可實現(xiàn)；

3.1.2同一電路可實現(xiàn)升壓和降壓，電壓變比理論上可實現(xiàn)0～∞間的調(diào)節(jié)。占空比在0～0.5之間時，電路實現(xiàn)降壓斬波；占空比在0.5～1之間時，電路實現(xiàn)升壓斬波。

3.1.3開關(guān)管一端接地簡化了驅(qū)動電路的設計。

因此，在一些文獻中，Cúk電路又被稱為最優(yōu)化的、應用價值極高的拓撲電路。

3.2Cúk型電路拓撲基本原理

3.2.1電路基本拓撲結(jié)構(gòu)

Cúk型拓撲又稱為Boost-Buck電路，是由前級的Boost電路和后級的Buck電路串聯(lián)構(gòu)成。經(jīng)變換后，實際電路由開關(guān)管負載R上的電壓仿真波形。圖5（b）的波形為占空比D=0.44時，負載R上的電壓仿真波形。由圖可知，不同輸入電壓情況下，調(diào)節(jié)占空比可實現(xiàn)升壓或降壓，以此穩(wěn)定輸出端的電壓，此種情況模擬的實際光伏系統(tǒng)充電的情況。仿真結(jié)果與理論計算數(shù)值相吻合，驗證了設計的正確性。

4.結(jié)語

筆者通過對Cúk電路的工作原理分析和理論推導，說明電路功能和基本特性。又通過具體工程案例對電路參數(shù)進行了計算和建模仿真，得出了理論和實踐相一致的結(jié)論，為Cuk PWM DC/DC變換器的實際應用打下了實踐基礎，該分析方法可推廣到其他類型電路拓撲的分析和實踐中，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]趙爭鳴，等.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[2]黃永安，等.Matlab7.0/Simulink建模仿真開發(fā)與高級工程應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]房偉.大功率LED照明系統(tǒng)的瓶頸與解決方案研究[D].廣州：華南理工大學，2011，5.

[4]王宇.智能型太陽能路燈控制的應用研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2010，12.

[5]劉宏達，等.Cúk拓撲的Simulink仿真模型[J].應用科技，2004（4）.

[6]林輝，等.Cúk斬波電路在MATLAB中的建模與仿真[J].電子技術(shù)，2015（2）.