BFC直流變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉芳+劉玉友+符再興

摘 要： 光伏發(fā)電系統(tǒng)中輸出電壓隨光強(qiáng)變化波動(dòng)較大，為保證正常并網(wǎng)逆變，需要一種高增益的直流變換器將光伏輸出電壓提升到常規(guī)直流母線電壓。這里主要研究一種基于Boost拓?fù)?、Flyback拓?fù)涞纳龎悍醇な阶儞Q器（BFC）在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。BFC將Boost拓?fù)渑cFlyback拓?fù)漭斎氩⒙?lián)、輸出串聯(lián)，反激拓?fù)渲械某跫?jí)線圈電感同時(shí)作為Boost拓?fù)涞妮斎腚姼?，變壓器的漏感能量得到了利用。仿真結(jié)果表明，新型BFC直流變換器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，具有提高輸出電壓增益，減小電壓紋波，跟蹤效果更好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； BFC拓?fù)洌?高增益直流變換器； 漏感

中圖分類(lèi)號(hào)： TN624?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）16?0145?04

Application of boost?flyback DC converter in photovoltaic generation system

LIU Fang1， LIU Yuyou2， FU Zaixing1

（1. College of Information and Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology （Weihai Campus）， Weihai 264209， China；

2. Shandong Changdao Power Company， State Grid， Changdao 265800， China）

Abstract： The output voltage of photovoltaic power generation system changes with light intensity. In order to ensure normal grid?connected inversion， a high?gain DC/DC converter is needed to elevate the PV output voltage to normal level. The application of boost?flyback converter （BFC） based on boost topology and flyback topology in photovoltaic power generation systems is discussed. The BFC puts the inputs of boost topology and fly?back topology in parallel and puts the outputs of them in series. At the same time， the primary coil inductance of flyback topology is used as input inductance of boost topology， by which the leakage inductance of transformer is used fully. Simulation results show when BFC is applied to PV power generation system， BFC has the advantages of elevating the output voltage gain and reduce the voltage ripple， and has better tracking effect.

Keywords： photovoltaic generation； BFC topology； high?gain DC converter； leakage inductance

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源總消耗量日益增大。人們迫切需要尋找到一種可再生、儲(chǔ)量大、清潔方便的能源來(lái)支撐經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能成為熱門(mén)研究方向。

光電轉(zhuǎn)化是利用光伏電池將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，且和儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置和直流?交流轉(zhuǎn)換裝置相配合，構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。光伏電池輸出電壓大小隨光照強(qiáng)度變化波動(dòng)較大，最低可至20～30 V。為保證正常并網(wǎng)逆變需要，需要一種具有高增益的直流變換器將光伏電池輸出電壓提升至常規(guī)直流母線電壓。本文探究了一種基于Boost拓?fù)渑c反激拓?fù)渑浜系腂oost?Flyback Convertor （BFC） 的工作原理以及在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。BFC將Boost拓?fù)渑cFlyback拓?fù)漭斎氩⒙?lián)、輸出串聯(lián)，并采用交錯(cuò)導(dǎo)通技術(shù)。其中反激拓?fù)渲械某跫?jí)線圈電感同時(shí)作為Boost拓?fù)涞妮斎腚姼校儔浩鞯穆└心芰康玫搅死?，減小了漏感損耗，提高了變換器的轉(zhuǎn)換效率。

1 Boost?Flyback變換器結(jié)構(gòu)及分析

1.1 Boost?Flyback變換器工作原理

Boost電路和Flyback 電路的輸入結(jié)構(gòu)相似，將兩個(gè)拓?fù)涞摹拜斎氩?，輸出串”，就組成了新型的BFC（Boost?Flyback Converter） 拓?fù)鋄2]，如圖1 所示。變壓器的激磁電感和漏感分別為L(zhǎng)M和LK，初級(jí)線圈電感為L(zhǎng)P=LM+LK，變壓器原邊線圈匝數(shù)為Nx，變壓器副邊線圈的匝數(shù)為Ny，且Nx∶Ny=n。反激變換器的輸出二極管對(duì)應(yīng)BFC中的D1，與此類(lèi)似Boost變換器的輸出二極管對(duì)應(yīng)DC1 。同時(shí)這里提高輸出電壓增益也可以通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器匝比和占空比實(shí)現(xiàn)。

圖1 Boost?Flyback變換器示意圖

其工作過(guò)程可簡(jiǎn)單分析如下：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)初級(jí)線圈和開(kāi)關(guān)管組成回路，電感LP起到儲(chǔ)能作用，同時(shí)給開(kāi)關(guān)管寄生電容CDS充電。二極管D1因次級(jí)線圈電壓相位而處于反相截止?fàn)顟B(tài)，DC1處也沒(méi)有電流通過(guò)，電路通過(guò)2個(gè)輸出級(jí)電容向負(fù)載提供能量；開(kāi)關(guān)管S閉合時(shí)，通過(guò)次級(jí)線圈向負(fù)載供能。同時(shí)，Uin和初級(jí)線圈共同向電容CC和負(fù)載提供能量，其工作過(guò)程與Boost 電路類(lèi)似。在該過(guò)程中，初級(jí)線圈的漏感部分LK中貯存的能量也通過(guò)DC1 傳輸?shù)截?fù)載側(cè)，也就是說(shuō)Boost 電路不僅具有升壓功能，同時(shí)也能吸收高頻變壓器中漏感儲(chǔ)存的能量，將漏感損耗能量傳輸?shù)截?fù)載側(cè)，提高了變換效率；當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，DC1導(dǎo)通，形成UI?線圈?DC1?CC回路，開(kāi)關(guān)管電壓被變壓器和電容CC鉗位，避免了因出現(xiàn)嚴(yán)重的關(guān)斷尖峰電壓而燒壞開(kāi)關(guān)管的情況。采用BFC新型輸入輸出結(jié)構(gòu)既大幅度提高電壓增益，同時(shí)減小了輸出電容的電壓應(yīng)力。

1.2 電壓增益分析

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，負(fù)載由激磁電感LM（Flyback等效）和漏電感LK（Boost等效）供能。其中：UB為Boost變換器輸出電壓，UF=UC1+[UC1n]為反激變換器的輸出電壓。研究可得，對(duì)于BFC“輸入并，輸出串”時(shí)的電壓增益為：

[UOUI=UF+UBUI=k1+LKLM+1k] （1）

式中k為雙路輸出的電壓增益。

由式（1）可知，對(duì)比單一的Boost變換器或反激變換器，新型逆變器的輸出電壓大幅度增加，漏感和激磁電感的比值對(duì)輸出電壓提高幅度有很大影響，漏感與輸出電壓幅值成正比，就是說(shuō)新型BFC變換器，利用變壓器的漏感來(lái)提高了電壓增益，同時(shí)解決了反激變換器的漏感問(wèn)題，一舉兩得。由此可見(jiàn)，原邊開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力一定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率；漏感另一作用是對(duì)二極管電流的變化起到限制作用，增強(qiáng)系統(tǒng)

的電磁兼容性。

2 光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]等效電路建立Matlab/Simulink模型，如圖2所示。

圖2 光伏組件仿真模型

為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，這里選擇電導(dǎo)增量法[4]，根據(jù)文獻(xiàn)[3] 提供的P?V曲線可知，在最大功率點(diǎn)處存在dP/dV=0，分析可知在最大功率點(diǎn)處有下式成立[5?8]：

[dIdV=-IV] （2）

故可利用式（2）來(lái)判定光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)。

在U?I曲線上未達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)存在關(guān)系：

[dIdV>-IV] （3）

在U?I曲線上超過(guò)最大功率點(diǎn)時(shí)存在關(guān)系：

[dIdV<-IV] （4）

光伏組件電壓可利用式（4）進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

相應(yīng)的控制流程如圖3所示。

圖3 電導(dǎo)增量法流程圖

電導(dǎo)增量法的數(shù)學(xué)依據(jù)是在最大功率點(diǎn)處功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為0。P?V曲線為單峰值曲線，從原理上來(lái)分析，用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)屬于無(wú)差跟蹤，跟蹤效果比較理想[9?10]。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果

圖4所示為電導(dǎo)增量法用于新型Boost?Flyback變換器的單路MPPT控制模型，在t=0.1 s的時(shí)刻施加光強(qiáng)和溫度的擾動(dòng)，圖5，圖6為仿真結(jié)果。

圖4 新型BFC單路MPPT控制模型

圖5 光伏電池輸出功率

圖6 輸出電壓波形

3.1 BFC與Boost拓?fù)涞腗PPT比較

圖7所示為電導(dǎo)增量法用于Boost變換器的MPPT控制模型，在t=0.05 s的時(shí)刻施加光強(qiáng)和溫度的擾動(dòng)，圖8，圖9為仿真結(jié)果。由單路BFC和傳統(tǒng)Boost仿真結(jié)果對(duì)比可知，將電導(dǎo)增量法應(yīng)用于新型BFC拓?fù)渖蠒r(shí)，相對(duì)比傳統(tǒng)的Boost能夠平穩(wěn)、快速地跟蹤光伏電池的最大功率，輸出電壓值更穩(wěn)定。

圖7 Boost變換器MPPT控制模型

圖8 光伏電池輸出功率

圖9 輸出電壓波形

3.2 交錯(cuò)導(dǎo)通的BFC的MPPT仿真

為了使BFC的高增益高效率的特點(diǎn)更加明顯，這里進(jìn)一步采用了交錯(cuò)導(dǎo)通的BFC模型來(lái)驗(yàn)證。圖10所示為電導(dǎo)增量法用于交錯(cuò)Boost?Flyback變換器的MPPT控制模型，拓?fù)渲械钠骷?shù)保持不變，在t=0.07 s的時(shí)刻施加光強(qiáng)和溫度的擾動(dòng)，圖11，圖12為仿真結(jié)果。比較傳統(tǒng)Boost變換器的MPPT控制波形與交錯(cuò)的BFC變換器的MPPT控制波形，清楚看到：BFC的跟蹤速度相較于傳統(tǒng)Boost更快，超調(diào)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)Boost變換器；交錯(cuò)BFC的跟蹤波形為一條平滑的曲線，紋波較小。而B(niǎo)oost變換器的波形則存在一定大小的紋波，輸出電能質(zhì)量也不及交錯(cuò)的BFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交錯(cuò)BFC的仿真結(jié)果要明顯優(yōu)于單路的BFC。

圖10 交錯(cuò)BFC的MPPT控制模型

圖11 光伏電池輸出功率

圖12 輸出電壓波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要工作是研究了具有高增益高效率特點(diǎn)的新型BFC變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)此進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。由于BFC變換器具有提高光伏輸出電壓、減小電壓紋波以及提高變換器的轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的Boost變換器，BFC直流變換器應(yīng)用于光伏發(fā)電時(shí)，最大功率點(diǎn)跟蹤速度更快，跟蹤過(guò)程更為平滑，超調(diào)小于Boost變換器，輸出波形穩(wěn)定后的跟蹤波形也更穩(wěn)定、波動(dòng)小。

參考文獻(xiàn)

[1] 董妍.新型反激式光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 古俊銀，吳紅飛.高效率高增益Boost?Flyback直流變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（24）：40?45.

[3] XI Youhao， JAIN Praveen K. Zero voltage switching flyback converter topology [C]// ESC Record?IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference. [S.l.]： IEEE， 1997： 311?313.

[4] 劉翼.基于Simulink的光伏電池組件建模和MPPT仿真研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（18）：94?97.

[5] 徐鵬威，劉飛，劉邦銀，等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)[J].電力電子技術(shù)，2007，41（5）：3?5.

[6] HOYO J. Study of an AC?AC flyback converter operating in DCM [C]// PESC Record?IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference， [S.l.]： IEEE， 2003， 2： 683?688.

[7] LI Quan， WOLFS P. A current fed two?inductor boost converter with an integrated magnetic structure and passive lossless snubbers for photovoltaic module integrated converter applications[J]. IEEE Transaction on Power Electronics， 2007， 22（1）： 309?321.

[8] 孔力.太陽(yáng)能光伏發(fā)電[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[9] 郭爽，王豐貴.實(shí)用光伏電池建模及MPPT 算法仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（8）：148?150.

[10] 錢(qián)嘉怡，朱東柏，王梓.光伏系統(tǒng) MPPT 控制方法研究[J].價(jià)值工程，2011，30（10）：157?158.endprint