基于双输入Boost变换器的拓扑分析和光伏MPPT控制研究

苏振华 李铮 吴天龙 刘胜涛 吴量 徐江 周述晗

(1．国机重型装备集团股份有限公司,四川 德阳 618000;2．中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710018;3．四川大学,四川 成都 610065;4．洛阳轴研科技有限公司,河南 洛阳 471003)

双输入变换器是一种能够接受两个输入信号并产生相应输出信号的电子设备。双输入变换器提供了在一个系统中同时处理多个输入信号的能力,可以实现对多个信号的并行处理和混合处理。在能源管理和功率转换领域,双输入变换器可以实现多种电源的并联和并行连接,提高能量的利用率和可靠性,因此受到了越来越多人的关注[1-2]。在新能源联合发电系统中,通常含有多个不同性质的能源同时向负载提供能量,包括新能源和可提供稳定电能的后备能源。在保证输出电压及功率稳定的前提下,为了使得新能源的利用率达到最大化,通常需要制定相应的能量管理策略[3-5],将可再生能源联合发电系统和MPPT控制技术正成为当前研究热点之一。

1.1 工作原理

双输入Boost变换器的拓扑结构,如图1所示,假设变换器的两个输入源分别为1#、2#,其中Vin1和Vin2分别是1#,2#输入源电压,Q1、Q2、Q3为开关管,其中,设置Q1、Q2为互补导通,且Q1、Q2占空比都小于1,D1、D2为续流二极管,L为输出滤波电容,RL是负载电阻,V0为负载输出电压。

图1 双输入单输出Boost变换器Figure 1 Boost converter with dual input and single output

根据开关管的工作状态,变换器存在以下3种开关模态,其等效电路如图2(a)～(c)所示,一个开关周期Ts内的主要波形如图2(d)所示,其中D1、D3分别为开关管Q1、Q2的导通占空比。

(a)模态Ⅰ

(b)模态Ⅱ

(c)模态Ⅲ

工作模态Ⅰ:如图2(a)所示,0～t0时刻,Q1、Q3导通,Q2关断。电源1#对电感L充电,电感电流iL线性增加。负载能量由电容C提供。

工作模态Ⅱ:如图2(b)所示,t0～t1时刻,Q2、Q3导通,Q1关断。电源2#对电感L充电,电感电流iL线性增加。负载能量由电容C提供。

工作模态Ⅲ:如图2(c)所示,t1～t2时刻,Q1、Q3关断,Q2导通。电感电流iL线性减小,2#输入源与电感L一起向电容C和负载释放能量。

由以上关于双输入Boost变换器的模态分析,可以这样来理解双输入Boost变换器。当1#源单独向负载供电时,Q2关断,D2始终导通,Vin1、Q1、D1、L、C、R组成回路,如图2(a)中模态Ⅰ中电路所示,相当于一个Boost变换器;因为Q1、Q2取反,所以Q2导通时,Q1关断,相当于2#源单独向负载供电,D1始终导通,Vin2、Q2、D2、L、C、R也相当于一个Boost变换器。经过以上分析可知,输入源1#与输入源2#在一个周期内分时向负载供电。

此时,我们可假设图1中双输入Boost变换器A、B两点间的电压为两输入源的等效为一个输入源,相当于一个单输入Boost变换器,该输入源电压为VAB,如图3所示。

图3 等效后Boost变换器Figure 3 Equivalent boost converter

由此可知:

VAB=Vin1D1+Vin2D2

(1)

两个输入源的输入电流分别为:

Iin1=D1IL

(2)

Iin2=D2IL

(3)

式中,IL为电感电流的稳态值。

根据图3中单输入Boost变换器,可分析得到输出电压表达式。根据电感电流是否连续,我们可分为电感电流连续导电模式以及电感电流断续模式来进行讨论。

1.2 电感电流连续导电模式下Boost变换器分析

电感电流连续时,电感两端电压在一个开关周期内的平均值VL为:

VL=VABD3-(V0-VAB)(1-D3)

(4)

令VL=0,有:

(5)

由公式(5)可计算得电感电流连续模式下输出电压的大小。

1.3 电感电流断续导电模式下Boost变换器分析

电感电流断续时,设开关Q3断开后电感的续流时间为aTs,其中0≤a≤1-D3,一个开关周期内,电感电压平均值VL为:

VABD3Ts=(V0-VAB)aTs

(6)

如图2(d)中,电感电流峰值为:

(7)

一个开关周期内,二极管D3的电流平均值:

(8)

而负载电流:

(9)

稳态条件下,一个开关周期内电容C的平均电流为零,故二极管电流在一个开关周期内的平均值等于负载电流,即:

(10)

由式(6)解出a,并与式(7)一起代入式(10),得

(11)

整理得:

(12)

(13)

解方程,并略去负根号,得:

(14)

由公式(14)可计算得电感电流断续模式下输出电压的大小。

上一节将光伏电池定义为输入源1#,蓄电池定义为2#,其中设1#源能够提供的最大功率为P1max,负载所需功率为P0。根据能量管理策略,双输入Boost变换器存在以下两种工作模式。

工作模式Ⅰ:当P1max

工作模式Ⅱ:当P1max>P0时,2#源退出工作,由1#源单独向负载供电,相当于只存在1#输入源的单输入变换器。此时其输入功率由负载决定。

2.1 工作模式Ⅰ下电荷型控制

电荷型控制是根据电流型控制而提出的一种改进型的控制方法,其主要的优点在于可以十分有效地控制电感或者开关管电流的平均值[6]。本设计利用电荷型控制方法来实现对于基于能量管理策略下,工作在工作模式Ⅰ中的双输入Boost变换器中开关管Q1的控制。

利用电荷型控制电路对双输入Boost变换器进行控制的原理图如图4(a)所示,主要波形如图4(b)所示。

(a)电荷型控制原理图

(b)主要波形图4 双输入Boost变换器的电荷型控制Figure 4 Charge mode control of dual input boost converter

在每个周期开始时刻,时钟信号产生高电平使锁存器置位,开关控制信号Up为高电平,Q2接入开关控制信号Up的取反信号,输出低电平,Q2关断,而开关管Q1导通,流过电感的电流由初始值线性,电感电流接入电容CT,并开始为电容充电。当Us等于控制电压Uc时,比较器翻转输出高电平,RS得到比较器输出低电平,RS翻转,开关控制信号Up控制Q1关断,Q2导通,同时使得开关ST复位,电容CT中的电量释放。由于此变换器工作于DCM模式下,所以在一个开关周期Ts之前,电感电流为0,直至下一个周期开始。

2.2 工作模式Ⅰ下的峰值电流控制

峰值电流控制对变换器的输出电压的响应速度较快,并且相比于电压型PWM控制,该控制方式同时引入输出电压及电感电流两个变量作为反馈信号,提高了变换器对输出电压变换器的响应速度[7]。因此,本课题利用峰值电流控制器来实现工作模式Ⅰ下对开关管Q3的控制。

利用峰值电流控制电路对双输入Boost变换器进行控制的原理图如图5(a)所示,主要波形如图5(b)所示。其中误差放大器相当于一个PI调节器,将40 V电压与V0的差值送入PI调节器可得到参考电压信号Uc。

(a)峰值电流型控制框图

(b)主要波形图5 工作模式Ⅰ下峰值电流型控制Figure 5 Peak current mode control in working mode I

在每个周期开始时刻,时钟信号产生高电平使锁存器置位,开关控制信号Up为高电平,Q3接入开关控制信号Up,开关管Q3导通,流过电感的电流由初始值线性,当电感电流iL流入线性电阻Rs,产生电压Us。当Us等于控制电压Uc时,比较器翻转输出高电平,RS得到比较器输出低电平,RS翻转,开关控制信号Up控制Q3关断。直至下一个时钟周期到来。

2.3 工作模式Ⅰ仿真结果

工作模式Ⅰ下Boost变换器PSIM仿真波形如图6所示。电荷型控制器及峰值电流型控制器分别实现了对开关管Q1、Q2,Q3的控制。电感电流断续,电感工作于DCM模式下。输出电压平均值维持在40 V左右,误差约为±0.2 V,仿真结果设计符合要求。

图6 工作模式Ⅰ下PSIM仿真波形图Figure 6 PSIM simulation waveform under working mode I

在工作模式Ⅱ下,Q1导通,Q2关断,双输入Boost变换器相当于一个单输入Boost变换器。开关管Q3的导通与关断由峰值电流控制器控制,工作模式Ⅱ下峰值电流控制的控制原理与工作模式I下峰值电流控制方式类似,这里不再作介绍。

上一节中介绍了工作模式Ⅰ下的控制电路,其中对输入端开关管采用的是电荷型控制。在实际情况下,太阳能光伏电池随着外部环境不断发生变化,其最大功率点在不断发生变化,而在工作模式Ⅰ下,需要太阳能光伏电池尽可能地输出最大功率,电荷型控制无法满足跟踪最大功率点的要求。

比较常用的MPPT控制算法[8]有恒定电压法(CVT)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)。本文采用扰动观察法来搭建MPPT模型,该方法原理较简单,被测参数较少,较易实现。

根据图7所示流程图,我们可以分析输出电压其它扰动情况。在任意时刻采集光伏电池输出端的电压UK-1及电流IK-1,在间隔一个开关导通周期后采集光伏电池输出端电压UK及电流IK。假设计算得到两个时刻的输出功率分别为PK-1以及PK。比较PK与PK-1值的大小,以及UK与UK-1的大小,若PK大于PK-1,且UK大于UK-1,由光伏电池的伏瓦特性可知,UK小于最大功率点处电压,所以需要增大输出电压使得光伏电池工作点接近于MPP;若UK小于UK-1,则可知UK大于最大功率点处电压,需要减小输出电压。

图7 扰动观察法控制流程图Figure 7 Control flow chart of disturbance observation method

当外界环境发生改变时,太阳能光伏电池的输出功率也发生改变。其中Pmax表示的是在理想条件下,太阳能光伏电池在给定光照强度及温度下的最大输出功率;Pi表示的太阳能光伏电池实际输出功率。当温度为25℃,光照强度由1000 W/m2变化到600 W/m2时,Pmax及Pi的波形如图8所示,Pi经过了一段时间的调整后实现了对Pmax的跟踪。当光照强度为1000 W/m2时,温度由25℃变化到15℃时,Pmax及Pi的波形如图9所示。

图8 温度25℃,光照由1000 W/m2变化到600 W/m2时PSIM仿真波形Figure 8 PSIM simulation waveform at temperature 25℃ and illumination change from 1000 W/m2 to 600 W/m2

图9 光照1000 W/m2,温度由25℃变化到15℃时PSIM仿真波形Figure 9 PSIM simulation waveform when the illumination is 1000 W/m2 and the temperature changes from 25℃ to 15℃

由图8及图9的仿真波形,我们可以得知MPPT控制算法成功实现了最大功率点的跟踪,并且峰值电流控制器通过控制Q3的导通与关断,实现了对输出电压的控制。

本文设计了一种含MPPT控制的双输入DC-DC变换器,首先深入分析双输入Boost变换器的拓扑结构和工作原理,对电荷型控制、峰值电流型控制的控制原理进行深入详细的阐述,并进一步构建基于扰动观察法的双输入Boost变换器MPPT控制能量管理模型。最后通过仿真,验证了所建模型原理的正确性。

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