光伏发电系统中双向DC-DC变换器参数设计
李梦桃;曹立学;李良井;罗俊
【摘 要】双向DC-DC变换器被广泛应用于光伏发电系统,为了提高变换器的性能,提出一种双向DC-DC变换器参数设计方法。分析了双向DC-DC变换器的工作原理,根据工作在升压模式时电感电流连续及负载电压纹波率的要求,同时兼顾工作在降压模式时电感电流纹波率要求,对变换器电感和电容参数进行了优化设计,最后在PSIM软件环境下对设计方法进行了仿真验证。结果表明,所提出的双向DC-DC变换器参数设计方法可行、有效。 【期刊名称】《陕西理工大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2017(033)006
【总页数】6页(P19-24)
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【关键词】双向DC-DC变换器;光伏发电系统;纹波率;参数设计
【作 者】李梦桃;曹立学;李良井;罗俊
【作者单位】陕西理工大学电气工程学院,陕西汉中723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西汉中723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西汉中723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西汉中723000;
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，人类需要越来越多的能量支撑。地球现存的石油、煤、天然气等传统能源的储量越来越少，但是太阳能、风能、潮汐能等新能源却是可再生、可重复循环利用的。我国新能源储量丰富，发展新能源发电符合可持续发展的战略选择，并且可以实现能源结构、保护环境、应对气候变化、转变经济发展方式等的调整[1]。太阳能光伏发电，可并网将所发电能输送至大电网，也可独立运行将所发电能提供给负载，同时储存于蓄电池或超级电容内以平衡电能产量不均等问题。 图1 蓄电池储能装置的独立光伏发电系统
在独立运行的光伏发电系统中，通常设置一个单向的直流变换器，将太阳能板发出的直流
电转换为在某一确定范围内波动的电压输送至直流母线。由直流母线直接向负载提供能量，与此同时，也向蓄电池充电以储存能量。在光照变弱等导致太阳能板发电不足的情况下，启动蓄电池向负载继续供电，达到削峰填谷的作用，维持负载稳定运行[2-4]。图1为带有蓄电池储能装置的独立光伏发电系统示意图[1,5]。
实验设计的严密性本文研究的是关于独立光伏发电系统中双向DC-DC变换器的问题。在电路拓扑的选择上有隔离型和非隔离型之分。隔离型最大的优点是低压侧和高压侧电压转换比大，容易实现软开关技术以及移相PWM技术，也可以满足不同功率需求[6]；非隔离型拓扑结构简单，能量转换直接、高效，系统的动态响应快[7]。本文选用适用于中小功率场合的非隔离型Buck/Boost双向DC-DC变换器，将直流母线输入看作电压源，经过变换器降压给蓄电池充电，再将蓄电池电压经变换器升压通过直流母线向负载供电。
1 双向DC-DC变换器的工作原理
图2 双向DC-DC变换器
图3 工作波形
本文所选双向DC-DC变换器拓扑为Buck/Boost结构，如图2所示，其最显著的特点是双管、双向。通过控制两个开关管的通断时间和顺序来控制能量流动的方向。直流母线作为电压源Ui可以直接给负载R供电，在太阳能板输出能量大于负载所需能量且蓄电池Uo电量未饱和的情况下，向蓄电池充电，直到充满为止。在受环境因素影响，太阳能板输出能量小于负载所需能量时，由控制器自动切换为蓄电池供电模式。
以下从单周期工作波形分析电路具体的工作情况[8]，工作波形如图3所示。本文按电感电流iL值的正负和单调性将整个周期划分为4个工作模态并分别进行介绍。
模态1(t0—t1)：VT1导通，VT2关断。t0时刻电感电流iL变为负值，实际方向与参考方向相反且持续增大，到t1时刻增到最大值。此时电路工作在降压模式，直流母线向蓄电池充电。
模态2(t1—t2)：VT1关断，VT2导通。t1时刻电感电流iL实际值由最大开始减小，到t2时刻降到0。这个时段电感L向负载释放能量，电路仍处于降压模式。
城市拆迁管理条例模态3(t2—t3)：VT1关断，VT2导通。t2时刻电感电流iL改变方向，开始正向增大，到t3时刻增到最大值。此时蓄电池向负载提供能量，电路转变为升压模式。
模态4(t3—t4)：VT1导通，VT2关断。t3时刻电感电流iL从最大值开始减小，到t4时刻减小至0。蓄电池和电感一起向负载提供能量，电路仍为升压工作模式。
以此为一个周期，重复循环工作。
2 双向DC-DC变换器的参数设计
直流母线向蓄电池充电时IGBT开关管VT2关断，VT1周期性导通，能量向左流动，电路降压工作，工作电路如图4(a)所示。此时可等效为Buck电路，由于Buck电路的本质安全性[6]，当蓄电池满充时变换器自动停止工作。蓄电池向负载供电时VT1关断，VT2周期性导通，此时能量向右流动，电路升压工作，工作电路如图4(b)所示，等效为Boost电路。电感L作为Buck模式和Boost模式的共用电感，电容C作为滤波元件，对其进行合理的参数设计是必要的。两种模式下，电感和电容的工作波形分别如图5(a)和图5(b)所示。
(a) Buck模式 (b) Boost模式图4 充电和放电模式等效电路图
(a) Buck模式电感电流波形 (b) Boost模式电感电流及电容电压波形图5 两种模式下电感电流及电容电压波形
2.1 电感参数选择
红统一图库 彩图2018
电感L作为Buck模式和Boost模式的共用电感，它的选取受到两种模式的共同约束。以下分别从两个模式讨论电感参数的设计。
2.1.1 Buck模式
Buck模式下，蓄电池作为负载可以等效为反电动势Eo串联等效内阻Rb[10]，且由电压源直接供电的负载不参与降压变换，故而简化后的电路拓扑如图4(a)所示。在蓄电池充电的过程中，由于蓄电池电压会越来越高，且在电压值达到上限值时停止充电。也就是说，降压变换终将进入到电感电流断续模式(DCM)。因此，仅从电感电流连续模式(CCM)进行讨论，不再涉及CCM和DCM的临界电感问题。
《机械设计》根据电感的伏秒平衡原理，在VT1导通和关断的两个状态下可得
(1)
式中d1为开关管VT1的导通占空比，Ts为开关管的周期。化简式(1)得
(2)
电感电流纹波
(3)
式(3)对ui求偏导得
；
(4)
式(3)对uo求偏导可知
(5)
文献代理
即当输入电压ui为最大并且蓄电池电压uo为其一半，即时，电感纹波电流可取得最大值。结合蓄电池充电电流纹波率不大于α的指标要求，也即
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