光伏系統(tǒng)應用的自適應 多相變換器

1引言

設計光伏變換器時必須考慮PV電源的獨特特性，諸如它的間斷性，尤其是它的可變性。太陽能陣列能量的產(chǎn)出是不穩(wěn)定的，它隨著陽光的照射和溫度的改變而改變。這些變化直接取決于一年中的季節(jié)，一天中的時間和天氣。

經(jīng)典的變換器效率以在給定輸入功率（額定功率，Pnom）時的最大效率（ηMAX）來表示。當輸入功率低于或者高于此功率值時變換器的效率將減少。在許多功率管理設施中，變換器是基于最大效率時的固定工作點（額定功率）而設計的，具有最高的效率。然而，在許多光伏系統(tǒng)中，連續(xù)功率產(chǎn)生時其效率是變化的。所以，不能固定一個工作點。

本文提出的自適應多相變換器將能解決此問題。這是受眾所周知的高功率應用的啟發(fā)：并聯(lián)開關變換器。這種連接方式在DC-DC變換器之間可均勻分配功率，并且，相對于單獨的高功率變換器還有很多優(yōu)點，諸如可提高功率處理容量和可靠性。

2變換器并聯(lián)的分析

在高功率應用中開關變換器的并聯(lián)是眾所周知的有效技術。這種連接方式在DC-DC變換器之間分配均勻的總功率，并相對于單個的高功率變換器有很多優(yōu)點。由于應力分配均勻，容錯得到了保證[2][3]，并聯(lián)方式確實提高了功率處理容量并提高了可靠性。當輸入電流在變換器之間分配均勻后應力就均勻。文獻[4],[5]提供了幾種不同復雜性和性能的電流分配方法。

本文用圖1所示的boost變換器作為分析的系統(tǒng)。boost變換器是一種沒有變壓器的升壓DC-DC變換器，并且具有結構簡單和控制簡單的特征。此外，由于它本身的結構簡單元件很少，它能實現(xiàn)很高的效率并適用于光伏系統(tǒng)。

圖1  Boost變換器

在功率變換器中，損耗主要由開關單元產(chǎn)生，但是其他元件也能產(chǎn)生的功耗也不能忽略。

文獻[6]進行了buck變換器的損耗分析。這種損耗計算方法也適用于boost變換器。按照文獻[6]中的步驟計算之后的結論是：boost變換器和buck變換器一樣，損耗由負載或輸入光伏電流決定。其關系式可以用一個二階等式（2）表達：

PTOTAL=ai2PV+biPV+c          （2）

其中 a=PLDC+PON；              （3）

;                （4）

c= PLac+PQg+PGds          （5）

在等式（2）中，不同元件的損耗表示如下：PLac和PLac分別代表電感的直流和交流損耗；PON，Psw，PQg和PGds分別代表Mosfet門，充電結電容，傳導和開關損耗； 是二極管的傳導損耗，PCTRL代表起動和捕獲電源的損耗。

對于多相變換器，假定在各相之間電流平均分配，那么通過每相的電流為1/n（其中n是相數(shù)）。然而功率變換器數(shù)量的增加涉及系統(tǒng)的損耗乘以相數(shù)（n）。這樣對于一個多相變換器等式（2）被改寫為：

 →（6）

對等式（2）和（6）的一種簡單的分析表明在低功率的情況下，當 趨近于0的時候，對于單相變換器損耗將趨近于c相反多相變換器損耗將趨近于nc。因為nc>c則對于單相變換器在低功率時損耗小，結論是只有單相工作的時候更有意思。

對高功率的損耗估算分析時，通過計算損耗等式的導數(shù)，可發(fā)現(xiàn)單個變換器損耗提升的速度要快于多相變換器。等式（7）和（8）可以證明

單個變換器        （7）

多相變換器         （8）

單相變換器的損耗變化斜率要大于同等情況下多相變換器的損耗變化斜率。

      （9）

此數(shù)學損耗分析表明，即使在低功率情況下單個變換器的損耗小，它的損耗增加的速度會快于n相變換器。因此，在高功率情況下將更有效和更可貴。

因此，這種控制相數(shù)的自適應技術將能實現(xiàn)，此時變換器各瞬間都工作在最高的效率點上，從而提高了系統(tǒng)的總效率。

3有源變換器數(shù)量的自適應

AMPC是由n個變換器并行聯(lián)接設計成的，如圖2所示，其中n被應用中的光伏電源電平所限定。AMPC整合了一個控制定律，即有源變換器自適應的數(shù)量受盡可能都達到最高效率的各瞬間的光伏功率的產(chǎn)出來決定。AMPC的這種工作原理是并聯(lián)n個變換器構成的，如圖3所示。在低功率工作的情況下，只有一相運行。當PV功率變高時，第二相將被運行。隨著功率的增加，運行的相數(shù)也將增加。功率減少時，不被運行的相數(shù)也同樣遞減。

圖2 由n個并行聯(lián)接的功率變換器實現(xiàn)的光伏轉(zhuǎn)化鏈

圖3 自適應多相變換器（AMPC）的工作原理

圖4是對n個變換器示出的變換器自適應定律的算法。這種算法將控制各瞬間的光伏功率，同時對對應該瞬間的功率電平將調(diào)整相關的變換器數(shù)量。

不同的功率電平（P1，P2，P3…Pn）對應AMPC不同工作模式的效率特性曲線之間的相交點，如圖5所示。并且這些功率電平就是AMPC改變配置模式時的功率電平。

圖4 變換器運作數(shù)量的算法

圖5 在不同配置下AMPC的轉(zhuǎn)換效率

圖6為三個DC-DC的boost變換器的演示器。為了驗證該演示器的運作，實驗中運用了一個90Wc的PV模塊。針對該應用，如圖5已經(jīng)驗證的，為得到最高的效率值只需要AMPC的2相。

此外，由于PV電源的非線性特性，這個系統(tǒng)將集成一個最大功率點跟蹤（MPPT）的控制。這種控制將始終跟著面板上的最大功率點（MPP）。關于MMPT控制已有許多研究和開發(fā)了多種控制種類 [7],[8]。本系統(tǒng)采用了一種基于擾動和觀察（Perturb&Observe）原理的已被我們實驗室改進了的MPPT控制，并且已經(jīng)用數(shù)字的方法實現(xiàn)了。

圖6 AMPC的樣機

4實驗測試

為了對比傳統(tǒng)的結構和本文提出的AMPC系統(tǒng)的性能，設計了一套室內(nèi)的設備。用Agilent Technoligies的AG E4360A太陽仿真器仿真了90W PV陣列的電氣特性并用它向兩套結構提供相同的PV能量。一天的太陽能功率的產(chǎn)出等效于仿真器給兩套設備的1.5小時的能量。我們將能量傳給負載并測量這時的變換器效率[10]。結果如圖7和表1所示。這個實驗驗證了AMPC結構在功率轉(zhuǎn)換效率上有1.5%的增益。

表1 數(shù)據(jù)的綜合

a）傳統(tǒng)的變換器（1相）

b）自適應多相變換器（2相）

圖7 實驗結果

5結論

本文提出了一個光伏系統(tǒng)應用的自適應多相變換器（AMPC）。它由三個并聯(lián)的變換器組成。工作的變換器的數(shù)量由各瞬間的功率決定。通過分析損耗驗證了分析自適應相數(shù)的意義。最后，在一個仿真的晴天，實驗結果驗證了本設計的結構相比于傳統(tǒng)的結構有1.5%的效率提高。不過，還未在陰天中驗證。

參考文獻

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