0 引言

    光伏、風(fēng)力、燃料電池等新能源具有清潔、無(wú)污染、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)與利用已成為緩解全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑^[1]。

    然而單一的新能源發(fā)電系統(tǒng)容易受到地理環(huán)境、氣候等因素影響，存在供電不連續(xù)、穩(wěn)定性較差等缺陷，為提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性，需要采用多種新能源聯(lián)合供電的分布式發(fā)電系統(tǒng)^[2-3]。

    傳統(tǒng)的新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等新能源發(fā)電設(shè)備分別通過(guò)一個(gè)單輸入直流變換器進(jìn)行功率變換，并將各路直流變換器輸出端串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成公共的直流母線，再級(jí)聯(lián)一個(gè)Buck型逆變器向交流負(fù)載供電或并網(wǎng)發(fā)電^[4-5]。文獻(xiàn)[5]提出了一種具有兩級(jí)功率變換的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，由兩個(gè)Buck/Buck-Boost直流變換電路與一個(gè)Buck型逆變電路兩級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了多輸入源最大功率并網(wǎng)，但每一路輸入源都需要單獨(dú)控制、電路拓?fù)鋸?fù)雜、體積龐大、成本較高，其實(shí)用性受到很大程度的限制。

    為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低體積重量和成本，有必要將多個(gè)單輸入直流變換器集成一體化^[6-9]。文獻(xiàn)[7]論述了一種Buck/Boost/Buck-Boost多輸入直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)，多輸入源以斬波形式串聯(lián)連接，該直流變換器具有多輸入源可同時(shí)供電、占空比調(diào)節(jié)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)，但續(xù)流回路存在多個(gè)二極管，不易擴(kuò)展。文獻(xiàn)[8]論述了一種兩級(jí)多繞組Buck直流變換器型分布式發(fā)電系統(tǒng)，其中，多繞組Buck型直流變換器中的多輸入源通過(guò)多個(gè)全橋Buck逆變單元與一個(gè)多繞組高頻變壓器連接，該分布式發(fā)電系統(tǒng)具有輸入輸出間及多輸入源間高頻隔離、占空比調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率器件多、控制復(fù)雜。

    本文提出了一種分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、功率器件電壓應(yīng)力低、控制簡(jiǎn)單、集成度高、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。分析研究了其最大功率輸出能量管理控制策略和穩(wěn)態(tài)原理特性，最后通過(guò)3 kW的樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的正確性和可行性。

1 電路拓?fù)?/strong>

    分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器電路拓?fù)?，是由兩個(gè)并聯(lián)分時(shí)選擇支路和一個(gè)Buck型直流變換器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示。其中，每個(gè)并聯(lián)分時(shí)選擇支路是由并聯(lián)選擇開(kāi)關(guān)S_s1（S_s2）和反向阻斷二極管D_s1（D_s2）串聯(lián)構(gòu)成的。

    分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器將兩路不穩(wěn)定的輸入源電壓U_i1、U_i2變換成正弦雙半波電壓u_L(電流i_L)，具有如下特點(diǎn)：(1)兩輸入源共同使用一個(gè)Buck型直流變換器，電路拓?fù)浜?jiǎn)潔，屬于單級(jí)功率變換；(2)雙輸入選擇開(kāi)關(guān)在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分時(shí)工作，兩輸入源分時(shí)向負(fù)載供電，功率開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力低；(3)負(fù)載與輸入源之間高頻電氣隔離，電壓匹配能力強(qiáng)；(4)通過(guò)控制選擇開(kāi)關(guān)S_s1、S_s2的占空比可以實(shí)現(xiàn)雙輸入源輸出功率的調(diào)節(jié)和雙輸入源的優(yōu)先或充分利用。

2 能量管理控制策略

2.1 最大功率輸出能量管理控制策略

    為了充分利用兩路新能源，分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入DC-DC變換器采用最大功率輸出能量管理SPWM控制策略^[9-10]，如圖2所示。其中，u_{gs_Ss1}、u_{gs_Ss2}和u_{gs_S1-4}分別為并聯(lián)選擇開(kāi)關(guān)S_s1、S_s2及高頻逆變開(kāi)關(guān)S_1-4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

    該能量管理SPWM控制策略是間接地通過(guò)對(duì)正弦雙半波負(fù)載電流瞬時(shí)值和兩輸入源輸出功率之比的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩輸入源的最大功率輸出，主要包括對(duì)兩路輸入源的MPPT控制和負(fù)載電流的正弦雙半波控制。工作過(guò)程如下：(1)分別采樣兩路輸入源的電壓和電流，經(jīng)MPPT控制算法后得到的輸出值作為電壓外環(huán)的參考信號(hào)U_i1*和U_i2*，參考信號(hào)與采樣信號(hào)經(jīng)PI運(yùn)算后再與正弦基準(zhǔn)信號(hào)一起送入乘法器，其輸出分別作為電感電流的給定。圖中的i_L1和i_L2分別為兩輸入源根據(jù)能量管理得到各自需要提供給負(fù)載的功率后，在同一個(gè)電感電流上體現(xiàn)出來(lái)的兩個(gè)分量。(2)電感電流反饋值與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較及PI運(yùn)算后得到兩路誤差信號(hào)，定義第一路誤差信號(hào)為i_e1，兩路誤差信號(hào)之和為i_e2，再分別將i_e1與i_e2經(jīng)絕對(duì)值電路后與鋸齒波u_c交截，所產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)u_k1和u_k2經(jīng)邏輯組合電路后得到選擇開(kāi)關(guān)管S_s1和S_s2對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，載波二分頻信號(hào)分別和u_k2經(jīng)邏輯與得到逆變橋四個(gè)開(kāi)關(guān)管S₁~S₄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.2 雙模式MPPT控制算法

    為了能同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和控制精度高的要求，本文采用開(kāi)路電壓法和擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的雙模式MPPT算法實(shí)現(xiàn)光伏電池MPPT控制^[11-12]，如圖3所示。

    系統(tǒng)啟動(dòng)前，檢測(cè)光伏電池的開(kāi)路電壓，光伏電池最大功率點(diǎn)的參考值取為0.8倍開(kāi)路電壓值，提高系統(tǒng)跟蹤速度。此后，在擾動(dòng)觀察法的作用下，實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓電流參數(shù)，最終使光伏陣列逐漸穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。雙模式MPPT算法具有跟蹤速度快、控制精度高等特點(diǎn)，兼具開(kāi)路電壓法和擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)光伏電池MPPT控制。

3 穩(wěn)態(tài)原理特性分析

    分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入DC-DC變換器在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)選擇開(kāi)關(guān)S_s1和S_s2分時(shí)導(dǎo)通，兩路輸入源依次供電，共有5種工作模態(tài)，如圖4所示。

    工作模態(tài)1：選擇開(kāi)關(guān)S_s1和阻斷二極管D_s1導(dǎo)通，S_s2和D_s2截止，高頻逆變開(kāi)關(guān)S₁和S₄導(dǎo)通，輸入源U_i1通過(guò)U_i1-S_s1-D_s1-S₁-N₁-S₄回路流通，高頻變壓器一次繞組電壓為上正下負(fù)，為+1態(tài)，副邊繞組通過(guò)N₂-D₁-L_f-u_L-D₄回路向負(fù)載供電，電感電流i_Lf以(U_i1N₂/N₁-U_L)/L_f的斜率上升。

    工作模態(tài)2：選擇開(kāi)關(guān)S_s1和阻斷二極管D_s1截止，S_s2和D_s2導(dǎo)通，高頻逆變開(kāi)關(guān)S₁和S₄導(dǎo)通，輸入源U_i2經(jīng)U_i2-S_s2-D_s2-S₁-N₁-S₄回路將輸入電壓加在高頻變壓器原邊繞組兩端，其電壓上正下負(fù)，為+1態(tài)，副邊繞組通過(guò)N₂-D₁-L_f-u_g-D₄回路向負(fù)載供電，電感電流i_Lf以(U_i2N₂/N₁-U_L)/L_f的斜率上升。

    工作模態(tài)3：選擇開(kāi)關(guān)S_s1、S_s2均截止，副邊整流二極管D₁、D₂、D₃、D₄均處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感電流i_Lf通過(guò)整流二極管構(gòu)成續(xù)流回路，電感電流以-U_L/L_f的斜率減小。

    工作模態(tài)4：選擇開(kāi)關(guān)S_s1和阻斷二極管D_s1導(dǎo)通，S_s2和D_s2截止，高頻逆變開(kāi)關(guān)S₂和S₃導(dǎo)通，輸入源U_i1通過(guò)U_i1-S_s1-D_s1-S₂-N₂-S₃構(gòu)成的回路將輸入電壓加在高頻變壓器原邊繞組兩端，其電壓上負(fù)下正，為-1態(tài)，副邊繞組通過(guò)N₂-D₂-L_f-u_L-D₃回路向負(fù)載供電，電感電流i_Lf以(Y_i1N₂/N₁-Y_L)/K_f的斜率上升。

    工作模態(tài)5：選擇開(kāi)關(guān)S_s1和阻斷二極管D_s1截止，S_s2和D_s2導(dǎo)通，高頻逆變開(kāi)關(guān)S₂和S₃導(dǎo)通，輸入源U_i2通過(guò)U_i2-S_s2-D_s2-S₂-N₁-S₃回路流通，高頻變壓器原邊繞組電壓為上負(fù)下正，為-1態(tài)，副邊整流二極管D₂、D₃導(dǎo)通，副邊繞組通過(guò)N₂-D₂-L_f-u_L-D₃回路向負(fù)載供電，電感電流i_Lf以(U_i2N₂/N₁-U_L)/L_f的斜率上升。

    由各模態(tài)等效電路可知，在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)逆變橋開(kāi)關(guān)管各導(dǎo)通一次，選擇開(kāi)關(guān)S_s1和S_s2在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)+1態(tài)和-1態(tài)階段均導(dǎo)通一次，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分別開(kāi)通和關(guān)斷兩次。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

    設(shè)計(jì)實(shí)例：兩路輸入源均采用瑞佳通可編程直流電源TC.P.16.800.400.PV.HMI模擬供電，額定最大功率點(diǎn)電壓U_i1=288 V、U_i2=250 V，輸出電壓220 V正弦雙半波，負(fù)載額定功率P=3 kW，高頻逆變開(kāi)關(guān)頻率f_s=30 kHz，高頻變壓器磁芯為Mn-Zn R2KBD型鐵氧體PM74/59、繞組匝比N₂:N₁=24:17，輸入濾波電容C_i1=C_i2=1.88 mF，濾波電感L_f=1.2 mH，濾波電容C_f=2.2 μF，S_s1-S_s2選用IXFH60N50P3型MOSFET，S₁-S₄選用IXFH34N50P3型MOSFET，D_s1-D_s2選用DPG30I400HA型快恢復(fù)二極管，D₁-D₄選用DSEI30-06A型快恢復(fù)二極管，控制芯片采用TMS320F28069、主頻90 MHz。

    設(shè)計(jì)并研制的3 kVA分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器樣機(jī)在帶正弦雙半波電壓源負(fù)載、兩輸入源最大功率點(diǎn)處時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，如圖5所示。

    圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)S_s1和S_s2在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分時(shí)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)頻率為60 kHz，電壓應(yīng)力小，如圖5(a)、圖5(b)所示；(2)高頻逆變開(kāi)關(guān)S₁~S₄在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期各導(dǎo)通一次，開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz，電壓應(yīng)力為輸入電壓最大值，如圖5(c)、圖5(d)所示；(3)副邊整流二極管端電壓被箝位到電容電壓，如圖5(e)、圖5(f)所示；(4)變壓器副邊繞組電壓u_N2正負(fù)半周對(duì)稱，呈現(xiàn)+1態(tài)和-1態(tài)，如圖5(e)、圖5(f)所示；(5)輸出正弦雙半波電流質(zhì)量高且與正弦雙半波電壓同頻同相，波形THD小，如圖5(g)所示。

5 結(jié)論

    本文所提出分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器電路拓?fù)?，是由兩個(gè)并聯(lián)分時(shí)選擇支路和一個(gè)Buck型直流變換器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、高頻電氣隔離、單級(jí)功率變換、體積重量小、輸出波形質(zhì)量高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

    系統(tǒng)采用最大功率輸出能量管理SPWM控制策略，通過(guò)輸入電壓環(huán)和SPWM電流瞬時(shí)值控制，實(shí)現(xiàn)雙輸入源最大功率輸出和輸出電流正弦雙半波的控制。

    該直流變換器在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有5個(gè)工作模態(tài)，并聯(lián)選擇開(kāi)關(guān)Ss1和Ss2分時(shí)導(dǎo)通，兩路輸入源分時(shí)向負(fù)載供電，開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力低。

    本文設(shè)計(jì)并研制了3 kVA分時(shí)供電全橋Buck型雙輸入直流變換器樣機(jī)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積重量小、負(fù)載電流質(zhì)量高等優(yōu)良性能，驗(yàn)證了所提出電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘恼_性與可行性。

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作者信息:

李釗欽，陳道煉

(青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島266071)