一种光伏用高升压比高效率直流变换器

卓生荣，皇甫宜耿

（西北工业大学自动化学院，西安710072）

一种光伏用高升压比高效率直流变换器

卓生荣，皇甫宜耿

（西北工业大学自动化学院，西安710072）

以光伏为代表的新能源发电日益受到重视。为提高光伏发电系统的可靠性与发电效率，两级式光伏并网发电系统的前级DC/DC变换器对升压比和效率提出了要求。首先对FIBC拓扑的工作原理、高升压性能、低电力电子器件应力等进行详细分析，与传统Boost电路的对比结果验证了FIBC的优越性；然后建立了Boost和FIBC电路的损耗模型，给出了额定工况下的损耗分布和效率，结果表明同电路参数下FIBC具有更高的效率；接着利用交错控制技术，对FIBC电感参数进行了优化，进一步提高变换器效率；最后给出Boost与FIBC和优化FIBC在不同工作电流下的效率曲线，结果表明优化后FIBC效率提高明显，比Boost更适合用于低压大功率光伏发电系统中。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明，使用交错技术可以优化电感参数，直流母线输出电压能够稳定在400 V。

DC/DC变换器；高效率；高升压比；光伏发电

引言

随着能源危机和环境问题的日益突出，以光伏、燃料电池等为代表的新能源发电日益受到重视。据国际能源署IEA（international energy agency）发布的年光伏发电量预测，到2050年光伏在全球发电中占比11%。单板光伏输出电压较低，以索日光电SR-185为例，额定工况下仅输出37 V。为实现逆变并网，需将多块光伏板串联以提高输出电压。然而串联会降低光伏系统的可靠性，当某单板光伏故障，该串联模块就会失效。为尽可能降低单板光伏串联的数量，增加系统的可靠性，有必要引入前级升压变换器。传统的Boost变换器在实际应用中受寄生参数的影响，当占空比超过某一临界值时输出电压不升反降［1］。虽然带变压器的隔离型拓扑可以很容易地实现高变比，但是其在成本、体积和效率上不具优势。

近年来，光伏用非隔离型高升压比高效率变换器受到国内外研究学者的广泛关注［2-8］。文献［2］提出在交错Boost电路基础上，使用电压倍增器和开关电容组合来提高增益；文献［3］综述了多种提高DC/DC变换器增益的技术，如级联法、耦合电感法、开关电容法等，但使用提高变换器增益的技术及其组合会增加变换器电路的复杂程度；文献［4］基于Boost电路推导出一种改进Boost电路，可以实现2倍的电压增益，但二极管器件需承受全部输出电压。文献［5］提出标准Boost电路后级多个二极管和电容串联作为输出，文献［6］基于Boost电路提出一种衍生的浮地交错Boost变换器FIBC（floating-output interleaved-input boost-derived converter）拓扑，并在开环下用实验证实了拓扑的正确性。

本文在对FIBC拓扑工作原理，高升压比、低电力电子器件应力等性能进行必要分析后，重点研究了其损耗模型，分析出主要损耗源。基于交错技术［9］对电感参数进行优化，以进一步提高变换器效率。最后建立了FIBC交流小信号模型，设计了相应的控制器，给出了仿真结果。

1　工作原理

1.1拓扑结构

FIBC拓扑如图1所示。图中模块1为标准Boost电路，模块2为浮地Boost电路，电容C2未与地直接连接。限于篇幅，仅考虑占空比D＞0.5，电路的工作波形如图2所示，控制采用交错技术，即开关管S1和S2占空比相同，但相位相错180°（即TS/ 2，TS为开关频率的倒数）。

图1　FIBC用于光伏并网发电系统Fig.1 FIBC used for PV grid-connected system

图2　FIBC主要工作波形（D＞0.5）Fig.2 Main working waves of the FIBC（D＞0.5）

1.2升压性能

假设FIBC的模块1和模块2参数一致，且开关门极驱动信号占空比相同，仅错相180°，则电容C1和C2上的电压为

式中：Vin为输入电压。由于在各工作模式下（见图2）输出电压Vo均与输入电压Vin及电容C1、C2串联，因此有

由式（1）和式（2）可得升压比M1（D）为

标准Boost电路的升压比M2（D）为

根据式（3）和式（4）分别绘制出FIBC电路与标准Boost电路占空比与升压比的关系，如图3所示。由图可见，对于相同的占空比，FIBC比标准Boost电路具有更高的升压比；对于相同的升压比，FIBC比Boost具有更低的占空比。

图3　FIBC与标准Boost电路升压性能比较Fig.3 The voltage gain comparison between the FIBC and the Boost

1.3电力电子器件应力

由图1可知，开关管和二极管所承受的最大电压应力为电容两端电压，所承受的最大电流应力为流过电感的电流。在输入侧根据基尔霍夫电流定律，则有

进一步得

计算求出电感电流为

根据式（1）和式（7），可求出FIBC电路的开关管、二极管承受的电压和电流应力，与标准Boost电路的对比结果如表1所示。从表1可以看出，对于相同的光伏电源输入及输出电压等级，FIBC所承受的电压电流应力均比标准Boost电路小。

表1　FIBC与标准Boost电力电子器件应力对比Tab.1 The device stress comparison between FIBC and Boost

2　损耗建模

表2　光伏逆变并网前级设计指标Tab.2 The front end design specifications of the PV system

2.1FIBC损耗模型

建立FIBC电路的损耗模型［1，10］，步骤如下。

步骤1计算开关器件损耗为

式中：Vdrive为驱动电压；Qg为开关管的门极电荷；fs为器件开关频率；常数1.2为弥勒平台修正系数；D为FIBC电路占空比；Rs_on为开关管导通电阻；Is_rms为流过开关器件电流的有效值；tcross_on和tcross_off分别为开通和关断过程中开关管漏极电流与漏极电压的交越时间，与驱动电阻有关；fs为开关频率，kHz。

步骤2计算二极管损耗为

式中：Vd为二极管导通压降；Id_rms为流过二极管电流的有效值；Rd_on为开关管导通电阻；Vr为反向电压；Irr为二极管反向恢复电流；trr为反向恢复时间。

步骤3计算电感损耗（磁芯为铂科PS25502 6）为

为了使实验室人员获取、理解和执行文件，实验室除了要不断加强宣贯，增强人员的质量意识外，还应设计出相应的实施路径即工作流程并借鉴信息化手段优化和加强管理，完善监督机制，从制度、程序和实施效果上保证文件的可操作性和执行力。使全体人员在日常工作中养成学文件、用文件、改文件的良好习惯，营造出全员参与、持续改进的良好氛围。

式中：rL为电感内阻；IL_rms为电感电流有效值；VL为磁芯有效体积；ΔB为交流磁场感应强度，kGauss。

步骤4计算输出电容损耗为

式中：rC为电容等效串联电阻；ICout_rms为电容电流有效值。

步骤5计算效率为

式中：η为变换器效率；Po为输出侧功率；Ploss为损耗功率。

2.2对比分析

基于表2中的设计指标，Boost及FIBC对应的占空比D1、D2分别为

设计的Boost电路参数为：L=600 μH（铂科NPS 255026，rL=68.4 mΩ），C=2 200 μF（rC=20 mΩ）。开关管选用IPP60R074C6（600 V，74 mΩ，Infineon），二极管选用IDW75D65D1（650 V，75 A，Infineon）。建立Boost电路类似损耗模型，求出Boost电路开关管、电感、二极管、电容等损耗，电路损耗及相应的百分比如图4所示。基于相同的元件参数，计算出FIBC电路损耗分布，如图5所示。由图4和图5可知，FIBC即使增加了一套硬件，其效率仍比Boost电路高。

图4　标准Boost功率分析结果（额定工况）Fig.4 Power analysis results of standard Boost（rated condition）

图5　FIBC功率分析结果（额定工况）Fig.5 Power analysis results ofFIBC circuit（rated condition）

3　电感参数优化

由图5（a）可见，电感几乎占据所有损耗的1/ 2。注意到FIBC两个模块在输入侧交错连接，因此可以使用交错技术进行控制，即模块1和模块2占空比相同，但错相180°。使用交错技术［9］可以在保证相同输入电流纹波的前提下，增大电感电流纹波，其关系如图6所示。允许电感电流纹波增大可以减小电感感值，即能减少线圈匝数，降低电感内阻。由式（10）可知，必然存在一个感值使得电感损耗最小。电感电流纹波计算公式为

假设电感内阻与感值成正比，则电感损耗为

式中：L0和rL为优化前感值与直流电阻；L为优化后电感；D2为占空比。由Δiin=5 A及图6可得，当D2=0.69时，电感取值范围为［140，600］μH。额定条件下电感损耗在该区间单调递增，因此电感L=140 μH时电感损耗最小为29.4 W，变换器效率由93.47%提升至96%。

图6　输入电流纹波和电感电流纹波比值与占空比关系Fig.6 The ripple suppression ratio versus the duty cycle

基于所建立的损耗模型，计算出用于表2光伏发电系统的Boost、FIBC及优化后FIBC电路在不同电流下（假设器件能正常工作）的效率，如图7所示。从图中可以看出，相同输入电流下FIBC电路比Boost电路具有更高的效率。优化电感参数后，FIBC电路在大电流下效率提高明显。

图7　变换器效率与输入电流关系Fig.7 The efficiency versus the input current of the converter

4　系统建模与仿真

4.1小信号建模

基于开关网络平均法［1］建立FIBC电路的交流小信号等效电路模型，如图8所示。

图8　FIBC交流小信号等效电路模型Fig.8 The small signal ac equivalent circuit model of FIBC

同时根据叠加原理分别求出占空比到电感电流和输出电压的传递函数，即

其中：

4.2仿真结果

4.2.1感值优化

将R=43.2 Ω，L=200 μH代入，设计的电感电流PI控制器为

基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，单电流环下系统的稳态输出波形如图9所示。L1和L2电感的电流纹波为7 A，在输入侧的电流却只有2.5 A。这说明在保持光伏输入侧电流纹波不变的前提下，可以对FIBC电路两个模块的电感值进行优化，以提高变换器效率。

图9　单电流环，参考电流16 A时FIBC电路稳态波形Fig.9 Steady state waveforms of the FIBC by single current loop with reference current 16 A

4.2.2恒压输出

系统采用输出电压外环与电感电流内环双闭环控制实现恒压输出。将R=43.2 Ω，L=200 μH代入，设计的电感电流内环PI控制器见式（16），设计的电压外环PI控制器为

在0.7 s给负载施加阶跃扰动（43.2 Ω→21.6 Ω），双环控制FIBC输出电压波形见图10。电压能够稳定在400 V，可用于后级逆变并网。

图10　双环控制，参考电压400 V时FIBC动态输出波形Fig.10 Dynamic waveforms of FIBC under dual loop control with reference voltage 400 V

5　结语

根据给定光伏并网发电系统设计指标，分别计算出具有相同电路元件参数的Boost电路与FIBC电路在额定工况时的损耗分布，结果表明FIBC电路比Boost电路具有更高的效率。基于交错技术原理对电感参数进行优化后，FIBC电路效率提高显著（由93.47%升至96%）。根据所建立的损耗模型，给出了用于光伏并网发电系统前级的Boost、FIBC及优化FIBC升压电路在不同电流等级下的效率曲线，结果表明在大电流下FIBC电路比Boost电路具有更高的效率，更适合用于低压大功率光伏发电系统。最后建立FIBC交流小信号模型，设计相应控制器，搭建仿真模型，仿真结果除证实使用交错技术优化电感参数的可行性外，还表明采用双环控制后输出直流母线电压可以很好地调节到400 V。

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A High Voltage Gain High Efficiency DC/DC Converter for PV System

ZHUO Shengrong，HUANGFU Yigeng
（School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

The new energy power generation system，like the PV system，is getting more and more attention.In order to improve the reliability and efficiency of the two-level PV generation system，the high voltage gain and high efficiency of the front end is expected.The comparison result between the Floating-output Interleaved-input Boostderived Converter（FIBC）and the Boost in voltage gain and power electronics device stress validates the superiority of the former.Then the loss models of both circuits have been presented，as well as the power distribution under the rated working condition，which shows that the FIBC is more efficient.Based on the interleaved technology，the parameter of the inductance is optimized and hence reduces the DC resistance and improves the efficiency.Finally，the efficiency versus current curve of the Boost，FIBC and the optimized FIBC is given，which shows that the FIBC is more suitable for low voltage high power PV generation system for its higher efficiency under large current.The simulation results validate the feasibility of optimizing the inductance using the interleaved technology，and the DC bus can be regulated well for grid connection.

DC/DC converter；high efficiency；high voltage gain；PV generation system

卓生荣

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.82

TM 46

A

卓生荣（1993-），男，硕士研究生，研究方向：DC/DC变换器鲁棒控制和容错控制，E-mail：srzhuo@163.com。

皇甫宜耿（1981-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：电源变换技术、新能源发电及其应用等，E-mail：yigeng@ nwpu.edu.cn。

2015-12-02

航空科学基金资助项目（2014ZC53037）；陕西省工业科技攻关资助项目（2016GY-149）；西北工业大学研究生创意创新种子基金资助项目（Z2016144）

Project Supported by the Aviation Science Foundation of China（2014ZC53037）；Key Science and Technology Program of Shaanxi Province，China（2016GY-149）；the Seed Foundation of Innovation and Creation for Graduate Students in Northwestern Polytechnical University（Z2016144）