应用于光伏发电系统中的一种高升压比的多级BOOST电路

陈鹏飞，杨玉杰，王 嵬，朱连成，魏 东

（1.辽宁科技大学 电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.国家电网鞍山供电公司 鞍山新能实业有限公司，辽宁 鞍山 114001）

应用于光伏发电系统中的一种高升压比的多级BOOST电路

陈鹏飞1，杨玉杰1，王 嵬2，朱连成1，魏 东1

（1.辽宁科技大学 电子与信息工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.国家电网鞍山供电公司 鞍山新能实业有限公司，辽宁 鞍山 114001）

光伏发电系统结构复杂、输出电压高等，本文设计一种高升压比的BOOST变换电路。仿真实验证明，N级BOOST电路升压比是单级BOOST电路的N倍；控制简单，输出电压快速性好，谐波失真比低，且无论各个输入电压源电压相等与否，均可以通过一套控制系统实现输出电压恒定；该电路具有低电流、电压应力等特点，有利于提高变换器效率和提高电路使用寿命。

多级BOOST电路；光伏发电系统；虚拟仿真

21世纪中期，光伏发电技术逐步成熟，会取代火力发电等方式，成为最主要的电能来源［1-5］。目前使用的光伏发电系统，太阳能光伏阵列输出直流电一般为24 V，而逆变电路一般需要760～780 V的直流电压才能保证逆变之后的交流电满足用户的使用需求，通过BOOST电路将24 V直流电升高三十倍以上是很困难的，所以实现高效率快速直流升压已经成为了光伏发电系统研究的核心部分［6-7］。如果使用电力变压器，通过耦合电感升高电压，不但会产生较大的损耗，还会引起开关器件电压应力过高，难以得到令人满意的电压输出。文献［7］中为得到高升压比，采用将BOOST变换器级联的方法，这种方法提高了升压比，但是成本、体积、效率却有所变差，影响了系统的稳定性。在前期实验中发现，将两个BOOST升压电路采用串联方式简单连接，前一级升压电压难以维持，第二级升压更难将前一级升压电流保持，最终使得输出电压不升反降，导致整个系统运行困难。

综合上述分析，本文提出一种由N个BOOST变换器相互连接，完成高升压比持续输出电压的目标，通过MATLAB仿真和数据分析，得到一种高电压升压比，多路输入，开关器件电压应力低，低输入电流纹波等特点的BOOST升压电路［8］。

1 工作原理

以图1所示两级BOOST电路为基础模型，经过理论分析，提出如下假设：（1）BOOST电路中的电感电流连续，即il1、il2始终大于0。（2）电容C0、C1为无限大电容，使得电容上的电压波形理想化，无波动。（3）所有器件都是理想原件，没有开通电压损耗，没有开通延时。（4）开关器件选择使用交替控制，并且其触发脉冲的占空比D＞0.5。

图1 两级高升压比电路Fig.1 Two input high step-up converter

波形图2表示为两级BOOST电路在工作时的IGBT触发脉冲波形、输出电压波形。由图2可知，在一个工作周期中，根据IGBT开通和关断可分为三种工作状态，图中的触发脉冲信号占空比为0.7，每一种工作状态对应的等效电路如图3所示。

图2 波形示意图Fig.2 Main waveform

图3 等效电路Fig.3 Equivalent circuit

（1）状态1：由 Q1、Q2的波形可知，S1正处于通路，S2没有触发脉冲，相当于开路，VD1的电流方向与其导通方向相反，处于关断状态。则电路可化简为图3a所示，电感L1两端电压根据假设（3）的描述等于电源uin1的电压，电流il1逐渐上升；在电感L2两端的电压ul2=uin2-uc1，电流il2逐渐减小；且il1、il2电流方向如图3a所示，电容电流ic1=il2，电容C1上电压逐渐上升。

（2）状态2：由 Q1、Q2的波形可知，S2正处于通路，S1没有触发脉冲，相当于开路，VD2的电流方向与其导通方向相反，处于关断状态。则电路可化简为图3b所示，电感L2两端电压根据假设（3）的描述等于电源uin2的电压，电流il2逐渐上升；在电感L1两端的电压ul1=uin1+uc1-u0，电流il1逐渐降低；且il1、il2电流方向如图3b所示，电容电流ic1=il2，电容C1上电压逐渐下降。

（3）状态3：由 Q1、Q2的波形可知，S1、S2正处于通路，VD1、VD2电流均处于关断状态，电感L1两端电压因为开关原件导通所以等于电源uin1的电压，同理电感L2两端电压也等于电源uin2的电压，电流il1、il2在电池的作用下呈线性升高的趋势；电容C1被短路导致电流ic1=0，从而电容电压uc1保持不变。

2 数据分析

2.1 升压比

通过上文对两级BOOST电路三种工作状态的分析，根据电感原件的伏秒平衡特点可知

由式（4）可得，两级BOOST变换器输出电压等于两个输入电压为uin1、uin2的BOOST变换器经叠加后输出的和电压，这样就实现了高升压比的BOOST变换器，当使用在光伏发电系统中时有uin1=uin=uin2，则输出电压为

其中升压比为2/(1-D)。

2.2 输入电流

在一个工作周期中，可分为三种工作状态，在状态1中，电容C1通过电源充电，充电电流等于il2，充电所需时间为一个周期中触发脉冲高电平的时间，即(1-D)Ts；在工作状态2中，电容C1在放电状态，其放电电流为il1，放电所需时间等于一个周期中触发脉冲属于高电平的时间，即(1-D)Ts；在工作状态3时，由于IGBT导通，电容C1被短路。稳态工作时，电流il1、il2的平均值为I1、I2，在一个工作周期中必须保证电容的充电和放电电荷相等，所以根据上述分析推出

如果在施加触发脉冲时，将S1、S2两个开关元件的触发脉冲占空比调制到相同数值，易得各路输入电流相等；当电路中出现两开关原件触发脉冲占空比不一致的情况，设原件S1的占空比为D1，S2的占空比为D2，则输入电流可以根据电荷守恒得出

在光伏发电系统中，可以通过调节占空比D1和D2来控制电流I1和I2进而实现最大功率跟踪。

2.3 开关管的电压应力

开关管的电压应力是指工作电压与额定电压的比值。在长期使用过程中长期出现高电压应力的情况，会缩短开关管的使用寿命，影响整个系统的使用安全，造成严重后果。设图1中开关管S1、S2的电压应力等于us1和us2，二极管VD1和VD2的电压应力等于ud1和ud2。，则可得出

由式（11）可得，当两个电源uin1和uin2相等时，S1、S2和VD1在工作时所承受的电压应力在数值上等于输出电压u0的一半，VD2承受的电压应力等于输出电压。而传统使用的BOOST电路中，电压应力均为输出电压u0，所以本文提出的多级BOOST电路显著降低了开关器件的电压应力，从而使系统的使用寿命得到延长。

3 结构推演

3.1 升压比

在图1中，是典型的双输入两级BOOST电路，实际工作时，可以将两个输入电源简化，再由结构的推演得到一种适用于光伏发电系统中的一路输入多级高升压比的直流变换器，结构如图4所示。

该电路同样进行如下假设：

（1）多级BOOST电路中的电感电流连续，即il1，il2，…，iln均始终大于0。

（2）电容C0，C1，…，Cn均为无限大电容，使得电容上的电压波形理想化，无波动。

（3）所有器件都是理想原件，没有开通电压损耗，没有开通延时。

图4 单输入高升压比变换器Fig.4 Single input high step-up converter

（4）开关器件选择使用交替控制，且各个触发脉冲一次相差Ts/N秒，并且脉冲的占空比D＞(1-1/N)。在理论范围内，开关的占空比的最大值为1，但是在实际使用时，占空比有一个明确的极限，这也限制了多级BOOST变换器的最大级数。

设第k级输出电压u0与输入电压uink的比值为 Mk，即

其中k=1,2,…,N。根据电感元件的磁势平衡可得

如图4的简化结构中，各路输入电源电压相等，则

由式（16）可知，在需要高升压比的电路中，可以通过本电路实现，弥补了传统BOOST电路中无法通过单纯的改变占空比来实现的高升压的缺点，适用场合更加广泛。

3.2 输入电流

假设各级输入电流il1，il2，…，iln的平均值为I1，I2，…，In，根据电容的电荷守恒可得到：

（1）各开关器件的驱动脉冲的占空比相同，得

（2）各开关原件的驱动脉冲的占空比不同，得

该电路适用于光伏发电系统的直流变换环节，采取调解IGBT驱动信号的占空比这一方式即可控制输入电流，便于进行最大功率跟踪调节，完成高效光伏发电过程。

4 仿真实验

图5为仿真模块结构，使用MATLAB/SIMULINK 2010a版本建立仿真模型，采用一路输入三级升压的BOOST变换器，输入直流电为24 V，为达到输出780 V直流电，经过计算和理论分析，设三级电感 L1=L2=L3=0.6 mH，三级电容C1=C2=C3=1 μF，开关频率 fs=100 kHz，占空比为83%。

仿真波形如图6所示，图7为开关管IGBT1、IGBT2、IGBT3的驱动 Q1、Q2、Q3波形，占空比为0.83。图8a为二极管Diode1、Diode2、Diode3端电压ud1、ud2、ud3波形变化，由图可知，三个全控器件及二极管VD1所承受的电压应力约为输出电压u0的1/3，二极管Diode2、Diode3所承受的电压应力在数值上等于输出电压u0的2/3，在二极管处于关断情况下，端电压近似为输出电压u0的1/3，由此可得到该电路有利于降低关断损耗，提高系统使用效率，由于驱动电路Q1、Q2、Q3的占空比不完全相等，使电压应力与理论分析数据略有误差；第二波形为开关管 IGBT1、IGBT2、IGBT3两端电压 uds1、uds2、uds3的波形；第三波形可以看出在一路输入的三级BOOST电路中，电容C1的端电压近似为输出电压的2/3。根据波形分析，输出电压为单级BOOST电路输出的三倍，与上文理论分析结果保持一致。

图5 升压器结构Fig.5 Structure of step-up converter

图6 仿真波形Fig.6 Simulation waveform

图7 驱动脉冲Fig.7 Drive pulse

图8 电压波形Fig.8 Voltage waveform

5 结论

本文在光伏发电系统的运行情况上进行合理分析，提出一种单输入高升压比的BOOST电路，通过工作状态理论分析，数据计算和模拟仿真，得出如下结论：（1）采用N个BOOST电路，升压比等于N个BOOST电路效果叠加，输出电压高，适用于大功率的光伏发电系统。（2）控制简单，输出电压快速性好，仿真实验中只需0.1 s就可达到系统稳定状态，总谐波失真比仅有59.8%。（3）开关器件的电压应力小，提高系统效率，对于器件的寿命和系统的稳定性有利。

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［］［］

Highstep-upBOOSTconverterappliedinphotovoltaic powergenerationsystem

CHEN Pengfei1，YANG Yujie1，WANG Wei2，ZHU Liancheng1，WEI Dong1

（1.School of Electronic and Information Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Anshan New Energy Industrial Co Ltd，State Grid Anshan Electric Power Supply Company，Anshan 114001，China）

A non-isolated high step-up BOOST converter was proposed to solve the problems of complex photovoltaic modules and high output voltage in this paper.Experiments show that the step-up ratio of n-levels BOOST converter is N times as much as one-level BOOST circuit，the output voltage could be get faster，output voltage can be controlled easier and faster than those of the basic BOOST converter.it has low current and voltage stress，the efficiency and of the converter is improved and，the lifetime of the circuit is prolonged.

multi-levels BOOST converter；photovoltaic power generation systems；virtual simulation

February 4，2017）

TM46

A

1674-1048（2017）03-0211-07

10.13988/j.ustl.2017.03.011

2017-02-04。

陈鹏飞（1995—），男，山东济南人。

杨玉杰（1963—），女，辽宁鞍山人，副教授。