节能光伏系统双向DC变换装置设计与研究

李中望

摘要：隨着新能源汽车的大量使用，越来越多的光伏充电站涌现出来，双向DC变换装置是其中重要的组成部分，目前应用的包括Buck-Boost式、Cuk式等等。经过合理地设置，通过控制开关管导通的占空比，来改变系统输出阻抗，最终完成最大功率跟踪控制。

关键词：光伏系统;DC变换;充电

0  引言

在能源供应日趋紧张和全球气候变暖因素的大背景下，太阳能的应用越来越广泛。该种资源取之不尽，用之不竭，是一种最具代表性的可再生能源，同时它的应用对生态环境也没有负面影响。目前，世界各国都在不断深入推进太阳能技术的应用。我国拥有丰富的太阳能资源，因此，太阳能应用技术的研究具有相当广阔的前景。

根据A.E.贝克勒尔提出的光生伏打效应，陆续生产出一系列包括光伏电池在内的光伏器件。应用太阳能电池实现能量转换（辐射能转化为电能）的发电系统称为光伏发电系统。一套完整的节能光伏系统（以新能源汽车的光伏充电站为例）的结构如图1所示。

光伏充电站可以用于新能源汽车的充电，储能设备目前主要包括超级电容、蓄电池模块以及飞轮等等。目前，在控制过程中，应用单片机为主控芯片，通过软、硬件的合理设计，实现系统整体集成度的提高，减小了系统的体积，可靠性也得到有效的提升。当前存在的主要问题是效率问题，具体来看，首先是光伏电池能量转化的效率不高，一般进行光电转换只有不到15%的效率;而如果想最终实现光伏发电的并网运行，需要引入并网逆变器，用来将光伏电池发出的直流电转换为电网需要的交流电。显然，逆变器的效率无法达到100%，因此，整个光伏并网发电系统的总效率大概只能维持在10%左右。为了克服上述问题，一方面是持续研发转换效率更高的光伏电池，另外，从系统控制层面出发，完成光伏电池的输出功率的最大化。光伏电池在使用过程中，时刻受到外界温度、光照强度以及加带负载的影响，对于不同的外界条件，光伏电池最大功率点也在发生着变化，实现准确的跟踪就能时时刻刻获得光伏电池的最优工况，完成能量转换的最大化。

光伏电池输出功率可以通过图2电路进行测量。输出功率的表达式如式（1）所示。

由公式（1）可知，光伏电池的输出阻抗等于负载阻抗时，可以获得最大的输出功率。因此，追求光伏电池的最大功率点实质上就是对系统负载阻抗和光伏电池输出阻抗进行合理匹配。一般情况下，实现最大功率点的跟踪，可以通过采用不同的控制方式（开环控制和闭环控制），前者控制起来比较简单，但是过于依赖光伏电池的固有输出特性，从实践层面上，只能实现近似的跟踪，效率不高。针对这种情况，考虑引入负反馈技术，采用闭环控制，对光伏电池的输出电压和输出电流进行采集和控制，实现对最大功率点的跟踪。其中，扰动观察法是最常用的一种方法，即通过对光伏电池的电压以及电流进行扰动，观察光伏电池不断波动的输出功率，通过比较扰动前后的功率，合理调整扰动方向，使电池工作在最大功率点。

在实际设计中，光伏电池的内阻往往不受光照强度的单一影响，外界的温度和带载的情况同样对其产生影响，因此，电池内阻实际上是一个变量，在这种情况下，获得最大输出功率的过程就会比较复杂。我们在光伏电池和系统负载之间设置DC/DC变换装置，通过控制开关管导通的占空比，改变系统输出阻抗，经过合适地调整、控制后，最终完成最大功率跟踪控制。

在光伏系统中，DC/DC变换装置承担了电能变换的关键功能，电路结构包括Boost（升压式）、Buck（降压式）、Cuk（库克式）、Buck-Boost（升降压式）等。其中，Boost实现升压，输出电压平均值大于输入电压，输出与输入的电压极性一致。本装置无法降压只能实现升压，电流波动性方面，输入波动小，而输出的波动较大;装置结构简单，常用于直流电压的升压，家用液晶电视的背光电源经常采用此种装置。Buck电路可以实现降压功能，但不能升压。输入和输出电压的极性一致，电流波动性方面，输入波动大，输出波动小，结构比较简单，拥有比较好的动态特性。而Buck-Boost电路充分融合了以上电路的优点，同时具备升压和降压功能，输出和输入的极性相反。Cuk电路本质为斩波器（升压或降压），输出电压和输入电压极性相反，从结构上看，输入回路和输出回路都有电感的存在，因此电量脉动较小，可以在许多特定场合使用。目前在光伏领域一般采用的DC/DC变换装置为Buck-Boost式和Cuk式。两者的特点各不相同。

我们以Buck-Boost电路为例，进行原理分析，相应电路如图3所示。

1  VT导通区间

当VT管导通时，电源Uc电压全部加到电感L两侧，流经电感的电流iL呈线性增长，电路中的二极管由于阴极承受高电位而处于关断状态，电容C作为电源给负载供电。当t=ton时，电感电流iL增长至最大值iLmax，增加量记为ΔiL （1）：

其中，T为触发脉冲周期，ρ为占空比。

2  VT关断区间

当VT管关断时，二极管将导通，电源与电感之间的线路被切断，电流iL将借助二极管续流。在VT导通区间L积累的能量将通过续流二极管向电容C和电阻R迁移。电感电流iL将线性减小直至到0，减小量记为ΔiL （2）：

在稳定工作的前提下，每个周期中，VT导通时，电感电流增加量与VT截止时电感电流减小量恒等。DC/DC变换装置的设计已经历三个发展阶段，第一阶段是采用单向DC/DC变换器实现能量转换，第二阶段采用两重单向DC-DC变换装置复合实现能量双向传递，当前，我们设计的双向DC/DC变换装置可以很容易地实现能量的传递（双向），如图4所示。

高性能DC/DC变换装置目前在包括新能源汽车在内的各领域得到了越来越多的应用。随着微电子技术、半导体封装技术的不断提高，变换装置的转换效率比以前更高，应用也更加简便。DC/DC变换装置的优劣直接决定了系统工作性能，因此，对于它的研究具有非常重要的意义。

参考文献：

[1]李宁，等.电动汽车光伏充电站能量优化管理[J].黑龙江工业学院学报：综合版，2019，19（9）.

[2]王东.太阳能光伏发电技术与系统集成[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3]张勇敢，等.电动汽车新型光伏充电桩DC-DC变换器的研究与设计[J].广西大学学报：自然科学版，2018，43（05）：89-100.