通镌电冻技 ２０１１年９月２５日第２８卷第５期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｐ．２５，２０１ １，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．５ 文章编号：１００９—３６６４（２０１ １）０５—００２４—０４ 用于光伏发电的串联全桥ＤＣ—ＤＣ变换器 唐伟，付晗 （上海海事大学物流工程学院，上海２０１３０６） 摘要：光伏发电系统中ＤＣ—ＤＣ变换器的作用是使太阳能光伏电池电压达到光伏系统逆变环节的直流母线电压的要 求。其中，全桥结构具有功率开关管电压应力小、变压器利用率高、容易实现软开关的特点，现将标准的全桥ＩＸ；－ＤＣ变换 器重新设计成串联形式，用计算机仿真来评估其工作状况，结果表明，开关的工作峰值电流被显著地减小了，减少了损耗 并提高了电源的利用率。 关键词：全桥ＤＣ—ＤＣ变换器；串联；峰值电流 中图分类号：ＴＭ６１５，ＴＮ７１２ 文献标识码：Ａ Ｓｅｒｉｅｓ——Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｆｕｌｌ——Ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＴＡＮＧＷｅｉ。ＦＵ Ｈａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＣ－ＩＸ２ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｂｏｏｓｔ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｔ ＩＸ；ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ— ｖｅｒｔｅｒ．Ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｒａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ— ｅｒ，ａｄｖａｎｔａｇｅ ｔＯ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ—ＩＸ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｏｐ— ｅｒａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｃｏｓｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ Ｉ）Ｃ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｅｒｉｅｓ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ；ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ０引 言 现在的主流光伏发电系统的基本结构有三种：单 级并网系统，两级并网系统以及多级并网系统，这三种 电池的低电压升至光伏系统逆变环节所需的直流母线 电压；如果加入最大功率点（ＭＰＰ）跟踪控制，ＤＣ－ＤＣ 变换器就能汲取最大功率。如何提高前级ＩＸ；／ＤＣ变 换器的效率和跟踪效果，在光伏发电研究中占有重要 地位。本文设计了一种适用于光伏系统的串联全桥 ＤＣ—ＤＣ变换器，主要对串联ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑特点 拓扑结构的比较如表１所示。 表１ 三种拓扑结构的综合比较 拓扑类型 （无 器）（有 器） 两级式 多级式 进行数学推导以及介绍了其控制策略，最后给出 ＭＡＴＬＡＢ仿真结果。 １ ＤＣ－ＤＣ直流变换电路 １．１非隔离型Ｉ）（２－Ｉ）ｔ２电路 非隔离型ＤＣ／ＤＣ变换中间没有变压器介入，直 传统的逆变器通常需要一个体积庞大的工频升压 变压器，而无变压器升压的逆变器却常常受限于功率 等级和负载范围。因此，由ＤＣ—ＩＸ；和ＤＣ－ＡＣ变换器 组成的多级功率调节器通常受到青睐，两级式和多级 式结构中包含ＩＸ２－ＩＸ；变换器。ＩＸ；－ＩＸ；变换器是光伏 发电系统中的重要组成部分，其作用是将太阳能光伏 接进行直流电压变换，这种电路也称为斩波电路。非 隔离型ＩＸ；／ＩＸ；变换器共有６种基本斩波电路：Ｂｕｃｋ 降压斩波电路、Ｂｏｏｓｔ升压斩波电路、升降压斩波电 路、Ｃｕｋ斩波电路、Ｓｅｐｉｃ斩波电路和Ｚｅｔａ斩波电路。 升压斩波电路（图１）在升压比小于５倍的时候输出电 压稳定，但是当升压比大于５时，输出电压随负载的变 化很大。在功率提升的过程中，由于电感的储能作用， 为避免磁性材料和铜线过热，电感的体积要相应增加， 这样便失去了斩波电路体积小的优势。 收稿日期：２０１１－０３—２３ 作者简介：唐 伟（１９８７一），男，硕士，电力电子与电力传动专 业，研究方向：电力电子变换装置； 付晗（１９８５一），男，硕士，电力电子与电力传动专业，研究方 向：电力电子变换装置。 ・２４・ １肇９ ２潦５ Ｅｔ ￣２术８卷第５期 唐伟等： 用于光伏发电的串联全桥Ｉ）Ｃ一［ｘ二变换器ｓ。Ｗｐｅ． Ｐ０ 。ｒｖＴ。１ｅ．ｃｈ２ｎ８ｏＮ１ｏｏｇ．ｙ ５ 图１升压斩波电路 １．２隔离型ＤＣ－ＤＣ电路 隔离型ＤＣ－ＤＣ变换器则先将直流电压变换为交 流电压，经变压器转换后再变换为直流电压，是一种 直一交一直电路。带高频隔离变压器的ＤＣ—ＤＣ变换器 由三部分组成：逆变电路、高频变压器和整流电路，其 中逆变部分为重点控制对象，整流部分可采用二极管 整流电路。常用的隔离型ＤＣ－ＤＣ变换器有半桥逆变 电路、推挽逆变电路、全桥逆变电路。其中，全桥结构 （图２）具有功率开关管电压应力小、变压器利用率高、 容易实现软开关等优点，因此在高压输人的情况下得 到广泛应用 图２全桥逆变电路 １．３串联型Ｉ）Ｃ－ＤＣ变换器的设计 如今的光伏电池组电压已经能超过９００ Ｖ，那么 功率开关的电压等级至少超过１ ２００ Ｖ，在这么高的 电压下选择合适的功率开关较为困难，于是有人提出 一种新型的串联拓扑（图３），串联型ＤＣ－ＤＣ变换器是 由隔离型ＤＣ—ＤＣ变换器变化而来。 图３串联全桥ＤＣ－Ｉ）Ｃ变换器 如果将”个隔离全桥ＤＣ－ＤＣ变换器串联起来，这 种拓扑具有以下优点： （１）在宽负载范围内具有较高的效率； （２）低电压等级的功率开关； （３）只需要传统的全桥ＤＣ—ＤＣ变换器１／ １的功 率等级。 一般情况下带有ＺＶＳ软开关电路的全桥ＤＣ－ＤＣ 变换器的效率不是特别理想，在负载范围４５ ～ １（１０ 下效率为９２ ～９３ ，初步的研究显示这种串 联拓扑能进一步提高它的效率。 串联全桥ＥＣ－ＤＣ变换器如果应用在中低电压场 合，那么只需用到一个全桥电路，这是本文的研究对象 （图４），并用标准隔离全桥ＩＸ－ＩＸ；变换器作比较（图５）。 ｉｉｎ ｉｌ（ｓｔｄ） —专—÷ １ ；ｔｄ） ＋ ＿● ＝ Ｆ 一 图４标准隔离全桥Ｄｃ＿ＤＣ变换器 图５串联全桥Ｉ）ｃ＿ＤＣ电路 这种在中低电压场合的ＤＣ－ＤＣ变换器也具有低 电压应力，较小的通态电流和开关损耗。由于隔离全 桥ＤＣ—ＤＣ开关的工作频率较高，一般达到２０ ｋＨｚ以 上，变压器使用效率较高的高频变压器。考虑到二极 管的反向恢复时间较短，因此整流二极管需要使用快 恢复二极管。 ２串联全桥ＤＣ－ＤＣ拓扑分析 ２．１ 电压与电流分析 由图４和图５可知，假设 是整个系统的升压比 率，输出直流母线电压是Ｌ， 输入电压为Ｌ，ｉ ，则有： 一 ／ｕ。 （１） 忽略损耗和电压电流纹波则有： ｉ。 一ｒｄｄ （２） 式中， ｉ 和 ａ 是输入和输出平均电流。 ｄ是标准变换 器的变压器变比，即等于 ；输入平均电流ｉ 即等 于ｉｉ 。串联拓扑中 是内部变换器的变压器变比，其 计算公式如下： 一Ｕ ／Ｕ。 （３） 串联变换器输出的直流电压 为： Ｕｄ。一Ｕ ＋Ｕ （４） 从式（４）可知串联变换器的优点：串联变换器中， 电容的电压明显减小。由式（３）和式（４）可得Ｕｄｃ的表 达式： Ｕｄ ：（１＋” ）Ｕ （５） 因此得到： 一。 （ 一１） （６） ・２５・ 随镌电潦 ２０１１年９月２５日第２８卷第５期 术 Ｓｅｐ．２５，２０１ １，Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．５ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 忽略电流纹波得到： ２（ （７） 可得： １（ ）一 ｉｄ。 （８） ｉ ？ ｆ 波 在开关利用率相等的情况下，且有相同的占空比。 因此标准变换器的开关峰值电流和串联变换器相比关 系如下： ；ｌ（ ）／７１（ ｃｄ）一（，２—１）／ｎ （９） ］ ｊ 门ｎ『＿１ ｒ ｝ ｊ ｊ ｒ 广＿１ ｎ ｒ－１几 ｉ 德 ， 串联拓扑中的开关峰值电流相对较小，使得在相 同升压和输出功率下硬件损耗较低。 ２．２功率损耗分析 开关的功率等级为开关峰值电压和峰值电流的乘 积。由式（９）可知，两者开关峰值电压相同，它们功率 等级比值如下： Ｐ （ ）／Ｐ （。 ｄ）一（ 一１）／ （１０） 由于变压器次级端的电流相同，其峰值等于滤波 电感的峰值电流。在相同的输出直流母线电压（Ｕｄ。） 下，串联变换器的变压器匝数比要比标准拓扑小，变压 器的一次侧电流不一样。因此功率损耗区别主要在开 关上：关断损耗和通态损耗。如果使用ＭＯＳＦＥＴ，则 开关通态损耗计算如下： Ｐ。 一 ＦＤＳＤ （１１） 式中，ｒＤｓ代表开关通态电阻；Ｄ是占空比。 因此，在相同的ＦＤ８下，这两种变换器的通态功率 损耗的比值由下式得： Ｐ ㈦／Ｐ。ｎ（ ｄ）一（ 一１） ／ｎ。 （１２） 式中，Ｐ。 ｃ瞄和Ｐ （刚）分别是串联变换器和标准变换器 的平均开关通态功率损耗。 由上面分析可知，串联全桥直流变换器的开关损 耗在升压比不高的情况下明显减小。 ３串联全桥ＤＣ－ＤＣ变换器的ＭＡＴＬＡＢ仿真 ３．１ 调制方法 串联全桥变换器采用单极性ＳＰＷＭ调制策略，单 极性ＳＰＷＭ和双极性ＳＰＷＭ一样采用正弦调制波， 但每一个开关周期内逆变输出电压只有零电平和一个 正或负电平。单极性调制其谐波性能明显优于双极性 调制，开关次整数倍谐波被消除，值得考虑的是最低次 谐波幅值较双极性调制时小得多，所以滤波器也较小。 单极性调制的三角波为载波，但按调制波每半个周期 对调制波本身或者载波进行一次极性反转，因此本文 采用载波反转的分析模型，载波为单极性不对称三角 波，如图６所示。单极性调制另一个优点是两组桥臂 分别采用高频臂和低频臂，由式（１１）可知低频臂能降 低开关的损耗，因此能提高变换器的效率。 ３．２仿真模型 为验证新型串联全桥ＤＣ－ＤＣ拓扑优越性，建立了 ｌ ｔ 俺 图６单极性ＳＰＷＭ调制示意图 ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，如图７所示。整个系统包括：输 入部分、ＳＰＷＭ子系统、串联全桥变换器主电路子系 统以及直流负载部分。其中ＳＰＷＭ子系统是核心，完 成ＳＰＷＭ的调制算法。 图７单极性ＳＰＷＩＶｌ的控制仿真图 输入直流电压为１００ Ｖ，高频臂开关频率为 ２０ ｋＨｚ，低频臂开关频率１ ｋＨｚ，变压器变比为 ＝Ｉ： ２，输出侧采用ＬＣ滤波，滤波电感Ｌｆ＝０．Ｉ ｍＨ，滤波 电容Ｃｆ＝１００ ｔＬＦ，阻性负载Ｒ＝１ ０００ Ｑ。仿真采样时 间Ｔ一５ｅ～６ Ｓ，算法为ｏｄｅ４５。标准的隔离全桥电路 的变压器变比 ＝１：３，其余均相同，最后将两者仿真 波形作对比。 由仿真结果可知，在直流变换器升压比 ＝３时， 串联全桥ＤＣ—ＤＣ变换器的输入峰值电流只有标准式 的２／３，同样，输出滤波电容电压只有标准全桥变换器 的２／３，因而整流二极管的耐压降为标准式的２／３，而 且输出功率相对标准式高，说明开关损耗确实减小了。 如果增加负载，将仿真参数中的负载电阻值变成 １０ Ｑ，串联全桥ＤＣ－ＤＣ输出平均电压为２６２ Ｖ，输出 平均电流为２６．２ Ａ，滤波电容电压为１６２ Ｖ，输出功率 ６ ８６４ Ｗ，输入电流平均值４３．６ Ａ。而传统全桥的 ＤＣ—ＤＣ输出平均电压即滤波电容平均电压只有 １肇９ ２凉５ Ｅｔ筏￣２术８卷第５期 唐伟等：用于光伏发电的串联全桥ＤＣ—ＤＣ变换器ｓｅＷｐｅ． ｒｖＴＯ１ｅ．ｃｈ２ｎ８ｏＮ１ｏｏｇ．ｙ ５ １９９ Ｖ，输出平均电流１９．９ Ａ，输出功率３ ９６０ Ｗ，输入 平均电流为Ｂ１．８ Ａ。因此也证明了串联ＩＸ；一ＤＣ变换 器在宽负载范围内具有较高的效率。仿真波形见图 ８、９、１０、１１。 图１１负载电流比较 ４结论 图８开关峰值电流比较 本文详细分析串联ＤＣ－ＤＣ变换器的优点。理论 分析和仿真结果证明了，在相同的输入功率及电压下， 串联形式能减小变换器的体积，而且串联变换器表现 出了高效率和低功耗。 参考文献： Ｅ１］赵争鸣，刘建政．太阳能光伏发电及其应用ＥＭ］．北京：科 学出版社，２００５． Ｅ２３林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社， ２０（）７． Ｅ３］Ｊｏｎｇ－Ｐｉｌ Ｌｅｅ，Ｂｙｕｎｇ－Ｄｕｋ Ｍｉｒｕ Ａ Ｎｅｗ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＰＶ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｕｎｄｅｒ Ｗｉｄｅ Ｌｏａｄ 图９滤波电容电压比较 Ｒａｎｇｅ￣Ｄ］．Ｋｏｒｅａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７． Ｊ－４］吴理博．光伏并网系统综合控制策略研究及实现［Ｄ］．北 京：清华大学博士学位论文，２００６． ｒ５］ Ｍｏｈａｎ Ｎ，Ｕｎｄｅｌａｎｄ Ｔ Ｍ，Ｒｏｂｂｉｎｓ Ｗ Ｐ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ— ｉｃｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ（３ｒｄ Ｅｄ）［Ｍ］． Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ，Ｈｏｂｏｋｅｎ，２（）０３． 图１Ｏ负载电压比较 （上接第２３页） Ｅ２］王宝诚，郭小强，邬伟扬．高性能并网逆变器数字控制 ４１（５）：１２９２ １３０６． ［４］ 房绪鹏．Ｚ源逆变器研究［Ｄ］．浙江：浙江大学，２００５． Ｅ５］刘顺强．电流型Ｚ源逆变器控制策略研究［Ｄ］．山东科技 大学，２００９：１０ ２２． 技术研究［Ｊ］．电力自动化设备，２００８，２８（９）：４９—５１． Ｅ３７ Ｋｊａｅｒ ＳＢ，Ｐｅｄｅｒｓｅｎ Ｊ Ｋ，Ｂｌａｂｊｅｒｇ Ｆ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｔ１ａｓｅ（；ｒｉｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ｍｏｄｕｌｅｓ ［６］房绪鹏．电流型阻抗源逆变器电机调速系统［Ｊ］．电气传 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