光伏系统应用的自适应 多相变换器

1引言

设计光伏变换器时必须考虑PV电源的独特特性，诸如它的间断性，尤其是它的可变性。太阳能阵列能量的产出是不稳定的，它随着阳光的照射和温度的改变而改变。这些变化直接取决于一年中的季节，一天中的时间和天气。

经典的变换器效率以在给定输入功率（额定功率，Pnom）时的最大效率（ηMAX）来表示。当输入功率低于或者高于此功率值时变换器的效率将减少。在许多功率管理设施中，变换器是基于最大效率时的固定工作点（额定功率）而设计的，具有最高的效率。然而，在许多光伏系统中，连续功率产生时其效率是变化的。所以，不能固定一个工作点。

本文提出的自适应多相变换器将能解决此问题。这是受众所周知的高功率应用的启发：并联开关变换器。这种连接方式在DC-DC变换器之间可均匀分配功率，并且，相对于单独的高功率变换器还有很多优点，诸如可提高功率处理容量和可靠性。

2变换器并联的分析

在高功率应用中开关变换器的并联是众所周知的有效技术。这种连接方式在DC-DC变换器之间分配均匀的总功率，并相对于单个的高功率变换器有很多优点。由于应力分配均匀，容错得到了保证[2][3]，并联方式确实提高了功率处理容量并提高了可靠性。当输入电流在变换器之间分配均匀后应力就均匀。文献[4],[5]提供了几种不同复杂性和性能的电流分配方法。

本文用图1所示的boost变换器作为分析的系统。boost变换器是一种没有变压器的升压DC-DC变换器，并且具有结构简单和控制简单的特征。此外，由于它本身的结构简单元件很少，它能实现很高的效率并适用于光伏系统。

图1  Boost变换器

在功率变换器中，损耗主要由开关单元产生，但是其他元件也能产生的功耗也不能忽略。

文献[6]进行了buck变换器的损耗分析。这种损耗计算方法也适用于boost变换器。按照文献[6]中的步骤计算之后的结论是：boost变换器和buck变换器一样，损耗由负载或输入光伏电流决定。其关系式可以用一个二阶等式（2）表达：

PTOTAL=ai2PV+biPV+c          （2）

其中 a=PLDC+PON；              （3）

;                （4）

c= PLac+PQg+PGds          （5）

在等式（2）中，不同元件的损耗表示如下：PLac和PLac分别代表电感的直流和交流损耗；PON，Psw，PQg和PGds分别代表Mosfet门，充电结电容，传导和开关损耗； 是二极管的传导损耗，PCTRL代表起动和捕获电源的损耗。

对于多相变换器，假定在各相之间电流平均分配，那么通过每相的电流为1/n（其中n是相数）。然而功率变换器数量的增加涉及系统的损耗乘以相数（n）。这样对于一个多相变换器等式（2）被改写为：

 →（6）

对等式（2）和（6）的一种简单的分析表明在低功率的情况下，当 趋近于0的时候，对于单相变换器损耗将趋近于c相反多相变换器损耗将趋近于nc。因为nc>c则对于单相变换器在低功率时损耗小，结论是只有单相工作的时候更有意思。

对高功率的损耗估算分析时，通过计算损耗等式的导数，可发现单个变换器损耗提升的速度要快于多相变换器。等式（7）和（8）可以证明

单个变换器        （7）

多相变换器         （8）

单相变换器的损耗变化斜率要大于同等情况下多相变换器的损耗变化斜率。

      （9）

此数学损耗分析表明，即使在低功率情况下单个变换器的损耗小，它的损耗增加的速度会快于n相变换器。因此，在高功率情况下将更有效和更可贵。

因此，这种控制相数的自适应技术将能实现，此时变换器各瞬间都工作在最高的效率点上，从而提高了系统的总效率。

3有源变换器数量的自适应

AMPC是由n个变换器并行联接设计成的，如图2所示，其中n被应用中的光伏电源电平所限定。AMPC整合了一个控制定律，即有源变换器自适应的数量受尽可能都达到最高效率的各瞬间的光伏功率的产出来决定。AMPC的这种工作原理是并联n个变换器构成的，如图3所示。在低功率工作的情况下，只有一相运行。当PV功率变高时，第二相将被运行。随着功率的增加，运行的相数也将增加。功率减少时，不被运行的相数也同样递减。

图2 由n个并行联接的功率变换器实现的光伏转化链

图3 自适应多相变换器（AMPC）的工作原理

图4是对n个变换器示出的变换器自适应定律的算法。这种算法将控制各瞬间的光伏功率，同时对对应该瞬间的功率电平将调整相关的变换器数量。

不同的功率电平（P1，P2，P3…Pn）对应AMPC不同工作模式的效率特性曲线之间的相交点，如图5所示。并且这些功率电平就是AMPC改变配置模式时的功率电平。

图4 变换器运作数量的算法

图5 在不同配置下AMPC的转换效率

图6为三个DC-DC的boost变换器的演示器。为了验证该演示器的运作，实验中运用了一个90Wc的PV模块。针对该应用，如图5已经验证的，为得到最高的效率值只需要AMPC的2相。

此外，由于PV电源的非线性特性，这个系统将集成一个最大功率点跟踪（MPPT）的控制。这种控制将始终跟着面板上的最大功率点（MPP）。关于MMPT控制已有许多研究和开发了多种控制种类 [7],[8]。本系统采用了一种基于扰动和观察（Perturb&Observe）原理的已被我们实验室改进了的MPPT控制，并且已经用数字的方法实现了。

图6 AMPC的样机

4实验测试

为了对比传统的结构和本文提出的AMPC系统的性能，设计了一套室内的设备。用Agilent Technoligies的AG E4360A太阳仿真器仿真了90W PV阵列的电气特性并用它向两套结构提供相同的PV能量。一天的太阳能功率的产出等效于仿真器给两套设备的1.5小时的能量。我们将能量传给负载并测量这时的变换器效率[10]。结果如图7和表1所示。这个实验验证了AMPC结构在功率转换效率上有1.5%的增益。

表1 数据的综合

a）传统的变换器（1相）

b）自适应多相变换器（2相）

图7 实验结果

5结论

本文提出了一个光伏系统应用的自适应多相变换器（AMPC）。它由三个并联的变换器组成。工作的变换器的数量由各瞬间的功率决定。通过分析损耗验证了分析自适应相数的意义。最后，在一个仿真的晴天，实验结果验证了本设计的结构相比于传统的结构有1.5%的效率提高。不过，还未在阴天中验证。

参考文献

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[2]R.Giral,L.Martinez-Salamero,and S.Singer,”Interleaved converters operation based on CMC,”IEEE Trans.Power Electronic,July.1999,pp.643-652.

[3]S.C.Babu,M.Veerachary,”Predictive controller for interleaved boost converter,”IEEE international Symposium on,vol 2,June 2005,pp 577-581.

[4]Y.Panov,J.Rajagopalan,and F.C.Lee,”Analysis and design of N Paralleled DC-DC converters with master-slave current sharing control,”APEC 97 Conference Proceeding,vol 1,Fed.1997,pp.436-442.

[5]K.Siri,C.Q.Lee,T.F.Wu,”Current distribution control for parallel connected converters:part I,”IEEE Trans.Aerospace and Rletronic Systems,vol.28,July 1992,pp.829-840.

[6]M.Yamadaya,H.Matsuo.”Control Method for Autonomous Changing the Number of DC-DC Converters to Improve Efficiency.”31st International Telecommunications Energy Conference,2009.INTELEC 2009,18-22 Oct.2009,pp.1-5.

[7]R.Leyva,C.Alonso,I.Queinnec,A.Cid-Pastor,D.Lagrange,L.Martinez-Salamero,”MPPT of Photovoltaic systems using extremum-seeking control,”IEEE Transactions on Aerospace and Eletronic Systems,vol.42,Issue 1,pp.249-258,2006.

[8]C.Cabal,C.Alonso,A.Cid-Pastor,B.Estibals,L.Seguier,G.Schweitz,J.Alzieu,”Adaptive digtital MPPT control for photovoltaic applications”, IEEE ISIE 2007,Vigo(Espagne),2007.

[9]Y.El Basri,S.Petibon,B.Estibals,C.Alonso”New P&O MPPT Algotithm For FPGA Implementation”,36th Annual Conference of IEEE industrial Eletronics Society,IECON 2010.

[10]S.Petibon,C.Cabal,F.Blanc,B.Estibals,C.Alonso,”Automatic data acquisition system for testing photovoltaic conversion chains performances in real conditions”,International Journal of Metrology and Quality Enginerring,129-139.Dec,2010.