摘要：光伏发电技术以太阳光能作为一次能量来源，将光能转换为电能。光伏发电过程中所采用的是光伏效应，光能转换为电能过程中没有污染物和废弃物的产生，所以属于清洁无污染发电技术。单个PV板的输出直流电压较低，不能满足日常家用220V交流电需求，所以需要通过高增益直流升压变换器将低直流电转换为高直流电。本文对两种直流升压电路与原理进行研究，并对两种直流升压变换器的性能进行对比分析。
关键词：光伏发电技术、直流升压；变换器；高增益直流升压
太阳能光伏发电系统是新能源开发的主要领域。但是太阳能电池直接输出的直流电压较低，不能满足日常生活要求。所以，需要通过直流升压变换器将低直流电转换为高压直流电。传统Boost电路电压增益不足，所以本文主要对基于二极管钳位的高增益直流升压变换器和基于有源网络的高增益直流升压变换器两种高增益直流升压电路进行研究，希望能为太阳能光伏发电系统的应用做出贡献。
1.基于二极管钳位的高增益直流升压变换器
1.1变换器结构
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图1 基于二极管钳位的直流升压变换器
S1和S2两者设计参数相同，通过相同的矩形波信号进行同步控制，具体控制矩阵波形信号如下图所示：
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图2 开关S1和S2控制矩阵波形信号
1.2变换器工作原理
当变换器在电感电流连续模式状态下运行时，开关状态在工作模态1和工作模态2之间进行变换；当变换器在电感电流断续模式状态下运行时，开关状态在工作模态1、工作模态2和工作模态3之间进行变换。
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图3 不同模式下二极管D2电压情况
上图中，D1TS为开关S1盒开关S2的导通时间；D2TS为开关S1和开关S2的断开时间；UD2为二极管D2上的电压。
在二极管钳位直流升压变换器的一个开关工作周期内最多有三种工作模态，即：
t0-t1时间内，开关S1和开关S2导通，变换器处于工作模态1状态下，此时电感L1和L2上的电压为.png)
电源UDC通过二极管D2直接加载在电容C1上，给电容C1串联充电，此时
UC1=UDC
此时二极管D1因所承受电压相反，所以不工作，负载Rd和电容C2串联，由C2供电。
t1-t2时间内，开关S1和S2断开，变换器处于工作模态2状态下，此时二极管D2承受反向电压，处于不工作状态，电源UDC、电感L1、电感L2和电容C1处于串联状态，流经二极管D1给负载Rd供电。此时电容C2的输出电压为：
UC2=UL1+UDC+UL2+UC1
假设开关的导通时间为T，周期为TS，占空比为D1，那么：
D1=T/TS
所以，电感L1在导通时间T内的电流增量=（UDC/L1）*D1*TS
所以，电感L1在二极管D1导通时间内的电流量的减少量=[（U0-2UDC）/2L1]*D2*TS
电感L1和L2在一个周期内的流量增量为0，则电路的电压增益为：
M=UO/UDC=2（D1+D2）/D2
在t2-t3时间内，开关S1盒S2断开，电感L1和L2的电流为0，二极管D1和D2反向截止，负载Rd电压为0.
2.基于有源网络的高增益直流升压变换器
2.1变换器结构
微型高增益DC/DC变换器结构图具体如下图所示
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图4 基于有源网络的高增益直流升压变换器结构图
其中，开关S1和开关S2通过同一控制信号进行同步控制，电感L1和电感L2的设计参数相同，具体控制矩阵波形信号和基于二极管钳位的高增益直流升压变换器相同，即如图2 所示。
2.2变换器工作原理
基于有源网络的高增益直流升压变换器也有三种不同的工作模态，每种工作模态下三个开关的状态有所不同。
当变换器在电感电流连续模式状态下运行时，开关状态在工作模态1和工作模态2之间进行变换。当处于工作模态1时，开关S1盒开关S2都出于闭合状态，电感L1和电感L2处于并联状态，电源UL1=UL2=UDC，此时电感电流处于线性上升状态，电源UDC和电容电压UC1处于串联状态，给电容C1和负载Rd供电，此时UO=UC2=UC1+UDC；当处于工作模态2时，开关S1和开关S2断开，二极管D1处于导通状态，二极管D2反相电压，处于不导通状态，电感L1和电感L2的电动势ULI和UL2与电源UDC串联给电容C1充电，所以UC1=UDC+ULI+UL2，电感电流处于线性下降状态，ID1=IL1=IL2，负载Rd由电容电压UC2供电，即UO= UC2。
当变换器在电感电流断续模式状态下运行时，开关状态在工作模态1、工作模态2和工作模态3之间进行变换。工作模态1和工作模态2与电感电流连续模式下的工作原理相同，不累述，仅介绍工作模态3条件下的系统工作情况。在工作模态3中，开关S1和开关S2处于断开状态，二极管D1和二极管D2受反相电压作用，处于不导通状态，此时IL1=IL2=ID1=ID2=0，负载Rd由电容电压提供，即UO= UC2。
3.两种直流升压变换器性能对比分析
3.1基于二级管钳位的高增益直流升压变换器性能分析
当基于二极管钳位的高增益直流升压变压器处于电感电流连续模式时，D1+D2=1，所以，此时的电压增益MCCM= UO/UDC=2/（1-D1）
当基于二极管钳位的高增益直流升压变压器处于电感电流断续模式时，D1+D2<1，开关S1和开关S2、二极管D1的关断时间为（1-D1-D2）/TS。
当系统处于工作模态1时，二极管D2的导通时间为D1TS，电容C1所吸收的电荷量QC1+=△IL1+*D2TS/2
当系统处于工作模态2时，二极管D1导通的时间为D2TS，此时流经电容C1的电流均值为IC1，所以电容C1所释放的电荷量QC1-=IC1’*D2TS=UO*TS/Rd
在一个周期内，电容的充电和放电总量和为0，所以存在如下关系：
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所以基于二极管钳位的高增益直流升压变压器处于电感电流断续模式时，电压增益MDCM= .png)
上式中，.png)
基于二级管钳位的高增益直流升压变换器在电感电流连续模式和不同T值下的电感电流断续模式时，其所对应的电压增值有所不同。
假设开关S1所承受的电压应力为UdS1，开关S2所承受的电压应力为UdS2，则：
UL1=UL2
Uds1=Uds2=Uo/2
所以，基于二极管钳位的高增益直流升压变换器有源开关管的电压应力是传统Boost电路中有源开关管电压应力的二分之一，所以其控制更加简单。
3.2基于有源网络的高增益直流升压变换器性能分析
通过前文对该高增益直流升压变化器工作原理进行分析之后可以看出，当变换器处于电感电流连续模式时，系统在工作模态1与工作模态2之间进行转换，所以存在UL1=UL2和IL1=IL2的平衡状态
电感L1和电感L2的伏秒平衡可得：
UDC*D1=（UO-2UDC）*D2
上式中，D1表示的是开关导通时间占空比，D2表示的是开关断开时间的占空比，所以D1+D2=1，所以：
电感电流连续模式状态下的电压增益MCCM=UO/UDC=2/（1-D1）
当变换器处于电感电流断续模式时，变换器系统在工作模态1、工作模态2和工作模态3三种状态上进行转换。当系统处于工作模态1时，电容C1此时处于放电状态；当系统处于工作模态2时，此时电容C1处于充电状态；当系统处于工作模态3时，此时电容C1不导通。所以，由电容1的安秒平衡可得：
UO/UDC=D1*D2*TS*Rd/（2L1）
所以电感电流断续模式状态下的电压增益MDCM=.png)
上式中，.png)
与传统Boost拓扑结构的电压增益相比，基于有源网络的高增益直流升压变换器的电压增益是其2倍左右。所以，基于有源网络的高增益直流升压变换器具有更高的电压增益效果，更有利于提高光伏系统的太阳能转换效率。
假设开关S1所承受的电压应力为UVPS1，开关S2所承受的电压应力为UVPS2，则：
UVPS1=UVPS2=UC1-ULI
UC1=UO-UDC
UDC=UL1+UL2
所以：
UVPS1=UVPS2=UDC/（1-D）=UO/2
UVPD2=UO-UVPS1=UO/2
UVPD1=UO
所以，基于有源网络的高增益直流升压变换器有源开关管的电压应力是传统Boost电路中有源开关管电压应力的二分之一，所以其控制更加简单。
结论
两级式光伏发电系统中的DC-DC升压环节是整个系统是否可以正常运行的关键环节，对后级的DC-AC逆变器单元模块正常并网具有直接影响。DC-DC升压变换器的性能对整个系统的能量转换具有直接影响。本文对基于二极管钳位的高增益直流升压变换器和基于有源网络的高增益直流升压变换器两种新型的直流升压变换器进行研究，并计算两种变换器的电压增益公式，结果表明两种直流升压变换器均可以有效提升光伏系统的能量转换效率，提高光伏系统将太阳能转换为电能的效率。
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论文作者:朱公庭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/6
标签：变换器论文; 电感论文; 电压论文; 工作论文; 模态论文; 电流论文; 电容论文; 《基层建设》2019年第27期论文;