2023年8月2日发(作者：)

第３期　２０１２年５月　电　源　学　报　Ｎｏ．３　Ｍａｖ．２０ｌ２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　光伏系统中Ｂｏｏｓｔ变换器的研究　潘伟，夏东伟，毛小明，刘玉朋，何占宁　（青岛大学自动化工程学院，山东青岛２６６０７１）　摘要：在光伏发电系统中，前级升压变换器多采用Ｂｏｏｓｔ变换器，传统电压控制方式存在动态响应速度慢，系统　稳定性差的缺点，针对上述问题，对原电路连续工作下的两种工作状态进行小信号建模，然后通过仿真得到Ｂｏｄｅ　图，根据ｂｏｄｅ图设计了该控制环路的反馈补偿网络。最后，仿真和实验验证了小信号模型和补偿网络的正确性和有　效性。　关键词：ｂｏｏｓｔ；光伏；小信号建模；补偿网络　中图分类号：ＴＭ９１４．４＋１　文献标志码：Ｂ　文章编号：２０９５—２８０５（２０１２）０３—００８６—０５　引言　利用太阳能发电作为一种新的电能生产方式，　具有无污染、无噪音、维护简单等优点。光伏发电系　统主要由光伏阵列、逆变器、控制器构成，前级ＤＣ—　ＤＣ变换器通常采用Ｂｏｏｓｔ升压变换器，控制系统采　用传统的电压模式控制时。受外界干扰后动态响应　图１　ｂｏｏｓｔ电路　速度慢，甚至会导致系统的不稳定。这就给光伏发　电系统中Ｂｏｏｓｔ变换器的研究和发展留下了广阔的　空间。同时，Ｂｏｏｓｔ变换器的发展也会带动光伏发电　系统的发展和推广。　图２，电源经由电感一开关形成回路，电流在电感中　转化为磁能贮存；负载Ｒ上的电压　靠滤波电容Ｃ　维持。　（２）放电过程：放电过程中，开关管（Ｍｏｓｆｅｔ）截　止，二极管导通，等效电路如图３，电感中的磁能转　化为电能在电感端左负右正．此电压叠加在电源正　端．经由二极管一负载形成回路，电感把前一阶段　１　ｂｏｏｓｔ电路工作原理　Ｂｏｏｓｔ电路又称为升压型电路．是一种输出电压　贮存的能量释放给负载和电容，即电感给电容充　电，电容两端电压升高，完成升压功能。　高于输入电压的单管不隔离直流变换器【１］。其电路　结构如图１所示。开关管ＶＱ为ＰＷＭ控制方式，最　大占空比Ｄ必须限制，不允许在Ｄ＝Ｉ的状态下工　２应用电路参数设计及建模　作。电感　在输入侧。称为升压电感。此电路广泛应　用于各种电源设备的设计中．在开关电源领域占有　很重要的地位。　其工作的基本原理是：　（１）充电过程：充电过程中，开关管（Ｍｏｓｆｅｔ）导　＿　Ｃ丰　：　通，二极管截止，开关管处等效为导线，等效电路如　收稿日期：２０１２—０３—２８　图２开关状态１　第３期　潘伟，等：光伏系统中Ｂｏｏｓｔ变换器的研究　图３开关状态２　２．１电路参数的设计　电路技术指标［２】：太阳能电池板选择１６０ｘ２３２￣　１８（Ｌ￣Ｗ￣Ｈ）ｍｍ规格的电池板，开路电压１４．４　Ｖ，峰　值工作电压ｌ２　Ｖ，工作电流为０．３　Ａ，考虑太阳能电　池板的实际输出电压波动范围（大约２０％），则输入　电压为　＝９～１２　Ｖ，输出电压Ｖ。＝１５　Ｖ，开关频率＝　．　４０　ｋＨｚ。　２．２电感　的计算　电路保持ＣＣＭ模式的临界条件为：　Ｌ≥Ｄ　（１一Ｄ　ｎ）　Ｒ　２　（１）　Ｄ　＝（　。一　一／Ｖ。＝１５—１２／１５＝０．２　Ｄ一＝（　。一　ｎ）／Ｖ。＝（１５－９）／１５＝０．４　上式中　是最小输入电压，　一是最大输入　电压，　为输出电压，　为负载等效电阻，　为开关　周期。　其中　＝９　Ｖ，　巩Ⅱ　＝１２　Ｖ，Ｖ。＝１５　Ｖ，Ｒ＝３０　Ｑ，　１　＝４０　ｋＨｚ。　则根据公式（１）得Ｌ＝４８　Ｈ，考虑到１．２倍的电　感裕量，选Ｌ＝６０　ＩｘＨ。　２．３输出电容Ｃ的计算　根据输出电压纹波指示要求．可得最小输出滤　波电容为　Ｇｒｏｉｎ　Ｖ。ＤＴ／ＡＶ。Ｒ　（２）　式中：△　。为输出电压纹波。　在实际电路中，由于电路中的原件存在寄生参　数似的最小电容设计必须考虑一定的裕度系数Ａ　即　（　＝ＡＶ。Ｄ。　△　。　（３）　通常Ａ取值为２～４。　Ｖ。＝１５　Ｖ，Ｄ。ＴＨ】‘＝０．４，ｆ＝－４０　ｋＨｚ，Ｌ＝ｏ．５　Ａ，Ａ取值３，　据式（３）得Ｃｍ＝１００　Ｆ，考虑一定的电容裕量，Ｃ取　２００　ＩｘＦ。　２．４　ＢＯＯＳＴ变换器的小信号模型　在开关管开通和关断过程中，分别对状态变量　电感电压ｖＬ（ｔ）ｉ￣电容电流　ｃ（ｆ）建立动态方程。当变　换器满足低频假设和小纹波假设时。可近似认为电　感电压ＶＬ（ｆ）和电容电流ｉｃ（ｔ）平均变量与瞬时值相　等。　（１）Ｏ－ＤＴｓ时间段内，开关管导通，其等效电路　如图４所示。电感电压　（　）和电容电流　）分别为　Ｖ　（　）＝　（ｆ）　（Ｖ　㈦　（４）　ｃ　ｄｖ（ｔ）＝一　一　（５）　（２）在ＤＴｓ—Ｔｓ时间段内，开关管关断，其等效　电路如图５所示。电感电压　（ｚ）和电容电流　）分　别为　（ｆ）＝上　》乃一（Ｖ　））　（６）　ｉｃ（ｔ）＝ｃ　）一　（　））　一　Ｒ（７）　）　＋ｖ　（ｆ）一　Ｃ丰　：　图４等效电路　ｆ（　）　上　＋　ｖ（　＿　图５等效电路　通过对Ｂｏｏｓｔ变换器在一个开关周期内的两个　工作状态的分析．进一步求取电感电压和电容电流　在一个开关周期内的平均值。经分离扰动，对非线　性的小信号状态方程进行线性化处理。忽略二阶小　信号后。得到了变换器的线性状态方程：　：一Ｄ　（ｆ）＋　（ｆ）＋　（，）　（８）　ｃ　出　一＝Ｄ　　Ｒ掣一　～　　（９）　８８　电　源　学　报　总第４１期　（３）对线性状态方程进行Ｓ域等效变换，得到变　在控制环节中，系统的补偿网络的设计采用的　换器占空比ａ（Ｓ）至输出　（ｓ）的传递函数Ｇ　（ｓ），式中　Ｄ’＝１一Ｄ。　，　是频域法，根据系统的传递函数，推导出系统的幅　频和相频特性。补偿网络的设计原则是：①稳定性，　ｓＬ　㈢　３系统补偿环节设计　・一ｌＯＸ　通常选择相位裕量在４５。左右，增益裕量在１０　ｄＢ左　右；②直流增益尽可能大，以提高系统调节精度；③　幅频图在增益交越频率　处的斜率为一２０　ｄＢ／ｄｅｃ。　不加反馈补偿时，占空比ａ　）至输出　）的传递　函数为　１　６０ｘｌＯ－Ｓｓ、（ｔ　一０．６２ｘ６０）　＝一　＝南　．　Ｌ　：　Ｊ［）　Ｄ¨　Ｖ４ｓ）　ｖｌ（　）　图７补偿嘲络　设加入补偿网络Ｇ　）后，回路函数Ｇ　）＝Ｇ。　）Ｇ。　）的增益交越频率　等于—　的开关频率　，于　是增益交越频率　＝　图６补偿前系统波特图　ｘ４０　ｋＨｚ＝１０　ｋＨｚ　利用补偿网络幅频图在　至　ｚ之间斜率为２０　ｄＢ／ｄｅｃ上升的特性，取　为２　ｋＨｚ，　：为２３　ｋＨｚ，而　　．作出波特图幅频特性如图６所示。系统截止频　率为４．５３　ｋＨｚ，相位裕度仅为２ｌ。．幅值裕度为５．４　ｄＢ。该系统不稳定，所以需要加入补偿网络。电压环　补偿网络采用双极点双零点的补偿网络，如图７所　示，补偿网络的传递函数为　Ｇ　＝　１取为１　ｋＨｚ，Ｃ２Ｒ　的值取ｌ０　。　则可得　Ｇ　＝　于是可以得到补偿网络Ｇ　）的波特图特性，如　图８所示。　电　源　学　报　总第４１期　ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅ　ＤＣ－ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　【ＪＪ．　ＩＥＥＥ　【６］周蜜，肖晟昱．一种改进型全桥Ｂｏｏｓｔ变换器的建模及补　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９１，３８（４）：４１０－４１７．　【５】徐德鸿．电力电子系统建模及控制【Ｍ］．北京：机械工业出　版社．２００６：９５一ｌ１０．　偿环节设计［Ｊ］．低压电器，２０１０，（２４）：４７—５２．　【７】徐宁，杜少武．电动车用智能型快速充电器的研制【Ｊ］．电　气自动化，２００１，（１）：６７—７０．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｂｏｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＰＡＮ　Ｗｅｉ，ＸＩＡ　Ｄｏｎｇ—ｗｅｉ，ＭＡＯ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｙｕ—ｐｅｎｇ，ＨＥ　Ｚｈａｎ—ｎｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６０７　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｂｒｏａｄｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｅｄｉｎｇ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｉｏｎａｌｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ｓｌｏｗｌｙ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｐｏｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ　ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｗｉｔｈ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｔＷＯ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｉｒｓｌｙ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　Ｂｏｄｅ　ｇｒａｐｈ　ｗａｓ　ｇｏｔｔｔｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　￣ｅｄｂａｃｋ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｌｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｇｈｅ　Ｂｏｄｅ　ｇｒａｐｈ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｎａｇｌ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｏｏｓｔ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　（上接第８５页）　Ｃｈｉｎａ，ｖｏ１．１，ＰＰ．５５５—５５８．　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｈａｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｂｏｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰＥＳＣ　２００７，ｖｏ１．　１，ＰＰ．２６５８－２６６３．　【７】Ｆｕ　Ｚａｎｘｕａｎ，Ｑｕ　Ｗｅｎｌｏｎｇ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｈａｒｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ＤＣ／ＤＣ　Ｃｏｎ　ｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　ＩＣＥＭＳ　２００３，Ｖｏ１．１，ｐｐ．３９４－３９７．　［９】Ｘｉｎ　Ｙｉｂｏ，Ｗｕ　Ｘｉｎ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　Ｎｏｖｅｌ　ＤＣ／ＤＣ　Ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｐａｒａｌｌｅ１．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＳＡ　２０１０，ｖｏ１．１，ＰＰ．１－３．　［８］Ｂｙｕｎｇ－Ｓｕｎ　Ｍｉｎ，Ｎａｍ－Ｊｕ　Ｐａｒｋ，Ｄｏｎｇ—Ｓｅｏｋ　Ｈｙｕｎ．Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ａ　Ｒａｎｄｏｍｌｙ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｂｏｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｄｒｏｏｐ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ＳＨＩ　Ｗａｎｇ—ｗａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｃｈａｏ　，ＦＥＮＧ　Ｊｕｎ—ｙｏｎｇ　ｆ１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２５１２７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２５００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｄｒｏｏｐ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｉｎ　ｐａｒａｌｌｅｌ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＤＣ—ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔＯ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　ｉｎ　ｄｒｏｏｐ　ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｈｒｅｅ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｓｈｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔＯ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｅｃｈｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔＯ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌａｇｅ　ａｃｃｏｒｄｉｔｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｄｅｃｈｎｅ．Ｔｈｅ　ｒａｎｄｏｍｌｙ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｙ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒａｔｉｏ　ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｗｅｒｅ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｍｕｉｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｏｏｓｔ；ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ；ｄｒｏｏｐ　ａｐｐｒｏａｃｈ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ