Cúk型電路拓?fù)湓谔柲苈窡艨刂破髦械膽?yīng)用

李桂玲等

摘 要： 本文針對(duì)Cúk型拓?fù)涞碾娐诽攸c(diǎn)，提出了基于Cúk拓?fù)涞奶柲芸刂破鞴β首儞Q電路設(shè)計(jì)和仿真，首先對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤策略進(jìn)行了探討和分析，從而引入了Cúk型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理論研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了電路參數(shù)設(shè)計(jì)，利用Matlab工具建立了仿真模型，并進(jìn)行了仿真，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞： Cúk型拓?fù)?太陽能路燈控制器 應(yīng)用

1.引言

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種新能源技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在一定程度上緩解了能源危機(jī)。太陽能路燈照明系統(tǒng)作為這一技術(shù)的典型應(yīng)用，其發(fā)展空間大，目前正朝著高效、可靠、低成本、智能化方向發(fā)展[1]。作為系統(tǒng)的核心部件——控制器，其性能的優(yōu)劣直接影響應(yīng)用，尤其是其效率指標(biāo)尤為關(guān)鍵，與電路結(jié)構(gòu)、充電方法、器件選擇等諸多因素有關(guān)，這里又以電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響最大。因此，合理選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)效率提升、延長(zhǎng)電池使用壽命、降低成本至關(guān)重要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能路燈控制系統(tǒng)框圖

文中選用的Cúk型電路，其輸入的直流電壓可在一定范圍內(nèi)變化，而輸出的直流電壓則非常平穩(wěn)。通過改變Cúk電路中的電感值或開關(guān)頻率，可以將紋波電壓控制在很小范圍，理論上甚至可以為零。并且，在開關(guān)管的導(dǎo)通和截止期間，都能傳遞功率，傳輸效率高。另外，Cúk電路的電壓變比理論上可在0～∞變化，通過改變PWM的占空比可以實(shí)現(xiàn)電壓比的調(diào)整。因此，該結(jié)構(gòu)電路既可以實(shí)現(xiàn)升壓變換，又可以實(shí)現(xiàn)降壓變換[2]。由此可見，Cúk電路結(jié)構(gòu)非常適合光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤，可大幅提高系統(tǒng)效率。

2.最大功率點(diǎn)跟蹤的必要性

在太陽能路燈照明系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要途徑是實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽能電池組件的輸出功率，通過一定控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前狀況下組件可能的最大功率輸出，從而改變當(dāng)前阻抗情況，調(diào)整太陽能電池組件的工作點(diǎn)，使其始終工作在最大功率點(diǎn)的附近，這一過程就稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），相應(yīng)技術(shù)稱為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[3]。在充電控制部分加入最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，能更有效地利用太陽能電池組件轉(zhuǎn)換的能量，極大地提高轉(zhuǎn)換效率。

通常，為使負(fù)載獲得最大功率，通常要進(jìn)行負(fù)載合理匹配，即使負(fù)載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻。但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻會(huì)受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多種因素的影響，是變化的[4]。因此，上述方法難以實(shí)現(xiàn)最大輸出功率點(diǎn)的跟蹤。

一般是在太陽能電池板和負(fù)載之間增加一個(gè)DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)太陽能電池負(fù)載的阻抗變換，通過改變DC/DC變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通率調(diào)整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制[5]。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：Buck、Boost、Buck-Boost、Cúk型，筆者采用Cúk變換器，它同時(shí)具有升壓和降壓功能，Cúk變換器應(yīng)用于太陽能路燈控制器中，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，大大提高系統(tǒng)效率。

3.Cúk電路拓?fù)?/p>

3.1Cúk電路特點(diǎn)

Cúk型電路拓?fù)渑c前面三種電路拓?fù)湎啾龋哂幸韵峦怀鰞?yōu)點(diǎn)。

3.1.1輸入、輸出電流連續(xù)，基本均為平穩(wěn)的直流，脈動(dòng)很小，不需要加濾波器就可實(shí)現(xiàn)；

3.1.2同一電路可實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，電壓變比理論上可實(shí)現(xiàn)0～∞間的調(diào)節(jié)。占空比在0～0.5之間時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)降壓斬波；占空比在0.5～1之間時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)升壓斬波。

3.1.3開關(guān)管一端接地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

因此，在一些文獻(xiàn)中，Cúk電路又被稱為最優(yōu)化的、應(yīng)用價(jià)值極高的拓?fù)潆娐贰?/p>

3.2Cúk型電路拓?fù)浠驹?/p>

3.2.1電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Cúk型拓?fù)溆址Q為Boost-Buck電路，是由前級(jí)的Boost電路和后級(jí)的Buck電路串聯(lián)構(gòu)成。經(jīng)變換后，實(shí)際電路由開關(guān)管負(fù)載R上的電壓仿真波形。圖5（b）的波形為占空比D=0.44時(shí)，負(fù)載R上的電壓仿真波形。由圖可知，不同輸入電壓情況下，調(diào)節(jié)占空比可實(shí)現(xiàn)升壓或降壓，以此穩(wěn)定輸出端的電壓，此種情況模擬的實(shí)際光伏系統(tǒng)充電的情況。仿真結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)值相吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

4.結(jié)語

筆者通過對(duì)Cúk電路的工作原理分析和理論推導(dǎo)，說明電路功能和基本特性。又通過具體工程案例對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和建模仿真，得出了理論和實(shí)踐相一致的結(jié)論，為Cuk PWM DC/DC變換器的實(shí)際應(yīng)用打下了實(shí)踐基礎(chǔ)，該分析方法可推廣到其他類型電路拓?fù)涞姆治龊蛯?shí)踐中，具有一定的指導(dǎo)意義。

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