BFC直流变换器在光伏发电系统中的应用研究

刘芳1，刘玉友2，符再兴1

（1.哈尔滨工业大学（威海） 信息与电气工程学院，山东威海264209；2.山东省长岛县供电公司，山东长岛265800）

摘要：光伏发电系统中输出电压随光强变化波动较大，为保证正常并网逆变，需要一种高增益的直流变换器将光伏输出电压提升到常规直流母线电压。这里主要研究一种基于Boost拓扑、Flyback拓扑的升压反激式变换器（BFC）在太阳能光伏发电系统的应用。BFC将Boost拓扑与Flyback拓扑输入并联、输出串联，反激拓扑中的初级线圈电感同时作为Boost拓扑的输入电感，变压器的漏感能量得到了利用。仿真结果表明，新型BFC直流变换器应用于光伏发电系统时，具有提高输出电压增益，减小电压纹波，跟踪效果更好等优点。

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关键词 ：光伏发电；BFC拓扑；高增益直流变换器；漏感

中图分类号：TN624?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0145?04

收稿日期：2015?01?25

0 引言

随着经济的快速发展，全球能源总消耗量日益增大。人们迫切需要寻找到一种可再生、储量大、清洁方便的能源来支撑经济的高速发展，开发和利用太阳能成为热门研究方向。

光电转化是利用光伏电池将太阳辐射能直接转换成电能，且和储能装置、测量控制装置和直流?交流转换装置相配合，构成光伏发电系统[1]。光伏电池输出电压大小随光照强度变化波动较大，最低可至20~30 V。为保证正常并网逆变需要，需要一种具有高增益的直流变换器将光伏电池输出电压提升至常规直流母线电压。本文探究了一种基于Boost 拓扑与反激拓扑配合的Boost?Flyback Convertor（BFC）的工作原理以及在太阳能光伏发电系统中的应用。BFC 将Boost 拓扑与Fly?back 拓扑输入并联、输出串联，并采用交错导通技术。其中反激拓扑中的初级线圈电感同时作为Boost拓扑的输入电感，变压器的漏感能量得到了利用，减小了漏感损耗，提高了变换器的转换效率。

1 Boost?Flyback 变换器结构及分析

1.1 Boost?Flyback变换器工作原理

Boost电路和Flyback 电路的输入结构相似，将两个拓扑的“输入并，输出串”，就组成了新型的BFC（Boost?Flyback Converter）拓扑[2]，如图1 所示。变压器的激磁电感和漏感分别为LM 和LK，初级线圈电感为LP=LM+LK，变压器原边线圈匝数为Nx，变压器副边线圈的匝数为Ny，且Nx∶Ny=n。反激变换器的输出二极管对应BFC 中的D1，与此类似Boost变换器的输出二极管对应DC1 。同时这里提高输出电压增益也可以通过调节变压器匝比和占空比实现。

其工作过程可简单分析如下：开关管导通时，电流通过初级线圈和开关管组成回路，电感LP 起到储能作用，同时给开关管寄生电容CDS充电。二极管D1因次级线圈电压相位而处于反相截止状态，DC1 处也没有电流通过，电路通过2个输出级电容向负载提供能量；开关管S闭合时，通过次级线圈向负载供能。同时，Uin和初级线圈共同向电容CC 和负载提供能量，其工作过程与Boost 电路类似。在该过程中，初级线圈的漏感部分LK中贮存的能量也通过DC1 传输到负载侧，也就是说Boost 电路不仅具有升压功能，同时也能吸收高频变压器中漏感储存的能量，将漏感损耗能量传输到负载侧，提高了变换效率；当开关管断开时，DC1导通，形成UI?线圈?DC1?CC回路，开关管电压被变压器和电容CC钳位，避免了因出现严重的关断尖峰电压而烧坏开关管的情况。采用BFC新型输入输出结构既大幅度提高电压增益，同时减小了输出电容的电压应力。

1.2 电压增益分析

开关管关断后，负载由激磁电感LM（Flyback等效）和漏电感LK（Boost等效）供能。其中：UB为Boost 变换器输出电压，UF=UC1+ UC1 n 为反激变换器的输出电压。研究可得，对于BFC“输入并，输出串”时的电压增益为：

式中k 为双路输出的电压增益。

由式（1）可知，对比单一的Boost变换器或反激变换器，新型逆变器的输出电压大幅度增加，漏感和激磁电感的比值对输出电压提高幅度有很大影响，漏感与输出电压幅值成正比，就是说新型BFC 变换器，利用变压器的漏感来提高了电压增益，同时解决了反激变换器的漏感问题，一举两得。由此可见，原边开关管电流应力一定时，可以实现更大的输出功率；漏感另一作用是对二极管电流的变化起到限制作用，增强系统的电磁兼容性。

2 光伏系统中最大功率跟踪的实现

根据文献[3]等效电路建立Matlab/Simulink模型，如图2所示。

为实现最大功率跟踪，这里选择电导增量法[4]，根据文献[3] 提供的P?V 曲线可知，在最大功率点处存在dP/dV=0，分析可知在最大功率点处有下式成立[5?8]：

故可利用式（2）来判定光伏电池是否工作在最大功率点。

在U?I 曲线上未达到最大功率点时存在关系：

在U?I 曲线上超过最大功率点时存在关系：

光伏组件电压可利用式（4）进行相应的调节。

相应的控制流程如图3所示。

电导增量法的数学依据是在最大功率点处功率对电压的导数为0。P?V 曲线为单峰值曲线，从原理上来分析，用电导增量法进行最大功率跟踪时属于无差跟踪，跟踪效果比较理想[9?10]。

3 系统仿真及结果

图4 所示为电导增量法用于新型Boost?Flyback 变换器的单路MPPT控制模型，在t=0.1 s的时刻施加光强和温度的扰动，图5，图6为仿真结果。

3.1 BFC与Boost拓扑的MPPT比较

图7 所示为电导增量法用于Boost 变换器的MPPT控制模型，在t=0.05 s 的时刻施加光强和温度的扰动，图8，图9为仿真结果。由单路BFC和传统Boost仿真结果对比可知，将电导增量法应用于新型BFC拓扑上时，相对比传统的Boost能够平稳、快速地跟踪光伏电池的最大功率，输出电压值更稳定。

3.2 交错导通的BFC的MPPT仿真

为了使BFC的高增益高效率的特点更加明显，这里进一步采用了交错导通的BFC模型来验证。图10所示为电导增量法用于交错Boost?Flyback 变换器的MPPT控制模型，拓扑中的器件参数保持不变，在t=0.07 s的时刻施加光强和温度的扰动，图11，图12为仿真结果。比较传统Boost变换器的MPPT控制波形与交错的BFC变换器的MPPT 控制波形，清楚看到：BFC 的跟踪速度相较于传统Boost更快，超调量远小于传统Boost变换器；交错BFC的跟踪波形为一条平滑的曲线，纹波较小。而Boost变换器的波形则存在一定大小的纹波，输出电能质量也不及交错的BFC拓扑结构。交错BFC的仿真结果要明显优于单路的BFC。

4 结语

本文主要工作是研究了具有高增益高效率特点的新型BFC变换器在光伏发电系统中的应用，并对此进行了仿真验证。由于BFC变换器具有提高光伏输出电压、减小电压纹波以及提高变换器的转换效率等特点，相比于传统的Boost变换器，BFC 直流变换器应用于光伏发电时，最大功率点跟踪速度更快，跟踪过程更为平滑，超调小于Boost变换器，输出波形稳定后的跟踪波形也更稳定、波动小。

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作者简介：刘芳（1979—），女，山东德州人，硕士。研究方向为电力电子与电气传动。