秦 明, 李靜超

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

一種改進(jìn)脈沖序列控制Boost變換器研究*

秦 明, 李靜超

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對(duì)脈沖序列(PT)控制Boost變換器適用輸入電壓范圍窄的問題，研究了一種改進(jìn)PT控制Boost變換器。介紹了改進(jìn)PT控制Boost變換器的基本原理和工作過程，搭建仿真電路模型并設(shè)計(jì)硬件試驗(yàn)電路，得出仿真及試驗(yàn)波形，驗(yàn)證了改進(jìn)PT控制Boost變換器的可行性和先進(jìn)性。研究表明，改進(jìn)PT控制Boost變換器不僅適用輸入電壓范圍寬，且穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)特性良好。

輸入電壓范圍； 脈沖序列控制； Boost變換器

0 引 言

石油等一次能源供應(yīng)緊張，世界能源面臨前所未有的危機(jī)，且環(huán)境污染等問題日益突出，引起了世界各國的關(guān)注。新能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題的關(guān)鍵，綜合和高效利用各類新能源備受關(guān)注。太陽能、風(fēng)能等清潔能源可再生，對(duì)于環(huán)境無污染，受到了專家學(xué)者的青睞，研究清潔能源發(fā)電技術(shù)具有重大意義，因此新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速、前途明朗。但是，受自然環(huán)境的影響，新能源發(fā)電技術(shù)的輸出特性較復(fù)雜，電能質(zhì)量難以保證，無法直接提供給用電設(shè)備，通常采用直流變換器進(jìn)行特定的功率變換。如光伏發(fā)電技術(shù)，光伏陣列輸出具有非線性特征，其輸出電壓會(huì)受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的變化而在較寬范圍內(nèi)變化[1-10]。因此，研究一種適應(yīng)輸入源電壓寬范圍變化的直流變換器必不可少。

開關(guān)變換器脈沖序列(Pulse Train,PT)控制技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型控制技術(shù)，不同于PWM控制技術(shù)，PT控制具有更優(yōu)異的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性[11-17]。但是PT控制采用一組預(yù)定的高低能量脈沖，其受控變換器輸入電壓適用范圍窄，不適合在光伏發(fā)電等場(chǎng)合應(yīng)用。此后出現(xiàn)的改進(jìn)型PT控制技術(shù)主要在于優(yōu)化受控變換器的輸出特性，但也不適合用于寬輸入電壓場(chǎng)合[18-20]。針對(duì)此類問題，本文研究了一種改進(jìn)PT控制的Boost變換器。

1 基本原理和工作過程

1.1 基本原理

改進(jìn)PT控制Boost變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在每個(gè)開關(guān)周期起始時(shí)，控制器檢測(cè)輸入電壓Uin和輸出電壓Uo，輸入電壓分為N個(gè)區(qū)間，即Uin<σ1、σn-1≤Uin<σn(1Uref，控制器發(fā)出脈沖PLn驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。按照以上控制規(guī)律，當(dāng)變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制器發(fā)出由PHn和PLn組成的PT，PT所經(jīng)歷的時(shí)間被稱為循環(huán)周期。

圖1 改進(jìn)PT控制Boost變換器結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，此改進(jìn)PT控制Boost變換器引入輸入電壓前饋環(huán)節(jié)，并采用多個(gè)組別控制脈沖，因此能夠適應(yīng)寬范圍輸入電壓的變化。

1.2 工作過程

假設(shè)控制器采用3個(gè)組別的控制脈沖，即第一組控制脈沖PH1和PL1、第二組控制脈沖PH2和PL2、第三組控制脈沖PH3和PL3,其占空比分別為DH1和DL1、DH2和DL2、DH3和DL3。設(shè)變換器輸入基準(zhǔn)電壓為σ1和σ2，輸入電壓據(jù)此被劃分為3個(gè)幅值區(qū)間，即Uin<σ1、σ1≤Uin<σ2、Uin≥σ2。改進(jìn)PT控制Boost變換器工作過程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)PT控制Boost變換器工作過程

在每個(gè)開關(guān)周期起始時(shí)，控制器自動(dòng)檢測(cè)輸入電壓和輸出電壓大小。當(dāng)輸入電壓處于第一幅值區(qū)間時(shí)，即Uin<σ1，控制器選擇占空比級(jí)別最大的一組控制脈沖PH1和PL1，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)變換器工作在第一區(qū)間。如果Uo

2 仿真驗(yàn)證

圖3 改進(jìn)PT控制Boost變換器穩(wěn)態(tài)工作波(Uin=6 V)

為了驗(yàn)證改進(jìn)PT控制Boost變換器的可行性，運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件搭建仿真試驗(yàn)平臺(tái)，仿真參數(shù)如下：額定輸入電壓Uin=6 V，L=33 μH，C=2 000 μF，Uo=12 V，P=4.5 W，T=50 μs，DH1=0.7，DL1=0.25，DH2=0.5，DL2=0.16，DH3=0.3，DL3=0.1，σ1=5 V，σ2=7 V。改進(jìn)PT控制Boost變換器在額定輸入電壓6 V穩(wěn)定工作時(shí),其穩(wěn)態(tài)工作波形如圖3所示。由圖3(b)可知控制器發(fā)出的脈沖序列組合為PH2-2PL2-PH2-PL2，脈沖數(shù)量比例k2=2/3；由圖3(c)可以看出輸出電壓為12 V，電壓紋波約為70 mV。

圖4為改進(jìn)PT控制Boost變換器瞬態(tài)工作波形。由圖4(a)、圖4(c)可知在9.2 ms時(shí)輸入電壓由3.5 V躍變至5 V，控制器發(fā)出的PT組合由3PH1-PL1-4PH1-PL1變?yōu)?PH2-PL2，輸入電壓為3.5 V時(shí)的脈沖數(shù)量比k1=3.5，輸入電壓為5 V時(shí)脈沖數(shù)量比k2=3；在9.4 ms時(shí)輸入電壓由5 V躍變至7 V，控制器發(fā)出的PT組合由3PH2-PL2變?yōu)?PH3-PL3，輸入電壓為7 V時(shí)的脈沖數(shù)量比k3=3；9.6 ms時(shí)輸入電壓由7 V躍變至9 V，控制器發(fā)出的PT組合由3PH3-PL3變?yōu)镻H3-3PL3，輸入電壓為9 V時(shí)的脈沖數(shù)量比k3=1/3。由圖4(b)可以看出改進(jìn)PT控制Boost變換器在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)其輸出電壓及電壓紋波均無明顯變化，輸出電壓為12 V，電壓紋波約為80 mV，瞬態(tài)性能良好。

圖4 輸入電壓變化時(shí)改進(jìn)PT控制Boost變換器工作波形

圖5為PT控制Boost變換器瞬態(tài)工作波形。由圖5(a)、圖5(c)可知在9.2 ms時(shí)輸入電壓由5.2 V躍變至7.2 V，控制器發(fā)出的PT組合由3PH-PL-4PH-PL變?yōu)镻H-3PL，脈沖數(shù)量比k由3.5變化為1/3，輸出電壓紋波由70 mV抬升為100 mV。輸出電壓有一點(diǎn)升高。

圖5 輸入電壓變化時(shí)PT控制Boost變換器工作波形

綜上可知，改進(jìn)PT控制Boost變換器不僅保留了PT控制的優(yōu)點(diǎn)，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且適應(yīng)輸入電壓范圍寬，輸出特性良好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，對(duì)改進(jìn)PT控制Boost變換器進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)和仿真參數(shù)一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 改進(jìn)PT控制Boost變換器試驗(yàn)波形(Uin=4 V)

從圖6(a)波形可知改進(jìn)PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時(shí)控制器脈沖組合為PH1-PL1，由圖6(b)可知輸出電壓為12 V，電壓紋波約為70 mV。

圖7 改進(jìn)PT控制Boost變換器試驗(yàn)波形(Uin=6 V)

由圖7(a)可知此改進(jìn)PT控制Boost變換器在6 V輸入電壓工作時(shí)控制器脈沖組合為PH2-2PL2-PH2-PL2，由圖7(b)可知變換器輸出電壓幅值為12 V，電壓紋波約為75 mV。

圖8 改進(jìn)PT控制Boost變換器試驗(yàn)波形(Uin=8 V)

由圖8(a)波形可以看出改進(jìn)PT控制Boost變換器在8 V輸入電壓工作時(shí)控制器脈沖組合為PH3-2PL3，圖8(b)顯示了變換器輸出電壓幅值為12 V，電壓紋波約為75 mV。

圖9 PT控制Boost變換器試驗(yàn)波形(Uin=4 V)

圖9顯示了PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形。由圖9(a)電感電流和控制脈沖波形可知控制器發(fā)出的脈沖均為高能量控制脈沖。由圖9(b)輸出電壓和電壓紋波波形可以看出PT控制Boost變換器輸出電壓幅值為11 V，電壓紋波約為60 mV。說明PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時(shí)失去穩(wěn)態(tài)，輸出電壓幅值嚴(yán)重跌落，低于基準(zhǔn)電壓12 V。

試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)PT控制Boost變換器工作范圍寬，同時(shí)具有較好的輸出特性。試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 語

本文以PT控制為基礎(chǔ)，研究了改進(jìn)PT控制Boost變換器的工作原理及工作過程，仿真和試驗(yàn)分析了該變換器的輸入及輸出特性。變換器增加輸入電壓前饋環(huán)節(jié)，且控制器采用多個(gè)組別脈沖調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)PT控制Boost變換器適用輸入電壓范圍窄的缺點(diǎn)。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)PT控制Boost變換器適用輸入電壓范圍寬，且瞬態(tài)特性和穩(wěn)定性良好。

[1] 吳鳳江,孫醒濤,江彥.直流微電網(wǎng)周期波動(dòng)對(duì)光伏系統(tǒng)輸出功率的影響及其抑制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2014,34(3)： 34-39.

[2] 宋鑫,肖建國,牛潔茹,等.一種用于新能源混合發(fā)電的移相控制三端口DC-DC變流器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(17): 36-44.

[3] 王繼東,朱雪玲,蘇海濱,等.三相光伏并網(wǎng)Z—源逆變器的比例諧振控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(4): 86-91.

[4] 丁明,王偉勝,王秀麗,等.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(1): 1-14.

[5] 汪洋,羅全明,支樹播,等.一種交錯(cuò)并聯(lián)高升壓BOOST變換器[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,41(5): 133-139.

[6] 陳劍飛,侯世英,孫韜,等.基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的雙輸入升壓變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(15): 118-126.

[7] KADRI R, GAUBERT J P, CHAMPENOIS G.Non-dissipative string current diverter for solving the cascaded DC-DC converter connection problem in photovoltaic power generation system[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1249-1258.

[8] MOZINA C J.Impact of green power distributed generation[J].IEEE Industry Applications Magazine, 2010, 16(4): 55-62.

[9] SUN D, GE B, LIANG W, et al.An energy stored Quasi-Z-source cascade multilevel inverter based photovoltaic power generation system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(9): 5458-5467.

[10] LIANG J, MOLINA D D, VENAVAGAMOORTHY G K, et al.Two-Level dynamic stochastic optimal power flow control for power systems with intermittent renewable generation[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 2670-2678.

[11] 李永東,高躍,候軒.大容量多電平變換器PWM控制技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].電力電子技術(shù),2005,39(5): 5-9.

[12] 姚川,阮新波,曹偉杰,等.雙管Buck-Boost變換器的輸入電壓前饋控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(21): 36-44.

[13] 張希,沙金,徐楊軍,等.恒定導(dǎo)通時(shí)間電容電流控制Buck變換器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(23): 18-23.

[14] 沙金,許建平.脈沖序列控制開關(guān)變換器的脈沖組合規(guī)律及其多周期態(tài)研究[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(21): 412-424.

[15] 劉樹林,劉健,寇蕾,等.Buck DC-DC變換器的輸出紋波電壓分析及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(2): 91-97.

[16] XU J, WANG J.Bi-frequency pulse-train control technique for switching DC-DC converters operating in DCM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(8): 3658-3667.

[17] KHALIGH A, RAHIMI A M, EMADI A.Negative impedance stabilizing pulse adjustment control technique for DC-DC converters operating in discontinuous conduction mode and driving constant power loads[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56(4): 2005-2016.

[18] QIN M, XU J.Multi-duty ratio modulation technique for switching DC-DC converters operating in discontinuous conduction mode[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(10): 3497-3507.

[19] 岳誠,秦明,王要強(qiáng).基于DSP的脈沖序列控制偽連續(xù)模式DC-DC變換器研究[J].電焊機(jī),2015,45(11): 21-25.

[20] 秦明, 許建平,王金平,等.多級(jí)脈沖序列控制Boost變換器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(4): 533-538.

Research on Improved Pulse Train Controlled Boost Converter*

QINMing,LIJingchao

(School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to increase the applicable input voltage scope of pulse train (PT) controlled Boost converter, an improved pulse train controlled Boost converter was studied.The principle and operational process of the improved PT controlled Boost converter were introduced.Simulation and experimental results were presented to verify the feasibility and advantage of the improved PT controlled Boost converter.Research results showed that the improved PT controlled Boost converter enjoys excellent steady and transient state performance as well as the wider input voltage scope.

input voltage scope; pulse train control; Boost converter

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207142)

秦 明(1982—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)的控制策略及電路拓?fù)洹⑿履茉窗l(fā)電技術(shù)等。 李靜超(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)變換器的控制方法和電路拓?fù)洹?/p>

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0017- 05

2016 -09 -20