本發(fā)明屬于變換器控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種光伏蓄電池供電水泵系統(tǒng)用集成式單管DC/DC變換器。
背景技術(shù)：
：光伏水泵系統(tǒng)為常規(guī)電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民飲用水、灌溉、養(yǎng)殖等問(wèn)題的解決提供了有效途徑。目前，全世界已有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的光伏水泵系統(tǒng)被安裝、運(yùn)行，對(duì)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和居民生活條件發(fā)揮了巨大作用。光伏水泵系統(tǒng)可以分為光伏單獨(dú)供電和光伏-蓄電池聯(lián)合供電兩大類。與前者相比，光伏-蓄電池聯(lián)合供電的水泵系統(tǒng)即使在陰天或者多云天氣下也能夠保持額定狀態(tài)運(yùn)行，因此使用時(shí)間更為靈活且負(fù)載的可控性更好。光伏-蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有三種，分別如說(shuō)明書(shū)圖1(a)-(c)所示。圖中，水泵包含了電機(jī)(通常為感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)或永磁無(wú)刷直流電機(jī))和離心泵。圖1(a)所示結(jié)構(gòu)中，DC/DC光伏接口變換器實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，后級(jí)全橋逆變器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)。盡管該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是其中間直流母線電壓由于蓄電池的箝位作用而近似不變。為了調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，逆變器必須采用多個(gè)電流傳感器和復(fù)雜的變頻控制，這導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。圖1(b)所示為三端口結(jié)構(gòu)。其中，雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電控制和直流母線電壓控制。理論上講，該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)固定后級(jí)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制比，并調(diào)節(jié)直流母線電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的降壓轉(zhuǎn)速控制，從而使逆變器的控制難度得以降低。然而，由于必須采用雙向DC/DC變換器，系統(tǒng)成本并未能得到削減，且體積和重量增加。與三端口結(jié)構(gòu)相比，圖1(c)所示的級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)中所有變換器均為單向工作，因此進(jìn)一步簡(jiǎn)化了控制難度，但是能量重復(fù)變換，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率較低，且成本和集成度并未得到改善。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于光伏-蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的集成式單管DC/DC變換器，其通過(guò)復(fù)用開(kāi)關(guān)管，將前級(jí)Buck變換器和后級(jí)開(kāi)關(guān)電感Buck-Boost變換器集成在一起，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、效率高等優(yōu)點(diǎn)。另外，該變換器前級(jí)電路工作在DCM方式，通過(guò)變頻控制來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池和蓄電池端電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和過(guò)充保護(hù)。后級(jí)電路工作在CCM方式，通過(guò)PWM控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒壓控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種光伏蓄電池供電水泵系統(tǒng)用集成式單管DC/DC變換器，包括光伏電池，蓄電池，水泵系統(tǒng)，所述水泵系統(tǒng)包括三相全橋逆變器、電機(jī)和離心泵，還包括DC/DC變換器電路，所述DC/DC變換器電路包括前級(jí)的Buck電路和后級(jí)的開(kāi)關(guān)電感高增益Buck-Boost電路，前級(jí)電路和后級(jí)電路共同連接有開(kāi)關(guān)管S。進(jìn)一步的，所述DC/DC變換器電路包括二極管D4，二極管D5，二極管D6，電感L2和電感L3，所述二極管D6的陽(yáng)極分別連接有電感L3的一端和二極管D5的陽(yáng)極，所述二極管D6的陰極分別連接有電感L2的一端和二極管D4的陰極，所述二極管D4的陽(yáng)極與電感L3的另一端連接，所述二極管D5的陰極與電感L2的另一端連接，所述二極管D5的陰極和電感L2的另一端還共同連接有開(kāi)關(guān)管S；所述光伏電池PV連接有電容Cin，所述電容Cin的兩端分別連接有二極管D1和二極管D2，二極管D1的陽(yáng)極和二極管D2的陰極還共同連接有二極管D3、蓄電池UB、以及電容CB，所述二極管D1的陰極還連接有電感L1，所述二極管D2的陽(yáng)極還連接有開(kāi)關(guān)管S，同時(shí)水泵系統(tǒng)還并聯(lián)連接有電容C0，電容C0還連接有二極管D7。本發(fā)明還公開(kāi)了上述一種光伏蓄電池供電水泵系統(tǒng)用集成式單管DC/DC變換器的控制方法：該變換器的前級(jí)電路工作在DCM方式，采用變頻控制實(shí)現(xiàn)MPPT和蓄電池恒壓充電雙模式自由切換，以提高太陽(yáng)能的利用率并實(shí)現(xiàn)蓄電池的過(guò)壓保護(hù)；后級(jí)電路工作在CCM方式，采用變占空比控制，實(shí)現(xiàn)水泵的降壓調(diào)速。進(jìn)一步的，該變換器在DCM-CCM工作方式下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可分為四個(gè)工作模態(tài)：(1)模態(tài)1，t0-t1：t0時(shí)刻前，開(kāi)關(guān)管S、二極管D1-D5均處于關(guān)斷狀態(tài)，電感L1的電流為0，電感L2、L3經(jīng)二極管D6、D7線性放電；在t0時(shí)刻，開(kāi)通開(kāi)關(guān)管S，二極管D2、D4、D5導(dǎo)通，其余二極管均反向偏置，電感L1-L3承受正向電壓，故電感L1-L3電流iL1(t)-iL3(t)均線性增長(zhǎng)；(2)模態(tài)2，t1-t2：t1時(shí)刻，電感L1電流iL1(t1)＝2iL2(t1)，蓄電池電流iB(t1)＝0，模態(tài)1結(jié)束，模態(tài)2開(kāi)始；此時(shí)，二極管D2反偏而D3導(dǎo)通，電感L1-L3電流iL1(t)-iL3(t)仍然按照原來(lái)的斜率繼續(xù)上升；(3)模態(tài)3，t2-t3：t2時(shí)刻，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管S，模態(tài)2結(jié)束，模態(tài)3開(kāi)始；此時(shí)，二極管D2-D5反偏，其余二極管導(dǎo)通，電感L1-L3承受反向電壓，電感L1電流iL1(t)經(jīng)過(guò)二極管D1續(xù)流，而電感L2電流iL2(t)經(jīng)二極管D6、D7續(xù)流；(4)模態(tài)4，t3-t4：t3時(shí)刻，電感L1電流iL1(t)下降到0，模態(tài)3結(jié)束，模態(tài)4開(kāi)始；此時(shí)，開(kāi)關(guān)管S、二極管D1-D5均處于關(guān)斷狀態(tài)，而電感L2電流iL2(t)仍經(jīng)二極管D6、D7續(xù)流，到t4時(shí)刻，開(kāi)通開(kāi)關(guān)管S，模態(tài)4結(jié)束，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，重復(fù)上述過(guò)程。有益效果：本發(fā)明所述的一種用于光伏-蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的集成式單管DC/DC變換器，其通過(guò)復(fù)用開(kāi)關(guān)管，將前級(jí)Buck變換器和后級(jí)開(kāi)關(guān)電感Buck-Boost變換器集成在一起，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、效率高等優(yōu)點(diǎn)。另外，該變換器前級(jí)電路工作在DCM方式，通過(guò)變頻控制來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池和蓄電池端電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和過(guò)充保護(hù)。后級(jí)電路工作在CCM方式，通過(guò)PWM控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒壓控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。附圖說(shuō)明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光伏-蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明集成式單管DC/DC變換器電路拓?fù)鋱D；圖3為本發(fā)明變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的各模態(tài)的等效電路圖；圖4為本發(fā)明變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的各模態(tài)關(guān)鍵波形圖；圖5為本發(fā)明控制模式下的Uo1與UB、Uin的關(guān)系曲面；圖6為本發(fā)明控制模式下的Uin、UB和fs的關(guān)系定性描述圖；圖7為本發(fā)明變換器的Buck級(jí)電路控制框圖；圖8為本發(fā)明變換器的高增益Buck-Boost級(jí)電路控制框圖；圖9為光伏電池實(shí)測(cè)輸出特性曲線；圖10為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)圖；圖11為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的控制電路結(jié)構(gòu)圖；圖12為Uin＝17V,UB＝10.5V,Io＝1A,Uo＝24V時(shí)電感L1、L2的電流波形圖；圖13為Uo＝24V時(shí)實(shí)驗(yàn)波形圖；圖14為Uo＝12V時(shí)實(shí)驗(yàn)波形圖；圖15為模態(tài)切換實(shí)驗(yàn)波形圖；圖16為效率曲線圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。1開(kāi)關(guān)電感集成式單管DC/DC變換器主電路本發(fā)明提出的用于光伏蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的集成式單管DC/DC變換器，如圖2所示，包括光伏電池PV，蓄電池UB，水泵系統(tǒng)，為了便于分析，圖中將三相全橋逆變器、電機(jī)和離心泵組合在一起，統(tǒng)一用水泵符號(hào)來(lái)表示。由圖2可以看出，本發(fā)明所提變換器的DC/DC變換器電路前級(jí)為Buck電路，后級(jí)為開(kāi)關(guān)電感高增益Buck-Boost電路，二者合用開(kāi)關(guān)管S。DC/DC變換器電路包括二極管D4，二極管D5，二極管D6，電感L2和第電感L3，所述二極管D6的陽(yáng)極分別連接有電感L3的一端和二極管D5的陽(yáng)極，所述二極管D6的陰極分別連接有電感L2的一端和二極管D4的陰極，所述二極管D4的陽(yáng)極與電感L3的另一端連接，所述二極管D5的陰極與電感L2的另一端連接，所述二極管D5的陰極和電感L2的另一端還共同連接有開(kāi)關(guān)管S。圖2中除了DC/DC變換器電路，還包括旁路，光伏電池PV連接有電容Cin，所述電容Cin的兩端分別連接有二極管D1和二極管D2，二極管D1的陽(yáng)極和二極管D2的陰極還共同連接有二極管D3、蓄電池UB、以及電容CB，所述二極管D1的陰極還連接有電感L1，所述二極管D2的陽(yáng)極還連接有開(kāi)關(guān)管S，同時(shí)水泵系統(tǒng)還并聯(lián)連接有電容C0，電容C0還連接有二極管D7。為實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤和水泵降壓調(diào)速控制，本發(fā)明所提變換器需要對(duì)輸入、輸出電壓同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，而這需要兩個(gè)控制量。然而，該變換器只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管S，因此無(wú)法像常規(guī)的兩級(jí)式變換器那樣，通過(guò)分別調(diào)節(jié)前后級(jí)開(kāi)關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)不同輸出量的閉環(huán)控制。為此，本發(fā)明讓前級(jí)工作在DCM，對(duì)其輸出量采用PFM控制；讓后級(jí)電路工作在CCM，對(duì)其輸出量采用PWM控制。為了簡(jiǎn)化分析，首先假設(shè)系統(tǒng)工作已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并符合以下條件：①所有功率管、電容以及電感均為理想元件；②所有電容都足夠大，其電壓紋波為零，即電壓Uin、UB和Uo近似恒定，故可等效為恒壓源。③L2＝L3，因此D4和L2的串聯(lián)電路與D5和L3的串聯(lián)電路對(duì)稱，即iL2(t)＝iL3(t)，且D4、D5的電壓、電流完全相同，故下面分析過(guò)程中只給出iL2(t)的表達(dá)式?；谏鲜黾僭O(shè)，DCM-CCM時(shí)該系統(tǒng)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的工作可分成4個(gè)模態(tài)，每個(gè)工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3所示，主要波形如圖4所示。模態(tài)1：[t0-t1](等效電路如圖3(a)所示)。t0時(shí)刻前，S、D1-D5均處于關(guān)斷狀態(tài)，電感L1的電流為0，電感L2、L3經(jīng)D6、D7線性放電。在t0時(shí)刻，開(kāi)通S，D2、D4、D5導(dǎo)通，其余二極管均反向偏置。L1-L3承受正向電壓，故iL1(t)-iL3(t)均線性增長(zhǎng)，其表達(dá)式分別為：模態(tài)2：[t1-t2](等效電路如圖3(b)所示)。t1時(shí)刻，iL1(t1)＝2iL2(t1)，iB(t1)＝0，模態(tài)1結(jié)束，模態(tài)2開(kāi)始。此時(shí)，D2反偏而D3導(dǎo)通。iL1(t)-iL3(t)仍然按照原來(lái)的斜率繼續(xù)上升，其表達(dá)式與模態(tài)1類似，不再贅述。模態(tài)3：[t2-t3](等效電路如圖3(c)所示)。t2時(shí)刻，關(guān)斷S，模態(tài)2結(jié)束，模態(tài)3開(kāi)始。此時(shí)，D2-D5反偏，其余二極管導(dǎo)通。L1-L3承受反向電壓，iL1(t)經(jīng)過(guò)D1續(xù)流，而iL2(t)經(jīng)D6、D7續(xù)流，其表達(dá)式分別為：模態(tài)4：[t3-t4](等效電路如圖3(d)所示)。t3時(shí)刻，iL1(t)下降到0，模態(tài)3結(jié)束，模態(tài)4開(kāi)始。此時(shí)，S、D1-D5均處于關(guān)斷狀態(tài)，而iL2(t)仍經(jīng)D6、D7續(xù)流，其表達(dá)式和式(4)類似，不再贅述。到t4時(shí)刻，開(kāi)通S，模態(tài)4結(jié)束，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，重復(fù)上述過(guò)程。2穩(wěn)態(tài)特性分析2.1電壓、電流關(guān)系通過(guò)前述分析可知，電感電流iL1與Uo無(wú)關(guān)，而電感電流iL2與Uin有關(guān)。也就是說(shuō)，由于蓄電池的箝位作用，變換器的Buck級(jí)和高增益Buck-Boost級(jí)不存在功率耦合關(guān)系。因此，可以將變換器拆成前后兩級(jí)，對(duì)其電壓、電流關(guān)系分別予以分析?！ひ呀?jīng)有很多文獻(xiàn)詳細(xì)論述了DCMBuck變換器的電壓、電流關(guān)系表達(dá)式，因此這里不再贅述，直接給出相關(guān)表達(dá)式。式中，IL1為電感L1的電流平均值，IL1,c為iL1臨界連續(xù)時(shí)的平均值，Iin為輸入電流平均值，IL1,p為iL1的峰值，D為占空比，D1為iL1下降時(shí)間和開(kāi)關(guān)周期Ts的比值，如圖4所示。高增益Buck-Boost變換器的電壓關(guān)系為：由圖2和圖4可得，輸出電流平均值為：Io＝IL2(1-D)(7)式中，IL2為電感L2的電流平均值。2.2DCM-CCM運(yùn)行的限制條件通過(guò)增大L2和L3的電感量，可以較方便地使得后級(jí)工作于CCM。因此確保系統(tǒng)工作在DCM-CCM的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)Buck級(jí)的DCM工作。根據(jù)上述分析，Buck級(jí)要在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)DCM運(yùn)行，必須滿足IL1<IL1,c。因此，由式(5)可得：這意味著，任何一種情況下，變換器的占空比D都必須小于當(dāng)前的UB/Uin。否則，不管電感L1怎么取值，也不管開(kāi)關(guān)頻率fs怎么調(diào)節(jié)，電感電流iL1都是連續(xù)的。而變換器的占空比D由高增益Buck-Boost級(jí)決定。因此，由式(6)和式(8)可得：可見(jiàn)，工作在DCM-CCM時(shí)，本發(fā)明所提變換器的Uo存在上限Uo1。當(dāng)Uo超過(guò)該上限時(shí)，iL1將進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)。另外，由式(9)可以看出，Uo1與Uin和UB有關(guān)。因此，可以推斷：為了在全范圍內(nèi)運(yùn)行于DCM-CCM，該變換器的輸出電壓必須低于Uo1在Uin、UB變化范圍內(nèi)的最小值。假設(shè)Uin＝14.1V～16.8V，UB＝10.5V～13.5V，負(fù)載水泵的額定電壓為24V。圖5給出了Uo1與UB、Uin的關(guān)系曲面。可以看出，Uo1的最小值為35V。換而言之，DCM-CCM時(shí)本發(fā)明所提變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為(0,35V)，其包含了負(fù)載額定電壓(24V)，這表明這種運(yùn)行模式下負(fù)載能夠全電壓范圍可靠工作。3控制策略前已述及，正常情況下變換器需要對(duì)輸入電壓Uin進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT控制。當(dāng)電池電壓達(dá)到過(guò)充保護(hù)閾值時(shí)，變換器應(yīng)迅速脫離MPPT模式，而轉(zhuǎn)入蓄電池恒壓充電(BatteryVoltageRegulation,BVR)模式，避免蓄電池因過(guò)壓而損壞。由于uin和uB均為前級(jí)Buck電路的輸出量，而該電路工作在DCM，因此必須采用PFM控制來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT和BVR的控制。下面分析MPPT和BVR兩種工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。忽略變換器的損耗，近似認(rèn)為Pin＝IL1UB，則由式(5)可得：式中，Pin為變換器的輸入功率(即光伏電池的輸出功率)。MPPT模式下，近似認(rèn)為UB基本不變。若此時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)在電壓區(qū)，則隨著Uin的增大，Pin逐漸減小，因此fs增大；若光伏電池的工作點(diǎn)在電流區(qū)，則Iin基本不變，隨著Uin的逐漸增大，fs還是逐漸增大。換而言之，fs和Uin呈單調(diào)遞增關(guān)系，如圖6(a)所示。BVR模式下，若光伏電池的工作點(diǎn)在電壓區(qū)，則Uin基本不變，而隨著UB的增大，Pin逐漸增大，導(dǎo)致fs將逐漸減小；若光伏電池的工作點(diǎn)在電流區(qū)，則Iin基本不變，而Pin隨著UB的增大而增大，導(dǎo)致Uin急劇增大且幅度大于UB，最終使得fs增大。綜上，可得fs和Uin的大致關(guān)系，如圖6(b)所示。由圖6可得，Buck級(jí)電路MPPT和BVR兩種運(yùn)行模式及其切換的PFM控制框圖，如7所示。圖中PFM為頻率調(diào)制電路，其可以改變PWM調(diào)制器的三角載波頻率f，且f隨著PFM電路的輸入電壓uc增大而逐漸減小。為了確保BVR模式下光伏電池工作在電壓區(qū)，提高系統(tǒng)的可靠性，圖中蓄電池端電壓反饋方式采用ue2＝uB,ref-uB，uB為蓄電池電壓采樣值，uB,ref為其基準(zhǔn)值。此外，圖中Min{1,2}為取小函數(shù)，即選擇支路1、2中輸出值較小的那條支路作為工作支路，而另一條支路被屏蔽。該函數(shù)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)Buck級(jí)電路的MPPT模式和BVR模式的自由切換。當(dāng)電池電壓小于過(guò)充保護(hù)閾值時(shí)，控制器2進(jìn)入正飽和，其輸出值大于控制器1的輸出值。因此，支路1被選中，Buck級(jí)工作于MPPT模式。當(dāng)蓄電池充滿，其端電壓達(dá)到過(guò)充保護(hù)閾值時(shí)，控制器2退出正飽和，其輸出值逐漸減小直至低于控制器1的輸出值。此時(shí)，支路2被選中，Buck級(jí)由MPPT模式切換至BVR模式。后級(jí)高增益Buck-Boost電路通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，其控制框圖如圖8所示。圖中，Ku3為uo的反饋系數(shù)；Gc3(s)為控制器3的傳遞函數(shù)；Fm為PWM調(diào)制器增益。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為驗(yàn)證本發(fā)明提出的寬輸出電壓集成式單管DC/DC變換器的可行性及理論分析和設(shè)計(jì)的正確性，搭建了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其主電路和控制電路分別如圖10和11所示。變換器的輸入源是由兩塊BP公司生產(chǎn)的光伏電池組件(SX10M)并聯(lián)構(gòu)成，蓄電池采用松下公司生產(chǎn)的10Ah鉛酸電池，而負(fù)載仍然為DC40-247026W無(wú)刷直流水泵(650L/H)。此外，該系統(tǒng)工作時(shí)的光伏電池板面溫度范圍設(shè)定為25℃-67℃(對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度為-2℃-40℃)，光照強(qiáng)度范圍是400W/m2-1000W/m2。由圖11可以看出，該變換器的輸入電壓Uin、蓄電池電壓UB和輸出電壓Uo的采樣系數(shù)均為0.1；采用SG3525作為主控芯片，因此PWM調(diào)制器增益為Fm＝0.4；蓄電池過(guò)充保護(hù)閾值定為13.5V，因此蓄電池恒壓控制基準(zhǔn)值給定為uB,ref＝1.35V。此外，圖11中虛線框內(nèi)為二極管與門(mén)電路，其用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖7所示的Min{1,2}的取小功能，以自動(dòng)切換變換器前級(jí)Buck電路的MPPT模式和BVR模式。另外，本實(shí)驗(yàn)是在室外進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測(cè)PV曲線如圖9所示?？梢钥闯觯鈴?qiáng)約為900W/m2、電池板表面溫度約為45℃時(shí)，光伏陣列的最大功率為19.76W，對(duì)應(yīng)的端電壓為17V。實(shí)驗(yàn)中假設(shè)變換器的MPPT計(jì)算環(huán)節(jié)不存在，即接口變換器的輸入電壓基準(zhǔn)信號(hào)uin,ref直接給定為1.7V。圖12給出了Uin＝17V，UB＝10.5V且滿載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯觯琇1電流斷續(xù)，L2和L3電流連續(xù)，即系統(tǒng)工作在DCM-CCM，且Uo和Io分別穩(wěn)定在24V和1A。由前文分析可知，該工作狀況下Uin/UB達(dá)到最小而D達(dá)到最大，因此最難滿足DCM-CCM的工作條件：D<Uin/UB。因此，可以推斷該變換器一定能在全電壓和負(fù)載范圍內(nèi)可靠實(shí)現(xiàn)PFM-PWM控制。圖13和圖14給出了當(dāng)前級(jí)工作在MPPT模式，UB＝12V，且水泵工作在滿載狀態(tài)(Io＝1A)下uin(t)、iin(t)、uo(t)的實(shí)驗(yàn)波形。在此實(shí)驗(yàn)中，輸入電壓的基準(zhǔn)信號(hào)是由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，其為頻率0.2Hz，峰峰值為0.3V，偏移量為1.4V的對(duì)稱三角波。從圖中可以看出，盡管輸入電壓在14V到17V之間周期性變化，輸出電壓始終穩(wěn)定在12V(或24V)，即該水泵能夠在全電壓范圍內(nèi)工作。此外，為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的MPPT和BVR模式切換策略，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：輸入電壓參考值設(shè)定為1.7V(對(duì)應(yīng)了光伏陣列的UMPP＝17V)；輸出電壓基準(zhǔn)值設(shè)定為1.2V(對(duì)應(yīng)輸出電壓12V)，且水泵閥門(mén)設(shè)定在半開(kāi)狀態(tài)，以達(dá)到變換器輕載運(yùn)行的目的。另外，在蓄電池回路中串聯(lián)0.1Ω/2W的固定電阻和電子負(fù)載。蓄電池電壓為UB＝12V，電子負(fù)載工作在定電壓模式。tswitch時(shí)刻，電子負(fù)載的設(shè)定值由原來(lái)的0Ω突變?yōu)?Ω，以模擬蓄電池過(guò)充狀況。圖15給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯?，twitch后，變換器的輸入電壓由17V變?yōu)?9V，蓄電池回路端電壓為則由12V變?yōu)?3.5V，Uo最終仍穩(wěn)定在12V。這表明，tswitch后變換器的前級(jí)電路迅速脫離MPPT模式，進(jìn)入BVR模式，而后級(jí)電路始終工作于輸出穩(wěn)壓模式。此外，還可以看出，tswitch后輸入電壓高于MPP電壓，這表明采用圖7所示的控制結(jié)構(gòu)，BVR模式下光伏陣列穩(wěn)定工作在電壓區(qū)，這和前文理論分析相一致。為了精確計(jì)算效率，用穩(wěn)壓源Us串聯(lián)一功率電阻Rs(20Ω/50W)作為輸入，輸出側(cè)負(fù)載采用直流電子負(fù)載。圖16給出了在不同情況下變換器的效率。圖中，各曲線對(duì)應(yīng)的測(cè)量條件如表1所示。需要注意的是，盡管此處效率的計(jì)算公式仍為：η＝Po/Pin，但是Po和Pin的定義與傳統(tǒng)單輸入單輸出變換器不同。當(dāng)光伏陣列最大功率PMPP大于負(fù)載功率IoUo時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，此時(shí)蓄電池作為傳統(tǒng)負(fù)載，則Pin＝UinIin，Po＝IoUo+IBUB；反之，蓄電池放電，則Pin＝UinIin+IBUB，Po＝IoUo?；谝陨隙x，可測(cè)得系統(tǒng)最大效率為：94.9％。表1圖13中各曲線對(duì)應(yīng)的測(cè)量條件名稱Us/VRs/ΩUin/VUo/Vη140201724η225.4201424η340201712η425.4201412η540201717η625.4201417本發(fā)明提出了一種用于光伏-蓄電池聯(lián)合供電水泵系統(tǒng)的集成式單管DC/DC變換器，分析工作原理和特性，并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：(1)本發(fā)明提出的變換器能夠在整個(gè)工作電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)，采用PFM和PWM實(shí)現(xiàn)MPPT(或BVR)控制以及輸出穩(wěn)壓控制。(2)本發(fā)明所提基于PFM控制的MPPT和蓄電池恒壓充電雙模式自由切換控制策略，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的過(guò)充保護(hù)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3