PRZEKSZTAŁTNIK PODWYŻSZAJĄCY NAPIĘCIE Z DŁAWIKIEM SPRZĘŻONYM DO ZASTOSOWAŃ W FOTOWOLTAICE

Transkrypt

1 POZA UIVE RSITY OF TE CHOLOGY ACADE MIC JOURALS o 89 Electrical Engineering 017 DOI /j Michał HARASIMCZUK* PRZEKSZTAŁTIK PODWYŻSZAJĄCY APIĘCIE Z DŁAWIKIEM SPRZĘŻOYM DO ZASTOSOWAŃ W FOTOWOLTAICE W artykule przedstawiono przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym do zastosowań w systemach fotowoltaicznych. Dławik sprzężony oraz szeregowo umieszczony z nim kondensator umożliwia uzyskanie wysokiego współczynnika wzmocnienia napięciowego. W przekształtniku wykorzystano pasywny obwód tłumiący przepięcia spowodowane zmianami prądu w indukcyjności rozproszenia. Umożliwiło to uzyskanie znacznie mniejszego napięcia pracy tranzystora mocy, pozytywnie wpływając na sprawność całego układu. W artykule został opisany sposób działania przekształtnika. Przeprowadzono badania symulacyjne w programie PSpice potwierdzające prawidłowe działanie układu. SŁOWA KLUCZOWE: ogniwa fotowoltaiczne, dławik sprzężony, przekształtnik podwyższający napięcie 1. WSTĘP a rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat konwersji energii elektrycznej pochodzącej z modułu fotowoltaicznego. Rys. 1. Uproszczony schemat konwersji energii fotowoltaicznej Panel fotowoltaiczny można traktować jako źródło napięciowe o wydajności prądowej uzależnionej od nasłonecznienia. Zazwyczaj napięcie wyjściowe modułu nie przekracza 70 VDC. Zadaniem przekształtnika DC/DC jest wzmocnie- * Politechnika Białostocka.

2 386 Michał Harasimczuk nie napięcia wyjściowego modułu fotowoltaicznego do napięcia VDC. Jest to napięcie wejściowe falownika, który ma za zadanie przekształcić napięcie stałe na napięcie przemienne o parametrach sieci energetycznej. Dlatego wymagane jest aby przekształtnik DC/DC charakteryzował się wysokim współczynnikiem wzmocnienia napięciowego [1, 4]. Ponadto przekształtnik ten realizuje algorytm MPPT zapewniający pracę ogniwa fotowoltaicznego w maksymalnym punkcie mocy.. ZASADA DZIAŁAIA PRZEKSZTAŁTIKA.1. Schemat przekształtnika Konwencjonalny przekształtnik podwyższający napięcie charakteryzuje się niską sprawnością przy wysokim współczynniku wzmocnienia napięciowego [5]. Większe wzmocnienie można uzyskać m.in. poprzez wykorzystanie dławika sprzężonego. W podstawowym przekształtniku podwyższającym napięcie z dławikiem sprzężonym na skutek zmian prądu w indukcyjności rozproszenia tranzystor mocy jest narażony na pracę przy wysokim napięciu i duże straty w momencie jego przełączania [, 3]. Straty te można zmniejszyć stosując dodatkowy obwód tłumiący przepięcia spowodowane indukcyjnością rozproszenia [6, 7]. Schemat jednego z takich przekształtników przedstawiono na rys. [8]. Rys.. Schemat wysokosprawnego przekształtnika podwyższającego napięcie z dławikiem sprzężonym Dławiki L 1 L tworzą dławik sprzężony. Indukcyjność L Lk reprezentuje indukcyjność rozproszenia dławika sprzężonego. Kondensator C 1 zmniejsza tętnienia prądu wyjściowego panelu fotowoltaicznego, umożliwiając realizację algorytmu MPPT. Tranzystor T jest sterowany techniką modulacji impulsu. Współczynnik wzmocnienia napięciowego reguluje zmiana wypełnienia sygnału sterującego tranzystorem. Dioda D i kondensator C 3 zapewniają tłumienie przepięć związanych ze zmianami prądu indukcyjności rozproszenia L Lk, które mają miejsce w momencie wyłączania tranzystora T. Dioda D 3 przekazuje

3 Przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym do energię zgromadzoną w kondensatorze C 3 do dławika sprzężonego oraz kondensatora C w momencie załączenia tranzystora T. Kondensator C umożliwia uzyskanie większego współczynnika wzmocnienia napięciowego oraz zapobiega zwarciu zacisków dławika L w momencie załączenia tranzystora T. Dioda D 1 pośredniczy w przekazywaniu energii zgromadzonej w dławiku sprzężonym do obciążenia (równoległe połączenie rezystora R 0 oraz kondensatora C 0 )... Zasada działania przekształtnika a rysunku 3 zostały przedstawione wybrane przebiegi napięć i prądów przekształtnika. Rys. 3. Przebiegi wybranych napięć i prądów przekształtnika W przeprowadzonej analizie zostały pominięte spadki napięcia na diodach i tranzystorze. Założono, że energia zgromadzona w dławiku sprzężonym oraz spadki napięcia na kondensatorach C 0 C 3 w jednym okresie pracy przekształtnika są stałe. Równoległe połączenie panelu fotowoltaicznego oraz kondensatora C 1 zastąpiono idealnym źródłem napięciowym. Pracę przekształtnika możemy podzielić na pięć charakterystycznych etapów przedstawionych na rys. 4. a) Przedział t 1 a początku przedziału t 1 prąd płynie przez źródło napięciowe E, dławik L 1, kondensator C, dławik L, diodę D 1 oraz równoległe połączenie kondensatora C 0 i rezystora R 0. Energia zgromadzona w dławiku sprzężonym jest przekazywana do obciążenia. astępuje włączenie tranzystora T. Prąd dławika L 1 oraz tranzystora T rośnie a dławika L maleje do zera. Energię zgromadzoną w dławiku sprzężonym na początku przedziału t 1 można opisać zależnością (1):

4 388 Michał Harasimczuk 1 1 EL L1 I D LI D const. (1) gdzie: E L energia zgromadzona w dławiku sprzężonym, L 1 indukcyjność dławika L 1, L indukcyjność dławika L, I D prąd diody D 1 na początku przedziału t 1. Rys. 4. Etapy pracy przekształtnika a końcu przedziału t 1 prąd płynie przez źródło napięciowe E, dławik L 1 oraz tranzystor T. Energię zgromadzoną w dławiku sprzężonym można opisać zależnością (): 1 EL L1 IT () L L L1 (3) L gdzie: przekładnia dławika sprzężonego, I T prąd dławika L 1 i tranzystora T na końcu przedziału t 1. a podstawie zależności (1) (3) można wyznaczyć prąd dławika L 1 i tranzystora T w czasie t (wzór (4)). 1

5 Przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym do ( IT I D ) L1 L1 I D IT I D ( 1) (4) Przedział t 1 można wyznaczyć zgodnie z zależnościami (5) (6): E U0 uc ulk1( t1) (5) ( IT I D ) LLk t1 u ( t ) (6) Lk1 1 uc U0 ul 1( t1) E ulk1( t1) (7) gdzie: u L1 spadek napięcia na dławiku L 1, u Lk1 spadek napięcia na indukcyjności rozproszenia dławika przeniesionej na stronę pierwotną, L Lk1 indukcyjność rozproszenia dławika sprzężnego przeniesiona na stronę pierwotną, E napięcie źródła napięciowego E, u C spadek napięcia na kondensatorze C. b) Przedział t a początku przedziału t energia ze źródła napięciowego E oraz kondensatora C 3 przekazywana jest do dławika sprzężonego. Diody D 1 i D są spolaryzowane w kierunku zaporowym, dioda D 3 w kierunku przewodzenia. Tranzystor T pozostaje załączony. Przedział t jest różnicą pomiędzy czasem załączenia tranzystora T a przedziałem t 1 (wzór (8)). Spadek napięcia na indukcyjności rozproszenia można obliczyć wykorzystując drugie prawo Kirchhoffa zgodnie z zależnościami (9). Prąd wejściowy (i L1 ) na końcu przedziału t został przedstawiony w postaci wzoru (10), natomiast prąd diody D 3 w postaci wzoru (11): t Ton t1 (8) E uc uc3 ulk1( t) (9) ulk1( t ) t i L1 I T L (10) i Lk1 u ( t ) t Lk1 D3 il (11) Lk1 uc uc ul 1( t) gdzie: T on czas załączenia tranzystora T, i + L1 prąd dławika L 1 na końcu przedziału t, i + D3 prąd diody D 3 na końcu przedziału t, i L prąd dławika L. 3 (1) c) Przedział t 3 a początku przedziału t 3 następuje wyłączenie tranzystora T. Dioda D zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Energia zgromadzona w indukcyjności rozproszenia L Lk przekazywana jest do kondensatora C 3. W przedziale

6 390 Michał Harasimczuk t 3 prąd diody D 3, dławika L, oraz kondensatora C maleje do zera. Wybrane zależności opisujące działanie przekształtnika w tym przedziale zostały przedstawione w postaci wzorów (13) (15). uc ul 1( t3) (13) E uc3 uc ulk ( t3) (14) LLk1iL LLk1 t3 (15) ulk ( t3) E uc3 uc d) Przedział t 4 a początku przedziału t 4 dioda D 3 jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. Prąd dławika L i kondensatora C zmienia swój kierunek, dioda D 1 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Energia zgromadzona w dławiku sprzężonym jest przekazywana do obciążenia. Prąd diody D 1 rośnie a diody D maleje. Wybrane zależności opisujące działanie przekształtnika w przedziale t 4 t 5 zostały przedstawione w postaci wzorów (16) (18): U0 uc uc3 ul 1( t4) (16) U0 E uc3 uc uc3 ul 1( t4) (17) LLk 1IT t4 (18) ( 1) u u u U E C3 C C3 0 e) Przedział t 5 a początku przedziału t 5 dioda D zostaje spolaryzowana w kierunku zaporowym. Energia z dławika sprzężonego jest przekazywana do obciążenia stanowiącego równoległe połączenie kondensatora C 0 i rezystora R 0. Przedział t 5 kończy się wraz z załączeniem tranzystora T. Wybrane zależności opisujące działanie przekształtnika w przedziale t 5 zostały przedstawione w postaci wzorów (19) (): u ( t ) u E (19) L1 5 C3 uc U0 E ul 1( t5)( 1) (0) U 0 uc E uc3 1 (1) t T t t () 5 off 3 4 gdzie: T off czas wyłączenia tranzystora T.

7 Przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym do Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej przekształtnika W celu wyznaczenia charakterystyki regulacyjnej analizowanego przekształtnika należy wyznaczyć współczynnik wzmocnienia napięciowego w funkcji wypełnienia sygnału sterującego tranzystorem T. apięcie wyjściowe można porównując moc na wejściu i na wyjściu przekształtnika oraz uśredniając spadek napięcia na dławiku L 1. Przy założeniu że napięcie wejściowe i wyjściowe jest stałe w jednym okresie pracy przekształtnika moc wyjściową i wejściową można wyznaczyć obliczając średni prąd wejściowy i średni prąd diody D 1 zgodnie z zależnością (3). U0 Iwe I wee U0Iobc Ku (3) E Iobc gdzie: I we średni prąd wejściowy, I obc średni prąd diody D 1, K u współczynnik wzmocnienia napięciowego, ƞ sprawność przekształtnika. a podstawie przebiegów przedstawionych na rysunku średni prąd wejściowy i średni prąd wyjściowy można opisać wzorami (4) i (5). Średni spadek napięcia na indukcyjności L 1 w jednym okresie pracy przekształtnika jest równy zero zgodnie z zależnością (6): IT IT t1 t4 ulk1( t ) t I T 1 Iwe IT t t3 t5 (4) 1 LLk1 TS IT t1 t4 I T 1 Iwy t5 (5) TS ul 1( t1) t1 ul 1( t) t ul1( t3) t3 ul1( t4) t4 ul1( t5) t5 0 (6) a podstawie zależności (1) (6) można wyznaczyć charakterystykę regulacyjną przekształtnika. Charakterystyka jest uzależniona od przekładni dławika sprzężonego oraz wypełnienia sygnału sterującego tranzystorem T i została opisana wzorami (7) (8): Ku (7) 1 D D Ton (8) T T on gdzie: D wypełnienie sygnału sterującego tranzystorem T, K u współczynnik wzmocnienia napięciowego. a rysunku 5 została przedstawiona charakterystyka regulacyjna przekształtnika dla trzech różnych przekładni dławika sprzężonego. Zwiększenie przekładni dławika oraz wypełnienia sygnału sterującego tranzystorem T skutkuje zwiększeniem współczynnika wzmocnienia napięciowego. off

8 39 Michał Harasimczuk Rys. 5. Charakterystyka regulacyjna przekształtnika dla trzech różnych przekładni dławika sprzężonego 3. BADAIA SYMULACYJE PRZEKSZTAŁTIKA a potrzeby badań symulacyjnych zaprojektowano model przekształtnika o napięciu wejściowym 40 V, napięciu wyjściowym 400 V i częstotliwości przełączania tranzystora równej 50 khz. Użyto modeli diod z węglika krzemu STPSC1006 (U F = 1,4 V, U RRM = 600 V) oraz model tranzystora IRPF4668PBF (R DSon = mω, U DSS = 00 V). Badania zostały przeprowadzone w programie PSpice. a rysunku 6 przedstawiono schemat symulacyjny badanego przekształtnika. Rys. 6. Schemat symulacyjny przekształtnika

9 Przekształtnik podwyższający napięcie z dławikiem sprzężonym do Rys. 7. Przebiegi wybranych napięć i prądów analizowanego przekształtnika Przeprowadzone badania potwierdzają charakterystykę regulacyjną przekształtnika. Dla przekładni dławika sprzężonego L 1 L równej 3 i wypełnienia sygnału sterującego tranzystorem T równego 0,5 uzyskano dziesięciokrotnie wzmocnienie napięciowe. a rysunku 7 przedstawiono uzyskane w wyniku badań symulacyjnych przebiegi wybranych napięć i prądów analizowanego przekształtnika. Uzyskane przebiegi napięć i prądów są zgodne z teoretycznymi (rysunek 3). Badania zostały zrealizowane w ramach pracy MB/WE/3/015 i sfinansowane ze środków na naukę MiSW. LITERATURA [1] Dawidziuk J., Review and comparison of high efficiency high power boost DC/DC converters for photovoltaic applications, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (011), n. 4, pp [] Gu B., Dominic J., Chen B., Zhang L., Lai J. S., Hybrid transformer ZVS/ZCS DC converter with optimized magnetics and improved power devices utilization for photovoltaic module applications, IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, pp , Apr [3] Spiazzi G., Mattavelli P., Costabeber A., High step up ratio flyback converter with active clamp and voltage multiplier, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 6, o. 11, pp , ov [4] Tomaszuk A., Krupa A., : Step up DC/DC converters for photovoltaic applications theory and performance, Przegląd Elektrotechniczny, (013), nr 9, pp

10 394 Michał Harasimczuk [5] Tomaszuk A., Krupa A., High efficiency high step up DC/DC converters a review, Bull. Pol. Ac.: Tech. 59 (011), o. 4, pp [6] Wu T. F., Lai Y. S., Hung J. C., Chen Y. M., Boost converter with coupled inductors and buck boost type of active clamp, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, o. 1, pp , Jan [7] Zhao Q., Lee F. C., High performance coupled inductor DC DC converters, in Proc. IEEE APEC 03, 003, pp [8] Wai R. J., Duan R. Yong., High Step Up Converter With Coupled Inductor, IEEE Transactions on Power Electronics, 005, 0, o. 5, pp HIGH STEP UP COVERTER WITH COUPLED IDUCTOR This paper present high step up converter with coupled inductor for photovoltaics systems. High voltage gain has been achieved by coupled inductor and series capacitor. In converter has been used passive regenerative snubber for absorbing energy from leakage inductance. Additional serial capacitor allows for a higher coefficient voltage gain. This capacitor also reduce a transistor voltage stress. The control is done by pulse width modulation. In this paper theoretic analysis of converter has been presented. In article has been presented simulation studies confirmed properly theoretical analysis of converter. (Received: , revised: )