光伏发电DCDC转换器.docx
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光伏发电DCDC转换器
、研修内容及意义
1.1研修内容
本次研修主要是关于光伏系统DC/DC变换器的设计与仿真。
要求深入学习和分析光伏发电系统的最大能量跟踪控制、DC/DC变换器的组成和工作原理。
在此基础上，完成DC/DC变换器主电路和驱动保护电路的硬件设计，并在MATLABSIMULINK平台上，完成控制系统的仿真。
其中光伏发电系统的主要性能指标要求为：
输入直流电压为30V-40V;输出直流电压为80V，输出额定容量为200W，瞬时最大功率为700W。
1.2研修意义
自从上世纪，世界上发生了2次石油危机。
由此，光伏发电开始在世界范围内受到高度重视，并且发展十分迅速。
光伏发电系统利用取之不尽用之不竭的太阳能进行发电，具有清洁性，安全性和广泛性。
同时它还具有长寿命和免维护性、一定的实用性。
除此之外，太阳能资源的充足性和潜在的巨大经济效益不仅是让我们从能源危机看到了新的希望，更是以一种新的方式为我们指引了未来发电的趋势。
远期看来，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，逐步取代部分常规能源。
光伏发电不仅可以作为常规能源的补充，还可以应用在特殊领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面。
从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。
但是，面对目前光伏发电的现状，我们也不得不成这回总发电方式还存在着许多局限。
众所周知，太阳能具有能量密度低，稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。
由此导致了光伏发电受到时间周期、地理位置和气象条件的局限。
此外，再解决光伏发电成本问题的基础上，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，当大功率、高电压、远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，将会给交流电网带来新的经济和稳定问题。
同时我们还需要考虑运输成本问题。
和传统能源相比，如矿物能源，石油，水能，原子能等，光伏能量的转换效率不能令人满意。
目前常用的材料中，单晶硅的变换效率约为15%-17%，多晶硅的变换效率约为12%-14%，非晶硅的变换效率约为
6%-10%。
对光伏系统的研究开发虽然面对重重难关，但却是大势所趋。
从自动化方面，主要研究整个光伏发电系统的设计。
本次研修主要针对整个光伏发电系统前端的DC/DC转换器部分进行研究、设计和仿真。
此部分不仅要解决将光伏电池产生并输入的不稳定的直流电压转化为稳定的直流电压和直流电流，还需要考虑最大
能量跟踪控制，以保证最大可能的利用能源，提高系统效率。
除此之外，此部分还涉及驱动电路和保护电路，从而保证整个DC/DC转换器能正常工作。
二、研修过程及结果
2.1概述
光伏发电系统由光伏电池组（包括控制器）、蓄电池（组）、逆变器等组成,其主要结构框图如图2.1所示：
其中，DC/DC转换器的主要作用为：
一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处，二是限制蓄电池充电电压范围。
通过升压作用，将光伏电池产生的在一定范围内波动的直流电压转换为稳定输出的直流电压。
另外，最大
功率跟踪（MPPT）—般也是在这里实现。
主要是控制开关管的占空比来达到电阻的匹配。
考虑的此部分电路工作的稳定性，还需要为该部分电路加上驱动保护电路。
2.2DC/DC变换器主电路图模块
2.2.1模块基本原理
光伏发电系统的最大功率跟踪常采用的DC/DC变换电路拓扑结构有不同类型DC/DC变换器，亦称直流斩波器。
其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直接电压变换为另一种直流电压，其中二极管是起续流作用，LC电路用
来滤波。
典型的DC/DC变化电路有降压式（buck）、升压式（boost）、升降压式（buck-boos）、库克式（cuk）等。
具体选择哪种类型的电路拓扑结构由系统的实际需要决定。
本次研修任务要
求输入直流电压为30V-40V；输出直流电压为48V。
因此，考虑采用Boost电路,即升压斩波器。
其输出平均电压U。
大于输入电压Ui，极性相同。
特点是：
只能升压，不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载，结构简单，常用于将较低的直流电压变换成为较高的直流电压。
升压式（boost）变换器是一种输出电压V。
高于输入电压Vin的单管不隔离直流变换器。
Boost主电路如图2.2所示。
Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。
Boost变换器中电感Lf在输入侧，一般称为升压电感。
开关管Q为PWM控制方式，最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1情况下工作。
当Q导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，
二极管截止，电容C向负载供电，此时y=Vin。
当开关Q截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极管向负载供电，同时向电容充电，此时V二Vm-Vo。
图2.4Q关断
Boost变换器有两种工作方式：
电感电流连续和断续。
图2.3、2.4给出了Boost变换器在不同开关模态时的等效电路。
当电感电流连续时，Boost变换器存在来
那个钟开关模态，如图2.3、2.4所示。
而当电感电流断续时，Boost变换器存在三种模态，如图2.3、2.4、2.5所示
图2.3Q导通
Lf
（1）开关模态1[0,Ton]:
如图2.3所示
在t=0时，开关管Q导通，电源电压Vin全部加到升压电感Lf上，电感电流Ilf线性增长。
二极管D截止，负载由滤波电容Cf供电。
diif
FVin
当t=Ts时，iif达到最小值
IIfmin。
在Q截止期间，i|f的减小量■■:
iif（」为:
讥（丄二Vo-Vin（Ts-Ton）Vo-Vin（1-Dy）Ts
LfLf
在t二Ts时，Q又导通，开始另一个开关周期。
由此可见，Boost变换器的工作分为两个阶段，Q导通时为电感Lf储能阶段,此时电源不向负载提供能量，负载靠存储于电容Cf的能量维持工作。
Q关断时,电源和电感共同向负载供电，此时还给电容Cf充电。
因此Boost变换器的输入电流就是升压电感Lf电流的平均值为Ii（IIfmaxTIfmin）/2。
开关管和二极管轮流工作，Q导通时，流过它的电流就是if；Q截止时，流过D的电流也就是if。
通过它们的iq和id相加就是升压电感电流if。
稳态工作时电容Cf充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，所以通过二极管D的电流平均值就是负载电流Io。
稳态工作时，开关管Q导通期间电感电流的增长量①If（）等于它在开关管Q截止期间的减小量丄if（丄。
Vo1
Vin-Dy
其中0:
:
：
Dy汨，故此电路只能起到升压作用
2.2.2模块的设计
转换器相关参数的设计的将直接影响到转换效率，利用改变开关管的占空比
来跟踪太阳能电池的最大功率点，光伏电源能量通过转换器提供给负载，任何元
件的功率损失都将影响整个系统的跟踪效率，因此选择适当的元件是这部分设计
工作的重中之重。
（1）储能电感L的选取
假设电感的转换效率为100%，转换器工作在连续状态下，当光伏电池工作
在最大功率容量（700W）时，由于V。
=80V，可得Imax=Pomax/Vo=700/80=8.75Ac根据
Vo
可得：
Vinmin30Vinmax40
Dmax=^Vo=^80=0^25，Dm'—Vo80巾5
Vin
1-D
临界负载电流Ibo可由下式计算得:
V2
Lb云D1—D
当D=1/3时，Iob有最大值，即l°Bm=V。
彳Lfs。
D值越接近1/3，Iob越大。
令最小负载电流丨大于临界负载电流丨，由公式得
IominIOB
又DC/DC变换器的开关器件使用MOSFET，门极控制信号的工作频率为
考虑占空比为0.5时,
50khz（Ts=20七）。
当系统工作于光伏最大容量的状态下时,可得：
・o『2802-1
L——D1-D30.5（1-0.5）=114.3」H
2fsIomin2501030.875
即DC/DC变换器的电感值不小于114.3^HO考虑到必要的余量，取L=150^H。
验算：
L=150^H,D=0.5时，临界负载电流为:
IOB80630.51-0.5i；=0.667A：
：
Iomin
2勺50勺0汉50"0
确保了电感电流连续，所以最终选定储能电感L=150yH0.15mH。
（2）滤波电容C的选取
开关Q处于导通状态时，电容Co给负载供电，其电流为-1。
。
当开关Q关断时，电感L中的感应电动势迫使二极管D导通，一方面给负载供电，另一方面补充当开关导通时电容C。
上减少的电荷。
输出端电容值的大小决定输出电压的纹波，要求输出电压的纹波峰峰值不超过200mV，即
Vo
_fcf1
1200mV
0.25%
=D—=D
*w=
Vo
fsfs
RCo80V
D越大，则厶Vo/V。
越大,
故
£1
0.0025fs
0.00250103
二0.16kHz
fc
—
RCo
D
0.625
负载电阻R越小，则，首先假设光伏电池工作电压可控制为逐渐增大，刚开始时光伏电池工作于Pn点上，由于工作电压的增大，下一时刻工作点移至Pn+I，此时有Pn<
Pn+I，工作电压的继续增加使得工作点沿着功率曲线向上爬升到最大功率点Pm
处，接着工作点继续向右移，此时会岀现Pn>Pn+I，在此情况下，我们通过改变
工作电压的变化方向（即使其转变为逐渐减小），工作点则从另外一个方向向峰顶爬升，如此反复控制光伏电池工作点电压的改变，从而实现工作点最终稳定工
作于最大功率点附近［441o具体的流程图如图3-6所示。
越大，最小电阻
考虑一疋余量，取Co=2.2mFo
验算：
Co=2.2mF时,
满足输出电压的纹波要求，所以最终选定滤波电容Co=2.2mFo因此，整个最大功率点跟踪系统的主电路图如下图2.6所示。
其中储能电感
L=0.15mH，滤波电容Co=2.2mF，输入端滤波电容按经验取G=2.2mF,开关管Q选用N沟道增强型MOSFET功率管。
（3）整流二极管D的选取
二极管的选择主要是对正向压降、反向压降以及开关速度等几个参数因素进行综合考虑。
正向压降越高，功率损耗越大。
另外二极管的关断时间太长将影响转换器的转换效率，并可能产生瞬间高压，损坏元器件。
最后要求二极管必须具有较高的反向电压。
综合考虑以上的因素选取其向电压为100V,15A的工作电
流的二极管即可。
（4）功率开关管的选取
Boost电路中开关管选用N沟道增强型MOSFET功率管。
功率管的选择时应该考虑其最大工作电压和电流能够完全满足此模块30V-40V的工作电压和工作电流。
223模块的仿真
根据上述设计得到DC/DC变化器主电路模块的仿真图，如图2.7所示:
图2.7DC/DC变化器主电路模块仿真图
2.3最大功率跟踪系统模块
2.3.1模块基本原理
最大功率就是使光伏电池始终保持最大功率输出。
由于光伏电池的光电转换
效率比较低，光伏电池的输出功率受日照强度以及温度的影响的特点，为了在限
定的条件下有效的利用光伏电池，就要进行最大功率跟踪（MPPT）。
最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优的过程，即通过控制太阳能电池端的电压来控制最大功率的输出。
MPPT控制可根据采集到的太
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