光伏发电DCDC转换器Word文档格式.docx

1、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

2、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

3、，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 （b

4、uck-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

5、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2.4 Q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

6、， 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2.3 Q导通Lf（1）开关模态10, 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。di ifFVin当t =Ts时，iif达到最小值I Ifmin。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）TsL f L f在t二Ts时，Q又导通，开始另一个开关周期。由此可见，Boost

7、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（ I Ifmax T Ifmin ）/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 If（

8、）等于它在开关管 Q截止期间的减小量丄i f （丄。Vo 1Vin - 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：V inm

9、in 30 V inmax 40Dmax= Vo =80 = 025，Dm Vo 80 巾5Vin1 -D临界负载电流Ibo可由下式计算得:V 2Lb 云 D1 D当D=1/3时，Iob有最大值，即lBm=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I omin I OB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 2 80 2 -1L D1-D 3 0.5 （1-0.5） =114.3H2fsIomin 2 50 103

10、0.875即DC/DC变换器的电感值不小于114.3HO考虑到必要的余量，取L=150H。 验算：L=150H, D=0.5时，临界负载电流为:I OB 806 3 0.5 1-0.5 i； =0.667 A ： I omin2勺50勺0汉50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

11、_ fc f 11 200mV0.25%=D = D* w =fs fsRCo 80VD越大，则厶Vo/V。越大,故 10.0025 fs0.002 50 103二 0.16kHzfcRCoD0.625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PnPn+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441 o具体的流程图如图3-6所示。越大，最小

12、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

13、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2.7 DC/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