光伏系統(tǒng)DC-DC變換器設(shè)計(jì)與仿真

1、電力電子課程設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)DC/DC變換器設(shè)計(jì)與仿真班級：學(xué)號：目錄一、引言 3.二、設(shè)計(jì)要求 4三、主電路圖： 5四、設(shè)計(jì)方案 5五、主模塊 6六、光伏電池模塊 13七、最大功率跟蹤模塊 14八、驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì) 15九、模塊的連接 15十、結(jié)束語 16十一、參考文獻(xiàn) 16光伏系統(tǒng) DC/DC 變換器設(shè)計(jì)與仿真、引言DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流 斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機(jī)或帶蓄 電池負(fù)載等。BUCK變換器是開關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種， BUCK變換器 又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波器，即輸 出電

2、壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要 直接降壓的地方。本次課設(shè)立求設(shè)計(jì)出DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)15V向5V的電壓 變換，選取的電路是IGBT降壓斬波電路。IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用 IGBT 作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET易驅(qū)動的特點(diǎn)，又具有 功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于 MOSFET與功率晶體 管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率 應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有

3、 了 IGBT易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率 發(fā)展的趨勢，促進(jìn)了 IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。光伏發(fā)電系統(tǒng)PV System是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的 是光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽能 光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點(diǎn)是可靠 性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行，受到各國企業(yè) 組織的青睞，具有廣闊的發(fā)展前景。據(jù)智研咨詢統(tǒng)計(jì)：2012年全球光伏

4、發(fā)電累計(jì)裝機(jī)到達(dá) 97GW,2012年全 球新增裝機(jī)30GW,中國新增裝機(jī)占全球總量的16%以上，隨著國家對清潔 能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展高峰期。是指利用光伏電池的光生伏打效應(yīng)， 將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā) 電系統(tǒng)，包括光伏組件和配套部件 (BOS)。據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在 21 世紀(jì)會占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位， 不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供給的主體。預(yù)計(jì)到 2030 年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到 30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界 總電力供給中的占比也將到達(dá) 10%以上;到 2040年，可再生能源將占總能耗 的 50%以上，太陽能光伏發(fā)

5、電將占總電力的 20%以上;到 21 世紀(jì)末，可再生 能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到 80%以上，太陽能發(fā)電將占到 60%以上。這些數(shù)字 足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。在當(dāng)今油、碳等能源短缺的現(xiàn)狀下，各國都加緊了發(fā)展光伏的步伐。美 國提出“太陽能先導(dǎo)計(jì)劃 ”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，使其 2015年到 達(dá)商業(yè)化競爭的水平；日本也提出了在2020年到達(dá)28GW的光伏發(fā)電總量； 歐洲光伏協(xié)會提出了 “setfor2020規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè) 化競爭。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提、設(shè)計(jì)要求主要性能指標(biāo)要求：直流輸入30V

6、-40V，額定容量500W,瞬時最大功率700W具體內(nèi)容：要求學(xué)生在深入學(xué)習(xí)和分析光伏系統(tǒng)最大能量跟蹤控制、DC/DC變換器的組成和工作原理基礎(chǔ)上，完成DC/DC變換器主電路和驅(qū)動保護(hù)電路的硬件設(shè)計(jì)與元件選型，并在MATLAB SIMULINK平臺上， 完成控制系統(tǒng)仿真。三、主電路圖：11L Ln光伏 電池1111» t11t1Q Co 二Rt111 ODC/DC變換孫豐電路圖四、設(shè)計(jì)方案光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組包括控制器、蓄電池組、逆變器等 組成，其主要結(jié)構(gòu)框圖如下圖：光伏電池 一 蓄電池 一 DC/DC轉(zhuǎn)換器 一 逆變器 一*電網(wǎng)其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要作用為：一是調(diào)節(jié)太陽能

7、電池的工作點(diǎn)，使其工作在最大功率點(diǎn)處， 二是限制蓄電池充電電壓范圍。 通過升壓作用， 將 光伏電池產(chǎn)生的在一定范圍內(nèi)波動的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的直流電 壓。另外，最大功率跟蹤MPPT一般也是在這里實(shí)現(xiàn)。主要是控制開 關(guān)管的占空比來到達(dá)電阻的匹配。 考慮的此部分電路工作的穩(wěn)定性， 還需 要為該部分電路加上驅(qū)動保護(hù)電路。采用升壓斬波電路 Boost Chopper) 的相關(guān)知識來完成此次設(shè)計(jì)， 并根據(jù)升壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、 控制電路、 驅(qū)動及保護(hù) 電路， 設(shè)計(jì)出升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)。 在主電路的設(shè)計(jì)中， 直接以直流 電源代替光伏電池， 以實(shí)現(xiàn) DC/DC 變換為主，控制電路時 MPP

8、T 最大 功率跟蹤電路為主， 兼顧控制光伏電池和 PWM 驅(qū)動保護(hù)電路。五、模塊1. 升壓斬波電路原理：光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤常采用的 DC/DC 變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有 不同類型 DC/DC 變換器，亦稱直流斬波器。其工作原理是通過調(diào)節(jié)控制 開關(guān)，將一種持續(xù)的直接電壓變換為另一種直流電壓， 其中二極管是起續(xù) 流作用，LC電路用來濾波。典型的DC/DC變化電路有降壓式buck、升 壓式boost、升降壓式buck-boost、庫克式cuk等。具體選擇哪種類型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由系統(tǒng)的實(shí)際需要決定。 本次研修 任務(wù)要求輸入直流電壓為30V-40V;輸出直流電壓為48V。因此，考慮采 用Boost電路

9、，即升壓斬波器。其輸出平均電壓 Uo大于輸入電壓5，極 性相同。特點(diǎn)是：只能升壓，不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈 動小，輸出電流脈動大，不能空載，結(jié)構(gòu)簡單，常用于將較低的直流電壓 變換成為較高的直流電壓。升壓式boost變換器是一種輸出電壓Vo高于輸入電壓Vm的單管不 隔離直流變換器。Boost主電路如圖2.2所示。Boost變換器的主電路由開 關(guān)管Q，二極管D,輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構(gòu)成。Boost變換 器中電感Lf在輸入側(cè)，一般稱為升壓電感。開關(guān)管Q為PWM控制方式， 最大占空比 D y 必須限制，不允許在Dy=1情況下工作。當(dāng)Q導(dǎo)通時，電源向電感儲存能量， 電感電流增

10、加，二極管截止，電容 C向負(fù)載供電，此時Vl Un。當(dāng)開關(guān) Q截止時，電感電流減小，釋放能量，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生感應(yīng) 電動勢，感應(yīng)電動勢左負(fù)右正，迫使二極管導(dǎo)通，并與電源一起經(jīng)過二極 管向負(fù)載供電，同時向電容充電，此時Vl Vin V。圖2.2 Boost變換器主電路Boost變換器有兩種工作方式：電感電流連續(xù)和斷續(xù)。圖2.3、2.4給出了 Boost變換器在不同開關(guān)模態(tài)時的等效電路。當(dāng)電感電流連續(xù)時， Boost變換器存在來那個鐘開關(guān)模態(tài)，如圖 2.3、2.4所示。而當(dāng)電感電流 斷續(xù)時，Boost變換器存在三種模態(tài)，如圖2.3、2.4、2.5所示。圖2.3 Q導(dǎo)通LfVin1D-Cr

11、 R圖2.4 Q關(guān)斷圖2.5 Q關(guān)斷時電感電流為零LfVin1Q卡1cgiOr RJ1開關(guān)模態(tài)10, Ton在t 0時，開關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓Vin全部加到升壓電感Lf 上, 電感電流Ilf線性增長。二極管D截止，負(fù)載由濾波電容Cf供電。difdtVin當(dāng)t 時，"到達(dá)最大值"max。在Q導(dǎo)通期間，b的增長量ilf（）為:I If ()Vin T T onLfVn匚D yTs2開關(guān)模態(tài)2Ton , Ts在t Ton時刻，Q關(guān)斷，ilf通過二極管D向輸出側(cè)流動，電源功率和 電感Lf的儲能向負(fù)載和電容Cf轉(zhuǎn)移，給Cf充電。此時加在Lf上的電壓 為Vin V。，因?yàn)閂。 Vin，

12、故i|f線性減小。Lfdi ifdtVmVo當(dāng)t Ts時，i|f到達(dá)最小值I|fmin。在Q截止期間，i|f的減小量i|f（）為：Vo-Vm /丁 丁 、Vo - Vm “ 廠、丁i |f（）（ Ts - Ton）-（1 - Dy） TsLfLf在t Ts時，Q又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。由此可見，Boost變換器的工作分為兩個階段，Q導(dǎo)通時為電感Lf儲 能階段，此時電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠存儲于電容Cf的能量維持工作。Q關(guān)斷時，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時還給電容Cf充電。因此Boost變換器的輸入電流就是升壓電感Lf電流的平均值為 h （ hfmax 1 |fmin）2。開關(guān)管和二極

13、管輪流工作，Q導(dǎo)通時，流過它的電 流就是i|f ； Q截止時，流過D的電流也就是i|f。通過它們的iq和id相加 就是升壓電感電流i|f。穩(wěn)態(tài)工作時電容Cf充電量等于放電量，通過電容 的平均電流為零，所以通過二極管D的電流平均值就是負(fù)載電流Io。穩(wěn)態(tài)工作時，開關(guān)管Q導(dǎo)通期間電感電流的增長量i|f（）等于它在開關(guān)管Q截止期間的減小量ilf ()其中° Dy 1，故此電路只能起到升壓作用。要求輸入直流電壓為 30V-40V ；輸出直流電壓為80V。因此，考 慮采用Boost電路，即升壓斬波器升壓占波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是電感L儲能之和具有使電壓泵升的作用

14、，二是電容C可以將輸出電壓保持住。 因此，必須選擇合適的電容和電感，除了滿足升壓的要求之外，也能防止出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。2. 占空比，電感與電容的計(jì)算和選?。?根據(jù)輸入電壓E=40V,輸出電壓U0=80V,代入下式， 可得D = - = - = 50%占空比：選取2 根據(jù)電感L的計(jì)算公式， 可得臨界電感值為：1-0(1-05)x10 v 1- “心”立町2一x WQ0Q Z5x1° 州為了使電感值電流連續(xù)，實(shí)際電感值選為臨界值的1.2倍，故取電感值為0.3mH.30.3mH.計(jì)算電容值 C,這里設(shè)紋波電壓 u0=0.1%U0,代入電感值血1 -o) f8L8|x3x104x04001

15、x100x=2Jx10-4F10000，4整流二極管D的選取電力二極管的幾個主要參數(shù)中，正向平均電流， 正向壓降， 反向重復(fù)峰值電壓， 最高工作結(jié)溫以及反向恢復(fù)時間等都影響整個系統(tǒng)的性 能。為了加快相應(yīng)速度， 減少反向電流下降時間，以及反向沖擊電壓對二極管的損耗， 我們選擇改良PN結(jié)，具有良好恢復(fù)性能的，電壓為100V, 15A的工作電流的快恢復(fù)二極管即可。3. 仿真圖:Scope in&out可以直接觀察輸入輸出電壓波形4.仿真結(jié)果波形:從上至下依次為，10, 11, 13, 12波形,404040JO4085r，iiJUI1&09091x10ITime aFfoet: 8

16、2T5ii1 i可見輸出波形在80v上下波動，最高85v最低67v六、光伏電池模塊可把光伏電池看做一個直流源， 再考慮內(nèi)部的等效電阻等， 所以在主 模塊設(shè)計(jì)中直接用 40v dc 源代替。七、最大功率跟蹤模塊太陽能電池組件的性能可以用 U-I 曲線來表示。 電池組件 的瞬時輸出功率 U*I 就在這條 U-I 曲線上移動。 電池組件的輸 出要受到外電路的影響。最大功率跟蹤技術(shù)就是利用電力電子器件配合適當(dāng)?shù)能浖?，使電池組件始終輸出最大功率。如果沒有最大功率跟蹤技術(shù)， 電池組件的輸出功率就不能夠在任何情況下都到達(dá)最正確 大 值， 這樣就降低了太陽能電池 組件的利用率。當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時， 隨

17、著電壓的變化， 輸出電流變化很小， 光伏陣列類似為一個恒流源 ； 當(dāng)電壓超過一定的臨界 值繼續(xù)上升時， 電流急劇下降， 此時的光伏陣列類似為一個恒壓源。 光 伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個輸出功率最大點(diǎn)。 最大 功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里， 通過改變光伏 陣列所帶的等效負(fù)載， 調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)， 使光伏陣列工作在輸出 功率最大點(diǎn)。爬山法是目前實(shí)現(xiàn) MPPT 常用的方法， 它通過不斷擾動太陽 能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來尋找最大功率點(diǎn)的方向。 其原理是先擾動輸 出電壓值， 然后測其功率變化， 與擾動之前的功率值比較， 如果功率 值增加， 則表示擾動方向正確， 繼續(xù)朝

18、同一方向擾動， 如果擾動后功 率值小于擾動前的值， 則往相反的方向擾動。爬山法實(shí)質(zhì)上是一個自尋 優(yōu)過程， 通過對陣列當(dāng)前輸出電壓與電流檢測， 得到當(dāng)前陣列輸出功率， 再與已被存儲的前一時刻陣列功率相比較， 舍小存大， 再檢測， 再比 較， 如此不停地周而復(fù)始， 便可使陣列動態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。八、驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的主要任務(wù)就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求， 轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間， 可以使其開通或關(guān)斷的信號， 對于電力 MOSFET， 為全控器件，既要提 供開通控制信號， 又要提供關(guān)斷控制信號。電力MOSFET是電壓驅(qū)動器件， 其柵源極之間有數(shù)千皮

19、法左右的極間電容， 為快速建立驅(qū)動電壓， 要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻， 其開通電壓一般為 10-15V， 關(guān)斷 時需要施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓。 在柵極串入一只低值電阻可以減小 寄生振蕩， 該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直流側(cè)過壓保護(hù)、 過電流保護(hù)、 過熱等多種保護(hù) , 當(dāng)出現(xiàn)太陽能電池板的輸出電壓過壓、 欠壓故障的時候 , 通過 反饋給控制電路， 封鎖 DC/DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電路的脈沖， 使其停止工作。 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、 過載或者控制電路失效等意外情況時，會引起流過穩(wěn) 壓器中開關(guān)三極管的電流過大， 使管子功耗增大， 發(fā)熱， 對全控器件的 驅(qū)動電路設(shè)置過電流保護(hù)，是對電流響應(yīng)最快的方法。九、模塊的連接系統(tǒng)有微機(jī)控制模塊， 過電壓過電流保護(hù)模塊， 驅(qū)動電路模塊，BOOST升壓斬波電路模塊， 示波器輸出顯示模塊， 其中過電壓過電流 接在光電輸出中， 實(shí)時監(jiān)測， 實(shí)時保護(hù)。 同時把 PWM 脈沖信號模塊 的輸出信號連接到 Boost電路上MOSFET的觸發(fā)端；升壓電路的運(yùn)行。 升壓電路的輸出接到示波器， 可以實(shí)時觀察系統(tǒng)電壓電流的波形， 觀察 其平均值是否滿足系統(tǒng)要求。十、結(jié)束語本次電