光伏系統(tǒng)DCDC變換器設(shè)計(jì)與仿真

電力電子課程設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)DC/DC變換器設(shè)計(jì)與仿真姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：目錄一、引言 3二、設(shè)計(jì)要求 4三、主電路圖： 4四、設(shè)計(jì)方案 4五、主模塊 5六、光伏電池模塊 11七、最大功率跟蹤模塊 11八、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì) 12九、模塊的連接 12十、結(jié)束語(yǔ) 13十一、參考文獻(xiàn) 13電網(wǎng)逆變器DC/DC轉(zhuǎn)換器蓄電池光伏電池電網(wǎng)逆變器DC/DC轉(zhuǎn)換器蓄電池光伏電池其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要作用為：一是調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(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(guò)升壓作用，將光伏電池產(chǎn)生的在一定范圍內(nèi)波動(dòng)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(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)達(dá)到電阻的匹配?？紤]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(dòng)保護(hù)電路。采用升壓斬波電路（BoostChopper)的相關(guān)知識(shí)來(lái)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(dòng)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(shí)MPPT最大功率跟蹤電路為主，兼顧控制光伏電池和PWM驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。五、主模塊升壓斬波電路原理：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(lèi)型DC/DC變換器，亦稱(chēng)直流斬波器。其工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)控制開(kāi)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(lái)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(kù)克式（cuk）等。具體選擇哪種類(lèi)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，即升壓斬波器。其輸出平均電壓大于輸入電壓，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(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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高于輸入電壓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(kāi)關(guān)管Q，二極管D，輸出濾波電感和輸出濾波電容構(gòu)成。Boost變換器中電感在輸入側(cè)，一般稱(chēng)為升壓電感。開(kāi)關(guān)管Q為PWM控制方式，最大占空比必須限制，不允許在=1情況下工作。當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲(chǔ)存能量，電感電流增加，二極管截止，電容C向負(fù)載供電，此時(shí)。當(dāng)開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，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(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)左負(fù)右正，迫使二極管導(dǎo)通，并與電源一起經(jīng)過(guò)二極管向負(fù)載供電，同時(shí)向電容充電，此時(shí)。圖2.2Boost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(kāi)關(guān)模態(tài)時(shí)的等效電路。當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)，Boost變換器存在來(lái)那個(gè)鐘開(kāi)關(guān)模態(tài)，如圖2.3、2.4所示。而當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，Boost變換器存在三種模態(tài)，如圖2.3、2.4、2.5所示。圖2.3Q導(dǎo)通圖2.4Q關(guān)斷圖2.5Q關(guān)斷時(shí)電感電流為零（1）開(kāi)關(guān)模態(tài)1[0，]：如圖2.3所示在時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓全部加到升壓電感上，電感電流線(xiàn)性增長(zhǎng)。二極管D截止，負(fù)載由濾波電容供電。當(dāng)時(shí)，達(dá)到最大值。在Q導(dǎo)通期間，的增長(zhǎng)量為：（2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2[，]：如圖2.4所示在時(shí)刻，Q關(guān)斷，通過(guò)二極管D向輸出側(cè)流動(dòng)，電源功率和電感的儲(chǔ)能向負(fù)載和電容轉(zhuǎn)移，給充電。此時(shí)加在上的電壓為，因?yàn)?，故線(xiàn)性減小。當(dāng)時(shí)，達(dá)到最小值。在Q截止期間，的減小量為：在時(shí)，Q又導(dǎo)通，開(kāi)始另一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。由此可見(jiàn)，Boost變換器的工作分為兩個(gè)階段，Q導(dǎo)通時(shí)為電感儲(chǔ)能階段，此時(shí)電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠存儲(chǔ)于電容的能量維持工作。Q關(guān)斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時(shí)還給電容充電。因此Boost變換器的輸入電流就是升壓電感電流的平均值為。開(kāi)關(guān)管和二極管輪流工作，Q導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)它的電流就是；Q截止時(shí)，流過(guò)D的電流也就是。通過(guò)它們的和相加就是升壓電感電流。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電容充電量等于放電量，通過(guò)電容的平均電流為零，所以通過(guò)二極管D的電流平均值就是負(fù)載電流。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間電感電流的增長(zhǎng)量等于它在開(kāi)關(guān)管Q截止期間的減小量。其中，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(gè)原因：一是電感L儲(chǔ)能之和具有使電壓泵升的作用，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(mǎn)足升壓的要求之外，也能避免出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。占空比，電感與電容的計(jì)算和選?。海?）根據(jù)輸入電壓E=40V,輸出電壓U0=80V,代入下式，可得占空比：選取T=0.1ms（2）根據(jù)電感L的計(jì)算公式，可得臨界電感值為：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.（3）計(jì)算電容值C,這里設(shè)紋波電壓u0=0.1%U0，代入電感值0.3mH.（4）整流二極管D的選取電力二極管的幾個(gè)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(shí)間等都影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了加快相應(yīng)速度，減少反向電流下降時(shí)間，以及反向沖擊電壓對(duì)二極管的損耗，我們選擇改進(jìn)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。仿真圖：Scopein&out可以直接觀(guān)察輸入輸出電壓波形仿真結(jié)果波形：從上至下依次為， I0，I1，I3，I2波形，可見(jiàn)輸出波形在80v上下波動(dòng)，最高85v,最低67v，六、光伏電池模塊可把光伏電池看做一個(gè)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40vdc源代替。七、最大功率跟蹤模塊太陽(yáng)能電池組件的性能可以用U-I曲線(xiàn)來(lái)表示。電池組件的瞬時(shí)輸出功率（U*I）就在這條U-I曲線(xiàn)上移動(dòng)。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(méi)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達(dá)到最佳（大）值，這樣就降低了太陽(yáng)能電池組件的利用率。當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒流源；當(dāng)電壓超過(guò)一定的臨界值繼續(xù)上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)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(gè)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(guò)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(guò)不斷擾動(dòng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來(lái)尋找最大功率點(diǎn)的方向。其原理是先擾動(dòng)輸出電壓值，然后測(cè)其功率變化，與擾動(dòng)之前的功率值比較，如果功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)，如果擾動(dòng)后功率值小于擾動(dòng)前的值，則往相反的方向擾動(dòng)。爬山法實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)對(duì)陣列當(dāng)前輸出電壓與電流檢測(cè)，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻陣列功率相比較，舍小存大，再檢測(cè)，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。八、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)就是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)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(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)，對(duì)于電力MOSFET，為全控器件，既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。電力MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)器件，其柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻，其開(kāi)通電壓一般為10-15V，關(guān)斷時(shí)需要施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guò)壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱等多種保護(hù),當(dāng)出現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓過(guò)壓、欠壓故障的時(shí)候,通過(guò)反饋給控制電路，封鎖DC/DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電路的脈沖，使其停止工作。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí)，會(huì)引起流過(guò)穩(wěn)壓器中開(kāi)關(guān)三極管的電流過(guò)大，使管子功耗增大，發(fā)熱，對(duì)全控器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置過(guò)電流保護(hù)，是對(duì)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(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)模塊，驅(qū)動(dòng)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(guò)電壓過(guò)電流接在光電輸出中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)保護(hù)。同時(shí)把PWM脈沖信號(hào)模塊的輸出信號(hào)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(shí)觀(guān)察系統(tǒng)電壓電流的波形，觀(guān)察其平均值是否滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。十、結(jié)束語(yǔ)本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)在讓我獲益良多。以往對(duì)電力電子的了解幾乎只局限于書(shū)本，而這一次的課程設(shè)計(jì)可以說(shuō)是將理論與實(shí)踐相結(jié)合。當(dāng)我初次接觸到這個(gè)課題時(shí)，實(shí)在是不知所措，后來(lái)試著從網(wǎng)上進(jìn)行資料搜索，以及將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)所提供的參考文獻(xiàn)進(jìn)行查閱，邊學(xué)習(xí)邊進(jìn)行設(shè)計(jì)。期間遇上了很多很多的難題，而且又加上時(shí)間比較短，比較緊迫，使得壓力隨之增加，磕磕碰碰之后終于計(jì)算好所需數(shù)據(jù)及結(jié)果，把仿真電路連接好，仍然是遇到很多不知名的問(wèn)題與錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)這次的電力電子課程設(shè)計(jì)，我深深地明白到了認(rèn)真學(xué)習(xí)老師課堂所教授知識(shí)的重要性，因?yàn)檫@是順利進(jìn)行實(shí)踐的首要前提，其次是在自己實(shí)踐期間，認(rèn)真、細(xì)心是必不可少的，反復(fù)檢查可以避免很多不必要的錯(cuò)誤從而使課程設(shè)計(jì)能夠更加順利的進(jìn)行。通過(guò)這一次的課程設(shè)計(jì)我看到了自己知識(shí)層面相當(dāng)匱乏，這次設(shè)計(jì)是一個(gè)開(kāi)始，往后無(wú)論是哪個(gè)科目，必須要對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有相當(dāng)程度的理解，為以后的實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。十一、參考文獻(xiàn)[1]岳衡.