光伏系统DCDC变换器设计与仿真

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1、电力电子课程设计光伏系统 DC/DC 变换器设计与仿真姓名：班级学号目录一、引言 3二、设计要求 4三、主电路图： 4四、设计方案 5五、主模块 5六、光伏电池模块 11七、最大功率跟踪模块 11八、驱动保护电路设计 12九、模块的连接 12十、结束语 13十一、参考文献 13光伏系统DC/DC变换器设计与仿真一、引言DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流 斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄 电池负载等。BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器 又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输 出电

2、压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要 直接降压的地方。本次课设立求设计出DC-DC变换器实现15V向5V的电压 变换，选取的电路是IGBT降压斩波电路。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT 作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换IGBT是 M0SFET与双极晶体管的复合器件。它既有M0SFET易驱动的特点，又具有功 率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管 之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应 用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了 I

3、GBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术 应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率 发展的趋势，促进了 IGBT降压斩波电路的发展。光伏发电系统(PV System)是将太阳能转换成电能的发电系统，利用 的是光生伏特效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳 能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠 性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业 组织的青睐，具有广阔的发展前景。据智研咨询统计：2012年全球光伏发

4、电累计装机达到97GW,2012年全球 新增装机30GW，中国新增装机占全球总量的16%以上，随着国家对清洁能 源产业的大力扶持，我国光伏发电系统产业将迎来发展高峰期。是指利用光伏电池的光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发 电系统，包括光伏组件和配套部件(BOS)。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界 总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年，可再生能源将占总能耗 的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以

5、上;到21世纪末，可再生 能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字 足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。 在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美 国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年 达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量； 欧洲光伏协会提出了 “setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到 商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐 渐提高。二、设计要求主要性能指标要求：直流输入30V-40V，额定容量500

6、W，瞬时最大 功率 700W具体内容 ： 要求学生在深入学习和分析光伏系统最大能量跟踪控制、 DC/DC 变换器的组成和工作原理基础上，完成 DC/DC 变换器主电路和驱动 保护电路的硬件设计与元件选型， 并在MATLAB SIMULINK平台上， 完成 控制系统仿真。三、主电路图：四、设计方案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所示：光伏电池* DC/DC转换器一 逆变器* 电网其中，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

7、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。采用升压斩波电路 （Boost Chopper） 的相关知识来完成此次设计， 并根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护 电路， 设计出升压斩波电路的结构。 在主电路的设计中， 直接以直流 电源代替光伏电池，以实现 DC/DC 变换为主，控制电路时 MPPT 最大功 率跟踪电路为主， 兼顾控制光伏电池和PWM驱动保护电路。五、主模块1. 升压斩波电路原理：光伏发电系统的最大功

8、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-boost）、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Uo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

9、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V = 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

10、，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 Vin - Vo。图2.2 Boost变换器主电路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2.3 Q导通图2.4 Q关断图2.5 Q关断时电感电流为零1)开关模态 10， Ton ：如图2.3 所示在t = 0时，开关管Q导通，电

11、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。L % = Vf dt in当J tn时，Ilf达到最大值Ilfmax。在Q导通期间，f的增长量If (+) 为：VVAi =f T =f D Tlf(+) L on L y sff(2)开关模态 2Ton ， Ts ：如图2.4 所示在t二Ton时刻，Q关断，冷通过二极管D向输出侧流动，电源功率和 电感Lf的储能向负载和电容Cf转移，给Cf充电。此时加在Lf上的电压 为Vin - Vo，因为Vo Vin，故ilf线性减小。L 虬=V - Vf dt in o当t二Ts时，if达到最小值Iifmi

12、n。在Q截止期间，f的减小量Ailf (-)为:V - VV - VAi= e (T - T ) = e (1- D ) Tlf(-)Ls on Ly sff在t = 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 =(Ilfmax + Ilfmin)/2。开关管和二极管轮流工作，Q导通时，流过它的电流就是ilf;

13、 Q截止时，流过D的电流也就是ilf。通过它们的蔦和id相加就 是升压电感电流幕。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&,+）等于它在开关管Q截止 期间的减小量Aiif（_）。V1= V 1 _ D iny其中0 Dy - 1，故此电路只能起到升压作用。要求输入直流电压为30V-40V ； 输出直流电压为80V。因此，考 虑采用Boost电路，即升压斩波器升压占波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因 一是电感 L 储能之和具有使电压泵升的作用， 二是电容 C 可以

14、将输出 电压保持住。 因此， 必须选择合适的电容和电感， 除了满足升压的要 求之外，也能避免出现电流断续的情况。2. 占空比，电感与电容的计算和选取：（1） 根据输入电压E=40V,输出电压U0=80V,代入下式， 可得选取 T=0.1ms2） 根据电感L的计算公式，可得临界电感值为：1-0（1-0,5）x1012W0OT= 2.5x104H|为了使电感值电流连续，实际电感值选为临界值的 1.2 倍 故取电感值为 0.3mH.（3） 计算电容值 C, 这里设纹波电压 u0=0.1%U0， 代入电感值0.3mH.1=2Jx10-4f射-D） a 1ODX0-D.5 乂8|x3x10_4x 0.0

15、01x100100002（4） 整流二极管 D 的选取电力二极管的几个主要参数中， 正向平均电流， 正向压降， 反向 重复峰值电压， 最高工作结温以及反向恢复时间等都影响整个系统的性 能。 为了加快相应速度， 减少反向电流下降时间， 以及反向冲击电压 对二极管的损耗， 我们选择改进 PN 结， 具有良好恢复性能的， 电压 为 100V，15A 的工作电流的快恢复二极管即可。3. 仿真图：Scope in&out可以直接观察输入输出电压波形4. 仿真结果波形：16-10TVE-510100.1G1U50.60.?he 10rnfeOlfeL 21S从上至下依次为， I0，I1，I3，I2 波形，

16、404040404085en75n(1214An1 Armnn40 k40 h40 k40 PTime offset: S.275可见输出波形在80v上下波动，最高85v，最低67v,六、光伏电池模块IphDj3RoRsh图1光伏电池的等效电路可把光伏电池看做一个直流源，再考虑内部的等效电阻等，所以在主 模块设计中直接用40v dc源代替。七、最大功率跟踪模块太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率 （U*l） 就在这条UT 曲线上移动。电池组件的 输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件， 使电池组件始终输出最大功率。如果没有最大功

17、率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够 在任何情况下都达到最佳 （大） 值， 这样就降低了太阳能电池组 件的利用率。当光伏阵列输出电压比较小时，随着电压的变化， 输出电流变化很小， 光伏阵列类似为一个恒流源 ； 当电压超过一定的临界 值继续上升时，电流急剧下降，此时的光伏阵列类似为一个恒压源。光 伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。 最大 功率跟踪器的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里， 通过改变光伏 阵列所带的等效负载，调节光伏阵列的工作点，使光伏阵列工作在输出 功率最大点。爬山法是目前实现 MPPT 常用的方法，它通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点的

18、方向。 其原理是先扰动输出电压值， 然后测其功率变化， 与扰动之前的功率值比较， 如果功率 值增加， 则表示扰动方向正确， 继续朝同一方向扰动， 如果扰动后功 率值小于扰动前的值， 则往相反的方向扰动。爬山法实质上是一个自寻 优过程，通过对阵列当前输出电压与电流检测，得到当前阵列输出功率， 再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较， 舍小存大， 再检测， 再比 较， 如此不停地周而复始， 便可使阵列动态的工作在最大功率点上。八、驱动保护电路设计驱动电路的主要任务就是将信息电子电路传来的信号按照 其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间， 可以使其开通或关断的信号， 对于电力 MO

19、SFET， 为全控器件，既要提 供开通控制信号，又要提供关断控制信号。电力 MOSFET 是电压驱动器 件， 其栅源极之间有数千皮法左右的极间电容， 为快速建立驱动电压， 要求驱动电路具有较小的输出电阻， 其开通电压一般为 10-15V， 关断 时需要施加一定幅值的负驱动电压。 在栅极串入一只低值电阻可以减小 寄生振荡， 该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。本系统设计有直流侧过压保护、 过电流保护、 过热等多种保护 , 当出现太阳能电池板的输出电压过压、 欠压故障的时候 , 通 过反馈给控制电路， 封锁 DC/DC 转换器驱动电路的脉冲， 使其停止工 作。当出现负载短路、过载或者控

20、制电路失效等意外情况时，会引起流 过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大，发热，对全控器 件的驱动电路设置过电流保护，是对电流响应最快的方法。九、模块的连接系统有微机控制模块， 过电压过电流保护模块， 驱动电路模块， BOOST 升压斩波电路模块，示波器输出显示模块，其中过电压过电流接 在光电输出中，实时监测，实时保护。同时把 PWM 脉冲信号模块的输 出信号连接到 Boost 电路上 MOSFET 的触发端 ；升压电路的运行。升 压电路的输出接到示波器，可以实时观察系统电压电流的波形，观察其 平均值是否满足系统要求。十、结束语本次电力电子技术课程设计实在让我获益良多。以往对电力电子的

21、了 解几乎只局限于书本，而这一次的课程设计可以说是将理论与实践相结合 当我初次接触到这个课题时，实在是不知所措，后来试着从网上进行资料 搜索，以及将实验指导书所提供的参考文献进行查阅，边学习边进行设计。 期间遇上了很多很多的难题，而且又加上时间比较短，比较紧迫，使得压 力随之增加，磕磕碰碰之后终于计算好所需数据及结果，把仿真电路连接 好，仍然是遇到很多不知名的问题与错误。经过这次的电力电子课程设计，我深深地明白到了认真学习老师课堂 所教授知识的重要性，因为这是顺利进行实践的首要前提，其次是在自己 实践期间，认真、细心是必不可少的，反复检查可以避免很多不必要的错 误从而使课程设计能够更加顺利的进

22、行。通过这一次的课程设计我看到了自己知识层面相当匮乏，这次设计是 一个开始，往后无论是哪个科目，必须要对基础知识有相当程度的理解， 为以后的实践打下良好的基础。十一、参考文献1 岳衡 . 光伏 DC/DC 变换器效率优化的分析 D. 浙江大学 20122 邵卫超 . 基于 DC/DC 变换器的分布式 MPPT 光伏系统研究 D. 华北电力大学 20123 蔡保海 . 应用于光伏系统的双向 DC/DC 变换器研究 D. 燕山大学 20124 陈俊 . 基于双向 DC/DC 变换的户用型光伏发电系统研究 D. 江南大学 20095 刘春美 . 光伏发电系统移相全桥 DC/DC 变换器及控制方法 研究 D. 西安理工大学 2010