光伏系統(tǒng)DCDC變換器設計與仿真

1、電力電子課程設計光伏系統(tǒng)DC/DC變換器設計與仿真姓名:班級:學號:目錄一、引言 3二、設計要求 4三、主電路圖： 4四、設計方案 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)動保護電路設計 12九、模塊的連接 12十、結(jié)束語 13十一、參考文獻 13光伏系統(tǒng) DC/DC 變換器設計與仿真、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或帶蓄 電池負載等。BUCK變換器是開關電源基本拓撲結(jié)構中的一種，BUCI變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換的直流斬波器，即輸 出

2、電壓低于輸入電壓，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。 本次課設立求設計出DC-DC變換器實現(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MOSFE與雙極晶體管的復合器件。它既有 MOSFE易驅(qū)動的特點，又具有功 率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFE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 用中占據(jù)了主導地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了

3、IGBT易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。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 應用領域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率 發(fā)展的趨勢，促進了 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。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立太陽能光伏發(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。其特點是可靠 性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行，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：2012年全球光伏

4、發(fā)電累計裝機達到 97GW,2012年全球 新增裝機30GW中國新增裝機占全球總量的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， 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)預測，太陽能光伏發(fā)電在 21 世紀會占據(jù)世界能源消費的重要席位， 不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到 2030 年，可再生能源在總能源結(jié)構中將占到 30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界 總電力供應中的占比也將達到 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)電

5、將占總電力的 20%以上; 到 21 世紀末，可再生 能源在能源結(jié)構中將占到 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域重要的戰(zhàn)略地位。在當今油、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 太陽能先導計劃”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達到 商業(yè)化競爭的水平；日本也提出了在2020年達到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)濟的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認可度逐漸提高?！俊⒃O計要求主要性能指標要求：直流輸入30

6、V-40V，額定容量500W,瞬時最大 功率700W具體內(nèi)容：要求學生在深入學習和分析光伏系統(tǒng)最大能量跟蹤控制、 DC/DC變換器的組成和工作原理基礎上，完成 DC/DC變換器主電路和驅(qū)動 保護電路的硬件設計與元件選型，并在MATLAB SIMULINK平臺上， 完成控制系統(tǒng)仿真。三、主電路圖:豔 討 T詁Q6羋RILI_!圖1光伐桌統(tǒng)DC4JC愛換器主電路雀四、設計方案光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組（包括控制器）、蓄電池（組八 逆變器等光伏電池>蓄電池DC/DC轉(zhuǎn)換器1逆變器組成，其主要結(jié)構框圖如圖所示:電網(wǎng)其中，DC/DC專換器的主要作用為：一是調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點，使其 工作在最大功率

7、點處，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 般也是在這里實現(xiàn)。主要是控制開關 管的占空比來達到電阻的匹配?？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)動保護電路。采用升壓斬波電路 （Boost Chopper）的相關知識來完成此次設計， 并根據(jù)升壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設計出升壓斬波電路的結(jié)構。在主電路的設計中，直接以直流電源代替光伏電池， 以實現(xiàn)DC/DC變換為主，控制電路時MPPT最大功 率跟蹤電路為主， 兼顧控制光伏電池和PWM驅(qū)動保

8、護電路。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變換電路拓撲結(jié)構有不同類型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，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撲結(jié)構由系統(tǒng)的實際需要決定。本次研修任務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 Uo大于輸入電壓5，極 性相同

9、。特點是：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 由開關管Q二極管D,輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。Boost 變換器中電感Lf在輸入側(cè)，一般稱為升壓電感。開關管 Q為PWM控制方式，最大占空比Dy必須限制，不允許在Dy=1情況下工作。當Q導通時，電源向電感儲存能量,電感電流增加，二極管截止，電容 C向負載供電，此時V| =Vin。當開關

10、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 電動勢，感應電動勢左負右正，迫使二極管導通，并與電源一起經(jīng)過二極 管向負載供電，同時向電容充電，此時 Vl 二 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變換器在不同開關模態(tài)時的等效電路。當電感電流連續(xù)時， Boost變換器存在來那個鐘開關模態(tài)，如圖2.3、2.4所示。而當電感電流斷續(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導通圖2.4 Q關斷LfLfZ -D-Vin1ipi 1D泊Cr Rij CR

11、圖2.5 Q關斷時電感電流為零(1)開關模態(tài)10 , Ton:如圖2.3所示在t=0時，開關管Q導通，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，負載由濾波電容Cf供電。I dif L f當t二Ton時，If達到最大值"max。在Q導通期間，i lf的增長量汕f() 為：ilf()二 *Ton 半 DyTsL fL f(2)開關模態(tài)2Ton，Ts:如圖2.4所示在t=Ton時刻，Q關斷，ilf通過二極管D向輸出側(cè)流動，電源功率和 電感Lf的儲能向負載和電容Cf轉(zhuǎn)移，給Cf充電。此時加在Lf上的電壓 為Vin _Vo，因為Vo Vin，故ilf線性減小。

12、difdto當t =Ts時，hf達到最小值 味山。在Q截止期間，h的減小量包ilf為:AV。-VinVo-Vin=ilf (丄。也(Ts-%) (1-Dy) TsL fL f在t =Ts時，Q又導通，開始另一個開關周期。由此可見，Boost變換器的工作分為兩個階段，Q導通時為電感Lf儲 能階段，此時電源不向負載提供能量，負載靠存儲于電容 Cf的能量維持 工作。Q關斷時，電源和電感共同向負載供電，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 Ii(Ilfmax Ilfmin)/2。開關管和二極管輪流工作，Q導通時，流過它的電流就是ilf ; Q截止時，流

13、過D的電流也就是ilf。通過它們的iq和id相加就 是升壓電感電流ilf。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載電流Io。穩(wěn)態(tài)工 作時，開關管Q導通期間電感電流的增長量'"：ilf等于它在開關管Q截止 期間的減小量"：ilf （丄。V。_1Vn1 - Dy其中°"Dy叮，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，關鍵有兩個原因：一是電感L儲能之和具有使電壓泵升

14、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， 除了滿足升壓的要 求之外，也能避免出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。2. 占空比，電感與電容的計算和選?。海?）根據(jù)輸入電壓E=40V，輸出電壓U0=80V,代入下式， 可得D - 二-=50%占空比：T E選取 T=0.1ms（2） 根據(jù)電感L的計算公式， 可得臨界電感值為1-D DT_ (1-0,5|x101= 2.5x104H|2rt=2 X 50000為了使電感值電流連續(xù)，實際電感值選為臨界值的1.2倍,故取電感值為0.3mH.（3）計算電容值C,0.3mH.這里設紋波電壓 u0=0.1%U0,代入電感值8LAUCr2_

15、100x(1-0.5)x=2.1x10-4F8|x3x10'4x0J01x100i10OOO2(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， 反向重復峰值電壓， 最高工作結(jié)溫以及反向恢復時間等都影響整個系統(tǒng)的性 能。為了加快相應速度， 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， 我們選擇改進PN結(jié)，具有良好恢復性能的，電壓為100V，15A的工作電流的快恢復二極管即可。3. 仿真圖：DiMCpcrrs-gLid<« 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 ,

16、 13 , I2波形,4040J040J04D40F85KUI7000.0«10Time offset- 825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itsRo光伏電池的等效電路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 模塊設計中直接用40v de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*l）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。最大功率跟蹤技術就是利用電力電子器件配合適當?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，電池組件的輸

17、出功率就不能夠在任何情況下都達到最佳（大）值，這樣就降低了太陽能電池組 件的利用率。當光伏陣列輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化， 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。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強度都變化的環(huán)境里，通過改變光伏陣列所帶的等效負載， 調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點， 使光伏陣列工作在輸出 功率最大點。爬山法是目前實現(xiàn)MPPT常用的方法， 它通過不斷擾動太陽能光伏系統(tǒng)的工作點來尋找最大功率點的方向。其原理是先擾動輸出電壓值， 然后測其功

18、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。爬山法實質(zhì)上是一個自尋 優(yōu)過程， 通過對陣列當前輸出電壓與電流檢測， 得到當前陣列輸出功率， 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， 如此不停地周而復始， 便可使陣列動態(tài)的工作在最大功率點上。八、驅(qū)動保護電路設計驅(qū)動電路的主要任務就是將信息電子電路傳來的信號按照 其控制目標的要求， 轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間， 可以使其開通或關斷的信號， 對于電力 MOSFE，T 為全控器件，既要提 供開通控

19、制信號， 又要提供關斷控制信號。 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 ， 關斷 時需要施加一定幅值的負驅(qū)動電壓。 在柵極串入一只低值電阻可以減小 寄生振蕩， 該電阻阻值應隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。本系統(tǒng)設計有直流側(cè)過壓保護、 過電流保護、 過熱等多種保護 , 當出現(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。 當出現(xiàn)負載短路、 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)動電路設置過電流保護，是對電流響應最快的方法。九、模塊的連接系統(tǒng)有微機控制模塊， 過電壓過電流保護模塊， 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，實時監(jiān)測，實時保護。同時把PWM脈沖信號模塊的輸 出信號連接到Boost電路上MOSFET觸發(fā)端；升壓電路的運行。 升 壓電路的輸出接到示波器， 可以實時觀察系統(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