光伏系統(tǒng)DCDC變換器設(shè)計(jì)與仿真

1、word格式文檔電力電子課程設(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光伏系統(tǒng) DC/DC 變換器設(shè)計(jì)與仿真一、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(dòng)直流電動(dòng)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(duì)輸入輸出電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于

2、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(dòng)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了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電

3、壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動(dòng)，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(shì)，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(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽(yáng)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(zhǎng)、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(guó)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年全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到97GW,201

4、2年全球新增裝機(jī)30GW，中國(guó)新增裝機(jī)占全球總量的16%以上 ，隨著國(guó)家對(duì)清潔能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)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(yáng)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(cè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)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應(yīng)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(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上;到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)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

5、占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)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(guó)都加緊了發(fā)展光伏的步伐。美國(guó)提出“太陽(yáng)能先導(dǎo)計(jì)劃”意在降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的水平;日本也提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量;歐洲光伏協(xié)會(huì)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(jìng)爭(zhēng)。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高。二、設(shè)計(jì)要求主要性能指標(biāo)要求 ： 直流輸入 30V-40V，額定容量 500W， 瞬時(shí)最大功率 700W 具體內(nèi)容 ： 要求學(xué)生

6、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(dòng)保護(hù)電路的硬件設(shè)計(jì)與元件選型， 并在 MATLAB SIMULINK 平臺(tái)上， 完成控制系統(tǒng)仿真。三、主電路圖：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)框圖如圖所示：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（MPP

7、T）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(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 （Boost Chopper) 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，

8、亦稱直流斬波器。其工作原理是通過(guò)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(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

9、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)，一般稱為升壓電感。開關(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2.2 Boost變換器主電路Boost變

10、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(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2.3 Q導(dǎo)通 圖2.4 Q關(guān)斷 圖2.5 Q關(guān)斷時(shí)電感電流為零 （1）開關(guān)模態(tài)10，：如圖2.3所示在時(shí)，開關(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

11、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)椋示€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，開始另一個(gè)開關(guān)周期。由此可見，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

12、負(fù)載電流。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，開關(guān)管Q導(dǎo)通期間電感電流的增長(zhǎng)量等于它在開關(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(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 ：

13、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。3. 仿

14、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，I0，I1，I3，I2波形，可見輸出波形在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40v dc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。如果沒有最大功率跟蹤技術(shù)， 電池組件的輸出功率就不能

15、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，

16、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，既要提供開通控

17、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

18、開關(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(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