光伏系统DCDC变换器设计与仿真设计

1、17/17电力电子课程设计光伏系统DC/DC变换器设计与仿真：班级：学号：目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc438067852 一、引言 PAGEREF _Toc438067852 h 3 HYPERLINK l _Toc438067853 二、设计要求 PAGEREF _Toc438067853 h 4 HYPERLINK l _Toc438067854 三、主电路图： PAGEREF _Toc438067854 h 4 HYPERLINK l _Toc438067855 四、设计方案 PAGEREF _Toc438067855 h 4 HYPERLINK

2、 l _Toc438067856 五、主模块 PAGEREF _Toc438067856 h 5 HYPERLINK l _Toc438067857 六、光伏电池模块 PAGEREF _Toc438067857 h 11 HYPERLINK l _Toc438067858 七、最大功率跟踪模块 PAGEREF _Toc438067858 h 11 HYPERLINK l _Toc438067859 八、 驱动保护电路设计 PAGEREF _Toc438067859 h 12 HYPERLINK l _Toc438067860 九、模块的连接 PAGEREF _Toc438067860 h 12

3、 HYPERLINK l _Toc438067861 十、结束语 PAGEREF _Toc438067861 h 13 HYPERLINK l _Toc438067862 十一、参考文献 PAGEREF _Toc438067862 h 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，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能

4、，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MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET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围，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IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波

5、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 HYPERLINK :/baike.baidu /view/715174.htm t _blank 光生伏特效应。光伏发电系统分为独立 HYPERLINK :/baike.baidu /view/766033.htm t _blank 太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1818774.h

6、tm t _blank 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 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3475115.htm t _blank 智研咨询统计：2012年全球 HYPERLINK :/baike.baidu /view/11001.htm t _blank 光伏发电累计装机达到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

7、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， HYPERLINK :/baike.baidu /view/9292.htm t _blank 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

8、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与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 500W， 瞬时最大功率 700W 具体容 ： 要求学生在深入学习和分析光伏系统最大能

9、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：电网逆变器DC/DC转换器蓄电池光伏电池其中，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围。通过升压作用，将光伏电池产生的在一定围波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）一般也是在这里实现。主要是控制开

10、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、 驱动与保护电路， 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、主模块升压斩波电路原理：光伏发电系统的最大功率跟踪常采用的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

11、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。其输出平均电压大于输入电压，极性一样。特点是：只能升压，不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，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高于

12、输入电压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，输出滤波电感和输出滤波电容构成。Boost变换器中电感在输入侧，一般称为升压电感。开关管Q为PWM控制方式，最大占空比必须限制，不允许在=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。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，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。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

13、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，：如图2.3所示在时，开关管Q导通，电源电压全部加到升压电感上，电感电流线性增长。二极管D截止，负载由滤波电容供电。当时，达到最大值。在Q导通期间，的增长量为：（2）开关模态2，：如图2.4所示在时刻，Q关断，通过二极管D向输出侧流动，电源功率和电感的储能向负载和电容转移，给充电。此时加在

14、上的电压为，因为，故线性减小。当时，达到最小值。在Q截止期间，的减小量为：在时，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导通时为电感储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储于电容的能量维持工作。Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容充电。因此Boost变换器的输入电流就是升压电感电流的平均值为。开关管和二极管轮流工作，Q导通时，流过它的电流就是；Q截止时，流过D的电流也就是。通过它们的和相加就是升压电感电流。稳态工作时电容充电量等于放电量，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。稳态工作时，开关管Q导通期间电感电流

15、的增长量等于它在开关管Q截止期间的减小量。其中，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。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， 可得占空比 ：选取T=0.1ms（2） 根据电感 L 的计算公式，

16、 可得临界电感值为 ：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.（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， 最高工作结温以与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， 以与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。仿真图：Scope in&out可以直接观察输入输出电压波形

17、仿真结果波形：从上至下依次为，I0，I1，I3，I2波形，可见输出波形在80v上下波动，最高85v,最低67v，六、光伏电池模块可把光伏电池看做一个直流源，再考虑部的等效电阻等，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*I） 就在这条 U-I 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

18、。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

19、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 MOSFET， 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

20、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 ；