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5三、主電路圖：5四、設計方案6五、主模塊6六、光伏電池模塊14.七、最大功率跟蹤模塊1.4.八、驅(qū)動保護電路設計八.九、模塊的連接16十、結束語17H一、參考文獻.17資料.光伏系統(tǒng)DC/DC變換器設計與仿真工引言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構中的一種，BUCK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 出電壓低于輸

2、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MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有 MOSFET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 IGB

3、T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)，利用的是先生伏特效應。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年全球光伏發(fā)電累計裝機

4、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現(xiàn)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構中將占到 30蛆上，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蛆上;到2040年，可再生能源將占總能耗 的50蛆上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的 20%上;到21

5、世紀末，可再生 能源在能源結構中將占到80蛆上，太陽能發(fā)電將占到60蛆上。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:、設計要求主要性能指標要求：直流輸入30V-40V,額定容量500W,瞬時最 大功率7

6、00W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:此伏電池 LII：-Ci -HQICoRif國1光伏系統(tǒng)匐壹接號主電解圖四、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）、逆變器等組成，其主要結構框圖如圖所示：光伏電池 蓄電池f DC/DC轉(zhuǎn)換器 一 逆變器 一電網(wǎng)其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要作用為：一是調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點，使 其工作在最大功率點處，二是限制蓄電池充電電壓范圍。通過

7、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） 一般也是在這里實現(xiàn)。主要是控制開關管的占空比來達到電阻的匹配。 考慮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)動保護電路。五、主模塊1.升壓斬波電路

8、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Ui ,極 性相同。特點是：只能升壓，不能

9、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Vin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Vl Vin o當 開關Q截止時，電感電

10、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 Vin V。Lfr-v-v-v- DVinI . QCr r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。LfCr R圖2.4 Q關斷圖2.3 Q導通圖2.5 Q關斷

11、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。di 1fLf 標 Vin當tTon時，Ilf達到最大值11fmax。在Q導通期間，ilf的增長量ilf()為:iVnVu,i lf ( )TonD yT sL fL f(2)開關模態(tài)2Ton, Ts:如圖2.4所示在tTon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VinV。，因為V。Vin,故ilf線性減小。dilfLfT

12、VinVodt當tTs時，ilf達到最小值Ilfmin。在Q截止期間，ilf的減小量ilf()為：i lf ()Vo -VinL f(TsTon)Vo - VinL f0 Dy) Ts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 "1fmaX 11fmin"2。開關管和二極管輪流工作，Q導通時，流過它的電 流就是i1f

13、 ; Q截止時，流過D的電流也就是i1f。通過它們的iq和id相加 就是升壓電感電流i1f。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 i1f（）等于它在開關管Q 截止期間的減小量i1f（）。V。1Vn 1 Dy其中0 Dy 1,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開的作用， 二是電容C可以 將輸出電

14、壓保持住。 因此，必須選擇合適的電容和電感， 除了滿足開 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 皚= 50%占空比： 丁 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：(1-0.5)x10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,這里設紋波電壓 u0=0.1%U0,代入電感值 0.3mH.U-D -100x|1-0.5)1= 2Jx10-4FC =T x8L 8|x3x10-4x 0,001 x100

15、 10000(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，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:Scope in&out可以直接觀察輸入輸出電壓波形4.仿真結果波形:從上至下依次為，I0,I1,I3, I2波形,Time tftsef: S.275可見輸出波形在80v上下波動，最高85v,最低67v,六、光伏電池模塊可把光伏電池看做一個直

16、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 dc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*I）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闺姵亟M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

17、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

18、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MOSFET,為全控器件，既要提供開通控制信號， 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。 在柵極用入一只低值電阻可以 減小寄生振蕩，

19、 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的觸發(fā)端；升壓電路的運 行。升壓電路的輸出接到示波器，可