光伏系統(tǒng)DCDC變換器設(shè)計與仿真設(shè)計

1、17/17電力電子課程設(shè)計光伏系統(tǒng)DC/DC變換器設(shè)計與仿真：班級：學(xué)號：目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc438067852 一、引言 PAGEREF _Toc438067852 h 3 HYPERLINK l _Toc438067853 二、設(shè)計要求 PAGEREF _Toc438067853 h 4 HYPERLINK l _Toc438067854 三、主電路圖： PAGEREF _Toc438067854 h 4 HYPERLINK l _Toc438067855 四、設(shè)計方案 PAGEREF _Toc438067855 h 4 HYPERLINK

2、 l _Toc438067856 五、主模塊 PAGEREF _Toc438067856 h 5 HYPERLINK l _Toc438067857 六、光伏電池模塊 PAGEREF _Toc438067857 h 11 HYPERLINK l _Toc438067858 七、最大功率跟蹤模塊 PAGEREF _Toc438067858 h 11 HYPERLINK l _Toc438067859 八、 驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計 PAGEREF _Toc438067859 h 12 HYPERLINK l _Toc438067860 九、模塊的連接 PAGEREF _Toc438067860 h 12

3、 HYPERLINK l _Toc438067861 十、結(jié)束語 PAGEREF _Toc438067861 h 13 HYPERLINK l _Toc438067862 十一、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc438067862 h 13光伏系統(tǒng) DC/DC 變換器設(shè)計與仿真一、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，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負(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，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能

4、，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(fù)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圍，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，電壓、電流容量大的優(yōu)點。IGBT降壓斬波

5、電路由于易驅(qū)動，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，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）是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是 HYPERLINK :/baike.baidu /view/715174.htm t _blank 光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立 HYPERLINK :/baike.baidu /view/766033.htm t _blank 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 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1818774.h

6、tm t _blank 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) HYPERLINK :/baike.baidu /view/3475115.htm t _blank 智研咨詢統(tǒng)計：2012年全球 HYPERLINK :/baike.baidu /view/11001.htm t _blank 光伏發(fā)電累計裝機達(dá)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)

7、展高峰期。是指利用光伏電池的光生伏打效應(yīng)，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(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)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(yīng)的主體。預(yù)計到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， HYPERLINK :/baike.baidu /view/9292.htm t _blank 可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(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)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將

8、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)展前景與其在能源領(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，各國都加緊了發(fā)展光伏的步伐。美國提出“太陽能先導(dǎo)計劃”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達(dá)到商業(yè)化競爭的水平;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(rèn)可度逐漸提高。二、設(shè)計要求主要性能指標(biāo)要求 ： 直流輸入 30V-40V，額定容量 500W， 瞬時最大功率 700W 具體容 ： 要求學(xué)生在深入學(xué)習(xí)和分析光伏系統(tǒng)最大能

9、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)動保護(hù)電路的硬件設(shè)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：四、設(shè)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(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圍。通過升壓作用，將光伏電池產(chǎn)生的在一定圍波動的直流電壓轉(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

10、關(guān)管的占空比來達(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)動保護(hù)電路。采用升壓斬波電路 （Boost Chopper) 的相關(guān)知識來完成此次設(shè)計， 并根據(jù)升壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、 控制電路、 驅(qū)動與保護(hù)電路， 設(shè)計出升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)。 在主電路的設(shè)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(hù)電路。五、主模塊升壓斬波電路原理：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，亦稱直流斬波器。其工作原理是通過調(diào)節(jié)控制開

11、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)由系統(tǒng)的實際需要決定。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，極性一樣。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(gòu)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高于

12、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，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(fù)載供電，此時。當(dāng)開關(guān)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(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢左負(fù)右正，迫使二極管導(dǎo)通，并與電源一起經(jīng)過二極管向負(fù)載供電，同時向電容充電，此時。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

13、2.3、2.4給出了Boost變換器在不同開關(guān)模態(tài)時的等效電路。當(dāng)電感電流連續(xù)時，Boost變換器存在來那個鐘開關(guān)模態(tài)，如圖2.3、2.4所示。而當(dāng)電感電流斷續(xù)時，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)斷時電感電流為零（1）開關(guān)模態(tài)10，：如圖2.3所示在時，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。二極管D截止，負(fù)載由濾波電容供電。當(dāng)時，達(dá)到最大值。在Q導(dǎo)通期間，的增長量為：（2）開關(guān)模態(tài)2，：如圖2.4所示在時刻，Q關(guān)斷，通過二極管D向輸出側(cè)流動，電源功率和電感的儲能向負(fù)載和電容轉(zhuǎn)移，給充電。此時加在

14、上的電壓為，因為，故線性減小。當(dāng)時，達(dá)到最小值。在Q截止期間，的減小量為：在時，Q又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。由此可見，Boost變換器的工作分為兩個階段，Q導(dǎo)通時為電感儲能階段，此時電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠存儲于電容的能量維持工作。Q關(guān)斷時，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時還給電容充電。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，流過它的電流就是；Q截止時，流過D的電流也就是。通過它們的和相加就是升壓電感電流。穩(wěn)態(tài)工作時電容充電量等于放電量，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(fù)載電流。穩(wěn)態(tài)工作時，開關(guān)管Q導(dǎo)通期間電感電流

15、的增長量等于它在開關(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)鍵有兩個原因 ： 一是電感 L 儲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。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， 可得占空比 ：選取T=0.1ms（2） 根據(jù)電感 L 的計算公式，

16、 可得臨界電感值為 ：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(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)溫以與反向恢復(fù)時間等都影響整個系統(tǒng)的性能。 為了加快相應(yīng)速度， 減少反向電流下降時間， 以與反向沖擊電壓對二極管的損耗， 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。仿真圖：Scope in&out可以直接觀察輸入輸出電壓波形

17、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，最高85v,最低67v，六、光伏電池模塊可把光伏電池看做一個直流源，再考慮部的等效電阻等，所以在主模塊設(shè)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(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夠在任何情況下都達(dá)到最佳 （大） 值， 這樣就降低了太陽能電池組件的利用率

18、。當(dāng)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(dāng)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(fù)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

19、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(dāng)前輸出電壓與電流檢測， 得到當(dāng)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(fù)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(hù)電路設(shè)計驅(qū)動電路的主要任務(wù)就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(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， 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(guān)斷控制信號。 電力 MOSFET 是電壓驅(qū)動器件， 其

20、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(guān)斷時需要施加一定幅值的負(fù)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(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。本系統(tǒng)設(shè)計有直流側(cè)過壓保護(hù)、 過電流保護(hù)、 過熱等多種保護(hù) , 當(dāng)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(dāng)出現(xiàn)負(fù)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(guān)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(shè)置過電流保護(hù)，是對電流響應(yīng)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(hù)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(hù)。 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 ；