（电力电子与电力传动专业论文）光伏系统中的电压提升与孤岛检测研究.pdf

溉江犬学硬1 ：学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a lp r o d u c t i o n ，a n dt h ei n c r e m e n to fe n e r g yc o n s u m i n ga n dt h e d e t e r i o r a t i o no fe c o s y s t e me n v i r o n m e n t ，t h ee n e r g yc r i s i si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t i nt h eg l o b a ls c o p e s o l a re n e r g yi se s p e c i a l l yc o n c e r n e db yh u m a nb e c a u s eo fi t sf r e ep o l l u t i o n c u r r e n t l yw i t hp r i c er e d u c t i o no fp v ( p h o t o v o l t a i c ) m o d u l e sa n dd e v e l o p m e n to fp vt e c h n o l o g y , t h er o l eo fp vs y s t e ma l eg r a d u a l l yc h a n g e df r o ms u p p l e m e n t a le n e r g yt os u b s t i t u t ee n e r g y t h e p vs y s t e mw i l lb et h et r e n da m o n gp va p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rd e a lw i t hs u c hk e yp r o b l e m sa s d c d cc o n v e r t e r , m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) o fp va r r a y , i s l a n d i n gd e t e c t i o ni n d e t a i l t h ep a p e ra l s ob u i l d sas i m u l a t em o d e lo fc i r c u i t so ft h ed c d cb o o s tc o n v e r t e r a n dt h e i s l a n d i n gd e t e c t i o n 。t h em p p t sc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s op r e s e n t e d t h em o r ed e t a i l sa b o u tt h e w o r ka l ea sf o l l o w s ： 1 。t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t p r o s p e c t so fp vs y s t e ma th o m ea n da b r o a da r e i n t r o d u c e db r i e f l y t h ef u n c t i o n ，c l a s s i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e ma r e 0 。uh l t r o o u c e o t vw l a l c ht h e i vs y s t e mc a nb eg o ta no v e r a l lu n d e r s t a n d i n g 2 + ab o o s t - t lc o n v e r t o ri sp r e s e n t e df o r 转c 囝ep a r t t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f b o o s t - t lc o n v e r t o ra r ea n a l y z e da tl e n g t h 。a n dt h ef o r m u l a so ft h ek e yp a r a m e t e r so ft h em a i n c i r c u i ta r ed e r i v e da n dg i v e no u t 。t h ep a p e rb u i l d sas i m u l a t i o no fb o o s t - t lc o n v e r t o r ， c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sa r ed o n e 。 3 t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h es o l a rp a n e la n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cf o rt h e s o l a rc e l lu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n di s o l a t i o n ap r o p e rm p p t sc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d f o rb o o s t - t lc o n v e r t o r a n dt h e n ，t h ec o n t r o ls o f t w a r e sf l o wc h a r t sa r ei n t r o d u c e d 4 t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fi s l a n d i n gd e t e c t i o n , c o m p a r e ss e v e r a lc o m m o n i s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d s b u i l d sas i m u l a t i o no fo v p u v p , o f p ，i j f pa n da f d , c o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t sa l ed o n e 。 k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i es y s t e m ，b o o s t - t lc o n v e r t o r , m p p t , i s l a n d i n gd e t e c t i o n 游江大学颂，l ：学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 能源是入类经济及文化活动的动力来源。随着人类对能源需求的日益增加， 化石熊源的储量正嗣趋桔竭。开发利用可再生麓源和各种绿色能源以实现可持续 发展是人类必须采取的措施。 太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数 亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用太阳能，既是近甥急需的能源补充，又是未 来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的 地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发 利用太阳能都具有重大战略意义f 。 太阳能的利用主要包括热利用、化学利用和光伏利用。光伏利用的主要形式 是光伏发电，是根据光生伏打效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为 电能。光伏发电具有以下优点：无污染、可再生、资源的普遍性、机动灵活、通 用性、可存储性、分布式电力系统、资源、发电、粥电同一地域等落。 1 2 国内外光伏发电现状 1 2 1 国外光伏发电现状 近几十年，国际光伏发电迅猛发展。1 9 7 3 年，美国制定了政府级阳光发电 计划；1 9 8 0 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8 亿多美元； 1 9 9 4 年度的财政预算中，光伏发电的预算达7 8 0 0 多万美元，比1 9 9 3 年增加了 2 3 4 ；1 9 9 7 年美囡和欧洲相继宣布“酉万屋顶光伏计划，美国计划到2 0 1 0 年 安装1 0 0 0 - 3 0 0 0 m w 太阳电池。日本于1 9 9 7 年补贴“屋顶光伏计划 的经费高 达9 2 0 0 万美元，安装目标是7 6 0 0 m w 。据世界能源组织( i e a ) 、欧洲联合研究中 心、欧洲光伏工业协会预测，2 0 2 0 年世界光伏发电将占总电力的1 ，到2 0 4 0 年光伏发电将占全球发电量的2 0 ，按此推算未来数十年，全球光伏产业的增长 浙江人学硕i ：学位论文 率将高达2 5 3 0 p , 4 1 。可以预言，在2 l 世纪中叶，光伏发电将成为人类的基 础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位【5 1 。目前全球太阳能生产为1 g w ， 预计2 0 1 0 年将达到4 6 g w ，美国特拉华大学最新研制的超高效硅太阳能电池， 在标准的陆地同光条件下，其太阳能转换效率达到创纪录盼4 2 8 【4 8 】。 1 2 2 国内光伏发电现状 煤炭巨量消耗已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风 能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。 同时，发展可再生能源产业等支持新能源发展的方针，也被明确写进了政府工作 报告中【5 1 。我国的光伏发电应用始于7 0 年代【6 】，与国际上蓬勃发展的光伏发电相 比，落后于发达国家1 0 1 5 年，甚至明显落后于印度。我国光伏发电的关键技术 与设备仍主要依靠进口，面对各个方面的要求，发展具有自我知识产权的相关技 术已经刻不容缓。本研究即在这一思想指导下进行了一些研究工作。 1 3 光伏发电系统简介 光伏发电有独立和并网运行两种工作方式。以前光伏发电多数被用于偏远的 无电地区，而且多以中小系统为主，属于独立运行。现在光伏并网技术是当今世 界光伏发电的发展趋势，是步入大规模发电阶段、成为电力工业组成部分之一的 重大步骤【7 1 。 1 3 1 光伏发电系统结构及其工作原理 图( 1 1 ) 为光伏发电系统独立运行组成结构图，系统由光伏电池板、直流 ( d c d c ) 升压电路、正弦波逆变器、控制器、负载等构成。其工作原理是：光伏 电池将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能，此时为直流电，在经过直流升压 电路和逆变电路后输出2 2 0 v 、5 0 h z 的正弦波供给负载，逆变器为电压控制型电 压源逆变器。 2 浙江夫学颓；：学位论文 图i - 1 独立运药1 模式 图( 1 2 ) 为光伏发电系统并网运行模式组成结构图，系统由光伏电池板、 d c d c 升压电路、j 下弦波逆交器、控制器、负载等构成。其工作原理是：光伏 电池首先将接收来的太阳辐射能量转换成电能，经过直流变换盾变成高压直流 电，然后经过逆变器逆变后向负载供电，当输出功率超出负载需求时向电网输送 电能，此时逆变器为电流控制型电压源逆变器。 n l p p t 光伏电池 卜 d c 仍c 卜 d c a c 电网 y。 i1 。 t lf 、r 太多 目控制器掣 负载 1 3 2 升压电路( d c d c ) 嘲1 2 并网发电结构图 在光伏发电系统中，光伏电池阵列输出电压随温度和同照等条件变化剧烈， 无法真接和逆变器相连，此时需要d c d c 变换器的加入。d c d c 变换器是使用 半导体开关器件，通过控制器件的导遥翻关断时闻，配合电感、电容或高频变压 器等器件以连续改变和控制输出直流电压的变换电路，将不稳定、不可控的直流 电压交换成满足系统要求的、可控的直流电压。为了提高系统的可靠性、降低电 路的成本，对开关管电压应力的要求不能过高。本论文详细研究了三电平升隧 ( b o o s t t l ) 电路。在相同条件下b o o s t t l 电路中开关管的应力是普通b o o s t 电路 的一半，能够获得较小的电压谐波输出。并且b o o s t t l 电路在本研究中作为二 极管锩位式三电平逆变器的前级，具有调节平衡d c b u s 电压的优势。 浙江人学硕l ：学位论文 1 3 3 最大功率点跟踪( m p p t ) 光伏阵列是光伏发电系统中重要的组成部分，由多个光伏电池组合而成【8 】。 由于光伏阵列输出的最大功率点随光照强度和环境温度的变化而不断改变，为了 获得最大的能量输出，就要求光伏阵列在任一时刻都工作在最大功率点上，所以 必须有最大功率跟踪器对光伏发电系统的功率输出进行跟踪。常用的最大功率点 跟踪方法有：定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法、滞环比较 法、间歇扫描法、模糊控制法、实时监控法、神经网络预测法等【9 】。这些方法都 是根据光伏阵列的特性曲线上最大功率点的特点来搜索该点对应的电压，有的方 法需要大量的计算，有的方法需要实时采样数据并进行分析。这些方法各有优缺 点，可以根据不同的系统要求选择不同的控制方法。 1 3 4 反孤岛效应检测 光伏发电并网系统需要通过逆变器将直流电变换成交流电送到电网上，这就 需要系统具有防止孤岛现象发生的功能。所谓孤岛现象是指：包含有负载和逆变 电源的局部电网，在主电网供电因为故障事故或停电维修而跳脱时，未能即时检 测出停电状态而将自身切离主电网络，而形成由逆变电源和周围的负载组成的一 个自给供电的孤岛【l0 1 。当孤岛发生时，孤岛中的电压和频率若无法控制，可能会 对用户设备造成损坏；危及电网输电线路上维修人员的安全；当电网供电恢复后 会造成相位不同步；如果负载容量与逆变器容量不匹配，容易对逆变器造成损坏。 因此，不管是从安全性还是可靠性方面考虑，孤岛效应检测都是必要的【1 1 1 。孤岛 检测的方法主要有两大类方法：被动检测法和主动检测法【l2 1 。 1 4 论文主要任务 本论文基于一种三相太阳能并网发电系统的研究，涉及将光伏电池发出的低 压直流电变换成频率为5 0 h z 、相电压为2 2 0 v 的交流电供给负载或并网的工作。 着重研究了三相太阳能并网发电系统中升压电路b o o s t t l 拓扑的硬件设计、基 于本项目电路拓扑的最大功率点跟踪算法及控制、孤岛检测等。全文共分五章， 主要内容如下： 4 浙江人学硕 j 学位论文 第一章主要介绍了光伏发电的背景与国内外发展现状，简要介绍了光伏发电 系统的工作原理。 第二章介绍了基本三电平拓扑电路，并以b o o s t t l 变换器为例，阐述了三 电平变换器的电路拓扑结构，并对其特点加以分析。分两种工作模式详细分析了 b o o s t t l 变换器的工作原理，推导了变换器的输入输出外特性，讨论了输入电 感、电容、输出滤波电容及各保护、检测电路的设计和优化，研究了使两个开关 管电压应力保持相等的控制方法，并利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件加以验 证。 第三章说明了最大功率跟踪控制是并网发电系统中不可或缺的一部分，变换 器工作在最大功率点时能提高发电系统的整体效率，降低成本。这一章首先介绍 了进行最大功率跟踪控制的现实要求，然后给出了光伏电池阵列的等效模型，又 介绍了最大功率跟踪控制的方法，最后对适合于本项目中的b o o s t t l 变换器的 最大功率跟踪控制方法进行了研究，给出了具体实现的思路和算法流程图。 第四章首先说明了孤岛效应的含义及其危害，然后从孤岛效应的机理出发， 详细分析了发生孤岛效应的原因。针对系统运行的特点，分析了现有各种检测技 术的工作原理和优缺点。分析了过欠电压和过低频监测法、主动频率偏移法的 不可检测区。然后采用m a t l a b 6 5 1 仿真软件对过欠电压和过低频监测法和 带有正反馈的频率偏移法进行了建模与仿真分析。 第五章在文章的结尾对全文工作进行总结，并展望了下一步的研究工作。 浙江大学硕 ：学位论文 第二章升压电路( d c d c ) 设计 在光伏发电系统中，因为太阳能电池阵列输出电压随温度和网照等条件变化 剧烈，无法直接和逆变器相连，此时需要d c d c 变换器的加入。d c d c 变换器 是通过控制半导体开关器件的导遴和关断时闻，配合电感、电容或高频变压器等 器件以连续改变和控制输出直流电压的变换电路，将不稳定、不可控的直流电压 变换成满足系统要求的、可控的直流电压。按照有、无隔离变压器，可分为隔离 型d c d c 变换器和非隔离型d c d c 交换器两种类型1 1 3 】。 2 1 拓扑选择 现阶段国内外光伏并网系统中，根据有无隔离变压器，可以分为隔离型和非 隔离型的。其中隔离型系统，接入工频隔离变压器的结构髭最常用的。这种结构 虽然安全性离，但是也存在一些缺点，譬如工频变压器通常比较笨重，无法实现 最大功率点的跟踪，而且对输入电压的范围有限制。在于瓦级别的系统中，通过 光伏阵列已经能够获得较高的输入电篷，采焉不隔离的d c d c 变换器代替隔离 型变换器成为了可能。 2 1 1 基本直流变换电路 较常见静j 隔离型d c d c 变换器拓扑主要有：降压( b u c k ) 、升压( b o o s 0 、 降压一升压, ( b u c k b o o s t ) 和库克( c u k ) l 鼎，电路结构如图( 2 1 ) 所示。关于各种电路 的工作原理与换流分析，可参考文献【1 4 】，这里不作分析。 b u c k 6 b o o s t 浙江大学硕f j 学位论文 l i i l l 光 吼 c 上r 伏 l t 1 矗 、 阵 _ 卜 l 列 _ _ _ - _ - _ _ _ 一l 、 b u c k b o o s tc u k 图2 1 光伏发电系统中四种基本斩波电路结构 其中，b u c k 和b u c k b o o s t 在光伏系统中需要在太阳能电池输入侧并联电容 c ，当开关管关断时，以保证太阳能电池输出电流连续不损失功率。 这四种电路拓扑具有结构、控制简单等优点，但是缺点也比较明显：b u c k 电路只适用于降压输出的情况；b u c k b o o s t 电路可以达到较宽的输出电压范围， 但开关管的电压应力增加；c u k 电路同样增加了开关管的电压应力，同时由于其 采用电容传送能量，增大了电容本身的纹波电流而降低了系统的可靠性】； b o o s t 电路可以将输出电压升高至满足后级逆变器的要求，同时可以达到很高的 效率，满足系统对效率的要求，但需要有合适的开关控制以免输出电压过高。 2 1 2 三电平升压电路 2 1 1 所讨论的四种基本直流变换电路开关管开通关断过程中所受的电压应 力为输入或输出电压的一倍到几倍，当应用在较高输入的中、大功率光伏发电系 统中，过高的电压应力对开关管的要求很高，降低了系统的可靠性，同时也增加 了系统成本。为此，本节提出了三电平( t h r e e l e v e l ，简称t l ) b o o s t 电路，结构 如图( 2 2 ) 所示。 图2 - 2b o o s t - t l 变换器结构 b o o s t t l 电路具有以下优点： 灞江大学琰1 ：学位论文 1 开关管电压应力为普通b o o s t 电路的一半，降低了开关管的选择难度； 2 储能电感容量可以大大减小，减小了电路的体积。 2 2 三电平升压电路( b o o s t t l 变换器) 分析 2 。2 1b o o s t - t l 变换器工作原理分析与模型建立 图( 2 3 ) 为1 0 k v a 三褶光伏发毫系统框图。逆变器选用二极管钳位式三电平 结构，要求其输入为两个高压且共地的正负电压源。d c d c 部分选用b o o s t - t l 变换器，在输出侧并两个串联的大电容进行分压，以电容连接中点为地，形成两 个高压且共地的正负电压源，满足逆变器的输入要求。 图2 31 0 k v a 三相光伏发电系统框图 图拉叠) 示出作为逆变器前级逛路的b o o s t - t l 交换器。如果把b 点作为地， 则a ，c 两点与b 点之间可构成两个共地的正负电压源( d c b u s ) ，并且在负载不 平衡的情况下，可以通过调节两个开关管乃，乃的导通时间平衡两个输出滤波 电容勖，饧上的电压u c f l ，u c f 2 ，所以b o o s t - t l 变换器佟为二极管罐健式三电 平逆变器的前级，具有调节正负d c b u s 电压使之平衡的优势。图( 2 4 ) q b ，乃 和乃的驱动信号采用相差1 8 0 。的交错控制方式，这样可最大程度的减小输出电 压纹波。 8 游汪入学赣l ：学位论文 |r 口羔 一j ，、， = r 1 ： 电 引基 o l 木 光 平 伏 q b i 阵 逆 变 列 c f 2 器童 ：= r x ： ， d 2c 图2 4 在三相光伏发电系统中作为逆变器前级的b o o s t - t l 变换器 2 2 。2b o o s t - t l 变换器工作模式分析 图2 2 ) 给出了b o o s t - t l 交换器的电路拓扑。霸和乃是两只歼关管；d z 和 肪是二极管；五，为滤波电感；o 和嘞为滤波电容，同时也是分压电容，电压均 为输出电压的一半，容量很大且相等：r ，和彤是负载。乃和乃交错工作，其驱 动信号相差1 8 0 。相角，图( 2 5 ) 给出不同开关模态下的等效电路。当开关管的占 空比d 0 5 或d 0 5 时，变换器的工作模式有所不同，下面分别加以分析。在 分析之前，傲如下假设：所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件； 翰= c p = c 虽足够大，均分输出电压； 假设阻性负载露严惩= 震； 电感电流谤 连续。接下来对b o o s t - t l 变换器在电流连续状态下( c c m ) 的工作模式进行分析： ( a ) 砖，为问黠导通 9 嘞为导遁，习关新 溉江大学磺二学位论文 ( c ) 疋关断，乃导通 ( d ) 乃，1 2 同时关断 圈2 5b o o s t - t l 交换器的四种工作模态 2 2 2 1d 0 5 时的工作情况 图( 2 6 ) 所示为d 0 5 时的工作情况 图( 2 7 ) 所示为d 芝o 5 时的主要工作波形。在一个开关周期丁内，变换器有 1 4 ，” 螂脚脚厨咖如 = ) )磅 ，0 2。留吁。勤 一击 浙江入学磁1 ：学袋论文 三种工作模态：乃、乃同时开通期；死开通、为关断期；霸关断、易开通潮。 l t 一 一 1 一 一 岛t o t r ll t r 弋il 】 x 一。多z少 m 、 i l f 、i ， r r l 一i u i n e ? 卜 f 卜 t t：t：tt 耀，o 秘 0 5 时的幸萼+ l ：终没 ( a ) 开关管乃的驱动波形，( b ) 开关管1 2 的驱动波形，( c ) 变换器输入电流毋波形 ( d ) 浚过二极管o f 的电流波形，( e ) ( 1 ) 【t o ，t d 乃、乃同时开通期 该模态的等效电路如图( 2 - 5 ) ( a ) 。输入电压为电感匆续流可以得到式子 。掣+ ，。( f ) = ；玛由供电，则有c ，。塑= 一警；飓由供电 有g ：掣= 一半。该模态i 作时喇删一妒将上面三个式子联立 l 寻 - 拉掣+ 嘣纠喇协争啪 7c 掣叫瓣争 ( 2 - 1 5 一争c 掣叫蛾争 此时段滤波电感匆电流线性增加：。( f ) = 生生哩譬掣，此时，。 1 溉江入学颟l ：学位论文 忽略r 的影响，可得下式： 渺弘) + 半”) ( 2 ) 【t l ，叫， 乃开通、t 2 关断期。 ( 2 - 1 6 ) 该模态的等效电路如图( 2 5 ) ( b ) 。输入电压为充电，有 t 望铲+ 嘞= ：( f ) ；匙由输入电压和同时供电，有 g ：掣吲分警；墨由供泡，剡有c ，掣一半。该模念工 作时间为【l d 0 ) 】r ，上面三个式子联立可得： 卜肥掣嘞h l 训眠勘】 1 - 删c 掣a 叫1 删】竿炎 i - d ( f ) 】c 墼掣：【l d ( f ) 助( f ) 一u c r ( t ) a t ， 此时段滤波电感每电流线性方程与式( 2 2 ) 相似： 屯，o ) ：。瓴) + 三二竖! ；三丝( f ) o o ) 。o 瓴) + f ( 7 。f 1 ( 3 ) 沁，纠，乃、乃同时开通期。 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 此时段的等效电路如图( 2 5 ) ( a ) 。此时乃、乃均开通。电路的具体工作情况 与i 作模态( 1 ) 相同。分析电路可得与式( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 相同的方程式( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 。 ( 4 ) 【t 3 ，翻，乃关断、乃开通期。 该模态的等效电路如图( 2 5 ) ( c ) 。输入电噩为充电，有 。掣+ 嘞( f ) = ( f ) ； r ， 由 和同时供电， 有 浙江大学磺1 j 学位论交 g ，掣吲分t u , f l ( t ) ；芝由供电，则有。：掣= 一警。该模态工 作时闽为【l 一( f ) f ，上面三个式子联立可得： 1 - 删【三掣+ ，o h l 剥飘o ) - u l 】 1 - 删c 掣叫l 删】竿( 2 - 2 1 ) 1 - 俐c 掣_ 【l 删崎( f ) ，半】 此时段滤波电感匆电流线性方程与工作时段( 2 ) 相似： ) 半 0 0 ) = ( ) + 1 一( ，。) ( 2 - 2 2 ) 。 应用状态平均方程法，由式( 2 - 1 5 ) ( 2 1 7 ) ( 2 * 1 9 ) 矛h ( 2 2 1 ) 可得b o o s t - t l 变换器 四种工作模态下的状态平均方程与d 0 5 时的状态平均方程相同。由此求出的控 制、输入至输出的传递函数和控制至输出的传递函数也相同，即式( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 。 2 2 2 。3 输入电流脉动 ( 1 ) 在c c m 状态下，占空比d o 。5 时，根据理想条件，电感孑两端电压u l 的平均值为零，由图( 2 7 ) 有： ( 。一t = ( 誓一一d ) t 。锄2 d 1 2 等( 肌三矽 l 嘲七i 【嬲= 2 l 唾 可得电压增益同样为式( 2 2 4 ) ， 电感电流谚的最大龇锄2 _ + 等( 。- 争 电感电流芬删、值为：- 勘等( 。- 争 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) 当。时，可以推导出输入电流的临界连续值：k2 等( 。- 争 ( 2 - 3 3 ) 1 8 浙江人学硕 j 学位论文 由式( 2 2 4 ) - 与式( 2 3 3 ) n - - j 推导出输出电流厶的连续临界值为： l = 枷删= 警( 。扣d ) 当。= 丢时，k 有最大值，且与式( 2 - 2 9 ) 市i i n ：厶。馘= 夏t g i i n 2 2 3b o o s t t l 变换器的外特性 f 2 3 4 ) 在恒定占空比下，变换器输出电压与输出电流的关系u o = j ( z o ) t o 称为变换器 的外特性。 2 2 3 1 电感电流连续( c c m ) 状态下 电感电流连续状态下，由式( 2 - 2 4 ) 可知：u 。= ( ，- d ) u o 。 2 2 3 2 电感电流断续( d c m ) 状态下 ( 1 ) d 0 5 时 如果滤波电感较小或者负载较轻，滤波电感电流将会断续。由图( 2 6 ) 和图 ( 2 7 ) 可知，当负载电流减小到使锄旷0 的时候，4 仁锄。下面分d 0 5 两种情况分别讨论变换器在电感电流断续时的工作情况。 由图( 2 8 ) 可得d c m 状态下d 0 5 时平均输出电流厶有： 厶丁= 寺( d + 2 d p ) r ( 2 - 3 5 ) 根据电感两端电压平均值为零醌d p = 糌。 ( 2 - 3 6 ) 由2 半刃戢( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) 联厶整理可得： 1 9 游江人学硕：学位论文 上式为变换器在d 0 5 时的电感毫流断续时的外特性。 ( 2 4 0 ) 圭 h 一“ 耘互慨 万一万 h 一“ u 再 | 辜一2 拓 丽 浙江天学硕l ：学位论文 l t j ? 一 镶 、 l 撵； ，k 、l。 t r lll ( c ) 慵 t 7 厶山 jly 0 个 r 。 国 1 图2 - 9d c m 状态下d 麓o 5 时的主要工作波形 ( a ) 开关管羁的驱动波形，( b ) 开关管乃的驱动波形， ( c ) 变换器输入电流波形，( d ) 流过二极管d ，的电流波形 2 2 - 3 3b o o s t - t l 变换器的外特性图 将b o o s t t l 变换器d 0 5 和d o 5 时的外特性与普通b o o s t 外特性绘于同 图中，得到图( 2 1 0 ) 。 下图中，标示菇x 的虚线为输漱电流临界连续益线，该曲线左边为电流 断续区，右边为电流连续区。 b o o s t - t l 变换器电流临界连续曲线由式( 2 2 8 ) 和式( 2 3 4 ) 决定；电流断续区 外特性由式( 2 - 3 7 ) 和式( 2 4 0 ) 决定；电流连续区的外特性由式( 2 2 4 ) 决定。 普通b o o s t 的电流临界连续曲线由式：l = 4 d ( 1 一d ) 决定； 辟e 期l 电流断续区外特性由式： 生u o2 蕊1 决定； i ， 电流连续区的外特性由式：丝：l d 决定渊。 虬 2 l 澎注天学颈一l ：学位论文 l 0 9 覆8 0 7 0 6 o5 垂4 o 3 嚣2 o _ l k 敝嘲x ( a ) b o o s t - t l 变换器输出电流与升压比关系图 。 知d o e 拜懿 ( c ) b o o s t - t l 变换器在输入电压一定时开关管占空比与输出电流比关系图 o 至3 o 己量r l 【1 3j r rdx f d ) b o o s t - t l 变换器三维外特性幽 明 叫 叽 o o o 浙：| _ 毕l | 。 位论t 08 06 04 o2 0 1 口口5 ( e ) 衄b o o s t 维外特性阁 幽210b o o s t _ t l 变换器的外特性与f 通b o o s t 的外特性比较 游江丈学矮+ l ：学位论交 2 3b o o s t - t l 变换器硬件电路设计 2 3 1b o o s t 亿变换器参数设计 2 3 1 1 输入电感设计【h 1 由前面的分析可知，占空比d 小于o 5 和大于o 5 时，输出电流脉动有着不 同的特性。定义a ，+ 。翮死为b o o s t t l 变换器的输出电流脉动标幺值，a + o - 姗为 b o o s t 变换器的输出电流脉动标么值。 礁a o = 芒慨，m 戤2 等 一一，| - ，l 一一。d 0 5 一 激汪入学颀卜学霞论文 气隙长度。在确定最大电流和选择相应磁芯后，可以按照下式计算匝数和相应的 气隙长度i 1 5 1 。 图2 - 11b o o s t 变换器与b o o s t - t l 变换器输出电流脉动值比较 = 鲁；气= 掣 陆4 2 ) 式中，穗广电感上流过的最大电流； 卜气隙长度； 卜瞪数； 彳r 磁芯的有效截面积。 2 3 1 2 输出电容( 嘞，q ) 设计 输出电容的主要作用是减少输出电压的纹波，由子本项目中厝级为三电平的 逆变器，这就需要两个完全相等的电容串联分压，以保证中点电压平衡。 在变换器工作处于c c m 状态下，由图( 2 2 6 ) ( d ) 和图2 - 2 7 ( d ) 日- 知，在一个开 关周期内，滤波电容充放电两次，且有：i n = i o + i c ，假定二极管扬中的纹波分量 全部流入电容，而负载值流过直流分量厶，则上式有：i n = l o + i c 。 在占空比d o 5 时，图2 - 2 6 ( d ) 和2 - 2 7 ( d ) 中扬波形的阴影面积表示如充放电 的电荷变量aq ，与此相对应的电压脉动量为： 浙江久学硕l j 学霞论文 虬= 等= 等= 鼍乙#么l o z j 毛乙# 相对值u o u o y 馨：a 虬u = 芴d 面t 得： e = 署惫 p 蚋 g 为嘞，嘞串联后的电容值，所以c j , = c p = c = 2 c o 。 根据项冒对于纹波大小的限制，可以据此计算出滤波电容的大小。考虑到电 容寄生参数的影响，滤波电容的值要适当放大，并采用多个较小容量电容并联的 方式以减小e s r ! 搬。 如果输出电流脉动褶同，由式( 2 4 3 ) 可知，b o o s t t l 变换器的输出滤波电容 充放电频率较b o o s t 变换器提高一倍，因此其滤波电容可以减小为b o o s t 变换器 滤波电容的一半。 2 3 1 3 输入电容设计 输入电容c z 的作用在于保证d c 囝c 电路工作时，光伏电池阵列端电蘧的相 对稳定，这样光伏电流也能够保持相对稳定，这个电容的值越大，直流侧的波动 越小。 设计输入电容。的约束条件有：光茯电池阵列输出电流纹波一般要小于 2 ( 输入电压纹波越小越好) 。 在绝大部分工作区域内，光伏电池阵列都可视为恒流源，假定在一个开关周 期内光伏电池阵列输出电流视为恒定值，则有： 岛= c , d 万u c i c = i e w i l a 屯一r i l r 为电感纹波系数，通常为o 1 o 2 之间，则有： ( 2 - 4 4 ) ( 2 4 5 ) 溉汪夭学硬l ：学往论文 y 沁c 1 d u m e v c 1a u i p f , ,n t氏l l l 为最大电感电流有效值， ! 导c j 的表达式： q = 畿去 ( 2 - 4 6 ) at 为歼通时间，按照占空眈为o 5 来设计，可 f 2 4 7 ) 若选取最大输入电压纹波0 2 v ，电感电流纹波系数为o 2 ，最大电感电流为 2 0 a ，根据式( 2 4 6 ) ，可得电容为5 0 0 u f 。选择8 2 0 u f 4 5 0 v 率联，并联一个0 1 u f 的薄膜电容，增强高频纹波吸收能力。 2 。3 。2 驱动和采样电路设计 2 3 2 1i g b t 驱动电路设计 在10 k v a 和更高功率级别的光伏发电系统中，需要采用耐压高、过流能力 强的i g b t 作为主开关器件。为了良好的特性，i g b t 控制需要具有开关速度快， 电流、电压容量大，导通压降小等特点。但是i g b t 的实用性依赖于电路的条件 和开关环境，若i g b t 的驱动不良，则会加大开关损耗，甚至使i g b t 不能j 下常 工