（电力电子与电力传动专业论文）高频隔离光伏并网逆变器dcdc环节的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 劢又 学位论文版权使用授权书 签字日期：2 口，f 年牟月2 矿日 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金魍些盔 ：色一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 名父 j ， 签字日期：加f f 年年月谱日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期9 0r 1 年斗月珊 电话： 邮编： 高频隔离光伏并网逆变器d c d c 环节的研究 摘要 面对地球不可再生能源存储量不断减少的危机，开发利用洁净的环境友好 型替代能源变得愈来愈紧迫。伴随着电力电子技术和新能源材料技术的不断发 展，光伏发电技术成为发展新能源技术中应用前景最为广阔的解决方案之一。 d c d c 变换器作为光伏发电系统的中间环节，其性能直接决定了系统转换效 率。采用软开关技术的d c d c 变换器实现了轻量化、高功率密度和良好的电磁 兼容特性。 本文首先分析了软开关技术的基本类型及原理，针对光伏系统这种大功率 应用场合，着重分析了软开关全桥变换器拓扑。在分析比较了几种f b z v z c s p w md c d c 变换器拓扑的基础上，考虑到光伏系统宽电压输入范围及较高电 压输出特性，给出了变压器附加辅助绕组的z v z c s 拓扑。文中详细分析了这 种拓扑的工作原理及实现条件，在此基础上通过公式推导完成器件的设计及计 算。为了实现光伏系统的效率最大化，文中阐明了光伏阵列倾角及间距计算方 法，并对d c d c 变换器中m p p t 算法进行了比较分析。接着在主电路建模分 析的基础上，对控制电路进行设计。最后，利用m a t l a b 对主电路仿真分析，验 证了设计的正确性。 关键词：光伏并网；移相全桥；z v z c s id c d c 变换器；m p p t i 倾角及间距 r e s e a r c ho nh i g h - f r e q u e n c yi s o l a t i o np h o t o v o l t a i c g r i d - c o n n e c t e ds y s t e md c d cc o n v e r t e r a b s t r a ct t od e a lw i t ht h ec r i s i sw h i c hi s c a u s e db yt h e p e r p e t u a ld e c r e a s eo f n o n r e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c eo ft h ew o r l d ，e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fc l e a n e n v i r o n m e n tf r i e n d l ya l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e si sg e t t i n gm o r ea n dm o r eu r g e n t w i t hp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dn e we n e r g ym a t e r i a l st e c h n o l o g yu n c e a s i n g d e v e l o p m e n t ，p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya st h ed e v e l o p m e n to fn e w e n e r g yt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o np r o s p e c ti no n eo ft h em o s tw i d es o l u t i o n s d c d c c o n v e r t e ra st h ei n t e r m e d i a t el i n ko fp h o t o v o l t a i cp o w e r s y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c e d i r e c t l yd e t e r m i n et h es y s t e me f f i c i e n c y b ym e a n so fs o f ts w i t c ht e c h n o l o g y d c d cc o n v e r t e rr e a l i z e dt h el i g h t w e i g h t ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n dp e r f e c te m c p r o p e r t i e s t h i sa r t i c l ef i r s t a n a l y z e st h eb a s i ct y p e sa n dp r i n c i p l eo fs o f ts w i t c h t e c h n o l o g y , a g a i n s tp h o t o v o l t a i cs y s t e mt h i sh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h es o f ts w i t c ho ft h ef u l lb r i d g ec o n v e r t e rt o p o l o g y i nt h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no fs e v e r a lf b - - z v z c s - p w md c d cc o n v e r t e rt o p o l o g y , o nt h eb a s i s o fc o n s i d e r i n gp h o t o v o l t a i cs y s t e mw i d ev o l t a g ei n p u t r a n g ea n dh i g hv o l t a g e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，g i v e st h ez v z c sc o n v e r t e ru s i n gt r a n s f o r m e ra u x i l i a r y w i n d i n gt o p o l o g y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o n c o n d i t i o no ft h e t o p o l o g yi nd e t a i l ，a n do nt h eb a s i so fa n a l y s i sd e s i g na n d c a l c u l a t i o na r ec o m p l e t e db yf o r m u l ad e d u c t i o n i no r d e rt or e a l i z et h em a x i m i z i n g t h ee f f i c i e n c yo fp h o t o v o l t a i cs y s t e m ，t h i sp a p e rs e tf o r t ht h ec a l c u l a t i o no ft h e o p t i m u ma n g l ea n dd i s t a n c eo fp h o t o v o l t a i cc e l la r r a ya n da n a l y s et h em e t h o do f m p p tu s e di nt h ed c d cc o n v e r t e r t h e nb ym e a n so f s m a l l s i g n a lm o d e la n a l y s i s o ft h i s t o p o l o g ya c h i e v ec o n t r o lc i r c u i td e s i g n f i n a l l y , t h ed e s i g ni sv a l i d a t e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o n k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m ：p h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g e ；z v z c s ； d c d cc o n v e r t e r ：m p p t ；o p t i m u ma n g l ea n dd i s t a n c e i i 致谢 本课题的研究是在我的导师杜少武教授的悉心指导下完成的。在两年半的 硕士学习阶段，杜老师在各方面为我提供极大的关怀和帮助，给我启迪，我所 取得的每一点进步都离不开导师的关心和培育，无论课程学习、论文选题、论 文成稿，都倾注了杜老师的大量心血。杜老师敏锐的学术洞察力、渊博的专业 知识、严谨认真的治学态度、高瞻远瞩的指导思想和兢兢业业的工作精神给我 留下深刻的影响，使我受益匪浅更激励我不断地学习和完善自己，更是我终生 学习的典范! 在此谨向杜老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢! 感谢姜卫东老师在研究生期间给予的指导、帮助和关怀。姜老师不懈的工 作态度、丰富的学术经验和随和的性格让我感受颇深，在此谨向他表示我最衷 心的感谢! 同时还要特别感谢安徽省电力设计院的殷雷主任、蒋克勇专工等同事，他 们敬业的工作精神、丰富的工程实践经验和对我实习工作的认真指导让我受益 匪浅，在此表达我衷心的祝福和感谢! 硕士阶段的学习将要结束，我要向所有曾经帮助过我的老师深表谢意，还 有实验室里生活中我的朋友们，他们是张胜、赵钦、芮骐骅、钟安明、李新杰、 戴鹏、张丽君、蔡宏蓓、邢栋、方勇、咸秀超、苏建明、王非、赵勇等等，在 此向他们表示感谢! 最后我要非常感谢我的父母，感谢他们对我深深的爱和无私的奉献，以及 我的女友，我的任何成绩都离不开他们对我的支持，他们永远是我的精神支柱! i 作者：邵文 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论。1 1 1 光伏发电的现状及意义l 1 2 光伏发电系统分类3 1 2 1 独立光伏发电系统3 1 2 2 并网光伏发电系统4 1 3 高频开关变换器的软开关技术5 1 3 1 软开关技术5 1 3 2z v s 、z c s 基本原理7 1 4 论文主要工作7 第二章光伏系统中移相全桥交换器拓扑分析8 2 1 全桥硬开关d c d c 变换器8 2 2p s f b z v s 变换器8 2 3p s f b z v z c s 变换器。9 2 3 ip s f b z v z c s 工作特性9 2 3 2p s f b z v z c s 变换器拓扑比较分析1 0 2 4 本章小结1 3 第三章光伏升压p s f b z v z c s 变换器主电路设计。1 4 3 1 变压器附加辅助绕组的p s - f b - z v z c s 变换器工作原理1 4 3 2 变压器附加辅助绕组的p s f b z v z c s 变换器设计分析19 3 2 1 稳态等效电路分析1 9 3 2 2 变压器变比的确定。2 0 3 2 3 厶u 的确定2 1 3 2 4 超前臂z v s 的实现条件2 1 3 2 5 滞后臂z c s 的实现条件2 2 3 3 主电路总体设计2 3 3 4 主电路主要参数设计2 3 3 4 1 高频变压器设计2 4 3 4 2 主开关管( v t l v t 4 ) 选择2 5 3 4 3 整流二极管( d l d 4 ) 选择2 6 3 4 4 输出滤波电感( ) 设计。2 6 3 4 5 输出滤波电容( c ) 选择2 8 3 4 6 超前臂并联电容( c 3 、c 4 ) 选择。2 8 3 4 7 输入滤波电容选择2 8 3 4 8 辅助绕组整流电路器件选择2 9 3 5 本章小结2 9 第四章光伏阵列的发电效率与m p p t 算法3 0 4 1 光伏电池基本原理及特性3 0 4 1 1 光伏电池的基本原理与等效模型3 0 4 1 2 光伏电池特性3l 4 2 光伏阵列的倾角与间距3 2 i v 4 2 1 特定时间段最佳倾斜角计算。3 2 4 2 2 口倾斜面上太阳辐射量3 3 4 2 3 光伏阵列间距3 4 4 3 基于d c d c 的m p p t 算法3 5 4 3 1 恒压跟踪法3 5 4 3 2 扰动观测法3 6 4 3 3 三点最小二乘法3 7 4 3 4 电导增量法。3 8 4 4 本章小结3 9 第五章光伏升压p s f b z v z c s 变换器控制电路设计4 0 5 1 小信号模型的建立4 0 5 2 控制芯片u c 3 8 7 5 及外围电路设计4 3 5 3 控制电路4 5 5 3 1 驱动电路4 5 5 3 2 采样电路4 5 5 3 1 3 保护电路及反馈实现4 6 5 3 4 偏磁检测4 7 5 4 本章小结4 8 第六章仿真与总结4 9 6 1 主电路仿真4 9 6 2 仿真波形分析4 9 6 3 全文总结5 1 6 4 工作展望5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 v 图1 。1 我国己探明的剩余能源储量与世界的比较3 图1 2 独立光伏发电系统4 图1 3 独立光伏发电系统分类4 图1 4 并网光伏发电系统5 图1 5 开关电路损耗6 图1 - 6 软开关开关过程6 图1 7 零电压、零电流开关7 图2 1 全桥p w m 硬开关变换器8 图2 2z v s 移相全桥变换器的主电路拓扑9 图2 3z v z c s 实现方式9 图2 4 原边采用饱和电感的的p s f b z v z c s 变换器1 0 图2 5 滞后臂串联二极管的p s f b z v z c s 变换器1 0 图2 - 6 副边采用有源箝位的p s f b z v z c s 变换器1 1 图2 7 副边采用无源箝位的p s f b z v z c s 变换器1 2 图2 8 副边采用耦合电感的p s f b z v z c s 变换器1 2 图2 - 9 变压器附加辅助绕组的p s f b z v z c s 变换器1 3 图3 1 变压器附加辅助绕组的z v z c s 拓扑1 4 图3 2z v z c s 变换器半开关周期的主要工作波形15 图3 3 ( a ) z v z c s 开关模式1 t o t i 1 5 图3 3 ( b ) z v z c s 开关模式2 死砭 1 6 图3 - 4 开关模式3 等效简化电路1 6 图3 3 ( c ) z v z c s 开关模式3 2 r 3 1 7 图3 3 ( d ) z v z c s 开关模式4 r a r 4 3 1 7 图3 3 ( e ) z v z c s 开关模式5 t 4 乃 1 7 图3 3 ( f ) z v z c s 开关模式6 r 5 1 8 图3 3 ( g ) z v z c s 开关模式7 r 6 乃 18 图3 3 ( h ) z v z c s 开关模式8 7 乃 1 9 图3 3 ( i ) z v z c s 开关模式9 乃乃 1 9 图3 5z v z c s 变换器等效电路2 0 图3 - 6k 取不同值时的传递增益2 1 图3 7 与传统b u c k 电路传递增益比较2 1 图3 8 主电路原理图2 3 图3 - 9 输出电流波形2 6 图4 1 光伏电池光电转化模型3 0 图4 2 光伏电池电路等效模型31 图4 3 光伏电池v - i 特性曲线31 图4 4 光伏电池在不同温度、辐照下特性曲线3 2 图4 5 光伏阵列倾角、间距计算模型3 5 图4 - 6 某市全年各月各倾角辐射量表。3 5 图4 7 恒温不同辐照下光伏阵列p v 特性曲线3 6 图4 - 8 扰动观测法控制流程图3 6 v i 图4 9 扰动观测法误判示意图3 7 图4 1 0 三点最小二乘法流程图3 7 图4 1 l 电导增量法流程图3 8 图5 - 1p s f b 。z v z c s 变换器工作波形4 0 图5 2d 3 期间等效简化电路4 1 图5 3d 4 期间等效简化电路4 l 图5 4 变压器附加辅助绕组p s f b z v z c s 变换器小信号模型4 2 图5 5u c 3 8 7 5 内部工作框图4 4 图5 - 6u c 3 8 7 5 外围电路图4 4 图5 7 驱动电路4 5 图5 8 电压采样电路4 6 图5 - 9 电流采样电路。4 6 图5 1 0 保护、反馈发生电路4 7 图5 1 1 保护电路4 7 图5 1 2 偏磁检测4 8 图6 1 变换器主电路仿真模型。4 9 图6 3 主电路原边主要波形5 0 图6 4u c o 、u a u 、u l 及i l 波形5 0 图6 5 启动时原边电流波形5 1 图6 - 6 启动时输出电压波形。5 l v i i v i i i 2 5 2 6 绪论 经济全球化和工业经济的迅猛发展，全世界对能源的需求急剧膨胀，能源 危机的矛盾也日益突出。煤炭、石油、天然气作为不可再生的化石能源，其存 储量是有限的，不断的开采这些濒临枯竭的资源，将会导致全球性能源危机， 与此同时，大量使用化石能源还会危害地球的生态环境，产生空气质量下降、 全球变暖等问题。【l 】如何实现环境、能源与发展的平衡已成为全球的热点问题。 大力发展可再生绿色能源，依靠科学技术实现可持续的环境友好的发展模式已 成为全球的共识。太阳能以其取之不尽用之不竭的独特优势，被业内专家一致 认为是2 1 世纪最重要的能源之一。开发利用太阳能资源有以下优点【2 】： 储量的“无限性 。太阳能作为取之不尽用之不竭的绿色能源，其利用量 巨大。太阳以每秒1 6x1 0 2 3 k w 向外辐射能量，到达地球的能量有8 1 0 1 3 k w 。相 当于充分燃烧6 1 0 9 吨标准煤。依此计算，一年中到达地球表面的太阳能辐射 量约为1 8 9 2 1 0 1 6 亿吨，是目前己探明的主要能源储量的一万倍。相对于化石能 源的有限性，太阳能的储量具有“无限性 。这使开发太阳能成为解决常规化 石能源枯竭危机的有效途径。 存在的普遍性。太阳能辐射具有不均匀的特点，在不同的纬度和气候条件 下其辐射量存在差异，但于现存的化石能源相比较，太阳能资源在全球范围内 广泛存在，完全能实现就地取用。这对于能源溃乏的国家、地区的能源问题提 供了新的解决局面。 开发利用的清洁性和经济性。太阳能的开发利用不会导致环境污染和生态 问题，是理想的替代能源。 1 1 光伏发电的现状及意义 随着太阳能开发的相关技术快速发展，太阳能的利用方式主要包括太阳能 热利用、太阳能动力利用和太阳能发电。随着电力电子技术和材料技术的高速 发展，太阳能发电将成为目前世界上最具前景的新能源技术。光伏发电技术的 研究主要包括两个方向，一个方向是新材料技术，即高效率、低成本的光伏电 池材料的研究，：另一个方向是对光伏系统中电力电子器件和应用系统的高转 换效率、低成本及高稳定性的研究。近年来，世界发达国家在不断进行相关研 究的同时积极推进光伏发电的产业化。加速光伏发电技术研究对解决能源危机 有十分重大的现实意义。 1 1 1国内外光伏发电的现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，光伏发电产业持续高速发展，平均每年以 3 0 一4 0 的速度递增。二十世纪9 0 年代以来，世界各发达国家掀起了发展光 伏发电系统的高潮。世界光伏发电产业规模的不断扩大，在大规模并网发电迅 速发展的背景下，光伏电池及其配套装置将成为全球的重要产业。全球太阳能 产业在19 9 5 到2 0 0 5 年约增长了17 倍，2 0 0 5 年世界光伏电池总产量高达 16 5 0 m w ，累计总装机容量达5 g w 。为了积极推动太阳能的开发和利用，各国 政府都积极制定了各种优惠鼓励政策推动光伏发电的发展。美日德等发达国家 发展尤为迅速。到2 0 10 年，美国能源部计划光伏发电装机达4 7 g w ，欧盟在 制定可再生能源白皮书及“起飞运动 基础上计划达到3 g w ，日本计划达到 5 g w ，澳大利严计划达到o 7 5 g w ，其中发展中国家发电装机总量约占世界光 伏产量1 0 ，世界累计总装机量达到15 g w 。预计到2 1 世纪中期，光伏发电量 将达到世界总发电量的1 0 一2 0 ，成为主要的能源之一p 4 j j 。 我国的太阳能技术的研发与应用起步较晚，但是发展十分迅速。19 5 8 年， 我国开始研究发展空间用太阳能电池，并在1 9 7 1 年首次成功将光伏发电技术应 于于东方红二号卫星。1 9 7 0 年代初，开始生产地面用光伏电池，自8 0 年代开 始，国家开始支持光伏发电市场的发展，我国光伏发电技术水平不断提高，在 光伏电池技术上与发达国家差距逐步减小，在单晶硅、多晶硅和薄膜电池技术 上不断突破，光伏电池的产量在世界比重也逐年提高。2 0 0 9 年7 月，我国为促 进光伏发电产业技术进步及规模化发展，培育战略性新兴产业，根据可再生 能源法、国家中长期科技发展规划纲要、可再生能源中长期发展规划 和可再生能源发展专项资金管理办法，中央财政将从可再生能源专项资金 中安排一定资金，支持光伏发电技术在各类领域的示范应用及关键技术产业化 ( 简称金太阳示范工程) 。计划在2 到3 年内，通过财政补助方式支持5 0 0 m w 以 上的光伏发电示范项目。其中，并网光伏发电项目原则上按光伏发电系统及其 配套输配电工程总投资的5 0 给予补助。该政策的出台，有助于降低太阳能 光伏产业发电成本，促进光伏上网电价能够尽量与市场接轨。同时也反映出国 家新能源战略从试点到产业规模化的意图越来越清晰。 但是，相比发达国家，我国还存在相当大的差距。首先，我国生产规模比 较小、自动化水平比较低；其次，专用原材料核心技术掌握不足。我国光伏产业 仍面临着严峻的考验。 1 1 2 发展光伏发电的意义和现存的问题 随着化石能源的大量开发消耗，导致了能源危机、环境污染和生态破坏一 系列问题。据调查显示：目前全世界石油储量可供采量为3 9 9 年，天然气储量 可供采量为6 1 年，煤炭储量可供采量为2 2 7 年。开发绿色能源将会在可持续发展 的基础上解决能源危机。如图1 1 所示，为我国己探明的剩余能源储量与世界的 比较。 2 太i j h 能石油人然气煤 图1 - 1 我国已探明的剩余能源储量与世界的比较 考虑到我国西北部土地辽阔、交便不便，燃料供应困难且成本较高，电网 覆盖难度大，但太阳能资源相当丰富，在2 0 0 2 一2 0 0 3 年政府推出了西部光伏照 明工程，这能够对西部地区人民生活水平的提高和西部大开发战略的贯彻实施 具有深远的政治和经济意义。 光伏发电技术发展的同时，也存在多方面的技术难题1 ，主要包括：( 1 ) 光伏阵列转换效率低。光伏电池的低转换效率使光伏发电系统的功率密度低， 不利于建设高功率的发电系统；( 2 ) 光伏发电系统的建设成本高。光伏系统中 光伏阵列的成本约占7 0 ，由于光伏电池的昂贵价格，建设光伏发电站的成本约 为火电和水电的6 2 0 倍。( 3 ) 光伏发电系统的运行易受环境气候的影响。光伏 发电系统对太阳的辐照变化非常敏感，因此环境气候对光伏发电的效率影响很 明显。( 4 ) 生产光伏电池消耗资源大。光伏电池的生产需要复杂的化学和物理 工序，这过程的能耗很大。 1 2 光伏发电系统分类 光伏发电系统根据与电力系统的关系通常分为：独立光伏发电系统及联网 光伏发电系统。联网光伏发电系统根据d c d c 环节的存在与否可分为两级式和单 极式。单极式中直接通过工频变压器接到电网，两级式中包括d c d c 和d c a c 两 个环节。随着电力电子技术中高频技术发展，两级式越来越成为研究的热点。 8 1 2 1 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统主要由光伏阵列、储能设备( 蓄电池) 、d c a c 逆变装置、 控制装置等组成，如图1 - 2 。太阳光通过光伏阵列转化为电能，m p p t 控制保证光 伏阵列以最大功率点输出电能，再经过变换装置向负载提供所需的交流电，同 时将剩余的电能由充电控制器以直流电形式向蓄电池充电。拍1 图1 2 独立光伏发电系统 按照用电负载特点，独立光伏发电系统包括交流系统、直流系统及交直混 合系统，如图卜3 。 ( a ) 交流系统( b ) 直流系统 ( c ) 交直混合系统 图1 3 独立光伏发电系统分类 1 2 2 并网光伏发电系统 单级式采用工频变压器，系统主要由光伏阵列、逆变装置、工频变压器和 保护装置构成，如图卜4 ( a ) 。由于此系统不含d c d c 升压环节，需要通过工频 变压器升压以保证逆变器成功并网。为提高系统效率，m p p t 控制通过逆变装置 环节实现。 两级式采用高频变压器，系统主要由光伏阵列、d c d c 、d c a c 及保护装置 构成，如图1 - 4 ( b ) 3 。d c d c 环节可将光阵列输出的电压提升到满足并网逆 变所需的电压水平，同时实现m p p t 控制。 4 叮 v v 。 毒 溅 l ， l lz t专 光伏阵列滤波器d c a c 滤波器工频变压器 电网 ( a ) 单级式光伏并网系统 。 l ，jr t 上 一 z 竹 一 - 1 z t 亍t i l 图1 4 并网光伏发电系统 1 3 高频开关变换器的软开关技术 传统的硬开关变换器有以下两方面缺点。 ( 1 ) 一定条件下，每个开关周期中开关管的开关损耗是恒定的。变换器的 总开关损耗正比于开关频率，开关频率越高，变换器的效率越低。这样就限制 了变换器的高频化，从而使变换器小型化、轻量化难以实现。 ( 2 ) 在硬开关条件下，开关管工作时会产生较高的d i d t 和d u d t ，从而产 生较大的电磁干扰。开关管开关条件得不到改善，还会使开关轨迹超出安全工 作区，损坏开关管。 因此为了减小变换器重量和体积，必须在保证效率的条件下使变换器实现 高频化。这样，只能尽量减小开关损耗。为了达到此目的，使开关管工作在软 开关方式，因此，软开关技术应运而生，其研究不断深入。 1 3 1 软开关技术 图1 5 所示是由直流电源、开关管、负载组成的电路，开关管做周期性开 通、关断。由于开关管不是理想器件，在开通时，开关管的电压存在一个下降 时间，同时电流也有一个上升时间。在这段交叠区，产生的损耗称之为开通损 耗，如图1 5 ( b ) 所示。在关断时，开关管的电压存在一个上升时间，同时电流 也有一个下降时间。在这段交叠区，产生的损耗称为关断损耗，如图1 - 5 ( c ) 所 示。因此在开关管工作时，开关损耗为开通损耗和关断损耗之和【l 叭。 ( a ) 开关电路( b ) 开通过程( c ) 关断过程 图1 5 开关电路损耗 只= 民+ 珞= 专 f ”融+ 上“融】( 1 - 1 ) 厶为导通时集电极电流，u o 为关断时电压，导通时忽略开关管压降，根据 图1 5 知，开通过程： ，= 舻一誓ff f 叽 关断过程： 川c 一争 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 将公式( 1 - 2 ) 、公式( 1 3 ) 代入公式( 1 1 ) 得： 忍= f cr 苦r c 一誓伽+ rc j c 一苦力鲁础 = 鱼孚盟c ，c ( 1 4 ) 由此可知，变换器的工作频率越高，可以大大减小所选用的磁性元件和滤 波元件体积，有助于小型化、轻量化实现。与此同时，由于工作频率的提高， 开关损耗线性上升，使系统效率下降，较高的历以和幽出还会导致e m i 问题。 为了减小开关损耗软开关技术应运而生。由软开关技术的发展，软开关电路分 成主要包括谐振变换器、准谐振变换器、零转换p w m 变换器及零开关p w m 变换器【1 1 1 。 ( a ) 开通过程( b ) 关断过程 图1 6 软开关开关过程 6 一o f l 材 c ( a ) z v s c ( b ) z c s 图1 7 零电压、零电流开关 1 4 论文主要工作 光伏发电系统中，d c d c 变换器作为大功率应用场合，本文在全桥d c d c 变换器理论的基础上，比较分析了多种电路拓扑，并提出一种有效的方案对其 进行设计验证。论文主要工作如下： 1 、简要介绍光伏发电的背景和软开关技术； 2 、分析全桥软开关电路工作原理，对几种p s f b z v z c s 典型拓扑比较分 析，确定一种理想的电路模型； 3 、对提出的电路进行详细的分析，依据其工作方式完成参数设计、选型； 4 、对光伏并网逆变器直流环节效率的提高进行研究，给出光伏阵列倾角、 间距的计算方法和几种m p p t 算法实现原理； 5 、通过建模对系统的控制系统进行设计； 6 、使用m a t l a b 对变换器主电路进行仿真和验证。 第二章光伏系统中移相全桥变换器拓扑分析 为了应用于光伏发电大功率场合，本章主要对全桥变换器中z v s 和z v z c s 的软开关工作原理以及各自的差异进行分析。并在此基础上，对p s f b z v z c s 变换器的几种典型拓扑进行比较分析，为本论文后续的设计提供理论依据。 2 1 全桥硬开关d c d c 变换器 如图2 1 ，为基本全桥p w m 硬开关变换器。 v d 5 图2 1 全桥p w m 硬开关变换器 基本的控制策略是开关管对角同时导通，对开关管施加占空比受控的高频 驱动方波，经变压器隔离变换后，由副边整流、滤波得到输出的直流电压 v o = d n 。其中，万为原副边匝比，d 为占空比。 1 2 1 如第一章所述，这种开关过程中，不仅会造成很高的开关损耗，还会在二 极管的恢复时间和i g b t 的电流拖尾期间使器件超出s o a 区间，造成器件损坏。 2 2p s f b z v s 交换器 通常的调频控制使软开关条件、范围变窄，而且磁性元件设计复杂，这限 制了谐振变换技术的发展。上世纪8 0 年代，移相控制技术与谐振变换技术相结 合，使开关频率固定，通过对开关间相角的调节，实现稳压输出。 p s f b z v s 变换器的四个开关管上并联电容，限制开关管电压变化率，以 实现z v s 。因为变压器漏感l l k 和输出滤波电感三较大，原边电流无法突变， 无法实现超前臂z c s 。l l 川。 如图2 2 ，其中v t l 、v t 4 的驱动信号同相位，v t 2 、v t 3 的驱动信号同相 位，输出电容和变压器漏感为谐振元件，使开关管依次实现z v s 。为防止桥臂 直通，在同一桥臂开关管上加入死区t 。通过调节移相角，调节输出电压。 啊k ： 习p 。 c 1 = zi v d lv d 3 j- -= 岛 a ，、， 1 i k i 专 b 吧匕 q g 澍pj 陡 - - ：2i v 0 2v d 4 2、= d 图2 2z v s 移相全桥变换器的主电路拓扑 p s f b z v s 存在以下优点【1 0 】： ( 1 ) 开关管工作在z v s 条件，效率提高，实现高频化； ( 2 ) 无需吸收回路； ( 3 ) 电流电压应力小； ( 4 ) 控制简单，频率固定，简化了磁性元件设计。 同时也存在一些缺点： ( 1 ) 初级侧电流较大，存在环流，通态损耗大； ( 2 ) 输出端整流二极管处于硬开关状态； ( 3 ) 轻载时，滞后臂难以实现z v s 。 2 3p s f b z v z c s 变换器 p s f b z v z c s 进一步解决了上节所提的p s f b z v s 的一些限制，如高的 占空比丢失、环流以及窄负载范围实现滞后臂z v s 。 较高的功率应用场合中，i g b t 具备高功率密度和低成本等特点，但也会 造成电流拖尾及高开关损耗。通过并联电容实现z v s 可以有效地降低关断损 耗。然而，z c s 却更为有效降低损耗。同时，变换器可以在很宽的负载范围内 实现z c s 。钏 2 3 1p s f b z v z c s 工作特性 p s f b z v z c s 是通过引入一个反向阻断电压源，完成电流复位，实现滞后 臂z c s ，减小了关断损耗，同时，z c s 的实现范围不受负载影响。反向阻断电 源还降低了原边环流，减小通态损耗。因为滞后臂采用z c s ，漏感值大大降低， 提高了有效占空比，使变压器匝比增大，降低了原副边电压应力，如图2 3 。 图2 - 3z v z c s 实现方式 9 尽管p s f b z v z c s 相对手p s f b z v s 优势明显，但也存在不足之处。由于 要引入反向阻断电源，从实现位置可分为初级侧和次初侧，从实现方式上可分 为有源和无源。当采用有源方案时，电路相对要变得复杂；当采用无源方案， 会增大通态损耗，这时相对于p s f b z v s 效率提升不明显，还带来散热问题。 2 3 2p s f b z v z c s 变换器拓扑比较分析 2 3 2 1 原边采用饱和电感的p s f b z v z c s 变换器【1 3 , 1 5 】 如图2 4 ，为p s f b z v z c s 的典型拓扑。饱和电感具有磁滞回线矩形比高、 矫顽力小、起始磁导率高的特点，其工作特性类似于“开关 。当流过的电流 小时，铁心不饱和，相当于“开路；当流过的电流大时，铁心饱和相当于“短 路”。通过阻断电容和饱和电感实现z c s 。工作中，阻断电容相当于反向阻断 电源，完成初级侧电流复位，为z c s 提供条件。饱和电感由于在电流较小时， 电感很大，能有效的抑制电流变化。 图2 4 原边采用饱和电感的的p s f b z v z c s 变换器 此拓扑具有通态损耗小、软开关范围宽等优点。但也存在一些缺点：1 、饱 和电感不易设计；2 、饱和电感的工作方式，使其高频下损耗较大，降低了整体 效率、发热严重；3 、饱和电感根据职n 设计，因此也导致占空比丢失明显；4 、 在漏感和饱和电感的作用下，易造成过压。 2 3 2 2 滞后臂串联二极管的p s f b z v z c s 变换器【1 6 】 如图2 5 ，该拓扑同样利用阻断电容使初级侧电流复位，通过滞后臂串联快 恢二极管，阻止电流反向增长。初级侧电流复位后，二极管截止，从而将初级 侧电流箝位在零，为实现滞后臂z c s 仓, j 造条件