（电力电子与电力传动专业论文）单相光伏并网发电系统中dcdc变换器的设计与优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t h 1t h ef a c eo fr e s o u r c e se x h a u s t i o no ft o d a y , s o l a re n e r g ya t t r a c t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a lw o r l d 船ac l e a na n dr e n e w a b l ee n e r g yf c s o u r c e i n r e c e n ty e a r s ，t h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dd r a m a t i c a l l y a n di th a sb e c o m eo n eo f t h em a i nm e t h o d si ns o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e sr e g u l a t i v ep 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 b e c a u s eo ft h ee n e r g ys t o r a g el i n ki nr e g u l a t i v ep h o t o v o l t a i c 鲥d - c o n n e c t e ds y s t e m ， i tn e e d ss o m ed c d cc o n v e r t e r st om e e tt h ed i f f e r e n tv o l t a g ec o n v e r ts i t u a t i o n s t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h eb a s i ca n a l y s i so fd c d cc o n v e r t e r ss u i t e df o rt h i ss i t u a t i o n , t h ed e s i g n p r o c e d u r e so fc d i n m o nb o o s tc o n v e r t e ra r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h e1 0 0h zl o w f r e q u e n c yr i p p l ec a u s e db yt h es i n g l ep h a s ei n v e r t e ri sa n a l y z e da n dt h ea v e r a g e c u r r e n tm o d ec o n b o lm e t h o di su s e dt om i n i m i z et h ee f f e c tc a u s e db yt h e1 0 0h zl o w f r e q u e n c yr i p p l e ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es h o r t a g eo ft h e 豳舀e p h a s eb o o s tc o n v e r t e ri n l l i g hs t e p - u pa p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sd e s c r i b e sat y p eo fb o o s tc o n v e r t e ru s i n g c o u p l e di n d u c t o rt oe x t e n dt h ev o l t a g eg a i n a n da l s oam e t h o do fa d d i n ga n e q u i v a l e n td cv o l t a g es o u r c ei nt h eo u t p u ts i d eo fn o n i s o l a t i o nc o n v e r t e r sw h i c h c a ne x t e n dt h es t e p u pv o l t a g eg a i ni sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ( 3 ) t h ed i f f e r e n tt y p e so fb a t t e r ya n dc h a r g i n gm e t h o d ss u i t e di nr e g u l a t i v e 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 ma r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ed e t a i l e dd e s i g n p r o c e d u r e so f5 4 0 wc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g ec h a r g e ra l ep r e s e n t e d f i n a l l y k e y w o r d s ：g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m , b o o s t ，c o u p l e di n d u c t o r ，h i 【g l l s t e p u p ，h a l f b r i d g e 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 光伏发电的背景与意义 随着全球经济的迅速发展，在有限资源和环境保护严格要求的双重制约下发 展经济已成为全世界的热点问题，而能源问题则尤为突出，尤其是清洁的可再生 能源的应用和发展越来越受到全世界各国的关注。 近几十年来，太阳能光伏发电技术得到了前所未有的发展，太阳能光伏并网 发电技术已经成为当今利用太阳能的最主要的方式之一。太阳能作为一种取之不 尽、用之不竭的清洁能源，在全球环境污染和能源危机日益严重的今天，研究光 伏并网发电技术对缓解能源危机、保护生态环境和保证经济的可持续发展具有深 远而重大的理论和现实意义【”。 1 1 1 开发太阳能的紧迫性2 1 随着社会的不断发展，人类的社会经济文化活动都需要大量的能源。回顾1 0 0 年间能源工业的发展历史，可以清楚的看到，整个能源工业的消耗主要是石油、 煤炭、天然气等不可再生能源为主。煤和石油作为能源的载体，极大的解放了生 产力，推动了全世界工业化的进程。 但是这些不可再生能源的利用必然存在一些问题： 1 ) 不可再生能源的利用方式必然会引起严重的环境污染问题，每年有数十 万吨二氧化硫和二氧化碳等有害物质排向空间，使大气环境遭到严重污染，直接 影响居民的身体健康和生活质量。同时由于排放大量温室气体而产生的温室效 应，已引起全球气候恶化，在过去的l o o 年中，全球的平均气温上升了o 3 o 6 ，全球海平面平均上升了l o 2 5 e m 。尽管“京都议定书”规定了工业化国家 温室气体的排放量的指标，我国不在其中，但2 0 1 2 年以后就很难预料了。目前 我国能源消费以煤炭为主，二氧化硫的排放量占全世界的1 5 1 ，为世界第一； 二氧化碳的排放量占全世界的1 3 6 ，居美国之后，为世界第二。改变这一严峻 的现实，己成为刻不容缓的大事1 3 】。 2 ) 不可再生能源的储量是有限的，从长远来看，全球已探明的石油储量只 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 能用到2 0 2 0 年，天然气也只能延续到2 0 4 0 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也 只能维持二三百年。随着世界能源消费量的不断增长，不可再生能生能源已经逐 渐呈现出枯竭之势。因此，如不尽快设法解决不可再生能源的替代能源问题，人 类迟早将面临巨大的危机局面。 1 1 2 太阳能是不可再生能源的主要替代能源 可再生能源是2 1 世纪能源发展的新方向，包括太阳能发电、风力发电、太 阳能热利用、地热能以及包括燃料电池在内的一系列制氢和氢能利用技术【2 翔， 开发可再生能源有利于改善环境质量，减少温室效应现象。 在这些可再生能源中，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源 的相对广泛性和充足性、长寿性和免维护性等其它常规能源所不具备的优点。 研究和实践表明【4 】，直接由太阳辐射到地球上的能量非常丰富，分布广泛， 可以再生，而且不污染环境，每4 0 秒钟就有相当于2 1 0 亿桶石油的能量，相当 于全球一天所消耗的能源，所以太阳能是国际社会公认的不可再生能源的理想替 代源。根据国际权威机构的预测，到2 1 世纪6 0 年代，即2 0 6 0 年，全球直接利 用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的1 3 1 5 之间，而整个可再生能源 在能源结构中的比例将大于5 0 ，如表1 1 所示【5 j o 表1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比椤| i ( ) 时段 2 0 1 0 2 0 2 02 0 3 0 2 0 4 0 2 0 5 0 日本可再生能源 2 0 22 3 53 3 64 2 75 3 4 预测 太阳能 1 97 91 3 5 s h e l l 可再生能源 2 2 22 0 93 2 34 3 35 4 6 预测 太阳能 2 68 41 4 9 平 可再生能源 2 1 22 2 23 3 o4 35 4 均 太阳能 2 38 2 1 4 2 从表我们可以很明显的看到，太阳能将是未来不可再生能源的主要替代 能源之一。 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 光伏发电的发展和现状 太阳能是资源最为丰富的可再生能源之一，具有独特的优势和巨大的开发利 用潜力。按能量转换的方式，太阳能利用主要在以下三个领域上进行：光热转换 领域( 太阳能热水器、太阳灶、太阳房、海水蒸馏器、太阳能热力发电等) 、光 电转换领域( 太阳能光伏发电系统) 和光化学转换领域( 太阳能制氢等) 。其中 光伏发电是太阳能利用的主要形式【6 】。 自从1 8 3 9 年法国物理学家贝克勒耳首次发现酸性溶液中贵金属的光电效应 以来，太阳能的利用便成为人们广泛关注的课题。1 9 5 4 年美国贝尔实验室两位 研究人员恰宾和皮尔松，首次研制成功实用的光电转换效率为6 的单晶硅太阳 能电池，人类从此进入了将太阳能直接转换为电能的光伏发电历程1 7 1 8 1 。 1 2 1 国外光伏发电的发展及现状9 i 1 1 0 | 由于早期光伏电池价格昂贵且光电转换效率低，因此光伏电池的应用主要局 限于科学研究及航空、军事等特殊领域。 从7 0 年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳电池的发展。美 国于1 9 7 3 年首先制定了光伏发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标。 自8 0 年代以来，其它发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、 瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和 加速工业化进程。 8 0 年代末至今，西方发达国家开始从能源和环境的可持续发展角度出发，纷 纷制定政策，支持和鼓励光伏并网发电。 日本政府在1 9 7 4 年石油危机期间制定了“阳光计划”，作为延续，1 9 9 3 年又 确定了“新阳光计划”，在“新阳光计划”成功的基础上，2 0 0 1 年制定了。先进 光伏发电计划p p op v 制造业被日本工业界视为关键工业，他们提出日本不应向中 国和亚洲其它国家转移。 德国政府自1 9 9 9 年开始执行“1 0 万屋顶光伏计划”，同年出台了新的可再生 能源法，该法律同一系列补贴政策一起大大推动了德国“1 0 万屋顶光伏计划” 的执行和光伏产业的发展。2 0 0 4 年德国太阳能新装容量的设备己居世界首位， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 该年度德国太阳能产业总产值达2 0 亿欧元，比2 0 0 3 年提高了6 0 。 美国1 9 9 7 年提出了“百万屋顶光伏计划”，以促进户用p v 联网系统的发展； 联邦政府和许多州政府通过减免税收等措施来促进p v 联网系统的发展。然而， 由于美国政治形势( 如退出京都议定书等) 的变化使得政府对百万屋顶计划缺乏 专门的预算支持，故该计划对美国p v 产业发展的推动作用不如日本显著。美国 也失去了保持多年的p v 市场领先地位而落后于日本和欧洲。 2 0 0 5 年全球安装太阳能电池组件1 4 6 0 m w ，比前一年增长了3 4 。德国安 装8 3 7 m w ，比前一年增长了5 3 ，占世界安装量的5 7 ；日本安装2 9 2 m w ， 比前一年增长了1 4 ，占世界安装量的2 0 ；美国安装1 0 2 m w ，占世界安装量 的7 ；欧洲其它地区安装8 8 m w ，占世界安装量的6 ；世界其它地区安装量 1 4 6 m w , 占世界安装量的1 0 。其具体的情况如图1 1 所示【1 1 】。 世界各地光伏安装量及其所占比例 装机总量1 4 6 0 姗 图卜12 0 0 5 年世界各地光伏安装量及其所占比例 1 2 2 我国光伏发电的发展及现状 我国是世界上太阳能资源丰富的国家之一，国土面积上每年接受的太阳能能 量约为5 6 1 0 2 2 焦耳，相当于1 9 x 1 0 1 2 吨标准煤【3 】；全国2 3 以上地区年日照 数都大于2 0 0 0 小时，尤其是西藏地区，年太阳最高辐射量居世界第二，仅次于 撒哈拉大沙漠，具有利用太阳能资源的良好条件。 从1 9 5 8 年开始，我国开始研究太阳能电池。1 9 7 1 年，首次将光伏电池成功 应用于太阳红2 号卫星。1 9 7 3 年，开始太阳电池地面应用。从上世界7 0 年代初 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 到8 0 年代末，由于成本太高，太阳电池的地面应用非常有限。9 0 年代以后，随 着成本的降低，太阳电池向工业领域和农村电气化应用方向发展，市场稳步扩大， 国家和地方政府开始制定光伏发展计划。2 0 0 2 年，国家发改委启动了“送电到 乡硕目，使得中国的光伏市场迅速的发展起来，总装机容量从2 0 0 1 年的2 3 5 0 0 k w 迅速增长到2 0 0 2 年的4 5 0 0 0 k w ，至2 0 0 3 年达到5 5 0 0 0 k w 。2 0 0 3 2 0 0 5 年，受德 国巨大的市场需求影响，国内光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长，其具体如 表1 2 所示【 。 表1 2 中国历年太阳电池产量及安装量 年年产量( k w )组件价格( 元w )安装总量( k w ) 1 9 7 6o 54 0 0 0 5 1 9 8 68 0 o4 0 4 52 8 0 1 9 8 83 5 0 03 5 4 57 3 0 1 9 9 05 0 0 3 8 4 01 7 8 0 2 0 0 02 8 0 0 3 5 4 51 9 0 0 0 2 0 0 21 5 3 0 03 0 3 54 5 0 0 0 2 0 0 38 0 0 02 5 3 05 5 0 0 0 2 0 0 43 6 0 0 02 8 3 2 6 5 0 0 0 2 0 0 51 5 0 0 0 0 3 2 4 07 0 0 0 0 尽管我国正在成为国际太阳能光伏产业的重要制造商之一，但8 0 左右的硅 棒主要向日本及欧洲出口，国内光伏产业技术应用仍很缓慢，主要原因在于硅片 切割能力还很小。目前，我国太阳能级的硅片的年切割能力仅为4 0 兆瓦左右； 多晶硅原料的提炼在我国尚属空白，供应仍有很大缺口；国内电池的生产成本比 国外同类产品高3 0 左右。这些因素，成为制约国内光伏产业发展的瓶颈。 针对中国可再生能源的现状，2 0 0 5 年2 月2 8 日十届全国人大常委会第十四 次会议表决通过了可再生能源法，此法规于2 0 0 6 年1 月1 日起正式实施。此 项法规为新能源技术发电在我国的发展提供了强有力的政策支持，是其今后得以 正常发展的有利保障该法规明确了各类可再生能源开发利用主体的权利和义 务，确立了可再生能源发展的目标和规划的法律地位，规定了可再生能源并网发 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 电审批和全额收购制度、可再生能源上网电价和费用分摊制度，可再生能源专项 资金和税收、信贷鼓励等政策。此项法规的出台，明确了可再生能源在国民经济 发展中的重要地位和发展方向，对可再生能源的发展，包括光伏发电的发展都具 有巨大的推动作用和极其深远的意义”。 1 3 光伏发电技术概述 1 3 1 独立式光伏发电系统0 1 2 1 不与电网相连的光伏发电系统称为独立式光伏发电系统。由于独立式光伏发 电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常工作，系统中必定存在 一个储能环节来储存和调节整个系统能量。 图l - 2 独立式交直流混合光伏发电系统 如图1 2 为独立式交直流混合光伏发电系统的结构示意图。当白天太阳光照 充足的时候，蓄电池将负载不需要的能量储存起来，当夜晚或白天太阳光照不足 的时候，光伏阵列不能够为负载提供足够的能量，可以通过储能环节向负载提供 能量以保证电能的稳定。图中控制器环节是光伏发电系统的核心部件之一，其包 括光伏阵列输出电压和输出电流的检测、蓄电池的充电管理和放电管理、系统设 备的保护、故障诊断定位和运行状态指示等。 由于整个系统中加入了蓄电池环节，所以独立式光伏发电系统可以有效的调 节能量，但是系统的成本增加，可靠性略微降低。 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 2 光伏并网发电系统 光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、 同频率、同相位的交流电，并实现与电网相连的系统。光伏并网发电系统按照是 否具有储能环节还可以分为可调度式( 图1 - 3 ) 和不可调度式( 图1 - 4 ) 两种类 型【1 3 】。 图1 - 3 可调度式光伏并网发电系统结构示意图 图1 _ 4 不可调度式光伏并网发电系统结构示意图 从图1 3 和图1 4 的结构示意图可以看出，光伏并网发电系统基本可以由以 下几部分构成： ( 1 ) 光伏阵列电池 光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池的功率较 小，为了满足不同等级的负载需求，可以将光伏电池串、并联后统一封装构成光 伏模块，这是目前光伏器件主要存在的应用方式。因为大功率的光伏模块安装、 维护方便，因此在光伏发电系统中2 0 0 w 以上的光伏模块更受欢迎。如果光伏发 电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 相同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列，为系统提供更高的输出功率和输出 电压。 ( 2 ) 前级升压电路 一般而言，光伏阵列的输出电压都比较低，需要通过一级d c d c 升压电路 将较低的光伏阵列输出电压提升到后级逆变器需要的4 0 0 v 直流母线标准。同时， 由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块稳定的非线性函 数，存在着最大功率点跟踪的问题。如果不在整个系统中加入最大功率点跟踪控 制，就很难较好的发挥光伏模块的转换效率。目前国内外对最大功率点跟踪控制 技术的研究主要有两个方面，一是设计于前级d c d c 升压电路，二是设计于后 级并网逆变器。 ( 3 ) 储能系统 储能系统环节只存在于可调度式光伏并网发电系统类型中。如图1 3 所示， 储能环节由储能设备( 一般由蓄电池代替) 、充电电路、放电电路3 部分组成。 光伏发电系统只有在白天有光照的时候才能发电，所以在白天光照充足的时 候，可以将多余的太阳能通过一级充电电路存储于储能环节。当白天光照不足或 夜晚没有光照时，再通过一级放电电路将储能环节的化学能转化为电能对后级并 网逆变器提供能量。 本文所讨论的主要是可调度式光伏并网发电系统。 ( 4 ) 逆变器及其控制系统 由于光伏阵列的输出电压是直流电压，但是包括电网在内的许多用电场合都 需要交流电，所以后级逆变器是光伏并网发电系统中很重要的一个环节。逆变器 控制系统涉及整个系统的m p p t 控制，孤岛检测、并网控制等关键问题。 1 3 2 1 可调度式和不可调度式并网发电系统的特点i ”i 本文主要研究的是可调度式并网发电系统，它的结构示意图如图1 3 所示。 如图1 3 所示，可调度式光伏发电并网系统由光伏阵列、直流升压电路、储 能系统、逆变器、本地交流负载、主配电开关和交流电网组成。可调度式并网发 电系统具备储能环节，因此兼有不问断电源和有源滤波器的功能，有利于电网调 峰。与不可调度式光伏发电系统相比它具有以下的优点： ( 1 ) 系统除了可以向本地负载或电网提供能量外，还可以在光伏器件能量 浙江大学硕士= 学位论文 第1 章绪论 不足时作为不问断电源使用。 ( 2 ) 随着可调度式系统装机容量的不断扩大，它还可以根据电网允许情况 控制整个光伏系统的输出功率，起到一定电网调峰的作用。 ( 3 ) 可调度式系统还可作为有源功率调节器用于提高电网终端的电能质量。 ( 4 ) 蓄电池可以给逆变器提供平稳的直流母线电压，减小光伏阵列因天气 变化对整个系统运行的干扰。 可调度式光伏并网系统在功能上虽然优于不可调度式光伏并网系统，但由于 增加了一级能量储存的环节，也带来了一些问题。其主要问题如下： ( 1 ) 作为储能环节的蓄电池组，其使用寿命一般较短，而且价格昂贵，相 对于不可调度式光伏并网发电系统，整个系统的维护工作也大大增加。 ( 2 ) 蓄电池组环节体积和重量相对较大，整个系统复杂程度也大大增加。 ( 3 ) 相对于不可调度式光伏并网发电系统，其集成度降低，安装和调试相 对复杂，可靠性也较低。 1 4 本文所做工作 本文具体研究与设计的是l k w 可调度式光伏并网发电系统，其具体的结构 示意图如图1 - 5 所示。 1 6 5 v 一2 1 5 v 图l - 5l k w 可调度式光伏并网发电系统结构示意图 实验中采用的光伏阵列单板电压为1 6 5 v 2 1 5 v ，1 0 块i o o w 的光伏阵列 电池通过串联组成1 6 5 v 2 1 5 v 的电压输出，通过一级升压电路将较低的光伏阵 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 列输出电压提高到适合逆变器需要的4 0 0 v 左右的母线电压，然后通过一级 d c a c 全桥逆变器进行并网，向电网供电，为了有效的调节能量，通过一级 d c d c 充电电路对4 8 v 蓄电池组进行充电，在需要的时候，蓄电池组通过一级 d c d c 放电电路对后级逆变器并网系统提供能量。 因此可调度式光伏并网发电系统中，存在多个不同电压等级之间变换的场 合，需设计多个d c d c 变换电路来满足不同电压的变换和功率的传输。本文主 要要求完成l k w 光伏并网发电系统中各个d c d c 变换器的设计，并针对各个不 同电压等级、不同功率等级的变换场所，在详细研究各种不同d c d c 变换器在 不同场合的特点的基础上，对各个变换器的拓扑和控制策略进行优化设计，具体 任务如下： 1 前级d c d c 升压电路设计 在分析讨论适用此场合的d c d c 变换器的基础上，详细设计前级升压电路， 讨论与后级单相逆变器级联产生的1 0 0 h z 低频纹波问题，采用平均电流模式控 制，减小逆变器级联引入的低频纹波对整个系统的影响。 2 蓄电池放电电路设计 由于蓄电池的输出电压较低，必须经过升压才能满足后级逆变器的要求。在 这种高电压增益场合，普通单相b o o s t 变换器不能满足其要求。本文在分析普通 单相b o o s t 变换器在高增益变换场合的不足的基础上，对高电压增益变换场合的 拓扑进行优化选择，采用耦合电感实现了高增益变换，提高了变换器的稳定性和 效率。 3 蓄电池充电电路设计 蓄电池充电器的前级接在4 0 0 v 直流母线，在分析适用此场合的不同d c d c 变换器的特点的基础上，完成一个5 4 0 w 的恒流恒压两阶段半桥蓄电池充电器。 本实验中，可调度式光伏并网发电系统的后级逆变器采用瞬时电流模式控 制，故最大功率点跟踪环节置于后级并网逆变器控制。后级逆变器并网设计、 m p p t 控制、孤岛检测等问题由他人合作完成，本文并不涉及其设计与讨论。 1 0 浙江大学硕上学位论文 第2 章光伏系统中前级升压电路设计 第2 章光伏系统中前级升压电路设计 实验中采用的光伏阵列电池单个功率为i o o w ，开路电压1 6 5 v 2 1 5 v 。为 了满足整个系统的功率等级要求，将1 0 节光伏电池串联作为前级输入电压。所 以需要通过一级升压电路将较低的光伏阵列输出电压提高到并网逆变器需要的 4 0 0 v 直流母线电压。 前级升压电路具体指标如下： 光伏阵列输入电压：= 1 6 5 v 2 1 5 v ； 标准直流母线电压：p 0 = 4 0 0 v ； 输出功率：= l k g 。 2 1 拓扑选择 2 1 1 普通单相b o o s t 变换器 普通单相b o o s t 变换器结构如图2 1 所示。由于其结构简单，控制和驱动电 路易于设计，整个变换器存在的能量损耗环节较少，所以广泛应用于功率等级不 是很高的升压变换场合。 v i 。 图2 - 1 单相 b o o s t 变换器 v o m 当应用场合的功率等级升高或电压增益要求较高时，其主要有以下缺点： 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 ( 1 ) 主开关管研和输出二极管仉都工作于硬开关模式，输出二极管d d 存在 严重的反向恢复损耗问题，引起e m i 干扰。 ( 2 ) 当变换器的功率等级增加时，输入电流纹波将进一步增大，开关损耗也随 之增加，从而影响整个变换器的效率。 2 1 2 交错并联b o o s t 变换电路 随着普通b o o s t 电路功率等级的增加，输入电流的等级也成倍增加。由于开 关器件存在导通电阻如r d 彬，所以整个系统的导通损耗将大大增加。同时，随 着输入电压纹波和电流纹波的增大，开关器件工作于更恶劣的条件下，开关损耗 也急剧增加。 文献 1 4 】【1 5 】【1 6 分析与研究了交错并联技术下b o o s t 变换器的输入电流特 性，验证了b o o s t 电路通过交错并联可减小输入电流纹波，降低开关损耗和导通 损耗，从而提高整个变换器的效率。 2 1 2 1 普通交错并联b o o s t 变换电路 普通交错并联b o o s t 变换电路如图2 2 所示，将主开关管岛、& 的导通时间 相互错开，每个b o o s t 电路分别工作于电流断续模式，但是输入电流为两个交错 之路电流之和，其电流仍旧是连续的。 d 0 1 图2 - 2 普通交错并联b o o s t 变换电路 由于每个b o o s t 电路工作于d c m 模式，所以主开关管昂、岛都实现了零电 流开通，降低了输入电流的纹波。其缺点是主开关管都工作于硬开关模式，开关 损耗较大。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章光伏系统中前级升压电路设计 2 1 2 2 耦合电感交错并联b o o s t 变换电路 尽管普通交错并联b o o s t 电路有很多的优点，但是其主开关还是工作于硬开 关模式，输出二极管的反向恢复损耗也较严重。由于普通交错并联b o o s t 变换电 路中存在两个电感，可以利用耦合电感原理将其耦合，利用耦合电感的漏感可以 解决输出二极管的反向恢复问题。 图2 - 3 耦合电感交错并联b o o s t 变换电路 文献【1 6 】详细分析了耦合电感交错并联b o o s t 变换电路的特点和工作原理， 其电路结构示意图如图2 3 所示。 2 1 2 3 耦合电感交错并联软开关b o o s t 变换电路 当整个系统的功率要求进一步增加的时候，为了提高系统效率，文献【1 7 】提 出了一种带耦合电感交错并联b o o s t 变换电路，它将适用于1 0 k w 功率等级以上 的应用场合。其结构示意图如图2 - 4 所示。 图2 4 耦合电感交错并联软开关b o o s t 变换电路 晰江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 在图2 3 耦合电感交错并联b o o s t 变换电路的基础上，加入两组简单的辅助有 源网络，可以使开关管实现零电流开通和零电压关断。辅助开关管也可以实现零 电压关断。利用耦合电感的漏感，可以控制输出二极管的电流下降斜率，消除了 其反向恢复损耗。由于整个变换器没有加入额外的电感元件，整个软开关辅助单 元也得以简化。而且每个b o o s t 电路均工作在d c m 状态，这样无论负载多大， 主开关管均为零电流开通，无二极管反向恢复损耗的影响，整个软开关的负载范 围很宽【1 7 】。 2 1 3 拓扑比较 由以上分析，在输入电压为1 6 5 v - 2 1 5 v ，输出电压为4 0 0 v 的应用场合，一 般当整个系统功率等级小于2 k w 时，整个变换器的输入电流纹波不是很大，由 于整个变换器存在的损耗单元较少，其整机效率可以做的较高，而且相对于交错 并联b o o s t 变换器，其控制策略简单，易于设计与控制建模，所以在这种功率等 级不是很高的变换场合，可以选择一级普通单相b o o s t 变换电路。 表2 - 1 拓扑比较表格 复杂 功率等级拓扑选择软开关 程度 小普通单相b o o s t 变换电路简单否 耦合电感交错并联b o o s t 中 复杂 z c s 变换电路 耦合电感交错并联软开关 z c s 大很复杂 b o o s t 变换电路z v t 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章光伏系统中前级升压电路设计 2 2b o o s t 主电路设计 b o o s t 主电路示意图如图2 5 所示，具体参数设计如下： 日 三 d 2 阿哥三z b r 制 ill 。i 吐r2 讥v _ j 个“ = c l ii 1 ) 开关频率z = 1 0 0 k h z 图2 - 5 舶m t 主电路 十 g 开关电源的工作频率的选择要考虑到电路的体积、效率、功率、开关器件等 诸多方面的要求。为了提高开关电源的功率密度，电路工作的开关频率必然要求 高频化，而工作频率的提高又必然导致效率的降低，电路中的寄生参数的影响也 会变的更加显著。综合考虑开关频率选择为l o o k h z 。 2 ) 输入滤波电感设计【1 8 】 假定电路效率叩= 9 0 ，最大输入功率圪= 生= 1 1 k w p 输入电流峰值为：。= 瓦惫高= 6 7 一 选择电感电流纹波：，= 0 2 1 - - i 3 4 a 确定电感量：三= v ( m i n ) - d 7 0 0 1 t h f 扯 3 ) m o s f e t 选择 开关管关断时最大电压吃( m a x ) = k = 4 0 0 1 ，最大电流。= ，。= 6 7 a ， 可以选用i r f p 4 6 0 ，最大正向耐压5 0 0 v ，电流2 0 a ，导通电阻也( o n ) = 0 2 7 q 。 由于m o s f e t 具有正的温度系数，可以并联使用。考虑到开关管温度升高 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 时，其最大正向电流将大大减小，所以实际中选择两个1 r f p 4 6 0 并联，可以进 一步减小导通损耗，提高变换器效率。 4 ) 驱动电路设计 由于开关管选用两个i r f p 4 6 0 并联，开关频率选择为1 0 0 k h z ，所以整个驱 动电路的驱动能力要求较高，需选择专门的驱动芯片以提高其驱动能力。在实验 中采用了m i c 4 4 5 2 驱动芯片。 m i c 4 4 5 2 驱动芯片最大可以提供j 刎( 峰值) 的驱动电流，可以非常容易而 且高效的应用于多个m o s f e t 并联的驱动能力要求较高的应用场合。 m i c 4 4 5 2 内部结构框图如图2 - 6 所示，其内置为正向驱动，而m i c 4 4 5 1 则内 置为反向驱动。其典型接法如图2 7 所示。 + 图2 - 6m i c 4 4 5 2 内部结构图 图2 - 7m i c 4 4 5 2 典型接法 1 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章光伏系统中前级升压电路设计 图2 8 是经过m i c 4 4 5 2 驱动之后的开关管波形。 _ ：v 情v l d l v j t 11 _ ：。l ：； 。z ： ：r 拦：! ： i ：i l ：l 1 ： _ t1 2 5 u s d i v ) 图2 - 8m i c 4 4 5 2 输出驱动波形 5 ) 主开关管箝位电路设计 由于线路中漏感的存在，主开关管q 关断时，漏感和主开关管的结电容会在 开关管上引起很高的电压尖峰，恶劣情况下会击穿开关管，我们需要对其专门设 计吸收电路。 实验中采用的r c d 箝位式吸收电路结构如图2 5 主电路中所示。箝位电容 。电压近似可以认为是输出电压，当开关管关断电压超过箝位电容电压时，筘 位二极管功开始导通，开关管电压被筘位至箝位电容电压，利用箝位电容电压 的不可突变性可以有效的抑制其电压尖峰；同时箝位电容c ，通过吸收电阻r ，对 输出放电，漏感能量有一部分转移至副边，所以整个吸收电路的能量较其他吸收 电路损耗较小。 ：。：i ：；：；：。：； 娅誓 ： ：一 ! ；! ! 难甄墨难 图2 - 9 开关管驱动波形和关断电压波形 1 7 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 实验中实际吸收电路中箝位二极管b 选用m u r 8 6 0 ，筘位电容 c l = 2 2 u f 1 0 0 0 v ，吸收电阻局= 3 0 x 2 2 w 。图2 - 9 给出了系统满载工作时主开 关管的驱动波形和关断电压波形。 6 ) 输出二极管的选择 二极管关断时承受最大电压：v a m a x ) = 圪= 4 0 0 v ； 承受最大电流：l ( m a ) 【) = l ( 1 + o 2 ) = 8 a 。 实验中留取足够裕量，选择h f a 2 5 t b 6 0 ，其最大正向电流i 一= 2 5 a ，最大 反向耐压= 6 0 0 v ，反向恢复时间2 3 n s 。 7 ) 采样电路设计 控制策略采用平均值电流模式控制，所以需要采样电感电流作为控制信号。 实验中采用了南京中旭电子公司生产的安装式多量程霍尔电流传感器 h n c 0 2 5 a 。其测量量程由输入、输出的引脚的不同接法决定。 实验中选用初级j 刎，次级输出2 4 m a 的接法，电流采样比为1 5 0 0 ，即将i 、 “2 、3 脚相连作为初级电流的输入，内部将4 、5 、8 、9 ，1 0 脚相连，6 、7 脚相连 作为初级的电流输出端，采样电阻选择足= 5 0 f l 。电流霍尔管脚示意图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 电流霍尔管脚示意图 8 ) 控制芯片设计 由于基于平均值电流模式的驱动单管的i c 芯片很少，可以在s g 3 5 2 5 基础上 进行扩展设计。 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 s g 3 5 2 5 可以输出具有死区时间可调的、两路互补的p w m 波形，通过将两路 p w m 方波输出进行或运算。如图2 1 l 所示，通过二极管d 4 0 2 和d 4 0 , 实现逻辑或 功能，只要o u t a 和o u t b 一路输出为高，输出信号d r i v e 即为高。电阻r 埘 保证输出信号的逻辑不处于悬空状态，当d r i v e 输出驱动信号由高变低时，后 级驱动芯片m i c 4 4 5 2 对r 4 s s 放电，所以r 钉j 不能设计的很大，否则放电时间太 长导致驱动信号下降沿将很慢，影响电路的正常工作。实验调试中选择 r ”= l k q 。 ； 图2 1 1s g 3 5 2 5 连接图 b o o s t 主电路开关频率z = 1 0 0 k h z ，由于s g 3 5 2 5 驱动信号进行了或运算， 频率翻倍，所以s g 3 5 2 5 的频率只需设置为5 0 k h z 。 由s g 3 5 2 5 的d a t a s h e e t 可以查得工作频率计算公式为： 1 - ，2 c r - ( 0 7 r r + 3 r o ) 实验中选择r 钉口= 1 3 k 1 2 ，c 伽= l n f ，死区电阻r , 3 0 = 4 3 0 1 2 ，死区时间，雌， 所以限定b o o s t 变换器最大占空比i 呱= 0 9 。其最大驱动信号示意图如图2 - 8 所示。 电压环和电流环采用外接运放t l 0 8 2 搭建，不采用$ g 3 5 2 5 内部运放，其内 部运放接为电压跟随器模式。 1 9 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 2 3 单相逆变器对前级b o o s t 变换器的影响 当光伏阵列、b o o s t 升压电路和单相并网逆变器组成光伏并网系统时，由于 逆变器输出为5 0 h z 正弦波电压，所以从后级逆变器输出侧会引入一个1 0 0 h z 的 低频电流纹波，它可能会导致增加额外的系统功率容量，影响整个系统的最大功 率点跟踪，增大开关管的电流纹波，情况恶劣条件下更可能缩短光伏阵列的寿命， 所以必须对前级b o o s td c ，d c 升压电路进行优化设计以减小后级逆变器引入的 1 0 0 h z 低频纹波对整个系统造成的影响。 从图2 1 2 可以看出，逆变器正常工作时，会在输出端产生一个5 0 h z 的低频 电流，折算至逆变器输入侧变为1 0 0 h z 低频电流信号。当前级b o o s t 升压电路对 于这个低频纹波的抑制措施设计的不合理时，很显然，这个1 0 0 h z 低频纹波会 穿过b o o s t 变换器而进入光伏阵列，从而会产生上述的一系列问题。 l o o 月2 图2 - 1 21 0 0 h z 低频纹波产生示意图 由于前级b o o s t 变换器本身存在输出阻抗，其输出阻抗不可能为无穷小，所 以可以简单的将前级b o o s t 变换器看成一个带有内阻的电压源，而逆变器则可以 看成一个周期性的交流负载。由戴维南等效原理，我们可以将两个系统理解为如 图2 1 3 所示。 由于其输出阻抗z d 不为零，所以输出电压和输出电流与其带的负载如有关， 输出阻抗越大，负载电流“耐越大，其输出电压纹波和输出电流纹波也越大。一 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 般整个系统采用闭环控制以后，其闭环输出阻抗z o 。将大大减小，使整个系统 具有一定的带载能力。 z oc i o a e v 图2 1 3 两级变换器戴维南等效图 2 4b o o s t 输出直流母线电容影响 v o 与三相逆变器不同，b o o s t 变换器与后级单相并网逆变器之间需要一个能量 解耦环节，即后级的直流母线电容。当光照恒定时，光伏阵列的输出功率可以近 似认为是直流，为了能够将光伏阵列产生的直流功率转换为并网发电需要的交流 波动功率，两级变换之间需要一个能量解耦环节。可以在b o o s t 变换器后级增加 一个较大的储能装置，一般用容值较大的储能电解电容实现其能量的解耦。 假设b o o s t 变换器输出的1 0 0 h z 电压纹波为p 乞，单相逆变器的平均输入功 率为p o = 1 , 7 ，输入交流功率只= f l c o s 2 w t ，则可以计算输出电压纹波1 9 2 0 ： = 亡铮2 警= 2 彩v s i n 2 0 n ( 2 a ， 由2 1 式可以近似计算直流母线电容值为： 2 丽r z o ( 2 2 ) 所以增加b o o s t 后级输出侧的滤波电容( 包括逆变器的前级直流母线电容) 可以减小输出电压的纹波和电流的纹波。如果输出滤波电容取的过小，输出电流 的脉动很大一部分能量将由母线电容提供，导致其输出电压纹波也进一步增大。 但是输出滤波电容的增加大大提高了系统的体积和成本，当电容增大至一定值 时，其效果将非常有限，而且整个系统的动态响应将变得非常缓慢。图2 1 4 、图 2 1 5 、图2 1 6 分别给出了平均值电流模式控制下不同的输出电容输入电感电流 和输出电压纹波的仿真波形。 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 ： ：输入电感电流纹波 ； _ 一一一 一弋v弋。 o 图2 - 1 4 输出滤波电容1 0 0 0 u f 输入电感电流纹波； - 、- 、- 一一、 ；! ；输出电压纹波 ! ： ： 0 3 5o ，50 图2 1 5 输出滤波电容3 0 0 0 u f 输入电感电流纹波 圈2 1 6 输出滤波电容5 0 0 0 u f m 意 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏系统中前级升压电路设计 从图2 一1 4 输出滤波电容1 0 0 0 u f 和图2 1 5 输出滤波电容3 0 0 0 u f 对应的输出 电压纹波和输入电感电流纹波可以看出，当输出电容较小时，增大输出滤波电容 对低频纹波的抑制效果非常明显，可以有效的减小输出电压纹波，从而也可以减 小输入电流的纹波。 但是当输出滤波电容增加到一定值时，再不断增加，其效果将不是非常明显。 将图2 1 5 输出滤