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毕业设计任务书题目名称光伏发电用DC_DC变换器的研究与设计选题方向电气工程及其自动化方向学生姓名武吉龙所学专业电气工程与自动化方向班级1指导教师姓名汤秀芬所学专业电气工程及其自动化方向职称副教授一、毕业设计基本要求（教师填写：主要包括（1）题目适用的专业方向（2）基本理论（3）设计内容（4）要求学生完成的主要工作（5）主要参考资料、文献等）。1.专业方向:电气工程及其自动化方向2.基本理论：光伏阵列，DC/DC变换，MATLAB仿真3.设计内容及学生完成的主要工作：太阳能电池阵列和蓄电池之间必须有充电控制器，它使太阳能电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率。良好的充电控蓄电池充电控制器实质上为一个DC/DC变换器装置，它是系统中最为关键的环节之一，直接关系到整个系统的运行效率和可靠性。总结应用在光伏发电系统中的DC/DC变换器常用拓扑并简要分析其优缺点和使用场合；基于DC/DC变换器的MPPT技术进行研究和概括。要求进行硬件电路设计，并写出控制算法，用软件模拟实现。4. 主要参考文献：1张兴，汪令样，杨淑英，张崇巍.一种采用倍流整流电路的ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器的研究J电工电能新技术,2006,1(25):102-103. 2董旭柱 ，雷金勇，饶 宏，黄晓东，刘 怡，李 鹏.含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真J蓄电池,2012,3(36):355-357.指导教师签名： 汤秀芬 2012年10 月20日二、学生学术诚信承诺书：本人郑重承诺：该毕业设计从选题、设计提纲、初稿、修订稿等环节均为我本人在指导老师指导下独立完成；设计所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，除设计已注明的引用他人观点、材料外，本设计没有剽窃或不正当引用他人学术成果。如违反上述要求，本人愿承担一切后果。学生签名： 武吉龙 2012年10月21 日三、毕业设计合作者及分工独立完成四、毕业设计进度安排阶段各阶段名称起止时间指导教师检查签名1调研，方案论证与确定12.112.8汤秀芬2完成开题报告12.12.103设计阶段（或论文撰写阶段），完成论文初稿、修改稿13.113.44完成中期报告并准备预答辩13.4.75设计（或论文）完善及定稿13.5.10毕业设计开题报告题目名称光伏发电用DC_DC变换器的研究与设计选题方向电气工程及其自动化方向学生姓名武吉龙专业电气工程与自动化年级、班级09级（1）班一、选题的来源、目的、意义和基本内容1、题目来源于科研项目。2、目的和意义：人类在开发利用能源的中，化石能源终将走向枯竭而被新能源所取代。太阳能发电是当今世界上可再生能源领域中有开发利用前景的发电方式之一。但是，国内外光伏发电系统面临转换效率低且价格昂贵，本文以太阳能发电系统用DC/DC变流器为研究对象，结合最大功率点跟踪控制的理论，设计太阳能电池阵列和蓄电池之间充电控制器，使太阳能电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率，同时能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用寿命。3、基本内容：总结的DC/DC变换器常用拓扑并简要分析其优缺点和使用场合；对基于DC/DC变换器的MPPT技术进行研究和概括；初步设计光伏发电系统中的DC/DC变换器电磁兼容性；采用软开关DC/DC变换器电路，构建蓄电池充电控制器系统，并进行仿真。二、国内外研究综述目前，国内外光伏发电系统普遍研究太阳能电池阵列和蓄电池之间的充电控制问题，使太阳能电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率，为此开展了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论。在此，有不同的DC/DC变换器的拓扑和适用于不同环境下的MPPT理论。本论文通过对这些DC/DC变换器的总结，分析各自优缺点、适用场合，并设计出一种具有一定的应用范围和较广阔的前景的DC/DC变换器。三、毕业设计所使用的方法本设计根据光伏阵列和蓄电池的模型，DC/DC变换技术，MATLAB仿真理论及设计方法，通过方案论证和器件选型，确定系统硬件结构；利用Protel99se软件完成原理图和PCB图的绘制，并写出控制算法，用软件模拟实现，完成设计所要求的各项功能。四、 指导教师指导意见该设计选题合理，难易程度和工作量符合要求；能够综合参考资料提出设计方案；设计方法合理，具有可行性；进度安排合理，可以按期完成设计。同意开题。 指导教师签名：汤秀芬 2012 年 12 月 8 日五、院（系）毕业设计领导小组审核意见 领导小组组长签名： 年 月 日开题报告（ 2013 届）题 目 光伏发电用DC/DC变换器的研究与设计学 院 物理电气信息学院 专 业 电气工程与自动化 年 级 2009级 学生学号 12009243815 学生姓名 武吉龙 指导教师 汤秀芬 2012年 11 月 25 日一、课题来源指导教师的科研项目二、选题的意义以及国内外发展状况人类在开发利用能源的中，化石能源终将走向枯竭而被新能源所取代。太阳能发电是当今世界上可再生能源领域中有开发利用前景的发电方式之一1,2。但是，国内外光伏发电系统面临转换效率低且价格昂贵，本文以太阳能发电系统用DC/DC变流器为研究对象，结合最大功率点跟踪控制的理论，设计太阳能电池阵列和蓄电池之间充电控制器，使太阳能电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率，同时能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用寿命。目前，国内外光伏发电系统普遍研究太阳能电池阵列和蓄电池之间的充电控制问题，使太阳能电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率，为此开展了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论。同时产生了不同的DC/DC变换器的拓扑和适用于不同环境下的MPPT理论。本论文通过对这些DC/DC变换器的总结，分析各自优缺点、适用场合，并设计出一种具有一定的应用范围和较广阔的前景的DC/DC变换器。三、研究内容、方法、手段及预期成果研究内容：光伏阵列产生的电能一方面用于直流输出，另一方面在输出能量超过负载所需时，对蓄电池组进行充电，以备光伏阵列输出能量低于负载所需时，对负载输出，保持用电正常。与此同时还能够在光复阵列功率变化时不断进行PWM调制，改变相应的功率，达到MPPT。图1 系统研究部分在电网中的位置图2 系统结构框图3.1 光伏阵列和蓄电池模型选择光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元，单体电池的输出功率较小，需经串并联形成光伏阵列以获得较高的输出电压和较大的输出功率。常用光伏电池的数学模型可分为理想模型、单二极管模型和双二极管模型三种，其中，单二极管等效电路模型适用于单晶硅光伏电池，它由一个光生电流源Iph和一个非线性二极管D并联而成，并考虑电池内部损耗Rs和Rsh。蓄电池等效电路模型最为适合动态特性仿真。蓄电池具有多种不同的等效电路模型，根据不同的仿真目的可以选择不同的仿真模型。基于Shephred 蓄电池模型，提出了一种用于动态仿真的通用等效电路，将荷电状态（SOC）作为唯一的状态变量，此时，蓄电池可以等效为一个受控电压源和一个电阻串联组成的电路。3.2 DC/DC变换器方案选择3.2.1. 主电路设计方案DC/DC变换器是使用半导体开关器件，通过控制器件的导通和关断时间，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，它可分为直接变换和间接变换两种类型，前者中间没有变压器介入，直接进行直流电压变换，这种电路也称为非隔离型DC/DC变换器(斩波电路)；后者则先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压，此种直一交一直电路也称为隔离型DC/DC变换器，较为复杂成本较高。因此我们只讨论光伏发电系统中非隔离型DC/DC变换器3。光伏发电系统中的降压(Buck)、升压(Boost)、降压/升压(Buck/Boost)、库克(Cuk)四种基本斩波电路的结构，阐述了各基本电路的特点和在光伏发电系统中的应用场合。图为四种基本斩波电路拓扑结构、相对于传统的Buck、Buck/Boost电路，光伏发电系统中的这两种电路，需要在太阳能电池输入侧并联电容C，当开关管关断时，保证太阳能电池输出电流连续从而不损失发电功率，光伏发电系统中，这四种基本电路广泛应用于太阳能电池的最大功率点跟踪、蓄电池充电和光伏直流电机控制的水泵系统、离网光伏发电系统中的直流光伏照明、光伏直流输电系统等。其具有结构简单、效率高、控制易实现等优点，但各自的缺点也显而易见：Buck电路只能局限于降压输出的场合；Boost电路与Buck电路互补，它只能实现太阳能电池输出电压升高变换，同时需要有合适的开关控制以免使输出电压升压过高，虽然Buck/Boost电路可以得到较宽的输出电压范围,但增加了开关管电压应力，Cuk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4。另外，光伏阵列的输出的电能的多少取决于外界的环境，人为难以控制。因此，在输出电能多余所需电能时，需要对蓄电池存储，以备输出电能少于所需电能时向外界输电。综上所述，本文选择Buck/Boost作为最大功率点追踪DC/DC变流器拓扑。图3 Buck/Boost电路假设蓄电池端电压低于光伏阵列输出电压：光伏阵列输出能量多余负载所需，就通过DC/DC电路对蓄电池充电，此时为Buck电路。在一个开关周期中，当Q1导通时，蓄电池开始充电，L储能；当Q1关断时L所存储的能量就会通过D2对蓄电池进行充电。光伏阵列输出能量少余负载所需，蓄电池通过DC/DC电路放电，对负载供电，此时为Boost电路。在一个开关周期中，当Q2导通时，蓄电池开始放电，L储能；当Q2关断时，L储能通过D1对负载进行供电。3.2.2. 控制电路设计方案外围控制电路外围控制电路采用UC3879实现，它的参数设置原则如下：R5和C8设置开关频率，R3和C4设置OUTC和OUTD的死区时间，R4和C9设置OUAT和OUTB的死区时间，C5设置软启动时间。Al点连接控制信号，B1点连接接地保护。开关管驱动电路考虑开关管的型号和驱动方式，初步确定是电压型；为保证控制芯片的可靠运行，采用驱动芯片进行增强驱动能力、隔离主电路与控制电路。电压检测电路对于电压的信号的采集使用分压电阻配合光耦进行模拟电压信号的获取，通过ADC电路输入控制芯片。输入电流限制电路对输入电流通过反馈，当电流超过限定值，通过限流电路控制PWM产生电路。运算单元电路对采集信号进行运算，分析，决定输出PWM占空比以及外围保护电路的信息处理，在此采用89C51单片机。3.3 DC/DC变换器MPPT算法选择基于DC/DC变换器实现太阳能电池的MPPT算法有很多种，可分为在线和离线两种方式。在线方式是计算光伏阵列输出的实际功率，与前值相比较并调整参考信号从而达到真正的最大功率点MPPT(Maximum Power Point)。而离线方式基于预先对光伏阵列的详细了解和参数值的测量，提供参考信号，其中参数包括光照强度、结温度、光伏阵列短路电流和开路电压等6-15。在MPPT算法中，有在线方式：1、扰动观察法(P&O, Perturbation and Observation)2、微量电导法(IncCond, Incremental Conductance)离线方式：1、电压回授法(CVT, Constant voltage)2、短路电流法(Short-circuit current)3、开路电压法(Open-circuit voltage)下面将结合太阳能电池的特性，具体分析这些算法，分别给出了各自的优缺点和使用场合。3.3.1 扰动观察法爬山法爬山法实质上为扰动观测法的一种，均是不间断的改变太阳能电池输出电压以获得最大输出功率的效果。具体的调节过程如下：外界环境的微小扰动使得在经过一个采样时间间隔后，太阳能电池的输出功率有变化时，在控制器检测并判断后改变DC/DC变换器的占空比D向输出功率增加的方向移动。这样依次循环，直到太阳能电池工作点移动到当前最大功率点。爬山法比较简单易懂，实现也较容易，只需要进行简单的运算和比较，因此成为在基于DC/DC变换器控制时采用的最为广泛的算法之一。但此种方法也具有以下两个缺点：控制器中占空比增量a为一个确切的值，这种设定很难兼顾系统的动态和稳态性能。在外界环境快速变化的情况下，爬山法可能会引起控制器的“误判”，导致系统工作点远离太阳能电池的最大功率点。3.3.2 扰动观察法滞环比较法在外界环境并不时常快速变化的情况的系统中，常用滞环比较法代替爬山法实现太阳能电池的MPPT，它能避免一旦外界环境快速变化时，爬山法可能会引起控制器的“误判”现象。滞环比较法控制原理在于使系统的工作点不随外界环境快速改变而变化，而是等其变化缓慢后再跟踪太阳能电池的最大功率。滞环比较法消除了爬山法的“误判”的问题，但在外界环境快速变化过程中，无法实现MPPT而导致能量损失，因此这种方法只适应外界环境并不时常快速变化的系统中。另外，滞环比较法。另外，滞环比较法同样面临了爬山法中占空比增量a和采样时间选取问题。3.3.3 扰动观察法改进型自适应爬山法对比爬山法，其有两个方面的改进：在线占空比的增量a的调整。在线判断外界工作环境改变方式3.3.4 电导微增法增量电导法从本质上仍然是一种以扰动光伏阵列的输出电压来进行光伏阵列最大功率点追踪的一种策略，却能克服上节所提到的扰动观察法不足之处，因为该算法是根据最大功率点的电压来调节光伏阵列的输出电压。增量电导法到达最大功率点后可避免在其附近的振荡，可在光照温度等外界条件快速变化的环境下，也不会出现追踪混乱的情况，适应性强。但是增量电导法的缺陷是结构复杂，成本较高。在实际光伏系统中，该算法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，为实现实时跟踪控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。3.3.5 电压回授法通过分析不同日照强度下太阳能光伏电池输出功率曲线可知，当日照强度较高时，最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧。因此，可以将光伏电池的最大功率输出点看作是针对某一个恒定电压输出的，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，从而构成了CVT式的MPPT控制。使用这种方法，人们只需从生产厂商获得最大输出电压值，并将输出电压钳位于最大输出电压值即可。此方法控制简单、容易实现，可靠性也比较高，但是控制精度较差(尤其是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区)。此外，这种方法忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，缺乏准确性。3.3.6 短路电流法在较小功率的光伏发电如单个路灯控制器系统中，以上提到的算法由于对电压或电流传感器的要求均较高，一般认为不宜使用，此时可以采用短路电流法来实现太阳能电池的MPPT。这种算法可以避免爬山法的误判现象和其它算法参数难整定的问题，同时也能提高系统的快速响应能力和MPPT准确性。但由于短路电流法采用辅助开关管短路太阳能电池做为线性电阻的方法，增加了开关管上的功率损耗，因此一般只应用于较小功率场合如小型蓄电池充电控制器，路灯照明系统等。3.3.7 开路电压法与短路电流法相似，在不同的光照强度和温度条件下，光伏阵列的最大功率点电压VMPP和开路电压VOC之间存在有近似的线性关系。因为是近似，所以光伏阵列无法真正工作于最大功率点，虽然该算法虽然不能找到真正的最大功率点，但因为简单实现且成本低而适用于部分场合。经过以上各种算法的优缺点的分析，对于本论文选用扰动观察法中的改进型的自适应爬山法，因为作为光伏发电站的光伏控制器，光照强度和温度的变化会引起电流和电压的快速变化，因此使用简单、经济的“改进型的自适应爬山法”，仅仅增加了计算量，这对控制单元的影响不大。改进型的自适应爬山法增加了在线判断外界工作环境改变方式的功能，并能根据相应的判断结果采用不同的控制方式以避免爬山法可能造成的误判现象。这里，同样提供了一个判断因子 pk-1 和一个正常量e，当pk-1e时，控制器便认为外界环境变化缓慢而采用通常的爬山法，反之则认为外界环境变化快速,控制器重新设定补偿因子值，使之锁定与护的变化方向一致，从而消除了误判的影响。图4 改进型自适应爬山算法流程图3.4 DC/DC变换器电磁兼容性进行初步设计电磁兼容(Electromagnetic Compatibility一EMC)是一门关于抗电磁干扰(EMI)影响的科学。其中心课题是研究控制和消除EMI，使电子设备或系统与其它设备联系在一起工作时,不引起设备或系统的任何部分的工作性能恶化或降低。一个电磁兼容性良好的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又应该不受任何不希望有的能量的影响17-19。由电磁兼容理论可知，构成EMI必须同时具备干扰、耦合通道和敏感体三要素。因此我们在具体设计电路上，主要考虑电路的干扰源、电磁干扰的耦合通道和确定对系统所要采取的电磁兼容性措施。3.4.1 DC/DC变换器干扰源分析干扰源主要分内部干扰和外界干扰两类内部干扰有功率二极管开关造成的干扰、开关管动作时造成的干扰、电感等磁性元件引起的干扰、高频脉冲信号造成的开关噪声干扰、电路地环流、公共阻抗耦合噪声干扰、电路布线引起的干扰、热辐射产生的干扰。外界干扰主要有电网的谐波干扰、雷电、太阳噪声以及周围高频发射设备引起的干扰。3.4.2 DC/DC变换器电磁干扰耦合通道分析在实际中上节中提到的干扰源总是存在的，电路均要处在这些干扰源下工作，要使所设计的电路免受这些干扰源的影响，需要对耦合通道进行分析。干扰源把干扰能量耦合到被干扰对象有两种方式：传导干扰和辐射干扰。传导干扰为DC/DC变换器中干扰的主要形式，它是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件(电容、电感、变压器等)耦合到电路。根据耦合的特点，传导干扰分为直接传导、公共阻抗和转移阻抗耦合三种。辐射干扰是指电磁干扰的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播而耦合到干扰设备。辐射干扰可分为远场和近场两种，在DC/DC变换器等电力电子装置中，大多数PWM电路开关频率在几十千赫兹到几百千赫兹之间，其中的高次谐波频率范围至多在几百千赫兹到几兆赫兹，故其对应的波长在1000米到100米之间，故电力电子系统中，辐射干扰主要是近场辐射为主。3.4.3 DC/DC变换器电磁兼容设计通过前两节对电磁干扰的分析，在进行电磁兼容设计主要考虑：减小干扰源的电磁干扰能量、切断耦合通道、提高敏感体抗干扰能力因此在电路的设计方面从一下几个方面设计：输入滤波电路，高频逆变电路，高频变压器，输出整流器，元器件的选择，元件在PCB中的布局、布线，箱体结构及使用的电缆，通过软件编程进行数字滤波。3.5 光伏发电蓄电池充电电路由输入滤波电路、逆变电路、高频变压器、双全桥整流电路、辅助电路和输出滤波电路组成。控制电路由外围控制电路、驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、输入电流限制电路、反馈保护信号发生电路、保护电路组成。研究方法、手段：进行硬件电路设计，并写出控制算法，用软件模拟实现。预期成果：设计一个DC/DC变换装置，使用合适的控制算法，实现最大功率点跟踪，同时该控制器能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用寿命。四、任务完成的阶段安排及时间安排调研，方案论证与确定2012.102012.12完成开题报告2012.12.28前设计阶段，完成论文初稿、修改稿2013.012013.04完成中期报告并准备预答辩2013.04.07前设计（或论文）完善及定稿2013.05.14前参考文献1 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛等.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出版社,20052 杨金焕,于化从,葛亮等,太阳能光伏发电应用技术M,电子工业出版社.2009,1;1-33 李春鹏,张廷元,周封,太阳能光伏发电综述,电工材料2006,3:45-484 王兆安,黄俊主编.电力电子技术M,机械工业出版社,2002年l月第4版5 张占松,蔡宣三编著.开关电源的原理与设计M,电子工业出版社,2004,96 崔岩,蔡炳煌等,太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究,太阳能学报,2006,27:535-5397 刘邦银,段善旭,刘飞等.基于改进扰动观测法的光伏阵列最大功率跟踪控制J.电工技术学报,2009,24(6):91-948 欧阳名三,余世杰,沈玉梁.一种太阳能电池MPPT控制器实现及测试方法的研究,电子测量与仪器学报JVol.18No.2,2004,59 杨海柱,金新民.最大功率点跟踪的光伏并网逆变器研究,北方交通大学学报J,Vol.28No.2, 2004.410Hussein K H, Muta I, HoshinoT, et al.Maximum photovoltaic power tracking: An algorithm for rapidly changing atmospheric conditions, Proc.IEE-Generation, Transmission, Distribution, 1995,142(l):59一6411Hua C, Shen C, Comparative Study of Peak Power Tracking Techniques for Solar Storage System, APEC98 13th Annual