基于BUCK电路的光伏DC-DC变换器研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1研究背景

随着经济的发展和人们生活水平的不断提高,全球范围内的环境、能源问题日益凸显。地球现存的石油、煤、天然气等传统能源的储量越来越少,包括太阳能在内的可再生能源成为各主要经济体的重点发展方向。在我国新能源储量丰富的战略条件下,发展新能源发电符合可持续发展的战略选择,并且可以调整能源结构、保护环境、应对气候变化、转变经济发展方式。太阳能光伏发电是把太阳能电池作为能量转换元件,利用半导体的光生伏特效应将太阳的辐射能直接转换成电能的发电技术[1],具有如下的特有优势:

(1) 免费:能量的来源即太阳辐射是免费获取的,一旦能量转换装置设计、搭建完成,就可以长期免费使用光能,系统成本主要集中在能量转换装置上。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1独立式光伏发电系统

独立式光伏发电系统是不与电网相连的光伏发电系。太阳能是独立式光伏发电系统中唯一的能量来源,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。根据负载的需要可分为直流系统和交流系统,区别在于系统中是否有逆变器[5]

图2-1独立式光伏发电系统

如图2-1所示为独立光伏发电系统的一般构成,主要有太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和 DC /AC 逆变器。对于直流负载供电,不需要逆变器;对于交流负载,必须使用逆变器,以使光伏发电产生的直流电源转换为可用的交流电源[5]

图2-2基于MPPT的隔离式DC/DC变换器

本次毕业设计不涉及DC/AC逆变器与交流负载部分,针对光伏功率不断波动的问题,设计一种基于MPPT的隔离式DC/DC变换器的降压斩波电路。该系统能够具有最大功率跟踪功能。技术指标为:直流母线小于等于1000Vdc;输出直流电压570Vac;额定功率10kW;输出电压波动性:≤5%;输出电流波动性:≤10%。拓扑结构如图2-2所示。

2.2 DC/DC变换器设计

2.2.1正激型电路

单端正激型变换器如图所示,该电路中N1、N2、N3绕在同一个磁芯上。变压器中流过脉动的直流电流,变压器磁通仅单方向变化;正激指N1、N2的同名端为同向,当开关管V导通时,VD1正向偏置随即导通,电源将能量传送给负载,当V断开时,电源Ui的能量无法传递给负载。正激型变换器从能量角度可以看出是Buck变换器的拓扑,也就是在降压电路中间加入了隔离变压器。N3和VD3是磁复位电路。由于变压器的励磁电流和漏感储能,在V关断时,会产生反向感应电压,与电源电压合成,成为过电压加到开关管V,容易损坏开关管,需增加一个去磁绕组N3和一个回能二极管VD3释放感应电压,起到保护开关管的作用[6]

图2-3单端正激型变换器

直流输出电压在电流连续模式下为:

(2-1)

Uo为输出电压;Ui为输入电压;N1为初级线圈匝数;N2为次级线圈匝数;D为占空比。

隔离变压器在正激型电路中可以实现输入电源和负载的电气隔离,提高安全可靠性和电磁兼容性[7]

2.2.2非隔离型Buck电路

非隔离型Buck电路的主电路结构如图2-4所示。电路的工作原理是通过控制开关T的导通和关断时间控制直流电流向负载的能量,D由于其单向导电特性可以处于两种状态(通态和断态),控制负载电流的导通回路,为负载续流,LC构成的滤波电路使负载上得到的电流平稳,负载供电近似直流电[8]

设 PWM 波的占空比为 D,开关 T 的开关周期为Ts输入电压为Us ,输出电压为Uo ,电感电流为Li ,R为负载阻抗。

当0lt;tlt;D时,开关闭合,电感电压为:

当DTslt;tlt;Ts时,开关断开,电感电压为:

图2-4非隔离型Buck电路

2.2.3对比分析

Buck电路具有只降压,不升压,输出电压和输入电压同极性,输出电流脉动大,结构简单的特点[9]

隔离型正激电路结构简单,可靠性高,驱动电路简单。[10]其中隔离变压器实现输入电源和负载的电气隔离,提高安全可靠性和电磁兼容性,并且匹配输入电压和输出电压,由于变压器次级线圈匝数的改变可以改变输出DC电压,即改变隔离变压器变比,很容易改变输出电压[11]

由于隔离型正激电路具有较高的稳定性,且适于10KW电源设计,所以在本次毕设中DC/DC变换器采用隔离型正激电路。

2.4 MPPT控制器设计

从光伏阵列的输出特性可看出,正常无阴影情况下,光伏阵列的 P-V 输出曲线一般呈单峰二次曲线,存在一个最大功率输出点,人们总是希望光伏阵列能始终工作在这个点,以充分发挥光伏阵列的作用。[12]然而,光伏阵列的最大功率输出点随光照强度和温度变化而变化,甚至电池老化也会影响光伏电池的特性,光伏阵列的功率输出点也随负载的变化而变化。如果不采取一定措施,将光伏阵列直接连接到负载,就很难确保光伏阵列一直在最大功率点附近运行[11]。为了提高整个光伏发电系统的效率,提高电池片的输出效率是一个很重要的环节。通过实时调整光伏电池的工作点,使它始终保持在最大功率点附近,这个调整过程就是最大功率点跟踪(MPPT,maximum power point tracking)。常用的最大功率点跟踪算法有恒压跟踪法、电导增量法、滞环比较法等[13]




2.4.1恒压跟踪法

图2-5光伏阵列的输出特性

由图2-5所示,当温度一定时,并且光照强度变化时,最大功率点几乎落在一根垂直线的两侧附近,这样就可以把最大功率点的连线近似为一条垂线,垂线与电压坐标相交的点视为固定工作电压,这就是恒压跟踪的原理[14]




2.4.2扰动观察法

图2-6扰动观察法原理

扰动观察法是实现光伏 MPPT 的常用算法之一。主要思想是对光伏阵列的工作电压进行扰动,并观察其输出功率的大小来决定下一步扰动的方向,然后逐渐逼近最大功率点附近。具体做法是先随意确定一个光伏阵列电压输出,然后按一定的步长增加或者减少阵列工作电压,如果随后采集到的光伏阵列输出功率增加,则继续按照刚才的方向进行电压扰动;如果采集到的光伏阵列输出功率降低,则按反方向进行电压扰动。在一段时间后光伏阵列的工作点将逐渐接近最大功率点附近,并在最大功率点附近震荡,其震荡的大小与扰动步长有关。大的步长可以更快的接近最大功率点,但是最后的震荡较大,而小的步长较慢达到最大功率点附近,但是震荡幅度更小。所以使用扰动观察法要选择一个合适的步长[15]

2.4.3电导增量法

在最大功率点处有

(2-2)

在最大功率点处左边有

(2-3)

在最大功率点处右边有

(2-4)

电导增量法通过对光伏阵列的电导增量和瞬间电导的大小来改变控制信号,该算法需要采集光伏阵列的输出电压和输出电流。电导增量法控制精确,响应速度快,适合绝大部分场景,但是其对硬件的要求较高[16]

2.4.4对比分析

恒压跟踪法精确值较低,追踪效率较低,有能量损失。扰动观察法在光伏阵列最大功率点附近震荡运行,导致一定的功率损失,但跟踪方法简单,实现容易。电导增量法能够快速准确的地使系统工作在最大功率点,不会像扰动观察法那样在光伏阵列最大功率点附近震荡运行,并且当外界光照等条件剧烈变化时,电导增量法也能很好的快速进行跟踪,系统运行效果好。所以本次毕设选用电导增量法[17]

由于变换器的影响,输入功率与输出功率之间存在△P,所以要同时检测输出功率,调整DC-DC变换器的占空比,使△P最小,实现输出功率跟踪输入功率[18]

由于输出负载为蓄电池,当输出电压小于570V时,系统无法为蓄电池充电,所以必须保证输出电压大于570V。

3. 研究计划与安排

第1周 撰写并完成开题报告,无错字、别字,格式规范;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩,主要对研究意义、目标、内容、技术路线,重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解;

第3周 撰写毕业设计论文目录,需要获得指导老师认可;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 张伟波,潘宇超,崔志强,等.我国新能源发电发展思路探析[j].中国能源,2012,34(4):26-28.

[2] 罗晓曙,廖志贤,韦笃取,蒋品群.光伏发电技术与应用设计[m].北京:科学出版社,2016.

[3] 李天福,钱斌,潘启勇,胡雷振. 新能源光伏发电技术及控制 [m].北京:科学出版社,2017.

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