光伏发电用DC-DC变换器的研究

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摘要:世界能源危机的加剧使得光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用的主流之一。当前,随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步,光伏发电不断向大功率、高效率、高功率密度方向发展,伴随的对系统关键平衡设备性能的要求也越来越高。 本文针对系统关键平衡设备中的DC/DC变换器展开研究,总结了应用于系统中的常用拓扑和各自使用范围;探讨了应用软开关技术、三电平技术于系统中的必要性;详细分析了Buck-Boost三电平电路和ZVZCS Boost电路并提出了一种升压型移相全桥ZVZCS DC/DC变换器电路。为使太阳能电池最大功率输出,给出了几种基于DC/DC变换器的最大功率跟踪算法并分析了各自优缺点和适宜采用的场合。从系统安全性考虑,对DC/DC变换器的电磁兼容性进行了初步设计。在文章的最后,采用软开关DC/DC变换器电路,构建了蓄电池充电控制器系统和无变压器联网逆变器系
合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名:(工作单位、职称) 第,(=2中务A球孙竹列孱 (索察今裂 副奴投 张笔中 导师: 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操写过的研究成果, 也不包含为获得合肥工业大学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:{的 签字日期:y年月咋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学_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。本人投权合肥工业大 学可以将学付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) 学位论文作者签名: 导师签名: 多之 签字日期年5月日 签字日期:年∫用日 学位论文作者毕业后去向 上:作单位 电话: 通讯地址 邮编: 光伏发电用DC/DC变换器的研究 摘要 世界能源危机的加剧使得光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用 的主流之一。当前,随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步,光伏发电不 断向大功率、高效率、高功率密度方向发展,伴随的对系统关键平衡设备性能 的要求也越来越高。 本文针对系统关键平衡设备中的DC/DC变换器展开研究,总结了应用于系 统中的常用拓扑和各自使用范围;探讨了应用软开关技术、三电平技术于系统 中的必要性;详细分析了Buck- Boost三电平电路和 ZVZcS Boost电路并提出 了一种升压型移相全桥 ZVZCS DCDC变换器电路。为使太阳能电池最大功率输 出,给出了几种基于DCDC变换器的最大功率跟踪算法并分析了各自优缺点和 适宜采用的场合。从系统安全性考虑,对DC/DC变换器的电磁兼容性进行了初 步设计。在文章的最后,采用软开关DCDC变换器电路,构建了酱电池充电控 制器系统和无变压器联网逆变器系统。 两系统中DC/DC变换器主电路的仿真和实验结果证实了在实现太阳能最 大功率跟踪的同时,其开关管均实现软开关控制,从而提高了系统的转换效率 和功率密度。 关键词:光伏发电系统DCDC变换器软开关三电平最大功率点跟踪电 磁兼容 The research on Application of DC/DC Converter to Photovoltaic System Abstract Solar "photovoltaic"power has made great progress and become one of the most effective clean and renewable energy with the energy crisis aggravated of the world. In recent years, with the improvement of the solar cell and power electronics the development tendency of the photovoltaic system comes toward the greater power, higher power density and higher efficiency techniques. This situation also increases the demand about improving the performance of the key equalizer of the system This paper is intended to put forward DC/DC converter which is applicated in the equalizer of photovoltaic system, including its familiar topologies sofl-switching and three-level techniques, it being adopted occasions and so on Simultaneously, for the practicability to photovoltaic system, Buck-Boost TL converter, Zvzcs Boost converter are analyzed and a boost Zvzcs phase-shifted full-bridge DC/DC converter is proposed in this paper. On the principle of system energy loss minimum. some MPPt methods which is based on the Dc/dc converter are summarized. And at the same time, their characteristics are also gived. For the sake of security of system, some simple emc ways about DC/DC converter be designed. In the end of this paper, with soft-switching dC/dC converter configuration, the solar battery charger system and the transformerless grid-connected photovoltaic inverter system are established The simulated datas and experimental results of two systems both show that the DC/dC converter attained soft-switching performance while photovoltaic array runned in maximum power point. It enhances the efficiency of the conversion and the density of power Key words: Photovoltaic system DC/Dc converter Soft-switching Three-level Maximum Power Point Tracking Electromagnetic Compatibility 致谢 本谋题的研究是在张兴教授的悉心指导下完成的,在硕士研究生三年的理 论学习、课题研究和论文写作期间,张老师给了我无私的帮助和无微不至的关 怀,我所取得的点点滴滴的进步,无不倾注着他的心血和汗水。在此谨向张老 师表示最诚挚的谢意! 感谢张崇巍老师!张崇巍老师渊博的学术知识、严谨的治学态度和务实的 科研作风使我受益匪浅,并将永远鼓励着我在今后的学习和工作中继续奋发进 取 感谢阳光电源公司的曹仁贤老师、赵为老师!在我就读研究生的三年期间, 两位老师对我实习工作时的指导、关怀与照顾令我终生难忘,在此表达我最衷 心的祝福! 在研究生期间,杜少武老师在学习、课题研究等各方面都给予给了我极大 的关心和帮助,在此对杜老师表示发自内心由衷的感谢! 在课题的完成过程中,实验室的谢震、张强、许颇、杨淑英等师兄,邓凡 李、倪华、姚丹、徐剑飞、佘发平、司媛媛、方亮等同学给予了我热情的帮助 和大力的支持,在此,一并向他们表示衷心的感谢! 感谢我的女友戚冬给予我无微不至的关心和帮助,谢谢她的爱,我会永远 爱她! 谢谢我的父母、妹妹给予我的支持和鼓励,使我得以顺利完成学业。在我 的学习和工作中,他们永远是我最好的精神支柱! 最后,向关心、支持和帮助我的所有师长、亲人和朋友再一次表示我最衷 心的感谢! 作者:汪令祥 2006年5月 目录 第一章绪论 11课题研究的目的和意义 ·命·······中······命即命·命 12光伏发电系统的组成 121离网光伏发电系统 122联网光伏发电系统 13光伏发电系统中DCDC变换器应用场合 1122344 13,1蓄电池充电控制器 善●●bb●●看司着◆●咖鲁着司d●鲁 132光伏水泵系统 133联网逆变器 中·命·····中·中自命市中自34命自 14本文内容简介. 0 第二章光伏发电系统中的DCDC变换器 2.1引言…. 22光伏发电系统中非隔离型DCDC变换器(斩波电路) 12 221基本斩波电路 12 22,2基本型三电平斩波电路 3 223基本型软开关斩波电路 17 23光伏发电系统中隔离型DCDC变换器 自。;d着d4非·每·自。鲁自DD·自看罪4自 23 231基本隔离型DCDC变换器 23 232全桥DCDC变换器.25 23.3隔离型三电平DCDC变换器.33 24本章小结 ■唱看看看DbD即 q。看看看看 34 第三章基于DC/DC变换器最大功率点跟踪 35 3l引言 》鲁自看电辛垂中鲁看·卓,p●··看·司·鲁命看由看辛辛自自命命告·命非中中中看看司●中章D垂·q·,·垂·4即春·垂卡b垂··看·◆章 35 311MPPT研究的必要性…135 312基于DC/DC变换器MPPT研究的必要性…36 32基于DCDC变换器的MPPT实现原理 38 33基于DCDC变换器的MPPT算法实现 暴·垂·音。。····。号 38 331爬山法 39 3.32滞环比较法 →·4品自自自自自自自· 晶画看。 40 333改进型的自适应爬山法 命非自中命桑音即中音看是看。非自号中命中看看中吾即4非辛音咖身自·●非司4b 42 3.3.4电导微增法 :·罪 费··、鲁···· 3.3.5模糊逻辑控制法( Fuzzy Logic Contro-FLC)…… 非鲁春电即鲁自曲自血自自自自自自 3.3.6短路电流法…… 咱·自命●自非血司●●音鲁自●●喜司●●。争自_自b·音D鲁··卓·D看看·息自自·自目即自息 48 34本章小结… 50 第四章光伏发电用DCDC变换器电磁兼容性设计… 52 4.1引言 D由自由由血自自血血自D鲁咖函司血血看西品西血品西目血面当西音 52 42DCDC变换器的于扰源分析 53 42.1内部于扰源分析 …53 4,22外界干扰源分析. 54 43DCDC变换器电磁干扰耦合通道分析 55 431传导干扰 55 4.32辐射干扰… 4···命命· 56 44DCDC变换器的电磁兼容性措施 56 44.1输入滤波电路的设计… 章香身非聊自q看血由鱼鲁音看带身·乡t曲鲁齿自香4山◆香省曾由自pv·鲁音命血·曹香非4◆b 56 44.2高频逆变电路的电磁兼容设计… 58 443高频变压器的电磁兼容设计… 59 444输出整流电路电磁兼容设计 59 44.5输出滤波电路的电磁兼容设计 卡·日量··章·自··自看音香·自··音音丽44音垂·D·Q省看bD音自鲁卷· 60 44.6接触器、继电器等其它开关器件电磁兼容设计… 61 447箱体结构的电磁兼容设计…61 448屏蔽线、双绞线、同轴电缆及带状电缆的电磁兼容性设计 62 449元器件布局与布线中的电磁兼容设计…63 44.10元器件的选择 63 44.1控制电路及PCB的电磁兼容设计 44.12其它方法………………65 45本章小结 65 第五章光伏发电用DCDC变换器实验系统研究.…66 51蕃电池充电控制器实验系统 66 511系统结构组成 66 51.2主电路结构 ……66 513控制电路结构… 4自自自··章身身身一看·自自非着命号身e身自看b是Pp·非赠看 67 514参数设计 鲁中要·PP自矿省宁曲身音看自自一自看省咖中自非曹看省穿音自动一·自辛身中身看身自·自自自节司看·自音自看自曾·穿P节号 72 515仿真和实验分析 73 52无变压器方式的联网逆变器实验系统. 75 5,21系统构成 命···DD命命看司香自●看日司看血血争命息b自号身·p命血p鲁音自鲁香自·非自香垂中p命自自日非自昏血唱非鲁D 75 522DCDC变换器主电路结构.16 523DCDC变换器控制电路结构 ··4·.45·●.4甲 77 524DCDC变换器参数设计…1179 525仿真和实验分析 79 53本章小结.… 80 第五章附录… ·…·∴命命山命··命▲么点‘么自自音·自 81 附录1开环下两系统主电路仿真模型图…81 附录2无变压器联网逆变器系统实测波形 81 附录3两系统供电电源原理图 血非44·4备也自自自血自古品鲁晶音唱 83 第六章总结和展望 自·d·4·自·自·鲁鲁自鲁·命自晶·鲁音鲁自。鲁自命身鲁自鲁春自自鲁春自鲁非。q●·q·非自·鲁鲁鲁 84 6.1总结 84 62未来工作展望 84 参考文献 BD吾D·●是4·自鲁山B自看品自吾垂西自自山山晶自自音山备晋国备自血命自看山自省自D自曹备音看曲函自 85 攻读学位期间发表的论文 91 插图清单 图11离网光伏发电系统总结构示意图… 图12离网光伏发电系统分类… 4···身婚命自●唱非·自●命●●婚●暴●司司●垂↓●●曹中·P香·普曹曹◆看看·中中bDb。●。 图13联网光伏发电系统结构 2344 图14有贮能系统 图15脉冲频率调制的蓄电池控制器主电路 ··专·身自;··t···专身·身會身·自··會息自看·音看自 图1.6最大功率跟踪型的蓄电池控制器结构 图17光伏水泵系统结构 555 ·44 图18控制器为 Boost电路的直流光伏水泵系统6 图19大功率直流光伏水泵系统结构. 要中·亡····中曲音·自中亡自·要如·曾专自·自曹曾专p 图1.10交流光伏水泵系统结构 图111工频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构.… 图112采用高频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构… 图113100W前级单端反激变换器联网逆变器拓扑结构 图114100W部分采用单端反激联网逆变器拓扑结构 图115250W串联谐振DCDC变换器的联网逆变器 图116无变压器方式结构 ,9 图117采用DC总线结构的联网逆变器 图21光伏发电系统中四种基本斩波电路结构.12 图22四种基本型三电平斩波电路结构.13 图23Buck- Boost三电平斩波电路各点工作波形 14 图24四种基本软开关PWM斩波电路…18 图25四种基本型ZVT斩波电路结构.19 图26 ZVZCS Boost斩波电路各点波形. ……20 图27各个开关状态的等效电路… 卓申4斗卓中“斗中中4中早导命中单司司4单单单4晶面卓非年与444卓自 22 图2.8四种基本隔离型DC/DC变换器电路结构… 曹曲 24 图29全桥DCDC变换器基本结构 25 图210全桥DCDC变换器三种控制方式26 图2.11一族移相全桥 ZVZCS DC/DC变换器拓扑结构 27 图212升压型移相全桥ZZCS变换器主电路及工作波形 ●。自●舂画省自·。自p画自看。自垂 28 图213各个开关状态的等效电路 …30 图214谐振电路等效图 …31 图215双管正激电路拓扑 图216半桥三电平DCDC变换器… ·.p看垂命电唱e帝●命●q垂中DDa●·.命垂垂s·中·PP··:·◆命自自4·4●DD.非 34 图31太阳能电池电流(功率)一电压关系曲线 35 图32不同温度下太阳能电池特性曲线 36 图3.3不同辐照度下太阳能电池特性曲线… 36 图34光伏发电系统MPT实现结构框图..37 图35最大功率传输简化图 38 图3.6爬山法程序控制流程图 南春由由由垂自由如自西击d。自晶 图37爬山法产生误判的示意图 4自垂·;4b●看 40 图38最大功率点附近PD曲线的五种形式 41

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