光伏发电系统中DC-DC变换器及其相关技术的研究.pdf
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东南大学硕士学位论文光伏发电系统中DC/DC变换器及其相关技术的研究姓名:
于跃申请学位级别:
硕士专业:
电气工程指导教师:
胡仁杰2012-06-03摘要捅要在独立光伏发电系统中,需要DCDC变换器对电压进行高低电平的转换和最大功率点跟踪(MeeT)控制以实现能量的有效传输。
本文主要研究采用占空比控制的BuckBoost电路,作为光伏发电系统的电平转换控制器,其可以大幅降低系统的体积和成本,具有重要的应用前景。
本文主要研究了光伏发电的特点以及MPPT控制方法,针对BuckBoost电路的特点,分别从Boost模式和Buck模式介绍了DCDC变换器的工作原理,并详细分析了通过改变占空比来控制电压升降的方法,利用MaflabSimulink软件对电路在进行了仿真验证。
论文对MPPT控制方法进行了分析,对BuckBoostDCDC变换器和MPPT控制电路进行了控制系统设计,采用PWM占空比调节控制,设计了闭环控制器,并在MatlabSimulink软件平台上对闭环控制系统的稳态和动态性能进行了仿真,仿真结果证明系统具有良好的稳态和动态性能。
最后,以ARMM3系列的LM3S811芯片为控制器,设计并实现了额定功率为300W的BuckBoostDCDC变换器样机。
实验结果证明了变换器具有良好的稳态输出和动态响应特性,为以后进一步的研究工作奠定了基础。
【关键词】BuckBoost,DCDC变换器,光伏发电,MPPT,数字控制ABSTRACTAphotovoltaicpowergenerationsystemneedsaDCDCconvertertoswitchingvoltageBesides,itneedsaMaximumPowerPointTracking(MPPDcontrolforenergytransferThisp印errminlystudiedBUCK-BOOSTcircuitwhichiscontrolledbyPWMTheemployingofDCDCconvertercangreatlyreducethesizeandcostofthepowersystem,andhasimportantapplicationprospectCMracteristicsofthephotovoltaicpowergenerationandMPPTcontrolarestudMiIlthispaperAccordingtoclmacteristicsofBUCKBOOSTcircuit,theworkingprincipleofDCDCC0nverterisintroducedThedetailsofPWMcontroIarealsoproposedThecircuitissknuhtedbyMatlabsimulationTheMPPTconlrolisalsostudiedinthispaperAcontrolsystemisdesignedforDCDCconverterandMPPTckcuitAcbsedloopcontrollerisdesignedbyPWMcontroLAsimulationismadetoprovethegoodsteadystateandgooddynamicperformanceofthiscontrollerAtlast,aBUCK-BOOSTDCDCconverterprototypeof300W,whichadoptsLM3S811弱thetorerolCOre,isdevebpedTheexperimentalresultsshoWthatconverterhasgoodsteady-stateoutputanddynamic他SponcharacteristicsThisstudyestablishesafoundation南rfurtherresearchinthefuture瞰eyW6rds】Buck-Boost,DCDCconverter,photovoltaicpowergeneration,MPPT,di鳓lcor血oL第一章绪论11课题背景第一章绪论能源就是能向自然界提供能量转化的物质(例如核能能源,光伏能源,风力能源,水利能源,矿物质能源等)。
能源是人类活动的物质基础。
在当今能源短缺的形势下,人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
能源的开发以及能源所伴随的环境问题,是全世界、全人类共同关心的问题,也是我国社会经济发展的重要问题。
许多国家也为此采取了很多积极有效的措施来解决能源问题。
但是,随着在世界能源结构中占主导地位的煤炭、石油、天然气等矿物质能源的消耗不断增加,人类社会面临着越来越严峻的能源与环境问题的考验。
与此同时,光伏能源作为一种清洁的可再生能源,开始引起了人们的广泛关注:
光伏清洁能源是将太阳的光能转换成为其他形式的电能、热能或者化学能,能源转换过程中不会产生其他有害的气体或固体废料,是一种环保、安全、清洁的新型能源。
当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视,针对其制定规划,增加投入、并加以大力发展。
从上70年代开始,即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期,光伏发电技术产业也一直保持以1015的递增发展速度。
上世纪90年代后期,其发展更为迅速,并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。
1997年世界光伏电池组件的总产量达到200MW,比1996年增长了35IlJ。
美国是全球最早制定光伏发电发展规划的国家。
截至到2005年,美国光伏产业己连续3年以高于30的年增长率上升,其主要原因是光伏并网发电的应用和政府政策的激励【2】。
日本作为能源短缺大国,对光伏发电也极为重视。
日本于1974年开始执行“阳光计划”,投资5亿美元,一跃成为世界太阳能电池的生产大国【31。
在德国,光伏发电的研究和利用走在了欧洲其它各国的前列。
德国通过立法、政府大量补贴等措施增加可再生能源的利用,使德国成为继日本之后世界上光伏发电发展最快的国家。
德国2005年太阳能投资为37亿欧元,与风电和生物能一样同属发展最快的新能源之一【3J。
此外,在节能建筑应用太阳能方面,欧美一些先进国家,目前正在广泛开展的应用“光电玻璃幕墙制品”,这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中,安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材【4西J。
我国于1958年开始研究光伏电池,1972年首次成功地将光伏电池用于地面,1979年开始生产单晶硅太阳能电池【71。
青海省于2003年实施送电到乡工程,计划在玉树、果洛、黄南等地建设光伏电站112座,装机总容量3943KW,各电站容量在10-50KW之间,电站建成后每天供电5h以上,可基本解决照明、看电视等日常生活用电问题【引。
近年来,随着环境问题日益突出,绿色发展理念逐渐深入人心,全球经济的发展方向和导航标已然转向低碳经济,太阳能光伏产业受到世界各国的重视。
太阳能发电是一种利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能,并且使之转化成电能的直接发电形式。
l东南大学硕士学位论文与常规发电和其它清洁能源发电技术相比,光伏发电有以下的优势【9。
3J:
1、太阳能资源没有地域性限制,可以就近供电。
电能不需要长距离输送,避免了因为长距离输电所造成的电能损失,同时也节省了输电成本:
2、太阳能取之不尽,用之不竭,不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击;3、太阳能光伏发电的能量转换过程是直接从光子到电子的转换,没有中间过程(如热能转换为机械能,机械能转换为电磁能等)和机械运动,不存在机械磨损;4、太阳能电池组件结构简单,体积小,重量轻,便于运输和安装。
同时,太阳能发电系统建设周期短,方便灵活,极易组合、扩容;5、光伏发电不会产生任何废弃物,没有污染,噪声等公害,对环境无不良影响,是理想的清洁能源。
同时,光伏发电也存在着不可忽视的缺点【9。
13】:
l、转换效率低:
太阳光电池的主要功是将光能转换成电能,这个现象称之为光伏效应。
但是这就使得我们在选取太阳能电池板原材料的时候,产生了众多不便的因素。
要求我们必须考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。
不仅要吸光效果,还需要看它的光导效果。
所以材料的选取对于光伏发电来说是一项很大的约束。
必须充足了解太阳光的成分及其能量分布状况,从目前太阳能发展的情况来看,材料的选取仍旧是个待提高的突破点。
即使在非常高效的材料下进行光电转换,它的效率仍然很低;2、光伏发电需要很大的面积:
从目前的实际状况来看,以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁,成为一座座所谓“清洁无污染”的太阳能电站。
然而,在这种被称为“绿色电站的身后,却“隐藏”着一系列高能耗、高污染的生产过程。
即使作为第三代太阳能电池的染料敏化电池来说,虽然它最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。
据科学家估算,它的成本仅相当于硅电池板的110。
但是此类电池的效率随面积放大而降低。
这一点又与太阳能发电需要充足的日照和广域的面积相矛盾。
3、所需光照要求复杂,选择地日光辐射情况适当:
如果在阳光不太充足的多云天气亦或者是雨天和闷热的天气里,太阳光伏效应转换的效率将会大幅度降低,这样会影响供电系统的供电。
光伏发电成本高,发电效率低,输出能量不稳定的缺点,也制约了光伏发电系统的发展,光伏发电系统的这些缺点已成为当今太阳能系统研究的热点,研究大多围绕两方面:
太阳能电池最大功率跟踪技术(MPPT),DCDC变换能量传输技术。
12最大功率跟踪技术原理以及方法提高光伏系统的发电效率主要有以下两种方法:
l、开发新型太阳能电池或者改进太阳能电池制作材料和工艺;2、进行功率跟踪,提高输出功率。
光伏电池发电具有非线性特点,受气候条件影响,输出功率随电池温度和太阳光强2第一章绪论度变化而变化。
在温度较高,光强较大的时候,输出功率较大。
反之,输出功率较小。
所以,为了保证在一定的温度和光照条件下,光伏电池能运行在极值功率点附近,保证其最大功率输出,最大功率跟踪技术(MPPT)是必不可少的【9,14-17】。
1、最大功率跟踪技术(MPPT)原理对于常规的线性电气系统,为了使负载能够获得最大功率,通常采用的方法是对负载进行恰当的匹配,使负载电阻等于电源的内阻,此时负载可获得电源的最大输出功率。
如图11所示。
图11线性发电系统电气设备示意图图中u为电源电压,尺,为外接负载,尺f为电源内阻,负载获得的功率为,P=嘲2凡n_1)当尺。
=Rf时,P取得最大值。
可见在电源内阻不变的发电系统中,可以通过使用这种方法来使得负载获得最大功率,但是在光伏发电系统中。
由于光伏电池的内阻受到温度、光照、以及负载等因素影响,处在不断变化的过程中,上述改变负载电阻的方法无法使系统做到最大功率输出。
针对上述问题,目前一般所采用的方法是在太阳能电池和负载之间增加一个DCDC变换器,通过改变DCDC变换器功率开关的导通率,来改变负载对光伏电池的输入阻抗,实现最大功率点的跟踪,如图12所示。
民广1-JJLuv缸。
DCDCVor图12带直流变换器的等效电路DCDc变换器可实现输入阻抗阻抗变换,若Kn圪=k,则心=k2R厶M,所以只3一L东南大学硕士学位论文要调节k值便可使得负载输入阻值等于内阻,即尺:
=Rl,从而使电池工作在最大功率输出状态。
2、太阳能最大功率跟踪的方法目前,光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)技术在国内外的研究和开发已经比较成熟,较为常用的控制方法主要有以下几种,恒电压跟踪方法(CVT)、干扰观察法(P&O)、增量电导法(IncrementalConductance)等,下面将对这几种最大功率点跟踪方法进行介绍和分析。
(1)恒电压法(C)恒电压法是最简单的一种最大功率点跟踪方法,由图13可以看出,在温度不变的情况下,太阳能阵列的最大功率点几乎分布在同一根直线的两侧附近,这样,在温度恒定的情况下就可以把最大功率点的分布曲线近似地看成电压大小为的一根直线,即只要保持太阳能电池的输出端电压等于某一个日照强度下的最大功率点的输出电压,就可以基本保证太阳能电池在温度不变的情况下工作于最大功率输出状态,这就是恒电压控制的理论依据【18】。
Um图13温度恒定,日照强度不同最大功率点的变化CVT方式具有控制简单,可靠性高,稳定性好,易于实现等优点。
但是,这种最大功率点跟踪方法忽略了温度对光伏电池输出功率的影响【19】。
(2)扰动观测法(P&O)扰动观察法(PerturbationandObservationMethod,简称P&O法)目前是实现最大功率点跟踪常用的一种方法,它是一种通过不断调整光伏电池的工作点来跟踪其最大功率点的方法。
其原理是:
在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出电压,步长的大小是一定的,以光伏电池的输出电压作为控制对象,通过比较控制前后光伏电池阵列的输出功率的变化来判定应当增加输出电压还是减小输出电压。
如果检测到输出功率增大,那么继续按照上一步骤控制的方向进行电压调节,如果检测到输出功率减小,则改变控制的方向【201。
扰动观察法的最大优点就是结构简单,被测参数少,容易实现。
但是,扰动观察法也存在着一些无法解决的缺点。
扰动观察法实际是一个自寻优过程,在功率寻优过程中4第一章绪论不断调整参考电压,因此太阳能电池阵列的工作点实际是在最大功率点附近振荡运行,这样会导致一定的功率损失。
另外,扰动观测法在选择步长上也存在着一定的困难,步长过大会导致光伏电池阵列在最大功率点附近的振荡范围加大,从而使跟踪精度下降;步长过小则会导致光伏电池阵列的输出电压长时间处在低功率输出区,造成功率损失。
对于扰动观察法中的振荡问题,可以通过加大扰动频率消除【211。
(3)增量电导法(IncrementalCorductancc)增量电导法是最大功率点跟踪(MPPT)控制技术常用的算法之一。
1995年,为了解决扰动观察法导致的功率损失问题,KHHusscin提出了增量电导法(IncrcmcmalConductance)。
电导增量法能够通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量来判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。
根据光伏电池的输出特性,可以看出在某一光照和温度下,光伏电池的电压功率曲线是一个单峰的曲线,在输出功率最大点功率对电压的导数为零,因此,只要在功率对电压的导数大于零时增加电压,在功率对电压的导数小于零时减小电压,在导数接近于零或等于零的时候,保持电压不变;在电压不变电流的情况下,增加工作电压,当电压不变电流的情况下,减小工作电压,便可以使光伏电池工作于最大功率点。
对于功率有P=UI(12)因此最大功率点处有竺=,+u些=3)一dU=,+u面=0(1-3)即dll一=一一dUU(14)在最大功率点左边,即吠似时,aPau0,也就是atau-IU;在最大功率点右边,即渺瓣时,deau0,也就是aiau-iu。
这样可以根据与dldU和tU之间的关系来调整工作点电压,引入一个参考电压U陀f,实现最大功率点跟踪。
增量电导法有如下优点:
控制精度较高;可有效减少太阳能电池工作点在最大功率点附近的振荡:
当从一个稳态过度到另一个稳态,只要采样精度够高,就不会出现误判。
另外有如下缺点:
与扰动观察法相比,不难看出由于增量电导法在进行控制判断时需要进行较多的运算判断,控制算法相对较复杂,并且由于其中讲和dU的值很小,这样就对传感器的精度要求很高,否则可能会导致跟踪失败【2引。
(4)模糊逻辑控制(FuzzyLo豳Contr01)要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑很多因素,例如日照强度、光伏阵列温度的不确定性以及负载情况的不同。
使用模糊逻辑控制方法对光伏电池进行最大功率点跟踪,可以获得比较理想的效果。
对于控制器的设计,应该考虑一下几点【19】:
1)确定模糊控制器的控制方法与规则;S东南大学硕士学位论文2)确定模糊控制器的输入输出变量;3)确定有关参数。
使用模糊逻辑控制方法对光伏电池进行最大功率点控制,控制效果会具有较好的动态特性和精度。
但是由于此方法对处理器的要求比较高,相应的成本会有所提升,所以模糊逻辑控制方法并不适合小型的独立光伏发电系统。
(5)其他MPPT方法上述几种MPPT控制方法是当今比较常用的,还有其他多种方法可实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制,主要有滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等【231。
13BuckBoostDC-DC变换器的原理及控制DCDC变换器是电力电子变换器的一种,广泛应用于各类开关电源中。
DCDC变换器有6种基本拓扑,即Buck变换器、Boost变换器、BuckBoost变换器、C血变换器、Sepic变换器和Zeta变换器。
BuckBoost变换器也称为升降压式变换器,是一种输出电压既可高于也可低于输入电压的单管直流变换器。
BuckBoost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器合并了开关管后串联而成的变换器。
BuckBoost变换器有CCM和DCM两种工作方式,开关管Q为PWM占空比控制方式。
典型的BuckBoost电路如图14所示。
O+图1-4典型的BuckBoost电路设电路中电感上,膻很大,电容c,值也很大,保证电感电流f。
和电容电压即负载电压屹基本为恒定值。
电路的基本工作原理是:
当可控开关Q处于通态时,电源经Q向电感L,供电使其存储能量,此时留过Q的电流为f,。
同时电容C,维持输出电压基本恒定并向负载供电。
此后,使Q关断,电感L,中存储的能量向负载释放。
流过电感L,的电流为f2。
稳态时,一个周期T内电感厂两端电压眈对时间的积分为0,即CULdt=0,当Q处于通态期间,吮=E;而当Q处于断态期间时,吮=一Vo。
于是Eton=Vo乞厂厂。
6第一章绪论薪以输出电压为屹=苦E=惫F=击E。
通过改变导通比口,既可以使输出电压比输入电压高,也可以使输出电压比输入电压低。
当O0l12时为降压,当12仅J,输出电压高于输入电压仉,达到升压效果。
变换器工作于正向Buck时,Ql由PWM所驱动的驱动电路工作,Q2维持断开状态。
电路的拓扑可以等效图23:
Ui厶L图2-3Buck等效电路当Ql处于通态期间,设负载电流为fl,可以得到下式:
L石dil+Rfl+=E设此阶段电流初值为,10,f=LR,带入上式得到:
f1_,10e+学(1一e南O(23)(24)第二苹BuckBoostDC-DC燹换器工作棋态分析及仿冥验证当Ql处于断态时,设负载电流为f2,可得到下式:
L岩手+Ri2+=0(25)设此阶段电流初值为,20,带入上式得到f2=如。
eTt-tOnmNMCie半)(2-6)当电流连续时有Izo=i2(c2)(27)120=E1(c1)(28)即ql进入通态时的初始电流值等于ql断态阶段结束时的电流值,反过来,Ql进入断态时的初始电流值等于Ql在通态阶段结束时的电流值。
由式(24)、(26)、(27)、(28)可以得出护(鲁吴一鲁=等_m)瓦E(2_9)驴(喾净鲁=皤一m)吴”式中p=二,m=警。
110和,20分别是负载瞬时电流的最小值和最大值。
用泰勒级数近似可以得到:
,1。
=如。
(c-im一)E=如(2-11)上式表示了平波电抗器L无穷大时负载电流完全平直时的负载电流平均值,o,此时负载电流最大值和最小值都等于平均值。
另外从能量的角度,一个周期中忽略电路中的损耗,电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即:
E,0=R略丁=tot(212)由于to=voR,得到:
=F仉=D仉(213)上式中一的t,on一l,输出电压UO低于输入电压仉,达到降压效果。
22开关变换器建模方法概述为了研究一个开关变换器的动态性能并设计其闭环控制系统,首先需要建立其数学模型。
而对于一般的开关变换器,它是一个高阶的非线性时变系统,不能直接应用经典控制理论进行分析和设计。
本章首先介绍了开关变换器的各种数学建模方法,在此基础上设计了闭环控制系统,来优化变换器的动态性能。
同时,通过仿真验证了闭环控制器的正确性。
开关变换器中包含有开关器件,使得其所构成的开关网络是不连续及非线性的,因Il不雨大学硕士学位论文此,线性连续系统的一套分析方法不能直接运用于开关变换器中。
一般的,开关变换器的建模方法可以分为两大类:
数字仿真法和解析建模法,每一类方法又包含有若干种具体方法,其详细分类情况如图24所示阱】。
这里对所研究的变换器简单介绍几种常用的建模方法。
开关变换器建模方法数字仿真法直接
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- 发电 系统 DC 变换器 及其 相关 技术 研究