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1、光伏发电用DC/DC变换器的研究 The Research on APPlication of DC/DC Converter to Photovoltaie System 第一章绪论 1.1课题研究的目的和意义 当前，随着煤、石油、天然气等人类社会最主 要能源的日益枯竭，清洁能源即新能源的开发 己越来越受到人们的重视。在这些可再生的清 洁能源中，主要有太阳能、风能、生物质能、 海洋能、地热能等。从20世纪90年代开始，世 界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石 油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电 等可再生能源。近几年世界能源消耗增长趋势 ，按来源分类如表1一1所示。国际一些能源专 家
2、预言:就能源、电力而言，21世纪将是可再生 能源的世纪。 太阳能光伏发电是新能源和可再生能源 的重要组成部分，也是当前世界上最有 发展前景的新能源技术之一。由于它不 受地理条件的限制，也不需大量铺设电 力网络，因而成为缺电或无电的偏远地 区、沿海岛屿供电问题的重要手段，对 于促进这些地区脱贫致富，为经济生态 环境协调发展和社会稳定发展有着重要 意义。 太阳能光伏发电系统具有以下一些优点: 真正的无污染、可再生的绿色能源; 利用场地广泛、灵活，既可以离开电网单独 运行也可以与电网联网运行; 可以提高电力用户可靠性或提高电能质量; 接近负荷中心，减小输配电网的传输功率， 减小或推迟输配电线路的建设
3、和更新: 降低电网线损，在负荷中心建立电源支点. 基于以上的优点，太阳能光伏发电得到 了各国普遍认同，越来越多的资金和人 力己投入进来，相应的对光伏产业的扶 持政策也纷纷出台。许多国家正在大力 开发并积极鼓励本国人民利用此种资源 ，到2010年，世界光伏发电系统累计安 装容量将达15GW。 这意味着未来45年，世界光伏产业将 以28%左右的年平均速度发展，成为世 界上发展最快的一个产业。各国可再生 能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计 划、各种减免税政策和补贴政策以及逐 渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的 发展提供了良好的基础。光伏发电的应 用领域将由边远和农村地区的补充能源 逐渐向全社会的替代
4、能源过渡。预计到 21世纪中期，太阳能光伏发电将达到占 世界总发电量的10%20%，成为人类 的基础能源之一。目前，太阳能光伏发 电已广泛应用于蓄电池充电、小型光伏 联网系统、光伏水泵系统，户用电源、 游泳池供热系统、卫星系统等领域。 紧紧围绕降低光伏发电成本的各种研究工作一 直在紧张的进行着。其中在电力电子领域，以 提高光伏发电系统中光伏用控制器、逆变器等 关键平衡设备的性能、可靠性、转换效率等为 研究工作的热点课题。本文在此基础上，针对 这些关键平衡设备中的DC/DC变换器装置进 行了总结和研究，探讨了基于DC/DC变换器 的最大功率点寻优算法、三电平技术、软开关 技术和电磁兼容性等问题。
5、 1.2光伏发电系统的组成 1.2.1离网光伏发电系统 未与公共电网联接的太阳能光伏发电系统称为 离网光伏发电系统。此系统中，电能唯一来源 于太阳能电池阵列。为保证稳定性和运行效率 ，系统必须配备贮能蓄电池来储存和调节电能 ，当在夜晚或日光不强等外在条件影响下，太 阳能电池不能为负载提供足够的能量时，蓄电 池向负载提供能量以保证电能稳定，另一方面 ，当日光充足使得系统能提供多于负载所需要 的能量时，蓄电池将贮存多余的电能。 离网光伏发电系统总结构如图 1.1所示: （1）太阳能电池组件: 太阳能电池片是一个单一的可发电器件，相当 于一节有0.5V左右电压的电池；而电池组件 则相当于有多节电池经
6、串/并联组成的电池组。 太阳能电池组件的组成数量通常是由系统电压 （蓄电池电压）来决定，通常组件电压是蓄电 池电压的1.4-1.5倍。例如：蓄电池电压为 12V，组件工作电压一般为16.8-18V之间， 那么电池片数量为18V/0.5V，也就是36片。 所以常用数量36或40片，大功率组件为72片 。 经过封装后组合成可以独立作为电源使 用的太阳能电池组件，具有一定的防腐 、防风、防雹、防雨的能力，能够广泛 应用于各个领域和系统。当应用领域需 要较高的电压和电流而单个组件不能满 足要求时，可把多个组件组成太阳能电 池方阵，以获得所需要的电压和电流。 (2)太阳能控制器： 由于光伏电池阵列具有强
7、烈的非线性特 性，为保证光伏电池阵列在任何日照和 环境温度下始终可以输出相应的最大功 率，通常引入了光伏电池最大功率点跟 踪（MPPT-Maximum Power Point Tracking）控制。 (3)DC-DC变换装置： 通过控制回路中功率器件的导通与关断 ，将光伏电池阵列输出的低压直流电升 压成高压直流电，为DC-AC逆变器的工 作提供前提条件，能保证在直流输入电 压大范围变化的情况下输出稳定的高压 直流电，并同时实现最大功率跟踪控制 功能。 (4)逆变器： 逆变器的作用就是将光伏电池板和蓄电 池提供的低压直流电逆变成220伏交流 电，供给交流负载使用。 (5)储能装置： 蓄电池组一
8、般是由一定数量的铅酸蓄电 池经由串、并联组合而成，其容量的选 择应与光伏电池阵列的容量相匹配。该 部分的主要作用是将光伏电池阵列发出 的直流电直接储存起来，供负载使用。 目前太阳能光伏发电系统大致可分为三 类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电 系统及前两者混合系统。太阳能电池发 电系统是利用光生伏打效应原理制成的 ，它是将太阳辐射能量直接转换成电能 的发电系统。它主要由太阳能电池方阵 和逆变器两部分组成。 根据用电负载的特点，离网光伏发电系 统可分为直流系统、交流系统和交直流 混合系统等几种，系统具体组成框图如 图1.2所示。 1.1.2联网光伏发电系统 顾名思义，联网光伏发电系统是与公共电网相
9、 联接的系统。它可分为集中式大型联网光伏系 统(大型联网光伏电站)和分散式小型联网光伏 系统(住宅联网光伏系统)两大类型。其中大型 联网光伏电站由于投资巨大，建设期长，需要 复杂的控制和配电设备，并要占用大量的土地 面积，使得发电成本较高而发展较慢。住宅联 网光伏系统由于建设容易，投资不大，加上许 多国家激励政策的扶持，因而发展迅速，成为 当前发展的主流。 按是否允许通过供电区变压器向主电网 馈电，联网光伏系统分为可逆流和不可 逆流系统，系统结构如图1.3所示。当联 网光伏系统中配置有蓄电池作为贮能装 置，系统也可称为有贮能系统，结构如 图1.4所示。有贮能系统主动性较强，当 出现电网限电、掉
10、电、停电等情况时仍 然可以正常供电。 图1.3联网光伏发电系统结构 图1.4 有贮能系统 1.3光伏发电系统中DC/DC变 换器应用场合 1.3.1蓄电池充电控制器 离网光伏发电系统和联网光伏有贮能系 统中，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。良好的充电控制器，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。 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。近年来，对其研究也越来 越广泛，各种控制形式和拓扑结构相继 提出。 图1.
11、5为采用脉冲频率调制(PFM)的蓄电池控 制器主电路图，其结构为一个半桥的DC/DC 变换装置，具有以下特点: 低损耗，无损缓冲使得开关管S1、S2为 ZCS开关状态; 自动的跟踪蓄电池电压，DC/DC变换器输 出电压可变; 运行在高频下，控制器的体积很小; 输出与输入隔离。 图1.5脉冲频率调制的蓄电池 控制器主电路 图1.6为最大功率跟踪型的蓄电池充电控制器 结构图，主电路采用Buck（降压电路）软开 关型结构，单片机实现PWM调制变换器占空 比、改变充电电流，寻优太阳能电池阵列输出 最大功率。此类控制器在充分利用太阳能电池 阵列输出能量的同时，使充电电流成为脉冲电 流，减小了蓄电池的极化
12、。主电路软开关结构 使得开关管实现ZVS关断、ZCS开通，提高 了充电效率。 图1.6最大功率跟踪型的蓄电 池控制器结构 1.3.2光伏水泵系统 系统中，与光伏水泵相匹配的驱动电机 类型有:不同电压等级的传统直流电动机 、直流无刷永磁电动机、磁阻电动机、 交流电机等。传统的采用普通的直流电 动机作为光伏水泵的拖动电机时，为了 获得太阳能电池阵列最大输出功率和调 节直流电机的输入电压，改善系统的动 态性能，需要有DC/DC变换装置作为控 制器。 图1.8为一个直流光伏水泵系统，控制器 主电路采用Boost变换器（升压电路） ，同没有Boost电路的系统相比较，系 统能明显改善太阳能电池阵列的输出
13、特 性和光伏水泵的动态性能，同时单片机 控制实现太阳能电池阵列的最大功率输 出，从而提高了系统的效率。 图1.8控制器为Boost电路的 直流光伏水泵系统 在大功率的直流光伏系统中，为了能采 用小功率下的控制器，一般采用“矩阵” 式的系统结构，如图1.9所示。太阳能电 池和DC/DC变换器作为一个子系统，根 据不同功率等级的直流电动机，若干子 系统组合而成。这种系统有以下优点: 不同的功率等级下，可以使用同一种 DC/DC变换器; 各个子系统相互独立，局部的故障不影响整 体工作; 各子系统均能使各自太阳能电池工作在最大 输出功率点，整个系统的效率得以提高; 轻载下，可以限制输出电压以防止直流电
14、动 机过高的转速。 近年来，随着新型调速控制理论及功率电子器 件的出现，交流调速技术有了长足的发展，交 流电机效率已逐渐接近直流电动机，而另一方 面，交流电机使用的方便性和牢固性远远超过 直流电动机。因此，目前光伏水泵系统中三相 异步电动机和直流无刷电动机作为驱动电机是 采用最多的。当采用这种结构时，一般也需采 用DC/DC变换器泵升电压并寻优系统最大功 率输出，结构如图1.10所示。 图1.10交流光伏水泵系统结构 1.3.3联网逆变器 联网逆变器是联网光伏发电系统中的核心部件 和关键技术。它与一般逆变器不同之处在于不 仅可将直流电转换为交流电，并且还对转换的 交流电的频率、电压、电流、相位
15、、有功、无 功、同步、电能品质(电压波动高次谐波)等进 行控制。目前，己进入实用的联网逆变器有三 种回路形式:电网频率变压器绝缘方式、高频变 压器绝缘方式和无变压器方式。 1、电网频率变压器(工频变压 器)绝缘方式 此方式结构如图1.11所示，系统采用PWM逆 变器产生电网频率的交流，并使用工频变压器 进行绝缘和变压，因而具有了良好的抗雷击和 削除尖波的性能。 工频变压器绝缘方式是目前大功率下采用最多 的结构，但由于采用了工频变压器，无法提高 系统的功率密度，同时控制较复杂且无法检测 直流电流输出的功能。此种方式，没有直接用 到DC/DC变换器装置。 2、高频变压器绝缘方式 此种方式要两种结构
16、形式，如图1.12(a) 采用了带高频变压器的DC/DC变换装置 ，经过绝缘和变压后再逆变输出，逆变 器仍然是采用PWM产生电网频率的交流 。图1.12(b)部分采用D/cDC变换装置 的结构形式，使用DC/DC变换装置前级 ，省略了其输出滤波环节，经过高频变 压器再直接接AC/AC变换环节产生电网 频率的交流电。 采用高频变压器绝缘方式的联网逆变器 ，体积小，重量轻，非常适合用于 小功率场合。近年来，这种方式的最小 光伏联网逆变系统一一AC Module（ AC光伏组件）发展迅速。 图1.12采用高频变压器绝缘方 式的联网逆变系统结构 图1.13，1.14所示的联网逆变器，为降 低各开关损耗，前级单端反激变换器一 般工作在电流断续状态，以使开关处在 ZCS或ZVS工作状态，提高系统的效率 。 图1.15是一个250W AC Module拓扑 结构
