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1、光伏发电用DC/DC变换器的研究,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
2、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
3、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
4、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。,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
5、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，
6、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 PointTracking）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
7、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
8、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
9、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
10、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1.5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
11、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。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
12、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
13、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
14、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、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/D
15、C变换器装置。,2、高频变压器绝缘方式,此种方式要两种结构形式，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
16、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，前级采用串联谐振DC/DC变换器结构形式。为消除并网时冲击电流的影响，在输出回路上串接了两个二极管(D6、D7)，从电网侧看，二极管的串接使得与电网连接的高频逆变器不能做为整流器使用。,图1.15 250W串联谐振DCIDC变换器的联网逆变器,AC Module各种类型的拓扑结构均不同程度的采用了高频DC/DC变换技术以调节功率输出。随着其研究的进一步发展，其中对DC/DC变换技术的研究必将更深入。,3、无变压器方
17、式,该种方式结构如图1.16所示。首先用无隔离的DC/DC变换器装置把太阳能电池阵列的直流电压提升到逆变器并网需要的直流电压，然后采用PWM逆变器产生电网频率的交流。用此方式可进一步减小联网逆变器的体积，减轻其重量，同时使成本降低，效率及可靠性能提高。,采用高频变压器和无变压器方式的联网逆变器，由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有优势，因而在小功率及分布式发电系统中成为目前研究的热点和发展趋势。随着联网光伏发电系统功率等级的日益提高，出现了采用DC总线结构的联网逆变器电路形式，结构如图1.17所示。这种联网逆变器结构中，DC/DC变换器部分包括了高频变压器绝缘和无变压器两种方式。,图1.17
18、采用DC总线结构的联网逆变器,1.4本章内容总结,在总结了光伏发电领域中DC/DC变换器应用场合后，跟踪DC/DC变换技术在系统关键平衡设备(光伏用控制器、逆变器)中的应用，本文就以下几个问题展开了讨论和研究:总结了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；,探讨了三电平技术和软开关技术的D/CDC变换器在光伏发电系统中的可行性并具体分析了几种基本电路;基于DC/DC变换器的MPPT技术进行了研究和概括;对应用在光伏发电系统中的DC/DC变换器电磁兼容性进行初步设计;具体分析了蓄电池充电控制器实验系统和无变压器方式的联网逆变器实验系统。,第二章光伏发电系统中的
19、DC/DC变换器,2.1引言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。近年来，随着高频化和软开关、三电平技术的发展，DC/DC变换器带来的体积小、重量轻、效率高等优点，使其越来越多地应用于光伏发电系统中。对比传统的DC/DC变换器，光伏发电系统中DC/
20、DC变换器具有以下特点:,发挥作用,顾名思义，传统的DC/DC变换器，其功能为变换一不控的直流电压为一可控的、满足系统设计要求的直流电压;而应用于光伏发电系统中的DC/DC变换器电路，除有直流电压变换的作用外，还兼顾有实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT一Maximum Power Point Traeking)功能。,工作模式,传统的DC/DC变换器要求输出电压保持可控，因此闭环控制时，反馈信号一般为输出电压；而在光伏发电系统中，为实现MPPT，DC/DC变换器的控制要求太阳能电池输出电压稳定在最大功率点处，即变换器输入电压稳定在太阳能电池最大输出电压上。当系统采取不同的MPPT算法时，
21、反馈信号可以为变换器的输入电压、输出电流或输入功率、输出功率等。,控制信号给定方式,传统的DC/DC变换器多为专用芯片提供控制信号，其控制较简单；而光伏发电系统中的DC/DC变换器，需寻优太阳能电池最大功率点，一般为单片机或DSP计算并给定控制信号。,控制方式,传统的DC/DC变换器可以采用PFM和PWM两种控制方式，而光伏发电系统中的DC/DC变换器，为降低电路设计和控制难度，提高可靠性，多采取PWM控制方式以调节开关管的占空比来实现系统设计要求。,2.2光伏发电系统中非隔离型DC/DC变换器(斩波电路),2.2.1基本斩波电路本节只简单介绍应用于光伏发电系统中的降压(Buck)、升压(Bo
22、ost)、降压一升压(Buck一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，同时为方便电路设计，给出了在电流连续模式下电路的主要关系式。关于各电路工作原理和换流分析.,图2.1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C1，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。,图2.1光伏发电系统中四种基本斩波电路结构,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
23、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一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。,为便于电路的设计，表2-1给出了在电流连续模式下各电路的主要关系式。这其中：增益M为输出电压Vo与输入电压Vs的比值；D为占空比；Lc
24、为电感L1在电流临界连续状况下的值；Lc为Cuk电路中两电感L1、L2在电流临界连续时的并联值；Vo、Io为电路输出电压、电流；fs为开关管S1的开关频率。,表2一1基本斩波电路的电路关系式,2.2.2基本型三电平斩波电路,1、采用基本型三电平斩波电路的必要性及其优点上节讨论的四种基本型斩波电路，其开关管开通关断过程中所受的电压应力为输入或输出电压的一倍到几倍，当使用在高输入的中大功率光伏发电系统中，过高的电压应力会带来开关管选择的难度，同时也降低了系统的可靠性，为此，本节提出了四种基本型三电平(Three一Lveel，简称3L)斩波电路，电路结构如图2.2所示。,图2.2四种基本型三电平斩波
25、电路结构,其中Buck 3L、Buck一Boost 3L电路仍然需要电容C1、C2以保证太阳能电池输出电流连续从而不损失发电功率，各电路经过快恢复二极管嵌位，能使开关管的电压应力降为各自两电平电路中开关管电压应力的一半。,基本型三电平斩波电路具有以下优点:,开关管电压应力为两电平的一半，降低了开关管的选择难度;储能电感和电容容量可以大大减小，减小了电路的体积。正是基于以上两点优势，使得在功率密度要求较高的场合中(如航天技术中的光伏系统)，这种以增加有源元件来减小无源元件体积的技术具有很大的实用价值。,2、Buck一Boost三电平斩波电路,2.2.1节讨论的四种基本斩波电路中，Buck一Boo
26、st电路的缺点为开关管的电压应力较高，如果采用三电平方案时，其电压应力的问题也将被解决而有可能成为光伏发电系统中典型的应用电路。为此，本节以Buck一Boost三电平斩波电路为例，详细分析其工作原理和换流分析，并给出在电感电流连续状况下的输入、输出关系和电路中的滤波器设计原则，从理论上进一步探讨三电平斩波电路的优点。,Buck一Boost三电平斩波电路结构如图2.2(c)所示，对比基本型Buck一Boost电路，其增加了S2、D2、C2、C4元件。分析前，定义:Vs、Vo为输入、输出电压并假设其保持不变，T为变换周期。,图2.3Buck一Boost三电平斩波电路各点工作波形,(1)占空比D大于
27、0.5时的换流分析,电感L1电流iL1。连续时的工作波形如图2.3(a)所示。一个周期中其换流下:,2.2.3基本型软开关斩波电路,1、采用软开关技术的必要性及其分类随着光伏发电系统技术的发展，对电力电子装置小型化、轻量化、转换效率和电磁兼容性提出了更高的要求。通常DC/DC变换器中，滤波电感、电容和变压器等无源元件的体积和重量占了很大的比例，为此必须设法降低它们的体积和重量才能达到小型化、轻量化的目的。,由电磁感应定律中的公式可知:在线圈端电压U相等和相同的磁通密度Bm下，提高工作频率f可以减小磁性元件的匝数N和其有效截面积A。从而能使整个装置小型化。但简单的提高开关频率会带来开关损耗的成比
28、例增加而使电路效率下降严重，同时开关噪声也将带来严重的电磁干扰问题。为解决此类问题，软开关技术相应发展起来。,所谓“软开关”是指：利用谐振原理，在电路中增加小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络。使开关管中的电流（电压）按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关关断；或开关管电压为零时，使开关开通；或者在开关管上并联有源或无源吸收网络，利用吸收网络以减小开关损耗，典型的有开关管并联电容近似实现零电压关断、开关管串联电感近似实现零电流开通等。,在很多情况下，一般当开关管实现软开关时，不再指出开通和关断，仅称零电压开关(Zero Voltage Swithing一zvs)和零电流开
29、关(Zero Current swithing一zcs)。实际电路中，简单的吸收网络会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此必须附加辅助网络配合使用。,但不管在什么情况下，软开关电路会消除开关管开关过程中的电压、电流的重叠，降低了它们的变化率，能很大程度地减小甚至消除开关损耗和开关噪声。从而保证了电路实现工作频率提高的可行性，实现装置的小型化。,根据软开关技术的发展历程，它可以分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路三类。在光伏发电系统中，直流变换电路的控制信号一般由单片机或DSP提供而多采用PWM控制。所以采用PFM方式控制的准谐振电路很少应用在此类场合。,2、基本型
30、软开关斩波电路结构本节给出基本型斩波电路的几种软开关电路结构，简要分析电路的优缺点。图2.4为四种基本型零开关PWM斩波电路。这其中(a)、(b)、(c)没有辅助开关;而(d)中存在辅助开关管S2，在一个周期中，S2控制时序为在主开关管S1关断期间适时导通、关断。,图2.4四种基本软开关PWM斩波电路,图2.4四种基本软开关PWM斩波电路,图2.4四种基本软开关PWM斩波电路,图2.4四种基本软开关PWM斩波电路,图2.4中基本型零开关PWM斩波电路具有以下优点:,(a)、(b)、(c)电路能实现S1开通ZCS和关断ZVS，(d)电路中S1、S2均能实现ZVS开通和关断；(a)、(b)、(c)
31、电路无需辅助开关使得控制简单，(d)中电路实现ZVS、输入电压、负载变化范围较宽。,但图2.4斩波电路中谐振元件串联于主电路，将会部分影响系统效率，同时(a)、(b)、(c)中输入电压和输出电流的大范围变化将部分影响ZVZCS的实现状态，而(d)中辅助开关也增加了控制难度。,图2.5为四种基本型零电压转换(ZVT)斩波电路结构,图2.5为四种基本型零电压转换(ZVT)斩波电路结构，从图中可看出，电路增加了辅助开关S2，在一个周期中，S2控制时序为超前主开关S1开通而在S1，开通时刻关断。,基本型ZVT斩波电路具有以下优点:,电路实现主开关管S1开通、关断的ZVS，辅助开关管S2开通实现ZCS，
32、且实现ZVS、ZCS的输入电压、负载变化范围较宽;谐振元件不在功率传输的主回路中，开关管S1、S2的电压电流应力小。此电路的缺陷在于:S2的加入增加了控制难度;S2没有实现关断时的软开关。,3、ZVZCS Boost斩波电路针对光伏联网发电系统一般需要泵升太阳能电池输出电压以适应联网逆变的特点，本节就图2.4(b)中的这种结构和控制均非常简单的ZVZCS Boost型斩波电路进行了工作原理和换流分析，并给出了电路的主要参数计算和设计原则。,1)工作原理和换流分析在图2.4(b)中，Lr、D2、D3、D4、C2、C4构成辅助谐振电路，使得开关S1开通实现ZCS和关断完成ZVS。在一个开关周期中，
33、电路有8种开关状态。在分析工作原理之前，需要作出如下假设:各开关管、二极管均为理想元件;所有电感、电容均为理想元件;,L:电感量很大近似看成电流源;C1、C3电容值很大近似看成电压源;C4C2，L1Lr，太阳能电池输出电压为Vs，输出侧电压为Vo，电感L1上的平均电流为IO,图2.6ZVZCS Boost斩波电路各点波形,图2.7给出了不同开关状态下的等效电路，对照图2.6给出的各点波形，各开关状态的工作情况描述如下。,2)参数设计此电路中，辅助换流电路中谐振网络参数(Lr、C2、C4)的合理匹配是实现开关管软开关的关键。谐振电感Lr的设计从式(2一22)可以推出,其中，td为开关管S1的开通
34、时间。谐振电容C2的设计从式(2一27)分析可得:其中，otff为开关管S:的关断时间,（2-26）,谐振电容C4的设计C4的选择应遵循两个原则:I、C4 C2一般满足C4 20 C2即可。II、在最小占空比Dmin时，Lr、C4要谐振结束。即式2一26中的 不可太小。在实际电路中考虑杂散参数地影响，一般选择C4=(2550)C2。,储能电感L1和滤波电容C3的选择满足电感电流连续和输出的纹波电压要求下，主电路中L1、C3的选择可以参见表2一1基本斩波电路的电路关系式。,2.3光伏发电系统中隔离型DC/DC变换器,上节讨论的斩波电路，虽然可以完成直流电压变换的功能，但在实际应用中，其存在着功率
35、转换功能上的局限性。具体体现在:部分电路输入输出不共地;输入输出不隔离;输入输出电压比、电流比不能过大;无法实现多路输出。,为克服以上局限，需要在电路中引入变压器以满足系统设计要求。针对光伏发电系统中的要求，本节就带变压器的隔离型DC/DC变换器(直一交一直型变换电路)进行了探讨。,总结了几种基本隔离型DC/DC变换器并详细介绍了全桥DC/DC变换器及其控制方式，就较高输出电压应用，提出了一种升压型移相全桥ZVZCS DC/DC变换器拓扑，并介绍了工作原理和换流分析以及具体参数设计原则，同时就较高输入电压应用，简单介绍了隔离型的三电平拓扑。,2.3.1 基本隔离型DC/DC变换器,本节阐述了几
36、种基本隔离型DC/DC变换器电路的基本特点，给出了在电流连续模式下的主要关系式，同时简单介绍了各自在光伏发电系统中的应用场合。图2.8为反激(Flyback)、正激(Forward)、推挽(push一pull)、半桥(Half-bridge)四种最基本隔离型DC/DC变换器电路结构。从图中可以看出，为使太阳能电池输出电流连续从而不损失发电功率，电路均需要在输入侧并联电容。电流连续模式时各个电路的基本特点和主要关系式以及应用场合如如表2一2所示:,图2.8四种基本隔离型DC/DC变换器电路结构,表2-2四种隔离型DC/DC变换器电路比较,2.3.2 全桥DC/DC变换器,全桥DC/DC变换器常应
37、用在AC Module、直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换、蓄电池充电器等较大功率光伏发电系统中。与单端或半桥变换器相比，其有一系列明显优点，如开关管器件电压电流应力较低，变压器利用率高等。,但同时它也是一项非常复杂结构，涉及了如直通、驱动等众多的因素和难题。正因为此，对其研究也是在DC/DC变换电路中最为广泛的。根据输入端供电方式的不同(电流源或电压源)，全桥DC/DC变换器可分为电流型结构或电压型结构，实际光伏发电系统中，一般采用PWM控制的电压型，其电路基本结构如图2.9所示。,1、全桥直流变换器基本工作原理在图2.9中，设Vs为输入直流电压，由太阳能电池Pv提供;；S1&D
38、rlS4&Dr4 构成两个桥臂，T为高频变压器，其原副边匝比N1/N2=1:n，D1D4是输出整流二极管，Lf、Cf是输出滤波电感、电容，Ro是负载。,通过控制S1S4对角导通，电源通过T隔离和变压后向负载提供能量。T原、副边分别得到幅值为Vs和nVs的交流方波电压，在D1D4;输出整流和Lr、Cf组成的低通滤波电路，最终在输出端得到一个平直的直流电压VO，其值为Vo=nDVs，其中D为占空比，D=ton是对角管同时导通时间，T是开关周期。通过调节D即可方便地调节输出电压。,2、全桥DC/DC变换器控制方式,PWMDC/DC全桥变换器三种控制方式:双极性控制、有限双极性控制和移相控制(Phas
39、e一Shitfing一Contorl)。各自的控制脉冲如图2.10所示。,双极性控制(也称常规PWM控制),如图2.10(a)所示，此控制方式下，电路对角线上的开关管(s1、S4;或S2、S3)同时导通和关断，两对开关交替关断和开通，开通时间均小于半个周期。由于斜对角的两开关管同时关断，电路切换方式中，AB两点出现+l/-1或-1/+1情况，无法实现开关管的软开关，故全桥软开关型的拓扑结构无法采用此种控制方式。,由于电路工作在硬开关状态下，受到杂散参数的影响，在开关过程中会产生较大的电流和电压尖峰，因此需要较大的安全工作区和采用RC或RCD等无源缓冲电路来改善开关管的工作状态。,图2.10全桥
40、DC/DC变换器三种控制方式,图2.10(a),有限双极性控制,如图2.10(b)所示，这种控制方式的特点为:电路中一个桥臂的开关管(如S2、S4)互补导通，并且其分别导通180O。另一个桥臂的开关管(如S1、S3)与各自对角管同时导通，但其导通占空比D可调。采用此种控制方式可以实现超前臂(如S1、S3)的ZVS，滞后臂的ZCS，特别适合于大功率下用IGTB作为滞后臂的全桥电路，可以有效克服其电流拖尾影响。,(b)有限双极性控制,图2.10(b),移相控制,如图2.10(c)所示，此种控制是全桥软开关DC/DC变换器采用最为广泛的方式，根本思想就是将硬开关PWM拓扑的两种开关状态(断态和通态)
41、改变为三种开关状态(通态、断态和续流态)，一个周期中AB两点从+1/-1或-1/+1态转变为+1/0/-1或-1/0/+l态。在续流态中实现开关管的软开关。该方式的基本工作原理为每个桥臂的开关管互补导通，两桥臂间移相一个角度，通过控制移相角，来调节输出电压的脉冲宽度即占空比，从而达到输出电压的目的。,(c)移相控制,图2.10(c),3、移相全桥ZVZCS DC/DC变换器拓扑,移相全桥型DC/DC变换器由于其控制方式的新颖而使得开关管较易实现软开关控制。近年来，这种类型的软开关拓扑结构发展迅速，将移相全桥DC/DC变换器软开关电路归结为ZVS和ZVZCS两类。这其中，ZVS方式中实现滞后臂开
42、关管ZVS的谐振能量单只有谐振电感提供，当在空载或轻载时，其ZVS难以实现，同时此种方式要求换流期间变压器原边一直存在环流，这也降低了变换器的整体效率。,而ZVZCS方式中，一般在换流期间使变压器原边的环流降为零并保持从而实现滞后臂的ZCS开通和关断。光伏发电领域中的DC/DC变换器，由于系统的特性，需要时刻寻优太阳能电池的最大输出功率，这使得其输出功率是依据输入功率而变化的，表现在负载侧，则可认为负载可以大范围波动。由以上的两种软开关实现方式可得，这里不宜采用完全的ZVS控制方式。为此，本文着重对在功率输出波动较大时仍能实现软开关ZVZCS拓扑结构进行总结。,图2.11为一族移相全桥ZVZC
43、SDC/DC变换器拓扑结构，从图中可看出，变压器原边的结构均相同，副边采用了由电感或电容与二极管构成的辅助回路。这些电路中开关管实现软开关的工作原理为:超前臂开关管S1、S3在关断时通过其上并联的电容Cr1(Cr3)和谐振电感L，谐振实现ZVS关断，同时由于,自身的二极管在开通前续流导通而实现ZVS开通；图(a)一(e)中滞后臂开关管S2、S4实现ZCS原理相似，均通过副边不同的辅助回路的充放电，使开关管关断前Lr的能量完全释放到负载侧而实现ZCS关断，同时Lr的存在使开关管开通实现ZCS。,图2.11一族移相全桥ZVZCSDC/DC变换器拓扑结构,4、升压型移相全桥ZVZCS DC/DC变换
44、器,联网逆变器系统和光伏水泵系统中，当采用带隔离型的DC/DC变换器结构时，一般均需要DC/DC变换器实现电压泵升以满足后级逆变时电压等级要求。在三相大功率系统中，DC/DC变换器泵升电压一般需达到500V以上。显然，在这种较高输出电压应用时，前面讨论的各拓扑采用的常用整流电路如半波、全波、全桥或同步(较低电压输出)中整流二极管均无法满足此电压等级的要求。,为此本节在图2.11移相全桥ZVZCS DC/DC变换器电路的基础上，针对较高输出电压(500V)应用，提出了一种升压型移相全桥ZVZCS DC/DC变换器拓扑，并进行了工作原理和换流分析，给出了主要参数的计算和设计原则。1)工作原理和换流
45、分析图2.12(a)为这种升压型移相全桥ZVZCS DC/DC变换器拓扑，其实现软开关的原理相似于图2.11(a)电路。,图2.1升压型移相全桥ZVZCS变换器主电路,为实现高电压输出，电路采用双全桥串联整流结构，即主变压器T副边采用两个对称绕组，在分别接全桥整流电路后进行串联连接。此种结构连接使得整流二极管D1一D8上的最大电压嵌位在变压器一个副边最大输出电压上，而电路的输出电压则为两倍的整流电压。同双二极管串联的一个全桥整流电路相比，这种整流电路能有效地解决一桥臂二极管的动态均压问题。,电路中，由D9、D10、C2组成的辅助电路，满足实现ZVZCS控制的同时，最大限度地简化了主电路结构，同
46、时辅助电路中由于D10的导通嵌位，可使D9上的最大耐压嵌位在输出电压上，从而也减小了辅助电路中二极管的耐压要求。,图2.1升压型移相全桥ZVZCS变换器工作波形,以下为具体分析电路工作原理，在这之前，电路应作出如下假设:各开关管、二极管均为理想元件；电感、电容、变压器T均为理想元件且Cr1=Cr2=Cr，变压器匝比N1:N2:N2=1:n:n滤波电感Lf值很大可近似看成电流源；电容Cf值很大近似看成电压源；输入电压为Vs、输出电压为Vo。,图2.13给出了不同开关状态下的等效电路，对照图2.12(b)的各点波形，各开关状态的工作情况描述如下。（1）开关状态0【t0时刻】，对应于图2.13(a)
47、。S1己导通，Lr分别通过负载侧和D1D8续流。,（2）开关状态1【t0t1】，对应于图2.13(b)。t0时刻，S4导通，由于有Lr，原边电流从零线性上升，S4实现零电流开通，流经D2、D3、D6、D7的电流下降，D1、D4、D5、D8的电流上升；至t1时刻，D2、D3、D6、D7截止。原边电流为:（2一32）,（3）开关状态2t1t2，对应于图2.13(c)。t1时刻，Lr与C2通过D10和Cr谐振直到t2时刻结束；折算到主变压器T原边，谐振电路参见图2.14(a)所示:,（4）开关状态3t2一t3，对应于图2.13(d)。t2时刻时C2上电压充至VC2（t2）=VS-V0/2n并保持不变
48、，此刻D10关断，原边向负载提供能量。,（5）开关状态4t3t4，对应于图2.13(e)。t3时刻，S1关断，由于DS(CE)端并联有Cr1，S1实现ZVS关断，此刻Lr和Lf串联，Lf从副边折算到原边后电感量Lf/4n2，所以Cr1、Cr3相当于恒流充放电至t4。,（6）开关状态5t4一t5，对应于图2.13(f)。在t4时刻，原边不足以向副边提供能量，C2通过Lf、Cf、D9开始向负载提供能量，同时Cr1继续充电、Cr3放电至t5时刻。假设C2Cr时，折算到主变压器T原边，谐振电路参见图2.14(b)所示:,（7）开关状态6t5-t6，对应于图213(g)。在t5时刻，Crl充电至VCr1
49、(t5)=VS，而Cr3放电至Vr3(t5)=0，Lr中的电流开始通过变压器原边、S4、Dr3续流并继续向副边提供能量，C2仍继续向负载供电。在t5-t6中某一时刻开通S3，由于有Dr3的续流钳位，其实现ZVS开通。折算到主变压器T原边，谐振回路参见图2.14(c)所示:,（8）开关状态7t6t7，对应于图2.13(h)。在t6时刻，流过Lr的电流降为0，此时C2电压为VC2(t6)，C2继续放电至t7时刻结束，VC2(t7)=0。折算到主变压器T谐振回路参见图2.14(d)所示:,（9）开关状态8t7一t8，对应于图2.13(a)。t7时刻开始，D1一D8续流，变压器原边电流为零并保持。当t
50、8时刻关断S4，其实现零电流关断。t8时刻，结束前半个周期的换流。下半周期Lr开始与C2谐振，换流分析类似上述。,2)主要参数设计,谐振网络参数的合理匹配是能否大范围实现软开关的关键，而滤波电感Lr的优化设计也将在能满足滤波效果和使超前臂ZVS易实现的同时，改善滞后臂ZCS的范围。谐振电感Lr的设计,Lr的大小是以能实现滞后臂开关管ZCS开通为前提，在已知开关管开通时间ton，要求(t10=t1-t0)ton。由公式2-32可得:,谐振电容C2的设计在半个开关周期中，要求C2实现充、放电各一次，并且其上储存的能量保证原边电流复位到零。由公式(2一34)可得:,谐振电容Cr1、Cr3的设计Cr1
