光伏最大功率点跟踪系统的设计-DCDC变换模块

光伏最大功率点跟踪系统的设计 -DC/DC 变换模块摘 要本文是针对光伏发电系统中的 DC/DC 变换器而展开的研究， 总结了光伏发电系统中 DC/DC变换器的应用场合； 探讨了应用软开关技术、 三电平技术于系统中的必要性； 详细分析了非对称结构 ClassD 升降压的 DC/DC 变换器电路以及双管正激组合式变换器。 包含其的电路结构图、 电路原理、工作模式等。关键词：光伏、最大功率跟踪、 DC-DC 变换器目录摘 要 III Abstract IV 1 绪论 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2 课题的研究目的 1 1.3 课题研究的现状 1 1.4 课题研究的主要内容 3 2 基于 DC/DC 变换器最大功率点跟踪 4 2.1 光伏电池工作原理 4 2.2 MPPT 研究的必要性 5 2.3 基于 DC/DC 变换器 MPPT 研究的必要性 7 2.4 基于 DC/DC 变换器 MPPT 实现原理及算法介绍 9 3 光伏发电系统中 DC/DC 变换器应用场合 11 3.1 蓄电池充电控制器 11 3.2 光伏水泵系统 12 3.3 联网逆变器 14 4 光伏发电系统中的 DC/DC 变换器 18 4.1 非对称的 Class D 的升降压 20 4.1.1 电路器件的工作原理 20 4.1.2 PWM 信号的产生 21 4.1.3 电路的工作模式 22 4.1.4 电路特性分析 24 4.1.5 恒电压 DC/DC 变换控制原理图 25 4.2 双管正激组合式变换器 25 4.2.1 主电路结构 25 4.2.2 主电路工作原理 26 4.2.2 基本理论分析 27 结论 30 参考文献 31 致谢 33 1 绪论1.1 课题的研究背景从远古到现代， 人类一直都在摸索如何更好的利用太阳能。 古代有太阳灶， 现代有太阳能热水器。 虽然我们地球上接收到的太阳能只占太阳自身表面的二十亿分之一， 但是这部分能量是整个地球所需要总能量的几万倍， 对人类而言， 这就是一笔取之不尽用之不竭的财富。 太阳能与煤炭、石油等矿物燃料不一样，它不会导致“温室效应“，不会影响全球性的气候变化，更不会造成环境的污染。特别是最近 10 来年，因为石油可开采量的日益减少以及生态环境的逐渐恶化，太阳能这一完美的替代品受到越来越多的国家重视， 各国也在积极开发各种新的光电技术以及新型光电材料，都是为了解决自身的能源危机，来扩大太阳能的利用领域。从发电、取暖、到各式各样的太阳能利用设备， 它的应用非常广泛， 甚至在某些领域， 太阳能的使用已开始进入实用阶段，实现了基本大众化。1.2 课题的研究目的电能是到现在为止使用上最便捷， 应用上最广泛的能源， 所以光电的转换在太阳能的应用领域占据着及其重要的地位， 光伏电池 (Solar Cell)[1] 就是一种经过太阳光的照射后， 把光能转变成电能的一种转换元件。也有人称它为光伏电池 ((Photovoltaic ，简称 PV) 。而现在光伏系统的最大问题是光伏电池的转换效率较低并且它的价格十分昂贵， 所以如何在现在的光电元件转换技术基础上， 再进一步提高光伏电池的转换效率， 充分利用光伏阵列转换的能量， 这是光伏系统现在所研究的重要方向。 本课题从光伏电池的光伏特性这一基础出发， 在如何提高光伏电池的能量转换效率的问题上，进行了深一步的探讨。1.3 课题研究的现状由于光伏电池有着非线性的光伏特性， 所以就算在相同的光照强度下， 因为负载的不同而得到的输出功率也是不同的， 将其直接与负载相连是很不正确的， 一般来说我们都采用一个变换模块， 这样使得太阳能的输出功率维持在其最大的输出状态， 这样以后再让它向负载供电。 现在光伏电池的输出功率控制上主要利用 CVT (Constant Voltage Tracking) 技术 [2] 。光伏电池的阵列具有如图 1-1 所示的伏安特性曲线，图 1-1 太阳电池阵列的伏安特性曲线图 1-1 中 L 是负载的特性的曲线，当温度保持在某一个的固定值时，在不同的光照强度下，伏安特性的曲线与负载特性的曲线 L 的交点为 a、 b、 c、 d、 e。 与之对应的是五个不同的工作点。而我们发现阵列可能提供的最大功率的那些点，如 a 、 b 、 c 、 d 、 e’。这五个点连起来差不多都落在同一条垂直线的附近，这就可以把最大功率点的轨迹运动曲线近似地看作是电压曲线U=cost 的一条垂直线，也就是只要保持光伏的阵列的输出端的电压为常数，就可以从大体上保证光伏阵列输出是在这一温度下的最大功率， 所以最大功率点的跟踪器也就简化成为为一个稳压器，这就是 CVT 控制方式的理论根据。CVT 的控制方式具有操作简单，极高的可靠性，良好的稳定性，便于实现等优点，跟一般的光伏系统比较大概多了 20%的电能，与不带 CVT 的系统比较要有利得多。但是这种跟踪方法忽视了温度对光伏电池开路的电压的影响。 用单晶硅为材料的光伏电池为例， 当周边环境温度升高 1℃时， 它的开路电压要有 0. 35%~0.45% 下降幅度。 这说明光伏电池最大功率跟踪点所对应的电压也伴随着外界环境温度的改变而变化。 这对于日温差或季节温度差异比较大的地区， 用 CVT这种控制方式来跟踪最大功率不是一个完美的解决方案。伴随着微电子技术的发展以及电力电子技术的进步，以及微电子器件的降价， CVT 这类控制方式已经显得不是很有竞争力。最大功率点跟踪 MPPT[3] （ Maximum Power Point Tracking ）技术可以使光伏系统在任何温度以及光照强度下都能跟踪光伏电池的最大功率， 这显示出了它的极具优势的技术特点。1.4 课题研究的主要内容MPPT 可以挽回由于温度的变化而导致系统的组件失配损失， 特别是对于夏冬季节及昼夜温差较大的地区， 更加有明显的经济以及技术意义。 本课题的主要工作内容就是利用光伏电池的伏安特性曲线， 通过调节光伏电池阵列的工作点， 来自动跟踪光伏电池阵列的最大功率点， 以获得电池的最大功率。本文的主要内容是研究光伏发电中用到的 DC/DC 变换器。课题的主要内容与基本要求：要求设计一个 DC/DC 的变换模块，作为光伏阵列与负载之间的适配器。设计中采用 500W 的光伏阵列，输入电压的范围为 20~36V ，负载要求的恒定电压为28V。2 基于 DC/DC 变换器最大功率点跟踪2.1 光伏电池工作原理在光伏电池的太阳能发电中， 光伏电池是核心的元件， 所以熟悉并掌握它的工作原理是一件必须的事情。 光伏电池是一种能把光能量转化为电能量的电子器件， 我们把它称为光伏器件。 当来自外界的太阳光照射在实体上时， 事物因为吸收了光能， 它的能量电子从化学键中被释放出来，由此产生了电子 -空穴对，就会有少量的电动势产生，此类现象我们称它为光生伏特效应。固体以及液体中也都会发生这种现象， 但是仅仅在半导体中， 才能获得比较高的光电转换率。 所以光伏电池又经常被人们称之为半导体电池。 所以市场上的光伏电池一般都是是硅电池， 它的原理具体如下解释：一个硅原子的原子核外部有四个带负电的电子。当受热或受到外部能量冲击时， 这部分带负电荷的电子就一定会挣脱硅原子的原子核给它的束缚力， 而使之成为能够自由移动的电子， 如此一来原来的原子就因为少个电子而带上一个单位正电， 我们称之为“空穴”。 对于纯的硅元素晶体来说，自由电子、空穴一般都是成双成对出现的，所以硅晶体还是呈电中性。但是如果在原本无杂质的硅晶体中掺杂了镓、 硼等三价元素的话， 让它取代了硅晶体中的硅原子核的位子， 就形成变为空穴型的半导体，也就是 P 型半导体。在 P 型半导体中，空穴则为大多数，自由电子为少部分， 主要还是空穴导电。 而空穴则主要由杂质的原子提供， 自由电子是由热激发而形成的。掺入的杂质元素越多，多数载流子（也就是空穴）的浓度也就会越高，其导电性能就更强；如果在原本无杂质的硅晶体中掺入砷、磷等五价元素的话，使 =让它取代了晶体中硅原子核的位置，就形成了电子型的半导体，我们又称之为 N 型半导体。然而这些杂质提供了带负电荷的电子的载流子，我们称他们为主杂质或 N 型杂质。 N 型半导体中，自由的电子为大多数，而空穴为少数，主要是自由电子导电。而自由电子主要由杂质的原子所提供， 空穴由热激发而形成。杂质掺入的元素越多， 多子（自由电子）的浓度也就越高，导电性能就更强。如果把 P 型以及 N 型这两种半导体联合在一起，交界处就形成了一个 PN 结，如图 2-1 所示。当光伏电池受到太阳光的照射时，电子由于受到光能的激发，慢慢向Ｎ区移动，使Ｎ区带上负电， 同时Ｐ区接受多余的空穴，使Ｐ区带正电。这样一来，在 PN 结两端就有了一定的电动势，这就是所说的“光生伏特效应”。如果在 P 型以及 N 型两端加上导线的话，再在外围连接上负载组成一个回路，那么就能产生电压以及电流，从而达到光生电的实际效果。图 2-1 光伏电池的发电原理光伏电池主要是由 P 型和 N 型的半导体构成。因此在没有太阳光照射时，光伏电池的基本特性跟二极管类似。接下来我先介绍一下半导体二极管的一些相关特性，饱和电流 I0 和另一反向暗电流 Id 是二极管的两个最基本的重要参数。当给一个正电压在 PN 结上时，它的内部的势垒层遭到减弱 ,自由电子由 N 区扩散到 P 区， 则暗电流 Id 从 P 型的半导体流向Ｎ型的半导体。 反之在 PN 结上加上一个反电压，其内部势垒层变宽得到加强，自由电子从 PN 结的 P 区漂移到 N区，则 I0 的电流方向是从 N 区指向 P 区。又因为 P 型半导体中的空穴比较多，电子为少数载流子，所以只要它没有被反向电压所击穿， I0 就比 Id 要小得多，一般只有Ｌ的 10-10 这一数量级，PN 结还具有二极管的单向导电性这一基本特性。用来描述饱和电流 I0、暗电流 Id 、二极管偏压V 的克莱方程如下所示：（ 2-1）其中： q=1.6*10-19C ， q 是电子电量； k=1.38*10-23J/K ， k 是波尔兹曼常数； T 是热力学温度； A 为二极管等效冈子。等效电路如图 2-2 所示：图 2-2 太阳能电池等效电路现在， 市场上经常能看到的硅类光伏的电池一般有三种： 非品硅、 多类晶硅以及单晶硅的光伏电池，转换的效率的差距也是很大。单品硅的光伏的电池的材料最是昂贵， 因为制造成本是最高的， 然而它的光电的转化效率也是最高的。在现在全球范围内，单晶硅的光伏电池平都转换的效率为 15%，在良好环境下的单晶硅的转换效率比较高的是在澳大利亚一个叫新南威尔士大学的地方， 他们所测得的转换效率能达 24.4%。 多晶硅的光伏电池内部晶体结构具有没有规则性， PN 里的电荷不能使其完全地分离，所以一部分电荷会由于晶体的这种不规则性而损失掉， 所以多晶硅电池的转换率一般要比单晶硅的稍低。 它的光电转换效率也可达 14%，其在实验室内能达到的最大转换效率为 19.8%。 但由于生产多晶硅的光伏电池的可用方法很多， 所以多品硅的成本自然要比单品硅的低。 而非晶硅的光伏电池是薄膜电池的其中一种， 价格非常便宜， 但光电转换效率很低， 实验室最大转换效率也才12%，我们把它常用于计算器、电子手表等弱光性电源中。2.2 MPPT 的必要性在整个光伏发电系统中， 光伏电池在不同的光照强度下， 且当输出为最大功率时， 两端的电压值并不是恒定的， 而且光伏电池工作的温度发生变化时， 相对应于同一辐照度的最大功率以及电压值也会发生变化。图 2-3 是光伏电池 I(P)-V 关系曲线， 它表明在一定的太阳照度以及温度下， 电池传送的电流I( 功率 P)与电压 V 的关系，曲线 1、 2 都表明光伏电池具有很鲜明非线性的特征。曲线 1—电流 -电压 曲线 2—功率 -电压曲线图 2-3 光伏电池电流（功率）—电压的关系曲线上图中，功率曲线 2 相当于为一条抛物线，即光伏太阳能的电池在输出为最大功率Pm(=ImVm) 时，最大的功率点的电压 (也就是最大的工作电压 )Vm 比开路电压 Voc 小，最大功率点的电流 (也就是最大工作电流 )Im 比短路电流 Isc 小。而且电池的电压在 0~Vm 间变化时，功率曲线是一个递增函数，电池电压处于 Vm~Voc 之间时，功率曲线是一个递减函数。据研究显示，它的输出功率是由太阳光照度、太阳光谱分布以及它的工作温度决定的。图 2-4 (a)、 (b)是光伏电池在不同温度下得 I-V, P-V 的特性曲线，从图中可得，随着工作温度的升高，短路电流 Isc 稍微升高，开路电压 Voc 以及最大功率点的电压 Vm 下降，光伏电池输出最大功率 Pm 下降。(a)不同温度下得 I-V 曲线图 （ b）不同温度下 P-V 曲线图图 2-4 不同温度下的光伏电池的特性曲线图 2-5(a) 、 (b)是不同辐照度下的 I-V 、 P-V 特性曲线。如图可知，同一块电池， Isc 值与太阳光照度成正比；输出最大功率 Pm 也随着太阳光照度的增加而增加。（ a）不同辐照度下的 I-V 曲线 （ b）不同辐照度下的 P-V 曲线图 2-5 不同照度下的光伏电池的特性曲线为了实现在任何外部条件下光伏电池阵列输出当前日照下最多的能量， 理论以及实践上提出了光伏电池阵列的 MPPT 问题。随着光伏发电系统的日益普及，光伏发电系统较高的造价以及仍然较低的转换效率，迫使加快 MPPT 技术的研究2.3 基于 DC/DC 变换器 MPPT 研究的必要性在光伏发电系统中，基于电力电子装置来实现光伏电池的 MPPT 时，可以采用两种形式，分别如图 2-5 (a)、 (b)所示。 伴随着 DC/DC 变换器越来越多应用于光伏发电系统中 (详见第三章节 )，基于 DC/DC 变换器的 MPPT 技术的研究也日显突出，具体体现在 : 1、系统设计基本要求蓄电池的充电系统或直流光伏的水泵系统中，其系统转换装置一般采用了一级 DC/DC 变换结构，所以光伏电池的 MPPT 只能采用图 (a)中的基于 DC/DC 的变换器来进行调节。2、提高系统性能要求在那些有 DC/DC 变换器装置的联网逆变器或交流光伏水泵的系统中，虽然图 2-5(a) 、 (b) 两种形式， 在理论以及实践上都可实现光伏电池 MPPT ， 但说道其性能的差异对比， 图 (a)基于 DC/DC变换器 MPPT 实现有以下优点 : 1)、动态响应快、系统控制简单实现光伏电池的 MPPT ， 其根本是要匹配电池以及后级变换器的动态负载。 在周边环境发生变化时，通过不断调整 DC/DC 变换器的开关占空比，实现光伏电池与变换器之间的动态负载的匹配，就可以实时地获得光伏电池的最大输出功率。图 2-6(a) 中由于 DC/DC 变换器为系统的前级装置， 它与负载间存在有 DC/AC 变换器， 这种形式实现了输入级以及输出级控制方式的解祸，使 DC/DC 变换器只单纯的实现输入级的光伏电池的 MPPT ，使系统控制简单化，也使光伏电池MPPT 动态响应速度加快。(a) 基于 DC/DC 变换器 MPPT 实现结构框图（ b）基于 DC/AC 变换器 MPPT 实现结构框图图 2-6 光伏发电系统 MPPT 实现的结构框图2)跟踪精度高采用图 2-6(a)MPPT 跟踪的提高精度是可以从两个方面来叙述 : ① 从其控制角度图 2-6(a)中 DC/DC 变换器来实现最大功率跟踪的控制，它控制信号的唯一来源就是光伏电池的功率的波动，也就是说其开关占空比的调节是唯独一个以功率偏差为根据，而在图 2-6(b)中，因为没有实现控制的解耦， DC/AC 中开关管的占空比的调节，除了以光伏电池输出的功率的偏差为根据外， 还要受到后级的负载所反馈的控制信号， 如在联网的逆变器的系统中的电流的内环、交流的光伏的水泵中电机转速的外环等。②从其系统结构图 2-6(b 图 )为集中型的 MPPT 控制，它在固定功率的等级下，光伏电池需要以串或并联的形式来组件。 但当外界的因素使得其中一个电池的单元的输出功率减小时， 集中型的控制的方式会使其它的电池也不能正常工作， 从而降低了跟踪的精度， 而形成能量的损失； 而采用了图 2-6(a图 ) 的控制形式后，并采用 DC 总线结构方式组成系统时，它是基于每个 DC/DC 变换器的 MPPT的控制， 实现输入级各个光伏电池控制的解耦， 这样就避免了各光伏电池单元的输出功率的变化所造成的相互干扰，提高了跟踪精度。这种方式的优点，尤其体现在 AC Module 系统中。2.4 基于 DC/DC 变换器 MPPT 实现原理及算法介绍在电路的理论可知 :在线性的电路中，当外部的负载的等效电阻 (Z2) 和电源内部的电阻 (Z1)形成共扼时，外部负载就能够获得最大的输出功率，如图 2-5，即当 Z2=Z1* 时 ,相对于在光伏发电系统中应用了 DC/DC 变换器的，即使光伏电池以及 DC/DC 变换电路都为非线性的特征，但在很小的时间段里，两者都可以看成线性的电路。所以，等效把光伏电池看为直流的电源，把DC/DC 变换电路看成外部的阻性负载。 通过调节 DC/DC 变换电路的等效阻抗， 使它在不一样的外部的环境下，总是随着光伏电池的内阻变化而变化，两者动态的负载能够匹配。使得 DC/DC变换器的输出侧的输出功率为最大，从而实现光伏电池的最大功率的跟踪。图 2-7 最大功率的传输的简化图但是在实际的应用中， 很难获取每个点的等效阻抗， 因此一般我们不用直接测量阻抗的方式来实现最大功率的跟踪。所有不一样的应用的系统中，基于 DC/DC 的变换器来实现的，最后的到的变量不同，有依据电压偏差控制的、依据功率偏差控制的、 依据电流偏差控制的， 以上三种方法都能够等效匹配光伏电池以及 DC/DC 变换电路的等效电阻，使得实现系统的功率最优。光伏最大功率点跟踪系统包括太阳能阵列、 DC/DC 变换器、主控制器、模数转换电路、充电控制器以及蓄电池组。太阳能光伏系统的结构框图如下所示：图 2-8 系统框图实现最大功率跟踪的方法通常有几种：恒压法、增加电导法、干扰观察法。1、 恒压法是根据晴天在中午时方阵的功率输出值来设定蓄电池的工作电压 ,以此时的功率输出作为近似的最大功率值，使光伏阵列从始至终都工作于以上所设定的电压值所对应的功率点上。 由于最大功率点是随外界环境的改变而改变的， 所以实际上没有实时地跟踪系统的最大功率点，有较大的功率损失，并不是真正意义上的最大功率点跟踪系统。2、电导增量法是通过改变光伏阵列的等效内阻从而实现最大功率跟踪的。方阵等效的内阻大小和方阵的工作的电压点有关联。 内阻小于负载的电阻时， 提高光伏的电池的工作的电压， 内阻大于负载的电阻是则降低工作的电压。在等效阻抗与负载电阻相等时系统的输出的功率为最大。3、干扰观察法是通过不断改变电池方阵的工作的电压，实时观察它的功率输出值，通过比较最终稳定在最大的功率点上。此方法只需获得电压及电流参数，易于实现。3 光伏发电系统中 DC/DC 变换器应用场合3.1 蓄电池充电控制器离网的光伏发电系统以及联网的光伏有贮能系统，光伏电池阵列以及蓄电池之间一定有充电控制器， 它能使光伏电池一直工作在最大功率点处， 从而提高了充电效率。 良好的充电控制器，又能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用年限。其实蓄电池充电控制器实质上是一个 DC/DC 变换器装置，它也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以及可靠性。 这些年来，对其研究也越来越广泛， 各种控制形式以及拓扑结构相继提出。图 3-1 为采用 PFM( 脉冲频率调制 )的蓄电池的控制器主电路图， 其结构为一个半桥的 DC/DC变换装置，具有以下特点 : ①损耗低，无损缓冲，使得开关管 S1, S2 为 ZCS（ Zero Current Switch ）开关状态；②自动跟踪蓄电池的电压， DC/DC 变换器输出电压可以调整变换；③在高频下运行，控制器的体积是很小的；④输出与输入是完全隔离的。图 3-1 PFM 的蓄电池控制器主电路图 3-2 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 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，寻优光伏电池阵列输出最大功率。 此类控制器在充分利用光伏电池阵列输出能量的同时，使充电电流变化脉冲电流，减少了蓄电池的极化。主电路的软开关结构使得开关管实现 ZVS 关断、 ZCS 开通，提高了充电的效率。图 3-2 最大功率跟踪型蓄电池控制器结构3.2 光伏水泵系统水泵是离网光伏发电系统的一个特殊性负载，带有水泵的光伏发电系统称之为光伏水泵系统，它一般用于广大的无电地区的农牧民人的蓄用水、农田灌溉、 以及边防海岛哨所等比较分散的地域用水。 该系统的基本工作原理是利用光伏阵列将太阳能转化为电能， 然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵工作。 该系统主要由光伏电池阵列、 控制器、电机以及光伏水泵组成，如图 3-3 所示。图 3-3 光伏水泵的系统结构在这个系统中，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、磁阻电动机、直流无刷永磁电动机、交流电机 ,,光伏水泵的拖动电机采用普通的直流电动机作为时， 为了获得光伏电池阵列最大输出功率以及调节直流电机的输入电压，为改善该系统的动态性能，是需要有 DC/DC 变换装置来作为控制器。图 3-4 是一个直流光伏的水泵系统， 该控制器的主电路是 Boost 的转换器， 与没有使用 Boost电路的相对比， 有 boost 的系统能够明显地改善光伏电池的阵列输出的特性以及光伏的水泵动态特性，并且单片机来控制来实现光伏电池的阵列最大功率的输出，系统效率就得到提高。图 3-4 控制器是 Boost 电路直流光伏的水泵系统在直流光伏为大功率的系统中，为了能够采用控制器为小功率， 一般采用 “矩阵”式的系统结构，如图 3-5 所示。光伏电池以及 DC/DC 变换器作为一个子系统，根据不同功率的等级的直流电动机，若干个子系统组合而成。这种系统有以下优点 : ①不同的功率等级下，可以使用同一种 DC/DC 变换器 ; ②各子系统相互独立，局部的故障不会影响系统的工作 ; ③各个子系统都能使各自的光伏电池工作在最大输出功率点，整个系统的效率能够得到提高 ; ④在轻负载下，可以限制输出电压来防止直流的电动机太高的转速。图 3-5 大功率直流的光伏水泵的系统的结构这些年来， 随着功率的电子器件及新型的调速控制的理论的出现， 交流的调速技术得到长远的发展，交流电机的效率已渐渐接近直流的电动机，在另一方面， 交流电机的使用方便，以及牢固性大大超过直流电机。 所以， 现在光伏的水泵系统中直流的无刷电动机以及三相的异步电动机作为电机是最多的。在采用这种结构时，一般需要采用 DC/DC 变换器升电压泵来使系统以最大功率输出，具体结构如图 3-6 所示。图 3-7 交流光伏水泵的系统结构3.3 联网逆变器联网的光伏发电中核心部件以及关键技术就是联网逆变器。 它和普通逆变器的不同之处就在于，不仅可以将 DC 转变为 AC ，并且还可以对转换的交流电的电压、频率、相位、电流、相位、同步、无功、无功、有功以及电压波动高次谐波 (电能品质 )来进行控制。现在，高频变压器的绝缘方式、 无变压器的方式、 以及电网频率变压器的绝缘方式。 是联网逆变器的三种回路的形式。1、工频变压器的绝缘方式这方式结构具体如图 3-8 所示，系统采用 PWM （脉冲宽度调制）逆变器产生电网频率的交流， 并且使用了工频变压器进行绝缘以及变压， 所以具有了良好的抗雷击性以及削除尖波的性育旨。图 3-8 工频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构在这里， 工频变压器绝缘方式是现在功率很大的情况下使用的最多的结构， 但因为采用工频变压器，使得系统的功率密度没办法提高，控制也较复杂而且直流的电流输出的功能无法检测。这种方式，没有用到 DC/DC 变换器这一装置的。2、高频变压器的绝缘方式这种方式又有两种结构的形式， 如图 3-9 所示。 图 3-9(a) 采用了附带高频率的变压器 DC/DC变换的装置， 经过绝缘以及变压以后逆变输出， 这里逆变器依旧是采用了 PWM 产生的电网频率。图 3-9(b) 中部分使用 DC/DC 变换的装置的结构的形式， 使用了 DC/DC 变换装置的前级， 省略其输出的滤波环节， 然后高频变压器直接连接到 AC/AC 转换部分， 产生与电网频率一样的交流电。用高频变压器绝缘方式来联网的逆变器具有体积小和重量轻的优点， 非常适用于较小功率的场合。这些年来，该方式的最小的光伏联网逆变系统 -AC Module 得到迅速发展。(a)采用 DC/DC 变换装置（ c）部分采用 DC/DC 变换装置图 3-9 采用高频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构AC Module 是由一块光伏电池以及一个联网逆变器构成。与比它大的功率联网发电系统比较，其具有以下优点 : ①易测试性，结构简单 (没有高直流电压 )，系统的可靠性更高 ; ②消除了大系统中光伏电池串并联而带来的功率损失， 实现光伏电池真正的最大功率， 效率较高 ; ③相对于高直流电压输入的系统，提高了安全系数 ; ④成本较低，易于进入市场，可以批量生产⑤系统的安装调试的成本低，方便市场推广。图 3-10 所示 AC Module 采用了图 3-9( a)的框图结构，逆变器前级是 100W 单端反激变换器，它加在光伏电池以及逆变桥中间，逆变桥为全桥结构、 PWM 输出的正弦电流连接电网；图 3-11 中 AC Module 就采用图 3-9(b) 框图的形式，电路的前级为 100 兆的单端反激式变换器，且变换器和变压器用了两个绕组，它的后级通过 MOSFET S2 、S3 二极管 D2、 D3 以及滤波电路再与电网相连接，在这里正负电流是由反激变压器的两个绕组产生，然后连入电网。图 3-10 100 兆前级单端反激变换器的联网逆变器拓扑结构图 3-11 100 兆部分采用单端反激的联网逆变器拓扑结构图 3-9、 3-10 所示的联网的逆变器，为了使各开关损耗降低，前级单端的反激变换器一般在电流的断续状态下工作，来让开关在 ZCS 或 ZVS 的工作状态，提高了系统的效率。图 3-12 是个 250 兆的 AC Module 拓扑结构，前级采用了串联的谐振 DC/DC 变换器的结构的形式。为了消除在并网时带来的冲击的电流影响，就在输出的回路上，把两个二极管 (D6 、 D7) 串接，如果从电网一侧看，和电网相连接的高频率逆变器就不能当作整流器来使用是因为二极管串接。图 3-12 250 兆串联谐振 DC/DC 变换器联网逆变器AC Mo dule 的各种类型拓扑结构都在不一样程度的采用高频率 DC/DC 变换的技术， 来调节功率的输出。由于研究的发展，研究 DC/DC 变换的技术肯定会更加深入。3、无变压器的方式这种方式的结构如图 3-13 所示。一开始用无隔离 DC/DC 变换器的装置把光伏电池的阵列直流的电压先提升到逆变器在并网时需要的直流的电压大小， 再采用 PWM 的逆变器所产生的电网的频率的交流。使用此方式可以降低联网逆变器体积，减轻它的重量， 降低成本， 而效率及可靠性能够提高。图 3-13 无变压器的方式结构采用高频变压器以及没有变压器的方式的联网的逆变器，因为在尺寸、成本、重量及效率等方面具有着优势， 所以在小功率及分布式发电系统中， 显然成为现在研究的热点以及未来发展的趋势。随着联网的光伏发电系统功率的等级日益提高， 也出现了使用 DC 的总线结构联网逆变器的电路形式，结构如图 3-14 所示。在联网逆变器的结构中， DC/DC 变换器包含了高频率变压器的绝缘以及无变压器这两种方式。图 3-14 包含 DC 总线结构联网逆变器4 在光伏发电的系统中 DC/DC 变换器DC/DC 转换器是采用半导体的开关器件，通过控制开关器件导通以及关断时间，再配合电容、 电感或高频变压器器件来连续改变以及控制输出为直流电压变换电路。 可分为直接变换型以及间接变换型，前一个没有变压器的介入，直接来跟直流电压的变换，此电路也称为斩波电路 ;后一个将直流的电压变化为交流的电压， 再经变压器的转换后再变换为直流的电压， 这种直一交一直的电路也称为隔离型的 DC/DC 变换器。这些年来，随着软开关以及高频化、三电平的技术的快速发展， DC/DC 变换器的重量轻、体积小、效率高，让其愈来愈多地应用到光伏发电的系统中。相对传统的 DC/DC 的变换器，光伏发电系统中 DC/DC 变换器具有以下的特点 : ①、发挥作用顾名思义，传统 DC/DC 转换器，它的功能为变换一个不可控的直流的电压变为一满足系统的设计要求的、可控制的直流的电压；应用在光伏发电的系统中的 DC/DC 转换器电路，除了有直流的电压变换作用外，还有实现光伏电池最大功率点的跟踪的功能。②、工作模式传统 DC/DC 的变换器的要求是使得输出的电压保持可以控制，所以在闭环控制时，反馈的信号基本为输出的电压；而光伏发电的系统中，为实现 MPPT,DC/DC 变换器控制的要求是光伏电池输出的电压工作在最大功率点附近， 也就是让变换器的输入电压基本为光伏电池最大的输出电压。当系统采取不同的 MPPT 算法时，所反馈的信号可以为转换器的输入的电压、功率或输出功率、电流等。③控制信号给定的方式传统的 DC/DC 变换器大多为专用芯片提供控制信号， 它的控制较简单 ;但光伏发电系统中的DC/DC 变换器，需得到光伏电池最大功率点，基本为单片机或 DSP 计算并给定控制信号。④控制方式传统的 DC/DC 变换器可以采用 PWM 以及 PFM 两种控制方式，然而光伏发电系统中的DC/DC 变换器，在为了降低电路设计以及控制难度，并提高可靠性，大多采取 PWM 控制方式来调节开关管的占空比，从而实现系统设计要求。4.1 非对称结构的 Class D 的升降压电路较大的功率的 DC/DC 变换器的主电路拓扑结构有很多种，例如推挽式、双管的正激式、全桥式以及半桥式等。在这其中的半桥式的 [1] 转换器又称之为 D 类转换器，自从 Baxan dall 于1970 年发明 D 类的转换器后以来， 广泛应用 D 类谐振变换器。 由于对其控制方式很是简单， 所以本文也以 D 类的转换器为实例，对 DC/DC 的软开关的 PWM 的变换器来进行研究，如图 4-1所示 :是非对称的结构的 Class D 的升降压电路， 下面我们分别对其各个工作的过程以及其电路的特性进行研究。图 4-1 非对称结构的 Class D 的升降压的变换器4.1.1 电路器件的工作原理功率的开关的组件 Sl 及 S2 为双向的开关， 是由两个开关管 Ql 与 Q2、 两个反向的并联两个二极管， D1 与 D2 所组成，在升降压的转换器中，其中一个开关管 Q2、其中两个二极管 D1 与D3、 还有储能的电感 Lp 与直流链的电容 Cdc 相通， D3 是用来阻止反向的储能电感电流能流入直流链电容，借着调整 Q2 的导通的时间来修正输入的电流大小，达到调整输入功率的目的，输出直流链电压 Vdc 作为下级负载末端的输入的电源；二极管 D4 防止开关 Q2 断开时，使得输入的电流流入 Cdc 中 ;在这中上以及下桥两个开关管是用了开关管型号为 I R F2807 的功率 MOSFET 元器件。又因为 ClassD 的转换器的开关是单臂开关，所以这两个开关接地点肯定不同，上桥的接地端为向上浮接的，下桥的接地端是以及系统的地一模一样的 ,所以这两组驱动的电路的部分电源一定要由两组的电源来供给，不然肯定造成错误的动作。在电压变换电路中如图 4-2 所示，开关 QI 及开关 Q2 分别由两个不同的、互相补充的闸极讯号 Vgs1 与 Vgs2 所触发，当 Vgs1 宽度增加时， Vgs2 的相对宽度大小减少，反之同理。而两者之间一直存在一定的短暂的暂停时间，是为了防止 Q I 、 Q2 会同时导通，而造成短路使电路烧毁。若我们忽略间歇时间， Vgs2 它的占空比是 dr 时，所以 Vgs1 的占空比是 (1-dr) 。图 4-2 场效应管所触发的脉冲宽度的示意图4.1.2 PWM 信号的产生我们利用 PWM 的信号来控制 DC-DC 转换器 MOSFET 开关管的导通以及截止，输出电压Uab 恒定， 通过改变 PWM 信号的占空比来是光伏电池的工作电压改变， 从而达到跟踪最大功率的目的。而 PWM 信号的占空比必需随着参数条件（也即最大功率点的改变）的变化而变化。完全是硬件的 PWM 系统，它的硬件电路十分复杂， 实现非常不容易，但是采用飞利浦公司最新推出 P87 LPC 768 号芯片 [3] ， 使用它内部自带的脉宽调制器可以很方便的实现控制 PWM 波形。P87 LPC 768 含有四个通道来产生可以编程的脉冲以及间隔的宽度。信号 PWMO 从 P0.1 输出，信号 PWM1 从 P1.6 输出，信号 PWM2 从 P1.7 输出，信号 PWM3 从 P0.0 输出。在这我只用到前三个 PWM 信号。 PWMO 和 PWM1 信号各自控制 DC/DC 变换的电路的 FET， 信号 PWM2输出至扰动电路。等到 MCU 复位之后，每一个 PWM 通道输出都为 1[4] 。所有连续输出的间隔都由 CNSW1 以及 10 位倒计数器 CNSWO 控制的。 计数器的内部 MCU时钟作为输入。 UCFGI 位为一时， PWM 计数器时钟及时钟 MCU 与 UCFG1 中 FOSC 所设定时钟源的频率相同。 UCFG1 位为“ 0”时，时钟 MCU 及 PWM 计数器时钟频率为 UCFG 1 中 FOSC 所定义的时钟源频率的一半。当计数器下溢时，重新装入用户设定的值。这种结构允许用户将 PWM 频率设定为 MCU 频率的任意整数分之一。我们所用的 CPU 的时钟 (也就是 FOSC) 为 16MHZ 时， P87 LPC 768 的系统配置寄存器的UCFG1 为 28H ， 脉宽调制的时间基数是一个 10 位的计数器 CNSWO 以及 CNSW1 来控制的。 这里我取 FPWM 是 20KHZ 的周期为 5s， 而计数器阴影寄存器的设定 CNSW 1=#03h ， CNSWO=# 1 Fh，脉宽的信息写入对应的比较器映象寄存器 CPSW。而 PWM 的模块控制功能由 PWMCONO寄存器决定的。多数控制位操作都非常简明。映象的寄存器到控制的寄存器传送的数据是由PWMCON0.6(XFER) 决定的， PWMCON0.7(RIJN) 控制了 pwm 处于工作状态。 接下来下将分别给出 PWM 信号的输出程序步骤图。图 4-3 PWM 信号输出程序的步骤图PWM 的初始化包含设置频率为 20KHZ 0.5 时， Vab>Vref 。这样下来 DC/DC 变换器所得到的输出电压既可以为低的输出电压，又可以为高的输出电压。实现了升降压的变换的目的。4.1.5 恒电压 DC/DC 变换控制原理图关于对 DC/DC 变换电路控制设计，主要为电压的控制型与电流的控制型这两大类。电流的控制型是建立在电压的控制型的基础上， 增加了一个电流的负反馈的环节用来控制系统。 电压的控制型是对输出电压采样的， 用来作为反馈信号来进行闭环的控制， 我们采用 PWM 技术来调节输出的电压。在这次设计中，我采用了电压的控制型的控制系统，其结构如下图所示 : 图 4-6 恒电压 DC/DC 变换控制原理图图中所谓的参考电压就是设计要求的输出电压， PWM 输出控制器是在软件实现时的一种PID 算法。4.2 双管正激的组合式变换器对有隔离要求 DC- DC 变换电源， 单端正激式的变换器因其结构简单 . 性能价格比低， 在中小功率场合得到广泛应用，因为开关管关断的时候承受峰值的电压是电源的电压的 2 倍 . 所以只限用低电压的输入和小功率的输出场合。 之后提出的双管的正激的变换器，尽管解决的开关管在断开时承受耐压值的问题， 然而开关管的