光伏系统中LLC谐振变换器的研究

【摘要】：随着二次电源如超级电容等在光伏发电、高功率微波系统、不间断供电、电动汽车、通信电源以及航空电源等领域应用越来越广泛,双向DC-DC变换器应运而生,迅速的成为了人们关注的热点。高效高功率密度是现代电力电子技术发展的趋势,而软开关技术是提高电源工作频率和效率的关键,这样能大大减小电源的体积和重量,进一步提高功率密度。谐振型变换器有天然实现软开关的优势,近年来成为学者们研究的热点。本文以LLC谐振型变换器为基础,提出一种对称工作的双向LLC谐振型DC-DC变换器,验证能量双向流动对称性,并着重研究了在负载为容性负载时的变换器控制方法,优化调频控制区域,实现开关管的软开关。本文首先阐述了双向DC-DC变换器存在的意义,以光伏系统中二次电源为超级电容的应用为例对其在实际中的应用进行了较详细的介绍,对其研究现状和大致分类进行了总结。然后对软开关技术进行阐明,引出谐振型变换器存在的优点。对常规的三种谐振型变换器总结比较优缺点,引出本文研究的LLC谐振型变换器(LLC Resonant Converter,简称LLC-RC),以单向LLC-RC为例详细介绍了它的三种工作模态,并给出典型工作波形。利用基波近似等效法(Fundamental Harmonic Approximation,简称FHA)对LLC-R C建立稳态模型,给出电压增益曲线、电流值曲线以及ZVS实现条件。在双向L LC-R C中添加附加电感,利用FHA模型设计电路参数,建立双向LLC-RC仿真模型,验证能量双向流动的对称性以及软开关等特性,为后面将其应用在容性负载充电电源上提供依据。对容性负载的LLC-RC控制方法进行详细阐述,建立仿真模型,确定调频的控制方式,对FHA模型误差进行仿真分析,为选取调频工作区域提供理论依据。通过仿真验证误差非线性分析的正确性。为解决充电开始上涌电流过大的问题,改进了控制方法,采用两阶段PWM加调频的控制。设计建立容性负载的全桥LLC-RC仿真模型,实现了输入电压600V-300V变化范围内,输出电压均能实现额定60V输出,并且输出电流基本保持稳定,输入侧开关管基本全过程实现ZVS,在开关频率低于谐振频率的工作阶段,整流侧二极管无反向恢复电流的问题。最后,基于TI公司的TMS320F28027编写控制程序,根据实际计算设计电路参数,搭建验证容性负载LLC-RC实验平台,在输入电压为200V-100V范围内,输出最大电压均达到160V,增益调节范围为0.8-1.6。通过实验验证了选取工作区域的合理性以及PWM加调频控制方式的正确性,同时也验证了软开关实现的正确性。 【关键词】：双向DC-DC变换器 超极电容器 基波等效模型 调频工作区域 DSP
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 中文摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 独立式光伏发电系统基本结构12-14
• 1.2.1 独立式光伏发电系统的基本结构12-13
• 1.2.2 双向DC-DC变换器的原理13-14
• 1.3 双向DC-DC变换器的大致分类与现状14-19
• 1.3.1 非隔离型双向DC-DC变换器基本拓扑14-16
• 1.3.2 隔离型双向DC-DC变换器基本拓扑16-18
• 1.3.3 双向DC-DC变换器的发展18-19
• 1.4 本文研究内容19-21
• 第2章 全桥LLC谐振变换器工作原理及建模21-40
• 2.1 传统谐振变换器21-23
• 2.2 LLC-RC工作状态23-28
• 2.2.1 工作频率大于谐振频率24-26
• 2.2.2 工作频率等于谐振频率26
• 2.2.3 工作频率小于谐振频率26-27
• 2.2.4 全桥LLC-RC工作状态总结27-28
• 2.3 基波等效模型的建立28-35
• 2.3.1 逆变网络等效29-30
• 2.3.2 整流网络等效30-31
• 2.3.3 变换器增益函数的确定31-33
• 2.3.4 实现零电压开通的条件33-35
• 2.4 稳态模型分析及电路参数选取35-39
• 2.4.1 电路参数对模型的影响35-36
• 2.4.2 电感选取的损耗问题36-37
• 2.4.3 电路参数设计步骤37-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第3章 双向LLC-RC介绍及仿真模型建立40-47
• 3.1 全桥LLC谐振双向DC-DC拓扑衍变40-41
• 3.2 对称结构全桥双向DC-DC41
• 3.3 双向LLC-RC仿真模型41-46
• 3.3.1 仿真参数的设计选取42-43
• 3.3.2 正向工作模式43-45
• 3.3.3 反向工作模式45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 容性负载双向LLC-RC分析与建模47-58
• 4.1 容性负载的LLC-RC分析47-50
• 4.1.1 控制策略分析47-49
• 4.1.2 FHA模型误差分析49-50
• 4.2 充电电源工作区域的优化50-54
• 4.3 容性负载LLC-RC仿真实现54-57
• 4.3.1 输出电流值工作区域54
• 4.3.2 上涌电流问题54-56
• 4.3.3 仿真结果56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 全桥LLC-RC数字控制实现与实验58-67
• 5.1 实验总体控制框图58
• 5.2 硬件搭建以及数字控制电路58-61
• 5.2.1 控制芯片模块59
• 5.2.2 开关以及驱动电路59-60
• 5.2.3 磁性器件60-61
• 5.2.4 分压采样电路61
• 5.3 数字控制实验方案61-62
• 5.4 实验与结果分析62-66
• 5.4.1 主电路参数62-63
• 5.4.2 实验结果63-66
• 5.5 本章小结66-67
• 总结与展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表论文73

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