应用于光伏系统的双向DC/DC变换器研究

【摘要】：太阳能作为一种取之不尽的绿色能源，是世界各国能源发展战略的重要环节。作为一种有效利用太阳能的方式，光伏发电技术得到了迅速发展。在独立光伏发电系统中，要使整个系统稳定高效地运行，储能环节必不可少。其中作为能量馈送单元的双向DC/DC变换器能够实现能量的双象限流动，是典型的“一机两用”设备,引起了各国学者的高度关注。双向DC/DC变换器是连接光伏系统直流母线与蓄电池的桥梁，是独立光伏发电系统的核心组成部分。在光伏发电储能系统中应用可大幅减小系统体积，减轻重量和降低成本，有重要的研究价值。本课题对应用于光伏系统的双向DC/DC变换器进行了研究。 本文首先介绍了双向DC/DC变换器的概念及研究现状，并在此基础上分析了电流-电压型拓扑的优缺点，进而引出适合独立光伏发电系统储能应用的电流型推挽全桥双向DC/DC变换器。该变换器高压侧为电压型全桥结构，低压侧为电流型推挽结构。它有两种工作模式：(1)Buck模式时，驱动高压侧开关管，低压侧开关管驱动信号被封锁，把直流母线上多余的能量馈送到蓄电池端。(2)Boost模式时，驱动低压侧开关管，高压侧开关管驱动信号被封锁，把蓄电池的能量变换成稳定的直流母线电压。采用高压侧稳压限流低压侧限压稳流的控制策略，可以实现能量的双向流动。 本文立足于双向DC/DC变换器的关键技术要求，并充分考虑工程应用中的实际因素，重点对电流型推挽拓扑结构的优缺点进行了分析。理论上分析了启动时存在电流冲击的原因，高频变压器漏感引起开关管关断电压尖峰的原因，输入升压电感磁复位的问题以及高频变压器偏磁的原因，并给出了解决方案。本文在对电流型推挽全桥双向DC/DC变换器工作原理分析的基础上，采用PSpice仿真软件对设计方案进行了仿真，验证了拓扑结构的可行性。最后研制了功率为l kW的试验样机，并进行了系统调试和实验验证。实验结果表明该双向DC/DC变换器拓扑结构简单、使用器件少、控制方案简单、可以实现能量双向流动。 【关键词】：光伏发电系统 双向DC/DC变换器 电流-电压型拓扑 电流型推挽全桥变换器
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM461
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 课题的研究背景10-13
• 1.1.1 光伏发电产业的发展背景10-12
• 1.1.2 光伏发电系统储能技术的必要性12-13
• 1.2 独立光伏发电系统的基本结构13-17
• 1.2.1 独立光伏发电系统结构13-14
• 1.2.2 独立光伏发电系统各部分作用14-15
• 1.2.3 带双向DC/DC变换器的光伏发电系统结构15-16
• 1.2.4 双向DC/DC变换器的原理16-17
• 1.3 双向 DC/DC 变换器的分类17-25
• 1.3.1 非隔离型双向DC/DC变换器17-20
• 1.3.2 隔离型双向DC/DC变换器20-24
• 1.3.3 双向DC/DC变换器的发展和研究现状24-25
• 1.4 课题的研究意义25-26
• 1.4.1 双向DC/DC变换器研究中存在的一些关键问题25
• 1.4.2 课题的研究意义25-26
• 1.5 本文的主要内容26-28
• 第2章 系统主电路拓扑及其工作原理分析28-46
• 2.1 光伏系统中双向 DC/DC 变换器的几种工作模式分析28-30
• 2.2 光伏系统中电流型推挽全桥双向 DC/DC 变换器的工作原理30-37
• 2.2.1 选择电流型推挽全桥双向DC/DC变换器拓扑的基本依据30-31
• 2.2.2 电流型推挽Boost升压电路工作原理分析31-35
• 2.2.3 电压型全桥Buck降压工作原理分析35-37
• 2.3 电流型推挽电路需要解决的主要问题37-42
• 2.3.1 功率开关管关断电压尖峰的抑制38-39
• 2.3.2 电流型推挽Boost电路的软启动问题39-41
• 2.3.3 电流型推挽电路输入电感的磁复位问题41-42
• 2.3.4 电流型推挽电路中变压器漏感的影响42
• 2.4 电流型推挽全桥电路中变压器的偏磁问题42-45
• 2.4.1 电流型推挽电路的变压器偏磁问题43
• 2.4.2 全桥电路的变压器偏磁问题43-44
• 2.4.3 几种抑制偏磁的方法44-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第3章 双向 DC/DC 变换器硬件参数及控制电路设计46-63
• 3.1 高频变压器的设计46-50
• 3.1.1 高频变压器磁芯的选择46-47
• 3.1.2 高频变压器匝比的选择47-48
• 3.1.3 高频变压器原、副边绕组股数的设计48-50
• 3.2 滤波电感的设计50-55
• 3.2.1 电感值的确定51-52
• 3.2.2 输出滤波电感磁芯的选择52-54
• 3.2.3 电感绕组线径选择和股数计算54-55
• 3.3 电路中电容的选择55-56
• 3.3.1 输出滤波电容的选择55
• 3.3.2 高频变压器隔直电容的选取55-56
• 3.4 主功率管的选择56-57
• 3.5 电流型推挽全桥双向 DC/DC 变换器控制电路的设计57-62
• 3.5.1 双向DC/DC变换器的双向控制模型59-60
• 3.5.2 电流型推挽全桥拓扑控制电路和驱动电路的设计60-62
• 3.6 本章小结62-63
• 第4章 仿真及实验结果分析63-79
• 4.1 引言63
• 4.2 仿真结果分析研究63-68
• 4.2.1 Buck降压模式的仿真结果63-65
• 4.2.2 Boost升压模式的仿真结果65-68
• 4.3 实验波形分析研究68-78
• 4.3.1 寄生体二极管反向恢复电流尖峰69
• 4.3.2 Boost升压模式的实验结果69-75
• 4.3.3 Buck降压模式的实验结果75-78
• 4.4 本章小结78-79
• 结论79-81
• 参考文献81-85
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果85-86
• 致谢86-87
• 作者简介87

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