毕业论文_太阳能光伏发电系统研究 - 副本(3)

到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图3.3 (a)-(d)所示。

a. BUCK电路拓扑图 b. BOOST电路拓扑图

BOOST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的。与BUCK大，电路

3.4带双向变换器的独立光伏发电系统

图3.5连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑图

BOOST电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下，输入电流较大，因而电路损耗较大，与BUCK电路，BOOST电路转化效率略低一些;而且BOOST电路只能进行升压变换。典型的连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑如图3.5所示，BOOST电路输出连接阻性负载或蓄电池。

双向BUCK-BOOST变换器是在BUCK电路中的续流二极管替换为功率MOSFET管而得到的，其电路结构如图3.4所示。为实现能量的双向自由流动，Q2和Q3互补PWM工作，即Q2导通时，Q3截止，Q3导通时，Q2截止。为了防止Q2，Q3同时导通，两者之间有死区时间，即Q2关断后经死区时间td后才允许Q3导通，反之亦然。

3.2.3逆变电路

直流-交流（DC/AC）变换器，也称逆变器。其功能是将直流电变为固定频率和电压或可调频率和可调电压的交流电，供负载使用。

逆变电路的分类方法有很多种，本文采用双极性SPWM单相逆变电路。太阳能光伏阵列产生的电压，经过一个BOOST电路升压，通过调节Q5端占空比来调节升压后电压的大小。再经过双极性SPWM逆变电路，将直流电转换为交流电供负载使用。

图3.6逆变电路

双极性SPWM调制的特点是：三角载波有正负极性，同样再载波和调制波的交点处产生驱动信号。但是T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补。在T6、T9导通时，T7、T8截止；在T7、T8导通时，T6、T9截止。因此逆变器交流输出电压在半周期中也有正负极变化，故称双极性调制。在输出交流的正半周。正脉

冲宽度大于负脉冲；在输出交流的负半周，负脉冲宽度大于正脉冲，且脉冲狂度随调制波变化，使输出交流电压按正弦规律变化。改变调制波的幅值，则改变了调制正弦波与三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲宽度，从而改变交流电压的大小。改变调制正弦波的频率。使输出交流电的频率也随之变化，因此调节调制波的幅值喝频率就可以调节交流输出电压的大小和频率

3.3参数设计

3.3.1 BOOST电路参数

系统中BOOST电路设计开关管的开关频率fs=20kHz，输入直流电压Vin∈

[25V，45V]，额定输入直流电压Vin=34V，输出直流电压Vo=48V，输出电流额定电流I0=22.3A，电感电流工作在电流连续模式(Current Continuous Mode)，效率η=0.95。

滤波电感的计算

P01071Il1 45A Vin(min)0.95 25

L1 V0 D (1 D) iL1 fs （4-1） （4-2）

D=1-Vin/V0 （4-3） 式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关频率。

由(4-2)和(4-3)可得:

V25Dmax 1 inmin 1 0.48V048 V0L1min Dmax (1 Dmax) iL1 fs

取△iL1=0.2IL1，计算可得L1min=66.5uH

滤波电容的估算

由文献[44]可知:

C1 D I0 TS V0 （4-4） （4-5） （4-6）

取△Vo=4.8，由上述参数可得:

C1min

Dmax I0 110.5uF Vo fs （4-7） 为了使输出电压纹波小于4.8V，滤波电容必须大于110.5uF，可取120uF，滤波电容的耐压值不应小于48x1.5=72V，因此滤波电容可取120uF/l00V。

功率开关管的选取

通过功率开关管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大电压为2Vin=2×45=90V。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为珠的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。BOOST电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42N10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=l00V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2mΩ

二极管的选取

通过二极管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大反向电压为Vomax=50.4v。考虑到二极管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为Vin的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。

BOOST电路中二极管选取Infineon公司的D255N二极管，其最大反向耐压VRRM=600V，最大正向电流IF=400A，反向恢复时间最长131ns。

3.3.2蓄电池电池和太阳能电池列阵参数

在本系统中铅酸蓄电池组接在双向BUCK-BOOST变换器上充当负载。当铅酸蓄电池组直接接在BOOST电路上充当负载时，系统为铅酸蓄电池充电以储存能量，当无太阳光照射时，铅酸蓄电池可通过双向BUCK-BOOST变换器向负载供电。本系统中铅酸蓄电池选择电压24V、容量为100AH的蓄电池组。

太阳能电池阵列是整个系统能量的来源，本系统所使用的太阳能电池阵列由七块无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP155S-24/Ab 型单晶硅太阳能电池并联而成，总功率1KW。STP155S-24/Ab型单晶硅太阳能电池组件参数如表4.1所示:

3.3.3 双向BUCK-BOOST变换器参数

系统中设计双向BUCK-BOOST变换器的功率开关管的开关频率也为Fs=20kHz，双向BUCK-BOOST变换器按BUCK变换器设计:输入额定直流电压为Vin=48V，输入电压波动△Vo=4.8v;输出直流电压Vo=24v，输出电压纹波为2V;输出额定电流I=45A。

滤波电感的估算

V24D 0 0.5Vin48

V24Dmin 0 0.476Vinmax50.4

V24Dmax 0 0.526Vinmin45.6

V VL2 in0 D iL1 fs (4-8) (4-9) (4-10) (4-11)

式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关周期。取输出电流纹波△i0=3A。可得:

L2 48 24 0.5 200uh3 20 103

Vinmax(1 Dmin)Dmin 210uh iL1 fs

Vinmin(1 Dmax)Dmax

iL1 fs (4-12) L2max (4-13) (4-14) L2min

取L2=210uH。

滤波电容的设计

由于本系统中双向BUCK-BOOST变换器的负载为铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池本身就相当于一个大电容，因此本双向BUCK-BOOST变换器输出端可以不用滤波电容;另外，省去滤波电容还可以减少由于铅酸蓄电池给滤波电容充电而导致的容量损失。而且省去滤波电容，减少了系统成本，缩小系统的体积，从而简化了电路。

功率开关管的选取

双向BUCK-BOOST变换器中，功率开关管Q2和Q3承受的最大电压均为Vin=50.4V，功率开关管Q2和Q3的最大工作电流与流过滤波电感的最大电流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，可选择开关管的容许电压为100v，容许电流为50A。双向BUCK-BOOST变换器电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42CN10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=100V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2mΩ

逆变器选择

本文采用双极性SPWM单相逆变电路。太阳能光伏阵列产生的电压，经过一个BOOST电路升压，通过调节Q5端得占空比来调节升压后电压的大小。再经过双极性SPWM逆变电路，将直流电转换为交流电供负载使用

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