【正文】 ..................................................... 42 IV 變換器性能指標(biāo)測試 ................................................................................ 42 電壓調(diào)整率測試 .............................................................................. 42 輸出電壓紋波測試 .......................................................................... 42 負(fù)載調(diào)整率測試 .............................................................................. 43 效率測試 .......................................................................................... 43 本章小結(jié) .................................................................................................... 44 結(jié) 論 ..................................................................................................................... 45 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 47 致 謝 ..................................................................................................................... 49 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 第 1 章 緒 論 課題來源及研究的目的和意義 隨著人類社會(huì) 中 煤、石油、天然氣等主要能源的 急劇 消耗， 人 們越來越重視太陽能、風(fēng)能等 綠色 能源的 開發(fā)和利用 。 20 世紀(jì) 90 年代， 這些 綠色可再生能源就已經(jīng)在 世界能源電力市場 初露頭角了。 作為一種新能源技術(shù)， 太陽能光伏發(fā)電 扮演著綠色可再生能源中舉足輕重的角色，很 有發(fā)展前景。 由于它 不 用 鋪設(shè) 復(fù)雜的 電力網(wǎng)絡(luò)， 也無需特定的 地理?xiàng)l件 ，因而被公認(rèn)是目前世界上最有前途的新能源技術(shù)之一，尤其在 偏遠(yuǎn)地區(qū)、 沿海島嶼 等地域更能大顯神威。 對(duì) 貧困或者資源匱乏地區(qū)的 經(jīng)濟(jì) 發(fā)展、 環(huán)境 保護(hù) 和社會(huì)和諧 有 十分 重要 的作用 [1]。 按照與電力系統(tǒng)的關(guān)系，光伏（太陽能）發(fā)電系統(tǒng)分為兩種：并網(wǎng)式光伏（太陽能）發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立式光伏（太陽能）發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同又可以分為兩類：單級(jí)式、兩級(jí)式。前者沒有 DCDC 環(huán)節(jié)，直接通過 工頻變壓器與電網(wǎng) 的 連接 實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)； 而兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng) 則由直流 直流升壓環(huán)節(jié) 和 直流 交流逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成 。 并網(wǎng)逆變器需要 200V~700V 的直流輸入電壓 ，而普通的 光伏單體電池的電壓等級(jí)較低 。為了得到較高的輸入電壓，不得不把 單級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電 系統(tǒng)中的多個(gè)單體電池串聯(lián)，但是這樣做的缺點(diǎn)顯而易見，一旦某單元的電池失效，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組癱瘓，并且由于環(huán)境、氣候等因素，輸入電壓的波動(dòng)也會(huì)影響單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的性能。單級(jí)式的發(fā)電結(jié)構(gòu)還存在其他局限：無法實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，無法獲得較高的輸入輸出間的電壓比和電流比，只能單路輸出。上述單級(jí)結(jié)構(gòu)的缺陷嚴(yán)重限制了 光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。 然而，高頻化的 電力電子技術(shù) 正在飛速前進(jìn) ，升 壓 DCDC 變換器 也隨之不斷 完善， 因此 兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng) 在眾多學(xué)者的關(guān)注下成為了新的研究熱 點(diǎn) [24]。 D C D C變 換 器D C ～ A C逆 變 器交流電網(wǎng)光 伏 電 池 圖 11 兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖 2 在圖 11 所示的兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，第一級(jí) 直流升壓 變換器的性能 將直接 影響 后一級(jí) 逆變 器的 并網(wǎng)質(zhì)量， 因此 能否實(shí)現(xiàn) DCDC 升壓環(huán)節(jié)的高指標(biāo) 、高性能要求（如低紋波、低開關(guān)損耗、高效率與高功率密度等），將決定 著 光伏發(fā)電 技術(shù) 的 命運(yùn) 。 眾所周知，最常見的升壓 DCDC 變換器為 傳統(tǒng)的 Boost 變換器， 它因操作便捷、拓?fù)浜唵?等優(yōu)點(diǎn)， 使其在 升壓場合 中大顯身手 。 但在 兩級(jí)式 光伏 發(fā)電系統(tǒng)中， 光伏電池 陣列連接后的 輸出電壓 仍較 低， 需要加入一個(gè)高升壓比的 DCDC環(huán)節(jié)才能 滿足后級(jí)逆變器 的要求 。 對(duì)于 傳統(tǒng) Boost 變換器 而言 ， 為了提高升壓比，必須增加 開關(guān)管工作 的 占空比 ，使其盡量 接近于 1。但是在 占空比 接近 1 時(shí)， 系統(tǒng) 的 效率 很低 ， 并且受制于 實(shí)際 的 開關(guān)器件，進(jìn)一步提升 變換器的 開關(guān)頻率 將會(huì)越來越困難。同時(shí)，在 占空比 不斷增加的過程中，升壓比不增反降的現(xiàn)象將直接影響后級(jí)逆變并網(wǎng)的質(zhì)量 。另外，從 能量守恒 的 角度來看 ，如果 升壓變換器的 輸出功率 增 大， 必然會(huì)導(dǎo)致 輸入電流 的增 大， 如果此時(shí) 仍采用 傳統(tǒng)的 單 回路 Boost 變換器 實(shí)現(xiàn) 升壓 ， 則會(huì)導(dǎo)致太陽能電池板 的電流紋波 很 大 ，這將直接使 光伏電池的使用壽命大大縮短 [58]。同時(shí)，傳統(tǒng)的 Boost 變 換器 不能 有效 實(shí)現(xiàn)前后級(jí) 的 電氣隔離，這 極 可能給光伏發(fā)電系統(tǒng)引入潛在 的 危害。 V i nTS1D1RLC1 RLVinTS1D12L1C (a) 反激變換器 (b) 正激變換器 圖 12 常見升降壓變換器基本拓?fù)? 正 激變換器與 反 激變換器 是 除了傳統(tǒng) Boost變換器 以外最 常見的 兩種升壓 變換器。對(duì)于圖 12 (a)所示的反激變換器，從輸出端 來 看 可等效成 電流源， 在每次功率管開通 時(shí)向 輸 出端傳送一次能量， 這就嚴(yán)格要求 輸出端 不能 開路。 在 兩級(jí)式光伏 （太陽能） 發(fā)電系統(tǒng) 中 ， 其直流升壓變換器輸出端與后級(jí)逆變器相連， 一旦功率管出現(xiàn)同時(shí)關(guān)斷 （如死區(qū)、功率管損壞、保護(hù)動(dòng)作等導(dǎo)致） ，則 等效于 反激變換器輸出 斷路 ， 會(huì)產(chǎn)生 輸出 直流 電壓 尖峰 ，很 可能使某些 元件 甚至整個(gè)系統(tǒng)損壞 。而圖 12 (b)所示的正激變換器， 由于 其電路 結(jié)構(gòu) 簡單， 在 中小功率 場合應(yīng)用廣泛 。但是， 從 正激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作模式 得知， 其變壓器一次側(cè)的電流只能單向流動(dòng)，一旦開關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器剩余的能量不能得到有效釋放，變壓 3 器便會(huì)出現(xiàn)剩磁，這 對(duì) 變壓器的利 用率 以及 效 率 有著消極的影響 。 因此在傳統(tǒng)正激變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 必須 采用一定的磁復(fù)位手段，來輔助 變壓器 完全 磁復(fù)位 。多數(shù) 磁 復(fù)位 方法都有 以下 不足 ：變換器鐵心單向磁化， 效 率低 、利用率低， 主功率管承受兩倍的 直流母線 電壓等 ，只有 有源箝位等少數(shù)幾種磁復(fù)位方式 可以解決上述問題 [9]。 針對(duì)傳統(tǒng) Boost 變換器、反激變換器、正激變換器的優(yōu)缺點(diǎn)，本次課題研究決定基于正激變換器，對(duì)傳統(tǒng)正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，一方面避免傳統(tǒng)Boost 變換器及反激變換器中存在的缺陷，另一方面使得改善后的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保留基本正激變換器既存的優(yōu)勢，同 時(shí)解決傳統(tǒng)正激變換器中存在的典型不足。最終，改進(jìn)新型正激升壓變換器的控制方法，并設(shè)計(jì)無源緩沖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)該變換器的 ZVS 軟開關(guān)技術(shù)、降低變換器開 關(guān)損耗 [10]。 本次課題研究期望設(shè)計(jì)一種適用于兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流升壓環(huán)節(jié)的變換器，使其具有 低 主開關(guān)管電壓應(yīng)力 、高 升壓變比、 低 輸入電流紋波 系數(shù) 、 低 輸出電壓紋波 系數(shù) 的優(yōu)勢，同時(shí)，該變換器還擁有高工作效率、高功率密度、高功率等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)必將為兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)提供了可靠的直流電壓變換，為第二級(jí)逆變環(huán)節(jié)輸出高標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，從而提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)并推 動(dòng)光伏發(fā)電新能源技術(shù)的發(fā)展。 雙管正激變換器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 由于 傳統(tǒng)正激變換器 的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、 可靠的 輸入輸出隔離、 易于輸出的多路化 、 對(duì)輸入電壓波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用在 中小功率場合。但是，它有一個(gè)典型 缺陷：必須采用附加的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯的磁復(fù)位，采用RCD 或 LCD 緩沖等 無源箝位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn) 此 目的 [11]，但是 RCD 的能量耗損 ，LCD 的復(fù)雜都限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。為了解決無源箝位技術(shù)存在的問題，在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下， 提出了 如圖 13 所示的傳統(tǒng)雙管正激變換器。 從圖中可以看出， 雙管正激變 換器 的拓?fù)?簡單 ，并且緩沖網(wǎng)絡(luò)無能量損耗 ，同時(shí) 每個(gè) 開關(guān)管 的 電壓應(yīng)力 從 兩倍輸入電壓降為 單倍 輸入電壓，解決 了 單管正激變換器開關(guān)管高電壓應(yīng)力的缺點(diǎn)。 雖然雙管正激變換器擁有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的科研實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)雙管正激變換器依然存在許多待解決的典型缺陷：輸出電壓電流紋波較大；變壓器原副邊存在電壓過沖與震蕩；大電流輸入時(shí)變換器效率較低。 4 V i nTD 3S 1S 2D 1D 2D 4L fC f R L 圖 13 傳統(tǒng)雙管正激變換器 針對(duì)輸出電壓電流紋波較大的問題，國外的學(xué)者們早在 1997 年之前就提出了如圖 14 所示的“交錯(cuò)并聯(lián)”結(jié)構(gòu)，而以嚴(yán)仰光教授為代表的國內(nèi)學(xué)者們則是從 20xx 年左右才開始分析并運(yùn)用交錯(cuò)并聯(lián)的思想。這種 交錯(cuò)并聯(lián) 結(jié)構(gòu) 采取 兩路完全相同的 傳統(tǒng) 雙管正激變換器 并聯(lián)于 直流輸入側(cè)， 仿真和 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 都 表明這種拓?fù)溆邢率?優(yōu) 勢 ：輸入電流脈動(dòng)頻率 翻倍 ， 利于 輸入濾波器 的微型設(shè)計(jì)； 輸出濾波電感 上的 電壓 脈動(dòng) 頻率 翻 倍， 利于 輸出濾波電感的 微型設(shè)計(jì) ；輸出電壓 經(jīng)整流后的 等效占空比 翻倍， 利于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ，增加了變換器的響應(yīng)速度 [12]。 V i nT 1D 5S 1S 2D 1D 2D 7L fC f R LT 2D 6S 3S 4D 3D 4 圖 14 交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器 為了實(shí)現(xiàn)更高效率的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激， 1997 年美國學(xué)者 Kutkut 最早提出將 ZVS 軟開關(guān)技術(shù)融入到不含 LCD 緩沖網(wǎng)絡(luò)的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激拓?fù)渲?，但是研究表明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不容易實(shí)現(xiàn) ZVS，且存在較大的環(huán)流，嚴(yán)重影響了變換器的效率。 20xx 年我國南京航空航天大學(xué)的嚴(yán)仰光 教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì) 提出一種新型雙路雙管正激變換器，兩路 共 用一個(gè)高頻變壓器，共用 變壓器原邊的 箝位二極管，但是該變換器輸出不含濾波電感，不能實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，這樣就不利于光伏發(fā)電后級(jí)逆變環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在 20xx 年，嚴(yán)仰光教授帶領(lǐng)的課題組對(duì)自身原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造并且改善控制策略，一定程度上實(shí)現(xiàn)了不含 LCD 緩沖網(wǎng)絡(luò)的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的 ZVS 開通，這也推動(dòng)了交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的進(jìn)一步發(fā)展。 5 韓國的學(xué)者 HyoungSuk Kim 等在 20xx 年提出一種改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且采用移相控制的方法實(shí)現(xiàn)了較為理想的 ZVS，從而大大的降低了變換器中的開關(guān)損耗 [13]，這也為廣大國內(nèi)外學(xué)者提供了新的思路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 15 所示。 V i nT1D3D 4L fC f R LT 2D4S 2S 1L 2S 4S 3L 1 L 3L 4D1D2T 1T 2 圖 15 一種新型 ZVS 交錯(cuò)并聯(lián)正激變換器 20xx 年，印度學(xué)者 等回歸到傳統(tǒng)雙管正激變換器，對(duì)雙管正激變換器的電磁噪聲進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)了變換器中各處存在的寄生電容可能會(huì)嚴(yán)重影響變換器的性能，尤其會(huì)削弱傳統(tǒng)雙管正激變換器中低電磁噪聲這個(gè)優(yōu)勢。 帶領(lǐng)的研究組通過將變壓器副邊改進(jìn)為多路對(duì)稱繞組，并通過特定的手段控制電路中存在的寄生電容的方法，最終有效地降低了寄生電容對(duì)雙管正變換器電磁噪聲的影響 [14]。這一創(chuàng)新型拓?fù)浔貙榻诲e(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的電磁噪聲分析提供有效幫助，也為解決正激變換器中的電磁噪聲提供了新的思路，從而推動(dòng)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激升壓變換 器的不斷完善與改進(jìn)。 總之，不論是從國外還是國內(nèi)的研究現(xiàn)狀來看，交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的領(lǐng)域里面還是活躍著許多國內(nèi)外著名學(xué)者，這些學(xué)者都在不斷地努力實(shí)現(xiàn)雙管正激變換器的完善或創(chuàng)新，使其達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)從而實(shí)現(xiàn)其在光伏兩級(jí)式發(fā)電系統(tǒng)以及其他應(yīng)用領(lǐng)域（如航空電源、裝甲車特種電源）中更高的可靠性。 主要研究內(nèi)容與方案 改進(jìn)型交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激升壓變換器