【正文】 韓國的學(xué)者HyoungSuk Kim等在2010年提出一種改進型拓撲結(jié)構(gòu)，并且采用移相控制的方法實現(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，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖15所示。2003年我國南京航空航天大學(xué)的嚴仰光教授帶領(lǐng)團隊提出一種新型雙路雙管正激變換器，兩路共用一個高頻變壓器，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，不能實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，這樣就不利于光伏發(fā)電后級逆變環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計。這種交錯并聯(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)，仿真和實驗結(jié)果都表明這種拓撲有下述優(yōu)勢：輸入電流脈動頻率翻倍，利于輸入濾波器的微型設(shè)計；輸出濾波電感上的電壓脈動頻率翻倍，利于輸出濾波電感的微型設(shè)計；輸出電壓經(jīng)整流后的等效占空比翻倍，利于驅(qū)動電路的設(shè)計，增加了變換器的響應(yīng)速度[12]。雖然雙管正激變換器擁有眾多的優(yōu)點，但是在實際的科研實驗過程中，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；大電流輸入時變換器效率較低。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。由于傳統(tǒng)正激變換器的拓撲結(jié)構(gòu)簡潔、可靠的輸入輸出隔離、易于輸出的多路化、對輸入電壓波動適應(yīng)性強等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用在中小功率場合。本次課題研究期望設(shè)計一種適用于兩級式光伏發(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，該變換器還擁有高工作效率、高功率密度、高功率等級等優(yōu)點。針對傳統(tǒng)Boost變換器、反激變換器、正激變換器的優(yōu)缺點，本次課題研究決定基于正激變換器，對傳統(tǒng)正激變換器拓撲結(jié)構(gòu)進行改善，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撲結(jié)構(gòu)保留基本正激變換器既存的優(yōu)勢，同時解決傳統(tǒng)正激變換器中存在的典型不足。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。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。對于圖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向輸出端傳送一次能量，這就嚴格要求輸出端不能開路。同時，傳統(tǒng)的Boost變換器不能有效實現(xiàn)前后級的電氣隔離，這極可能給光伏發(fā)電系統(tǒng)引入潛在的危害。同時，在占空比不斷增加的過程中，升壓比不增反降的現(xiàn)象將直接影響后級逆變并網(wǎng)的質(zhì)量。對于傳統(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。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、拓撲簡單等優(yōu)點，使其在升壓場合中大顯身手。然而，高頻化的電力電子技術(shù)正在飛速前進，升壓DCDC變換器也隨之不斷完善，因此兩級式光伏發(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[24]。單級式的發(fā)電結(jié)構(gòu)還存在其他局限：無法實現(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。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較低。對于并網(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：單級式、兩級式。對貧困或者資源匱乏地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護和社會和諧有十分重要的作用[1]。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。s society, solar photovoltaic power generation is receiving more and more attention as the major energy is exhausting. Its advantages make significant contribution to ecological environment and social stability. With high frequency trend of the development of power electronics technology, bipolar boost DCDC converter in the photovoltaic power generation system has constantly development and improvement.Compared with several basic boost converter, forward boost converter is more reliable. Simultaneously, for the typical defects of the traditional boost converter, its topology is improved. Two special structures of “staggered parallel” and LCD snubber network are added and new phaseshifting control technology is applied. Therefore, a staggeredparallel dual switch of boost converter with snubber circuit for ZVS is put forward.First this article analyzed the structure of LCD lossless snubber network and new phaseshifting technology. And twelve theoretical operating modals is studied in detail. Then it designed a prototype hardware platform based on TMS320F2812. Parameter design of main circuit, ponents selection, and peripheral circuit’s analysis and design is acplished. Finally, Pspice simulation and experiment prototype hardware debugging double verified the correctness of the theoretical analysis of the modified boost converter. The feasibility and reliability of the staggeredparallel dual switch of boost converter with snubber circuit for ZVS are proved.Keywords: photovoltaic power generation, zerovoltageswitch, LCD snubber network, phaseshifting, boost converterI目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒 論 1 1 3 5 5 6 6 7第2章 具有ZVS升壓變換器工作原理 8 8 9 22第3章 具有ZVS升壓變換器硬件電路的設(shè)計 23 23 23 23 24 25 26 26 28 29 29 29 30第4章 軟件仿真與參數(shù)校正 32 32 32 32 32 32 33 ZVS的在變換器中的實現(xiàn) 38 39第5章 硬件制作與調(diào)試 40 40 實驗波形分析 41 42II 42 42 42 43 43 44結(jié) 論 45參考文獻 47致 謝 49III第1章 緒 論隨著人類社會中煤、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。最后通過PSpice軟件仿真和實驗樣機硬件調(diào)試雙重驗證了文中改進型升壓變換器理論分析的正確性，也證明了具有緩沖電路的ZVS交錯并聯(lián)雙管正激升壓變換器的可行性與可靠性。同時針對傳統(tǒng)的正激變換器的典型缺陷，對其進行了拓撲改進，加入“交錯并聯(lián)”和LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)兩種特殊結(jié)構(gòu)，并運用新型移相控制技術(shù)，提出了具有緩沖電路的ZVS交錯并聯(lián)雙管正激升壓變換器。隨著電力電子技術(shù)高頻化的發(fā)展趨勢，升壓DCDC變換器在兩極式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了不斷的發(fā)展和完善。摘 要隨著當(dāng)今社會主要能源的日益枯竭，太陽能光伏發(fā)電越來越受到重視。其良好的優(yōu)越性對于經(jīng)濟生態(tài)環(huán)境和社會穩(wěn)定發(fā)展有著重要意義。對比幾種基本的升壓變換器發(fā)現(xiàn)，正激升壓變換器更為可靠。本文首先對其結(jié)構(gòu)中的LCD無損緩沖網(wǎng)絡(luò)、新型移相控制技術(shù)進行分析，詳細研究了十二個理論工作模態(tài)，然后設(shè)計了以TMS320F2812為控制中心的硬件實驗樣機平臺，完成了主電路參數(shù)設(shè)計、器件選型、外圍電路分析與設(shè)計。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；升壓變換器；零電壓；LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)；移相控制AbstractIn today39。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。由于它不用鋪設(shè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，也無需特定的地理條件，因而被公認是目前世界上最有前途的新能源技術(shù)之一，尤其在偏遠地區(qū)、沿海島嶼等地域更能大顯神威。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)和獨立式光伏（太陽能）發(fā)電系統(tǒng)。前者沒有DCDC環(huán)節(jié)，直接通過工頻變壓器與電網(wǎng)的連接實現(xiàn)逆變并網(wǎng)；而兩級式光伏發(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。為了得到較高的輸入電壓，不得不把單級式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的多個單體電池串聯(lián)，但是這樣做的缺點顯而易見，一旦某單元的電池失效，就會導(dǎo)致整個電池組癱瘓，并且由于環(huán)境、氣候等因素，輸入電壓的波動也會影響單級式并網(wǎng)逆變器的性能。上述單級結(jié)構(gòu)的缺陷嚴重限制了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。圖11　兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖在圖11所示的兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，第一級直流升壓變換器的性能將直接影響后一級逆變器的并網(wǎng)質(zhì)量，因此能否實現(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。但在兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池陣列連接后的輸出電壓仍較低，需要加入一個高升壓比的DCDC環(huán)節(jié)才能滿足后級逆變器的要求。但是在占空比接近1時，系統(tǒng)的效率很低，并且受制于實際的開關(guān)器件，進一步提升變換器的開關(guān)頻率將會越來越困難。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，必然會導(dǎo)致輸入電流的增大，如果此時仍采用傳統(tǒng)的單回路Boost 變換器實現(xiàn)升壓，則會導(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]。 (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撲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。在兩級式光伏（太陽能）發(fā)電系統(tǒng)中，其直流升壓變換器輸出端與后級逆變器相連，一旦功率管出現(xiàn)同時關(guān)斷（如死區(qū)、功率管損壞、保護動作等導(dǎo)致），則等效于反激變換器輸出斷路，會產(chǎn)生輸出直流電壓尖峰，很可能使某些元件甚至整個系統(tǒng)損壞。但是，從正激變換器的拓撲結(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，一旦開關(guān)管關(guān)斷時變壓器剩余的能量不能得到有效釋放，變壓器便會出現(xiàn)剩磁，這對變壓器的利用率以及效率有著消極的影響。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]。最終，改進新型正激升壓變換器的控制方法，并設(shè)計無源緩沖網(wǎng)絡(luò)實現(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]。這些優(yōu)點必將為兩級式光伏發(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)并推動光伏發(fā)電新能源技術(shù)的發(fā)展。但是，它有一個典型缺陷：必須采用附加的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)來實現(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)雜都限制了其進一步的發(fā)展。從圖中可以看出，雙管正激變換器的拓撲簡單，并且緩沖網(wǎng)絡(luò)無能量損耗，同時每個開關(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。圖13 傳統(tǒng)雙管正激變換器針對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“交錯并聯(lián)”結(jié)構(gòu)，而以嚴仰光教授為代表的國內(nèi)學(xué)者們則是從2002年左右才開始分析并運用交錯并聯(lián)的思想。圖14 交錯并聯(lián)雙管正激變換器為了實現(xiàn)更高效率的交錯并聯(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)的交錯并聯(lián)雙管正激拓撲中，但是研究表明該拓撲結(jié)構(gòu)并不容易實現(xiàn)ZVS，且存在較大的環(huán)流，嚴重影響了變換器的效率。在2005年，嚴仰光教授帶領(lǐng)的課題組對自身原有的拓撲結(jié)構(gòu)進行改造并且改善控制策略，一定程度上實現(xiàn)了不含LCD緩沖網(wǎng)絡(luò)的交錯并聯(lián)雙管正激變換器的ZVS開通，這也推動了交錯并聯(lián)雙管正激變換器的進一步發(fā)展。圖15 一種新型ZVS交錯并聯(lián)正激變換器2012年，對雙管正激變換器的電磁噪聲進行深入分析，發(fā)現(xiàn)了變換器中各處存在的寄生電容可能會嚴重影響變換器的性能，尤其會削弱傳統(tǒng)雙管正激變換器中低電磁噪聲這個優(yōu)勢。這一創(chuàng)新型拓撲必將為交錯并聯(lián)雙管正激變換器