关键词:
新能源发电
低应力
超高升压
耦合电感
DC-DC变换器
LUBCL
闭环控制
摘要:
工业的大力发展致使化石能源逐渐稀少,同时带来了许多污染问题,因此国内外众多学者开始致力于绿色可再生能源应用领域的研究。电能是整个工业生产系统可以正常运作的主要能源,如何用其它形式的能源来获取电能,同时减少电能的产生对环境造成巨大的污染,是我们研究新能源发电的前提。我国地缘辽阔,拥有着得天独厚的地理优势,这为国内新能源发电技术的可持续发展提供了非常重要的条件。在光伏发电、生物发电和燃料电池等直流型新能源发电系统当中,高升压DC-DC变换器扮演着重要的角色。随着新能源发电系统的不断完善,但人们发现传统DC-DC升压框架的升压能力有限,从而无法进行更高等级的电压转换,甚至在进行升压转换的过程中产生了很多缺陷和问题。为克服传统的DC-DC升压框架在直流型新能源发电系统中升压能力过低的问题,本文以设计稳定的高升压DC-DC变换器为主旨,总结了各类升压结构的特点,通过融合各项升压拓扑的优点,设计了一种低应力超高升压耦合电感DC-DC变换电路(Low-stress and Ultra-high boost Coupling-inductor DC-DC converter--LUBCL)。本文研究的拓扑可以在合理的占空比和耦合电感匝比条件下进行较高的DC-DC电压抬升,这使得拓扑的升压能力不会仅受制于开关管的占空比,还可以根据新能源发电模块的输出电压区间来合理确定耦合电感的匝比,从而合理的选择DC-DC变换器的升压区间。同时,变换器内部的钳位电容,可以将耦合电感原副线圈之间的漏感能量吸收、利用,从而降低了开关器件的电压应力,减少变换器的器件损耗。最后,与近几年先进的升压变换器做性能对比,分析所提变换器在升压能力大小、整体框架所使用的器件数目以及器件之间的应力大小等方面所存在的优点。理论阶段,结合传统升压结构的特点,设计出一系列可以进行升压转换的DC-DC拓扑家族。文章首先对所有拓扑家族成员的结构进行详细分析,进而在增益和器件应力等方面选出一款优势最为明显的变换器,最终对选出的变换器进行性能研究,分析变换器在CCM状态下各种工作模式,计算出变换器的增益大小以及各个器件的电压、电流应力,同时考虑元器件存在寄生电阻的条件下,各个器件的损耗以及变换器整体的工作效率,为后续实验样机的制作提供参考。然后根据变换器开关管开和关的工作状态做状态空间平均,求取变换器的小信号模型,进而推导模型输入、输出之间的传递函数。通过模型的初始bode图,做PID校正,以此为基础验证变换器系统在校正下的稳定性,后续将PID参数自适应化,进一步提高系统的稳定性和鲁棒性。实验阶段,结合理论阶段的数据和结果,确定LUBCL电路的器件型号。实验选择的光伏板最大输出功率为100 W,则可以确定LUBCL主电路的最大传输功率为100 W,从而保证LUBCL电路可以正常工作。首先,使用学生电源供电,对LUBCL电路进行静态运行,用于观察变换器工作时各半导体的电压、电流波形,确定各元件工作的电压、电流应力,保证LUBCL电路工作时的稳定性。其次,对LUBCL电路进行动态运行,应用辅助电路做变换器的闭环控制,检测LUBCL电路存在输入和输出扰动时的鲁棒性。最终,将LUBCL电路应用于光伏升压系统,从而使光伏板所产生的电能传输到高压直流母线中去。