5kw储能型光伏发电系统双向dcdc变换器的研制(附件)
随着科技的快速发展，人们对于能源的需求量在不断增加。传统能源的日益枯竭和污染严重，更加凸显了新能源的重要地位。太阳能因其具有取之不竭、用之不尽的特点，所以是当前新能源的发电的主要方向。光伏并网发电是当前太阳能应用的主要形式。受环境温度、光照强度的影响，光伏并网发电系统进网能量存在较大的波动性和随机性，对电网稳定性造成不良影响。本课题研究一种包含储能环节的储能型光伏发电系统，通过控制储能双向DC-DC变换器的功率流方向，以及功率的大小实现对光伏波动性的抑制，降低其对配电网的冲击。建立一个3500W的双向DC-DC变换器的Simulink仿真模型，验证能量双向流动的可行性，研究了双向Buck变换器工作原理及关键参数设计。构建了一台输出功率为50W的双向Buck变换器原理样机。仿真和测量结果表明该电路能够实现能量的稳定流动。关键词 光伏发电，双向DC-DC变换器，光伏微网，新能源
目录
1 引言 1
1.1 双向DC/DC的发展 2
1.2 研究的主要内容和拟解决的关键性问题 3
1.3 双向DC/DC的应用 4
2 双向DC/DC拓扑结构研究 6
2.1 双向DC/DC变换器拓扑结构分析 6
2.2 双向DC/DC变换器的拓扑选择 10
2.3 双向Buck变换器的工作模态 10
3 双向DC/DC变换器的控制策略研究 12
3.1 电压型控制 12
3.2 电流型控制 13
3.3 控制电路中的PID补偿网络 15
3.4 系统能量流向判断控制方式 15
4 Simulink建模和仿真 17
4.1 工作模式的仿真分析 18
5 双向DC/DC变换器的总体样机设计 21
5.1 双向DC/DC变换器总体设计方案 21
5.2 双向DC/DC变换器主电路设计 22
5.3 控制电路设计 23
5.4 辅助电源设计 25
5.5 驱动电路设计 28
6 双向DC/DC变换器的样机实验分析 29
附录A 原理图 38
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
附录B PCB实物 39
引言
世界经济的快速发展，势必会增加能源的消费，然而消费掉的能源就会产生有害气体、废渣等污染物。然而人们的环保意识逐渐增强，环境污染得到日益关注。在世界各国人民的共同努力下，我们积极的采取环保措施并逐步取得了显著的效果。新能源的可再生性、分布规模大、对社会污染极小等特性是传统能源所不具备的。当下的亟待解决是减少化石能源的开采和利用。随着新能源的建设成本的不断下降，新能源的利用逐渐走进人们的视野，潮汐能、太阳能、风能、地热能等都在大放异彩，其中太阳能和风能的开发最具前景。作为清洁可再生能源的太阳能，取之不竭，用之不尽而且分布广泛。由于以风能和太阳能为代表的可再生分布式电源受到季风、天气、日照时间和强度的改变产生的电能可控性差、随机波动性强，易造成对电网电压冲击与影响。更重要的是分布式电源通过电源功率器件连接到电网时，电路中的多次谐波和三相不平衡电流将会影响电能质量，只有通过微网的形式接入大电网才能有效解决这些问题。2015年，我国太阳能光伏发电新增并网装机容量达到15.13GW，约占全球新增装机容量的30%。累计并网容量达到43.18GW，首次超过德国成为世界光伏装机第一大国【1】。其中，地面光伏电站为37.12GW，分布式光伏电站为6.06GW。2016年，全国新增装机容量为34.54GW，累计并网装机容量达到77.42GW，其中，集中式地面光伏电站新增装机容量为30.31GW，分布式光伏发电的新增装机容量为4.23GW。光伏发电所占比例在逐年升高，如果将这些电能质量较低电源接入配电网，将会造成电网得扰动，会对电网得安全造成影响。
微网是指以分布式发电为基础，靠分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级技术形成的小型模块化、分散式供能网络【2】。然而各国微网的定义有不同的侧重点，但基本目标均着眼于提高电力安全、保证可靠供电、改善供电质量、利用新能源和提高能源利用效率等【3】。我国微电网市场巨大，目前还有400多个小岛依靠柴油等能源发电，这些地区的电价高【4】。目前我国面临着节能减排的巨大压力，国内光伏和风电价格趋于下降，这些都为微电网发展提供了机遇和条件【5】。光伏发电在最近几年得到了长足的发展，光伏发电组件的生产成本不断降低，但目前光伏发电成本仍然无法实现平价上网，从而使得光伏产业对政府的补贴政策仍然存在一定程度的依赖，这也构成了光伏产业发展的一大障碍。另外，光伏发电的波动性较强，波动周期很短。直接进行并网供电的话，会对地区配电网络造成冲击，会使电网中产生较多的谐波。电压相位不同，会对拉低供电电压，可能发生严重的事故。
储能型光伏发电系统有效改善了这些状况，一方面可以改善可再生能源输出的不稳定性对电能质量的影响，抑制大电网本身的电压波动；另一方面可以保障直流微网的供电可靠性，提高电能利用率【6】。储能型光伏发电系统主要由储能蓄电池、双向DC/DC变换器、逆变器等器件组成。目前光伏发电主要用于偏远的山区和海岛等这些输电线路不易进入，又没有太多的耗能负载的地方。在光照强度较强时，太阳能电池板通过自身的空穴电子对运动产生的电流。微网直接供电给负载，负载用不完的能量通过双向DC/DC变换器的buck工作模式降压存储于蓄电池中。在没有光源或是发电，蓄电池通过双向DC/DC变换器的boost工作模式升压供给负载，使其正常运行。本系统中，蓄电池充电由太阳能电池板通过Buck电路降压完成；蓄电池放电时，通过Boost电路升压为负载供电，变换器能够实现自主能量的双向流动，这就是所谓的双向DC/DC变换器（Bidirectional DC/DC Converter,BDC）。而且可再生能源系统的BDC可以改善能源质量,大多数可再生能源系统包括一个储能元件带电的双向直流直流变换器【7】。
双向DC/DC的发展
双向DC/DC变换器是一种典型“一机两用”设备，由于具有体积小、重量轻、性价比高等有优点而广泛应用于能量需要双向流动的可再生能源发电系统、UPS系统、直流电动车、电子产品的老化设备等领域，也越来越成为科研人员的研究热点。20世纪80年代初，为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池充电器和放电器。此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。
目录
1 引言 1
1.1 双向DC/DC的发展 2
1.2 研究的主要内容和拟解决的关键性问题 3
1.3 双向DC/DC的应用 4
2 双向DC/DC拓扑结构研究 6
2.1 双向DC/DC变换器拓扑结构分析 6
2.2 双向DC/DC变换器的拓扑选择 10
2.3 双向Buck变换器的工作模态 10
3 双向DC/DC变换器的控制策略研究 12
3.1 电压型控制 12
3.2 电流型控制 13
3.3 控制电路中的PID补偿网络 15
3.4 系统能量流向判断控制方式 15
4 Simulink建模和仿真 17
4.1 工作模式的仿真分析 18
5 双向DC/DC变换器的总体样机设计 21
5.1 双向DC/DC变换器总体设计方案 21
5.2 双向DC/DC变换器主电路设计 22
5.3 控制电路设计 23
5.4 辅助电源设计 25
5.5 驱动电路设计 28
6 双向DC/DC变换器的样机实验分析 29
附录A 原理图 38
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
附录B PCB实物 39
引言
世界经济的快速发展，势必会增加能源的消费，然而消费掉的能源就会产生有害气体、废渣等污染物。然而人们的环保意识逐渐增强，环境污染得到日益关注。在世界各国人民的共同努力下，我们积极的采取环保措施并逐步取得了显著的效果。新能源的可再生性、分布规模大、对社会污染极小等特性是传统能源所不具备的。当下的亟待解决是减少化石能源的开采和利用。随着新能源的建设成本的不断下降，新能源的利用逐渐走进人们的视野，潮汐能、太阳能、风能、地热能等都在大放异彩，其中太阳能和风能的开发最具前景。作为清洁可再生能源的太阳能，取之不竭，用之不尽而且分布广泛。由于以风能和太阳能为代表的可再生分布式电源受到季风、天气、日照时间和强度的改变产生的电能可控性差、随机波动性强，易造成对电网电压冲击与影响。更重要的是分布式电源通过电源功率器件连接到电网时，电路中的多次谐波和三相不平衡电流将会影响电能质量，只有通过微网的形式接入大电网才能有效解决这些问题。2015年，我国太阳能光伏发电新增并网装机容量达到15.13GW，约占全球新增装机容量的30%。累计并网容量达到43.18GW，首次超过德国成为世界光伏装机第一大国【1】。其中，地面光伏电站为37.12GW，分布式光伏电站为6.06GW。2016年，全国新增装机容量为34.54GW，累计并网装机容量达到77.42GW，其中，集中式地面光伏电站新增装机容量为30.31GW，分布式光伏发电的新增装机容量为4.23GW。光伏发电所占比例在逐年升高，如果将这些电能质量较低电源接入配电网，将会造成电网得扰动，会对电网得安全造成影响。
微网是指以分布式发电为基础，靠分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级技术形成的小型模块化、分散式供能网络【2】。然而各国微网的定义有不同的侧重点，但基本目标均着眼于提高电力安全、保证可靠供电、改善供电质量、利用新能源和提高能源利用效率等【3】。我国微电网市场巨大，目前还有400多个小岛依靠柴油等能源发电，这些地区的电价高【4】。目前我国面临着节能减排的巨大压力，国内光伏和风电价格趋于下降，这些都为微电网发展提供了机遇和条件【5】。光伏发电在最近几年得到了长足的发展，光伏发电组件的生产成本不断降低，但目前光伏发电成本仍然无法实现平价上网，从而使得光伏产业对政府的补贴政策仍然存在一定程度的依赖，这也构成了光伏产业发展的一大障碍。另外，光伏发电的波动性较强，波动周期很短。直接进行并网供电的话，会对地区配电网络造成冲击，会使电网中产生较多的谐波。电压相位不同，会对拉低供电电压，可能发生严重的事故。
储能型光伏发电系统有效改善了这些状况，一方面可以改善可再生能源输出的不稳定性对电能质量的影响，抑制大电网本身的电压波动；另一方面可以保障直流微网的供电可靠性，提高电能利用率【6】。储能型光伏发电系统主要由储能蓄电池、双向DC/DC变换器、逆变器等器件组成。目前光伏发电主要用于偏远的山区和海岛等这些输电线路不易进入，又没有太多的耗能负载的地方。在光照强度较强时，太阳能电池板通过自身的空穴电子对运动产生的电流。微网直接供电给负载，负载用不完的能量通过双向DC/DC变换器的buck工作模式降压存储于蓄电池中。在没有光源或是发电，蓄电池通过双向DC/DC变换器的boost工作模式升压供给负载，使其正常运行。本系统中，蓄电池充电由太阳能电池板通过Buck电路降压完成；蓄电池放电时，通过Boost电路升压为负载供电，变换器能够实现自主能量的双向流动，这就是所谓的双向DC/DC变换器（Bidirectional DC/DC Converter,BDC）。而且可再生能源系统的BDC可以改善能源质量,大多数可再生能源系统包括一个储能元件带电的双向直流直流变换器【7】。
双向DC/DC的发展
双向DC/DC变换器是一种典型“一机两用”设备，由于具有体积小、重量轻、性价比高等有优点而广泛应用于能量需要双向流动的可再生能源发电系统、UPS系统、直流电动车、电子产品的老化设备等领域，也越来越成为科研人员的研究热点。20世纪80年代初，为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池充电器和放电器。此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。
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