摘 要

今天，随着能源越来越成为一个国家发展命脉，太阳能光伏发电技术的重要性越来越突出。在我国新发展理念的战略引导下，发展包括太阳能在内的新能源发电技术有利于从根本上解决人与自然和谐共生的问题。本文主要研究Buck电路、正激电路和隔离式全桥DC-DC变换器，并对三种拓扑结构进行对比。最后选择隔离式全桥DC-DC变换器为本文DC-DC变换器拓扑。

本文采用MATLAB软件中的Simulink模块对隔离式全桥DC-DC变换器进行建模和仿真。要求功率为10kW，输出电压为直流570V，电压波动性小于5%，电流波动性小于10%。本文对DC-DC变换器各元件参数进行了重点计算，对闭环控制中的最大功率跟踪算法，本文也给出了介绍。

在仿真实验中，本文给出了在不同参数条件下DC-DC变换器仿真结果，并进行对比分析。对于仿真结果中开关管存在关断电压尖峰的问题，本文加入了电阻-电容吸收电路，有效抑制了开关管的关断电压尖峰。不同输入电压下的仿真结果表明，本变换器可以有效降低光伏电池的输出电压，输出稳定，电压、电流等参数在要求范围内波动。

关键词：隔离；DC-DC变换器；MPPT算法；建模与仿真

Abstract

Today, as energy becomes a lifeline of national development, the importance of solar photovoltaic technology is becoming more and more prominent. Under the guidance of China's new development concept, the development of new energy power generation technologies, including solar energy, is conducive to fundamentally solving the problem of harmonious coexistence between man and nature. The DC-DC converter in photovoltaic power generation system is also a very important part. This paper mainly studies Buck circuit, forward circuit and isolated full-bridge DC-DC converter, and compares the three topologies. Finally, the isolated full-bridge DC-DC converter is selected as the DC-DC converter topology.
This thesis uses the Simulink module in MATLAB software to model and simulate an isolated full-bridge DC-DC converter. The required power is 10kW, the output voltage is 570V DC, the voltage fluctuation is less than 5%, and the current fluctuation is less than 10%. In this paper, the key parameters of DC-DC converter components are calculated. The maximum power tracking algorithm in closed-loop control is also introduced in this paper.

In the simulation experiment, the simulation results of DC-DC converter under different parameters are given and compared. For the problem that the switching tube has a turn-off voltage spike in the simulation result, a resistor-capacitor absorbing circuit is added to effectively suppress the turn-off voltage spike of the switching transistor. The simulation results show that the converter can effectively reduce the output voltage of the photovoltaic cell, the output is stable, and the parameters such as voltage and current fluctuate within the required range.

Key Words：high-frequency transformer；dc-dc converter；Maximum Power Point Tracking；Modeling and Simulation；

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3本文章节安排 2

第二章 Buck型光伏DC-DC变换器方案研究 4

2.1本文研究的内容和目标 4

2.1 Buck电路 4

2.1.1 Buck电路拓扑结构 5

2.1.2 Buck电路工作原理 5

2.2正激电路 6

2.2.1正激电路拓扑结构 6

2.2.2正激电路工作原理 6

2.3隔离式全桥DC-DC变换器 7

2.3.1隔离式全桥DC-DC变换器拓扑结构 7

2.3.2隔离式全桥DC-DC变换器工作原理 7

2.4对比分析 8

2.5本章小结 8

第3章 隔离式DC-DC变换器 9

3.1主电路 9

3.2 Buck型光伏DC-DC变换器工作原理 9

3.3开关管关断脉冲尖峰的抑制 10

3.3参数计算 11

3.3.1 IGBT参数计算及选型 11

3.3.2 整流二极管参数计算及选型 11

3.3.3 隔直电容参数计算 12

3.3.4 LC滤波器参数计算 12

3.3.5 高频变压器参数设计 14

3.4 MPPT算法 15

3.4.1恒定电压法 15

3.4.2扰动观察法 15

3.4.3电导增量法 16

3.4.4PWM控制技术 16

3.5本章小结 17

第四章 仿真验证 18

4.1整体电路仿真 18

4.1.1基于simulink的仿真原理图 18

4.1.2负载模块参数设置 19

4.1.3变压器参数设置 19

4.1.4LC滤波器参数设置 19

4.2仿真结果及分析 20

4.2.1IGBT控制信号 20

4.2.2斩波后的波形 20

4.2.3整流后的波形 21

4.2.4输出电压波形 21

4.2.5输出电流波形 22

4.3引入关断缓冲后的仿真 22

4.3.1引入关断缓冲的IGBT模块参数设置 22

4.3.2斩波波形 23

4.3.3整流后的波形 23

4.4不同输入电压下的仿真 24

4.4.1输入电压为800V的仿真 24

4.4.2输入电压为900V时的仿真 25

4.5本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

第三次工业革命以来，经济不断发展，人们生活水平不断提高，越来越严重的是全球范围内的环境问题、能源问题^[1]。北方冬季的雾霾天气无时无刻不提醒着人们清洁能源在21世纪的今天无比重要。任何具有宏伟蓝图的国家都为了在能源革命的大趋势中占有立足之地而制定了清洁能源发展战略。

地球已探明的石油、煤炭、天然气等传统能源的储量越来越少，年消费量在不断增加。传统能源受地缘政治的影响也越来越大，包括太阳能在内的可再生能源成为各主要经济体的重点发展方向。在我国新发展理念的战略引导下，新能源发电的发展符合人民的根本利益。在经济社会中，发展新能源发电是转变经济发展方式，减少碳排放量，构建人类命运共同体的重要推动力量^[2]。

风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的发展正变得越来越完善。可再生能源更加灵活、无污染的特点是传统的火电、水电、核电等无法匹及的优势。戈壁和草原拥有丰富的风能资源，沙漠等地区有丰富的太阳能资源，沿海地区有丰富的潮汐能。太阳能作为一种可自由使用、丰富、清洁、耐用的能源，越来越受到世界各国的关注。

工业革命的本质是能源革命。在能源革命这一不可逆转的大趋势下，新能源是中国能源革命与绿色革命的着力点。对于广大的发展中国家来说，包括太阳能在内的新能源的开发日益成为改善能源结构，实现弯道超车的重要途径。

太阳能光伏发电不同于光-热-电发电模式，是将太阳的辐射能直接转换成电能。光伏发电系统中，能量转换元件是太阳能电池，利用的是半导体的光生伏特效应，具有如下的特有优势^[3]：

免费：能量的来源即太阳辐射是免费获取的，一旦能量转换装置设计、搭建完成，就可以长期免费使用光能，系统成本主要集中在能量转换装置上。

丰富：我国太阳能资源丰富地区有西部和华北等地区。青藏高原地区的年日照时间为我国最长，太阳年辐照总量与地球上最高地区相当。

清洁：能量转化过程不需要发生燃烧，不排放二氧化碳及其他有毒气体、废水，更不会产生噪声污染，是完全意义上的清洁能源。。

耐用：太阳能电池十分耐用，工作时间可以达到30年。

1.2国内外发展现状

全球的太阳能光伏产业自二十世纪末期以来有了长足发展，光伏产业发展最为迅速的是西欧、美国、日本等传统发达国家。日本早在 19 世纪 70 年代提出了“阳光计划”，在1994年出台了“朝日七年计划”。日本在1997年出台的“七万屋顶计划”中，首次对安装光伏屋顶的用户进行成本补贴，这一补贴可达安装成本的50%；德国在 21世纪初就完成了“10 万屋顶发电计划”；美国前总统克林顿在 1997 年宣布了“百万光伏屋顶政策”^[4]。

自2010年以来，全球光伏装机容量的主要增长地区是东亚、北美，市场占有量持续攀升。 2016年，全球新增光伏装机容量超过70GW，其中中国 35GW、美国 14GW、日本接近9GW、欧洲 7GW、印度4GW。印度、南非的光伏产业也有了长足的发展。过去光伏市场严重依赖欧洲，但是随着欧洲以外地区的光伏装机量迅速提高。在欧洲光伏产业协会的“目标2020”预测中，到2020年欧盟超过10%的电力将由光伏供应。

2013年至2016年，光伏发电领域，中国新增装机容量连续蝉联世界第一，成为世界上光伏产业发展最快的国家。在光伏发电装机容量上，在众多政策支持下，2015年中国超越德国成为世界第一。2016年新增装机容量接近35GW，与2015年相比增长1.3倍，总装机容量在 2016年末达到近80GW。在2016年，中国光伏产业总产值达到近3500亿元，与2015年相比增长近30%，中国光伏产业规模持续扩大^[5]。中国光伏产业一直存在“两头在外”的问题，随着光伏产业的快速发展，这种问题基本得到解决。随着智能制造在中国的发展，中国光伏制造的大多数关键设备推行了智能制造，制造水平世界领先。

早在上世纪五十年代DC-DC变换器就被提出。19世纪80年代美国加州理工学院的Slobodan Cuk博士提出了一种新的DC-DC变换器，即Cuk变换器。这种变换器与传统不同的是能量存储器件是电容器而不是电感器。1977年Bell实验室在前人的基础上提出了SPEIC电路，其对偶电路为Zeta变换器。

20世纪90年代早期，R.Redal工程师首次提出了 DC-DC移相全桥软开关变换器。DC-DC变换器发展至今，半桥、全桥、正激、反激、推挽等传统拓扑的变换器已在日常中随处可见。。数字电路技术与电力电子技术上的广泛结合，也使得高频开关电源进入数字电源时代， 且发展迅猛^[6]。新的功率开关器件如SIT、SITH、IGCT以及基于宽禁带半导体材料的电力电子器件的研究与运用根本上提高了高频开关电源的品质。

1.3本文章节安排

本论文主要通过拓扑选择、参数计算、仿真分析对隔离型DC-DC变换器进行研究，主要包括以下内容：

第一章主要讲述论文研究背景及意义，并对国内外发展现状进行了总结。

第二章针对DC-DC变换器提出Buck电路、正激电路、隔离型全桥DC-DC变换器三种拓扑结构，并对三种变换器进行对比分析，最终选择隔离型全桥DC-DC变换器作为本论文的研究对象。

第三章介绍了隔离型全桥DC-DC变换器的工作原理和开关管关断电压尖峰的抑制，介绍了二极管、IGBT的选型，隔直电容、LC滤波器的参数计算。介绍了最大功率跟踪算法以及PWM控制策略。

第四章介绍了DC-DC变换器的Simulink仿真，并给出了元件的参数设置。对仿真结果进行了分析。

第五章为全文总结与展望。

第二章 Buck型光伏DC-DC变换器方案研究

最简单的功率电路是只用一只开关管作为功率开关的DC-DC变换电路。它有6个基本电路：降压式、升压式、升/降压式、Cuk变换器、Zeta变换器以及Sepic变换器。由于电路简单，这些变换器的效率比多开关管功率电路高。但是也正因为只有一个开关管，存在开关管峰值电流大，输入或输出电压波动性大的问题。由于单开关管工作，磁性元件的利用率较低，体积较大，限制了变换器的功率等级，主要用于小功率直流-直流变换，如要求更大的功率，通常采用多开关管功率电路^[7]。

推挽、半桥和全桥功率变换电路是多开关管功率电路的常见形式。电路中开关管导通时电源向负载供电。多开关管电路一般能输出交流脉冲，因此它们可用于直流-交流变换，即逆变器。也可用于DC-DC变换器，但需将交流输出进行整流滤波。

2.1本文研究的内容和目标

图2.1 独立光伏储能发电系统

独立光伏发电系统的一般构成如图2.1所示，主要有光伏电池阵列、MPPT控制器、DC-DC变换器和蓄电池。对于直流负载供电，不需要逆变器。

本文不涉及DC/AC逆变器与交流负载部分，只对直流负载进行供电，本文采用蓄电池负载，因此设计了一种隔离式DC/DC变换器。该系统能够有效降低输出电压。技术指标为：直流母线小于等于1000V；输出直流电压570V；额定功率10kW；输出电压波动性：≤5%；输出电流波动性：≤10%。

2.1 Buck电路

2.1.1 Buck电路拓扑结构

图2.2 Buck电路拓扑结构

非隔离型Buck电路的主电路结构如图2.2所示。S为开关晶体管，作用是将输入直流电压斩成方波电压，方波的脉冲宽度是由开关管的占空比进行控制的。波动性较小的直流输出电压通过滤波得到，滤波器一般采用电感和输出电容^[7]。使用合适参数的LC滤波器可使输出电压波动性大幅减小，输出电压值与方波脉冲的平均值相等。通过控制开关管在一个周期内的导通时间，就可以实现控制输出电压的平均值。

如果在整个电路中引入负反馈，在输入电压和负载变化的情况下，反馈环节测试输出电压的变化并改变控制信号的脉宽，来减小输出电压的波动 ^[8]。

2.1.2 Buck电路工作原理

Buck式降压电路的工作原理是通过控制开关管S的开通时间来控制电源流向负载的能量，二极管由于其单向导电特性可以处于两种状态（通态和断态），控制负载电流的导通回路，为负载续流，LC构成的输出滤波电路使负载上得到的电流波动性大大降低，负载供电近似为直流电^[9]。

Buck变换器的基本电路如图2-2所示，输入直流母线电压V_dc经过开关管S的开通和关断，在V₁处产生方波脉冲电压。S导通时间可以调节，设S导通时间为T_on，S导通时，V₁点电压为V_dc，电流通过输出滤波电感L流入输出端。S关断时，由于感性元件的存在，电流不能突变，电感L产生反电动势，二极管D 导通，使V₁点电压迅速下降到零，V₁点电压变负值直至被二极管D（即续流二极管）钳位于-0.8V^[8]。

若忽略此刻二极管D的压降，则V₁点电压波形为方波，T_on时间段电压为V_dc，除T_on之外的时间段电压为零。该方波的电压平均值为V_dcT_on/T。LC滤波器串联在V₁和V_o之间，它使输出电压Vo成为平均值等于V_dcT_on/T的电压波动较小的直流电压。

设控制信号的占空比为D，开关管S 的开关周期为T，输入电压为V_dc ，输出电压为V_o，流过电感的电流为I_L ，负载阻抗为R₁。

当0lt;tlt;DT时，开关管闭合，电感电压为：V_dc-V_o

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