第04章_直流变换电路分析与制作)ppt课件.ppt

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1、第04章_直流变换电路分析与制作)第第4章章 直流变换电路分析与制作直流变换电路分析与制作明理知行明理知行 精工致远精工致远第4章 直流变换电路分析与制作4.1 光伏直流充电控制器光伏直流充电控制器 4.2 直流开关电源直流开关电源 4.3 光伏控制器应用实践光伏控制器应用实践 4.4 MPPT4.4 MPPT跟踪电路跟踪电路 习题与思考题习题与思考题 明理知行明理知行 精工致远精工致远v本章学习目标本章学习目标v 掌握光伏直流充电控制器的种类及基本工作掌握光伏直流充电控制器的种类及基本工作原理原理v 掌握直流斩波电路的结构和工作原理及分析掌握直流斩波电路的结构和工作原理及分析方法方法v 了解

2、直流开关电源的基本结构和工作原理。了解直流开关电源的基本结构和工作原理。1. 学会简易光伏控制器的制作。学会简易光伏控制器的制作。第4章 直流变换电路分析与制作明理知行明理知行 精工致远精工致远1、光伏发电系统组成、光伏发电系统组成4.1 光伏直流充电控制器 光伏发电系统组成框图 太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件（或方阵）、光伏控制器、蓄电池（组）、逆变器以及一些测试、监控、防护等附属设施组成 明理知行明理知行 精工致远精工致远 （1）光伏电池组件：光伏电池组件也叫太阳能电池板（即光伏电池板），是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。 （2）控制器：控制器的作用是

3、控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。由于光伏电池具有强烈的非线性特性，为保证光伏电池在任何日照和环境温度下始终可以输出相应的最大功率，通常引入了光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制。4.1 光伏直流充电控制器明理知行明理知行 精工致远精工致远 DC/DC变换器（即直流变换器）的主要作用：一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处，二是限制蓄电池充电电压范围。通过升压作用，将光伏电池组件产生的一定范围内波动的直流电压转换为稳定输出的直流电压。另外最大功率跟踪（MPPT）一般也是在这里出现。（3）蓄电池：蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时

4、向负载供电。（4）逆变器：逆变器的主要作用是把直流电转换成交流电供应给交流负载或电网的设备4.1 光伏直流充电控制器明理知行明理知行 精工致远精工致远明理知行明理知行 精工致远精工致远（5）光伏发电系统附属设施）光伏发电系统附属设施 光伏发电系统的附属设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统等。 由于光伏电池组件所发出的电能随着天气、环境、负荷等变化而不断变化的直流电能，故其所发的电能的质量和性能很差，很难直接供给负荷使用，这就需要由直流变换器对电能进行适当变换的和控制，变成适合负载使用的电能供给负载或电网。另外，在光伏发电系统充电、放电以及逆变等环节加入直流变换

5、器，可以实行不同的控制方法，为提高光伏发电系统的整体效率带来可能。4.1 光伏直流充电控制器明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述v 控制器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分。在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。在大中型系统中，控制器担负着平衡光伏系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用，常见光伏控制器如图 光伏控制器明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述光伏控制器概述（1）防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；（2）防止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；（3）防止负载、控制

6、器、逆变器和其他设备内部短路；（4）具有防雷击引起的击穿保护；（5）具有温度补偿的功能;（6）显示光伏发电系统的各种工作状态，包括：蓄电池（组）电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源状态、环境温度状态、故障报警等。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述光伏控制器概述2、光伏控制器的分类及基本原理、光伏控制器的分类及基本原理分类按电路方式按电路方式按控制功率按控制功率按控制方式按控制方式明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（1）并联型光伏控制器基本原理）并联型光伏控制器基本原理2、光伏控制器的分类及基本原理、光伏控制器的分类及基本原理并联型光伏控

7、制器也叫旁路型控制器元件作用：元件作用：T1为旁路开关，控制蓄电池充电过程T2为放电开关，控制蓄电池放电过程VD1为防逆流二极管，防止蓄电池对PV电池反充电，VD2为防反接二极管，防止光伏电池或蓄电池极性接反后导致过流。控制原理：控制原理：当蓄电池充满电时，把太阳能电池的输出分流到旁路电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉：当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路恢复充电。由于这种方式消耗热能，所以一般用于小型、小功率系统。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述 串联型光伏控制器原理如下图所示，元件作用：T1为充电控制开关，T2为放电控制开关，BX为熔断器，起过流保护作

8、用VD2为防反接保护二极管VD1为防反充二极管 串联型光伏控制器原理图工作原理 ：当蓄电池充满电时，开关器件T1断开充电回路,停止为蓄电池充电；当蓄电池电压回落到一定值时，充电电路再次接通，继续为蓄电池充电；放电时T2闭合，蓄电池为负载供电，当蓄电池电压低于放电保护电压时，T2断开，停止放电。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述元件作用：VT1为充电控制开关，控制充电状态；BX为熔断器，起过流保护作用；VD1为防反充二极管，防止蓄电池向光伏电池反充电；VD2为防反接二极管，防止蓄电池或光伏电池极性接反；VD3为稳压二极管，与R1构成电压基准电路，为IC提供基准电压；IC

9、为电压比较器，为VT1输出脉冲调制电压。R、R3为电压取样电路，监测蓄电池充电电压工作原理 ：当蓄电池逐渐趋向充满时，随着其端电压的逐渐升高，PWM电路输出脉冲的频率和时间都发生变化，使开关器件的导通时间延长、间隔缩短，充电电流逐渐趋近于零。当蓄电池电压由充满点向下降时，充电电流又会逐渐增大脉宽调制型光伏控制器（3）脉宽调制型光伏控制器基本原理）脉宽调制型光伏控制器基本原理明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（4）多路控制器基本原理）多路控制器基本原理 多路光伏控制器一般用于几千瓦以上的大功率光伏发电系统，将太阳能电池方阵分成多个支路接入控制器。当蓄电池充满时，控制器将

10、太阳能电池方阵各支路逐路断开；当蓄电池电压回落到一定值时，控制器再将太阳能电池方阵逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种控制方式属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，路数越多，增幅越小，越接近线性调节。但路数越多，成本也越高，因此确定太阳能电池方阵路数时，要综合考虑控制效果和控制器的成本。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述 多路光伏控制器电路原理图如下图所示，当蓄电池充满电时，控制电路将控制开关管从T1至Tn顺序断开相应光伏电池组件，当第一路组件组件断开后，控制电路检测蓄电池电压是否低于设定值，若低于设定值，则控制电路等待；等到蓄电池电压再次充

11、到设定值，再断开第二路光伏电池组件，类似第一路组件。 多路光伏控制器原理图明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（4）智能型光伏控制器基本原理）智能型光伏控制器基本原理 智能控制器的主电路同其他控制器一样，也可以是并联型、串联型、PWM型和多路型。智能型光伏控制器采用CPU或MCU等微处理器和高精度A/D模数转换器，构成一个微机数据采集和监测控制系统，既可高速实时采集太阳能光伏发电系统的运行状态，又可以按照一定的控制规律由单片机内程序对单路或多路光伏组件进行切断与接通的智能控制。此外，该控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行远距离通信和控制。 明理知行

12、明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（5）最大功率点跟踪型光伏控制器基本原理）最大功率点跟踪型光伏控制器基本原理 最大功率点跟踪型光伏控制器的原理是将太阳能电池方阵的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉冲宽度、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并做出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优跟踪过程，可以保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点。最大功率点跟踪型控制器可以使太阳能电池方阵始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减

13、少蓄电池的极化，提高充电效率。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述3、光伏控制器的主要技术参数、光伏控制器的主要技术参数（1）系统电压 系统电压也叫额定工作电压，是指光伏发电系统的直流工作电压，电压一般为12V和24V，中、大功率控制器也有48V、110V、220V等。（2）最大充电电流 最大充电电流是指光伏组件或光伏方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、6A、8A、IOA、12A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、100A、150A、200A、250A、300A等多种规格。有些厂家用太阳能电池组件最大功率来表示这一内容，间接地体现了最大充电电流这一技

14、术参数。（3）太阳能电池方阵输入路数 控制器的输入路数要多于或等于太阳电池方阵的设计输入路数，小功率光伏控制器一般只有单路输入，而大功率光伏控制器都是由光伏方阵多路输入，一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的可接入12路、18路。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（4）电路自身损耗 控制器的电路自身损耗也是其主要技术参数之一，也叫空载损耗（静态电流）或最大自消耗电流。为了降低控制器的损耗，提高光伏电源的转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同白身损耗一般为520mA。 （5）蓄电池过充电保护电压

15、(HVD) 蓄电池过充电保护电压也叫充满断开或过压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.114.5V（12V系统）、28.229V（24V系统）和56.458V（48V系统）之间，典型值分别为14.4V、28.8V和57.6V。蓄电池充电保护的关断恢复电压(HVR) 一般设定为13.113.4V (12V系统)、26.226.8V（24V系统）和52.453.6V (48V系统)之间，典型值分别为13.2V、26.4V和52.8V。（6）蓄电池的过放电保护电压( LVD) 蓄电池的过放电保护电压也叫欠压断开或欠压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在10.811.

16、4V（12V系统）、21.622.8V（24V系统）和43.245.6V (48V系统)之间，典型值分别为I1.1V、22.2V和44.4V。蓄电池过防电保护的关断恢复电压(LVR)一般设定为12.112.6V（12V系统）、24.225.2V (24V系统)和48.450.4V (48V系统)之间，典型值分别为12.4V、24.8V和49.6V。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.1 光伏控制器概述（7）蓄电池充电浮充电压。 蓄电池的充电浮充电压一般为13.7V（12V系统）、27.4V (24V系统)和54.8V (48V系统)。（8）温度补偿 控制器一般都具有温度补偿功能，以适应不

17、同的环境工作温度，为蓄电池设置更为合理的充电电压。控制器的温度补偿系数应满足蓄电池的技术要求，其温度补偿值一般为-20-40mU。（9）工作环境温度控制器的使用或工作环境温度范围随厂家不同一般在-20+50之间。（10）其他保护功能控制器输入、输出短路保护功能。控制器的输入、输出电路都要具有短路保护电路，提供保护功能。防反充保护功能。控制器要具有防止蓄电池向太阳能电池反向充电的保护功能。极性反接保护功能。太阳能电池组件或蓄电池接入控制器，当极性接反时，控制器要具有保护电路的功能。防雷击保护功能。控制器输入端应具有防雷击的保护功能，避雷器的类型和额定值应能确保吸收预期的冲击能量。耐冲击电压和冲击

18、电流保护。在控制器的太阳能电池输入端施加1.25倍的标称电压持续一小时，控制器不应该损坏。将控制器充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续一小时，控制器也不应该损坏。明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.2 光伏控制应用电路分析v 铅酸蓄电池充放控制电路铅酸蓄电池充放控制电路电源电路电源电路充电控制取样充电控制取样放电控制取样放电控制取样充电控制电路充电控制电路放电控制电路放电控制电路明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.2 光伏控制应用电路分析v铅酸蓄电池充放控制电路铅酸蓄电池充放控制电路电路元件作用电路元件作用LED1：光伏电池状态指：光伏电池状态指示示LED2：充电状态指示：充

19、电状态指示LED3：放电状态指示：放电状态指示LED4：负载：负载R 1 、 R 1 0 、 R 1 1 、R12、R14、R15、R16、R17限流电阻。限流电阻。A1：放电控制电压比较：放电控制电压比较器器A2：充电控制电压比较：充电控制电压比较器器VT1、VT2：充电控制：充电控制电压驱动电压驱动VT3、VT4：放电控制：放电控制电压驱动电压驱动J1：充电控制继电器：充电控制继电器J2：放电控制继电器：放电控制继电器VD2、VD3：保护：保护明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.2 光伏控制应用电路分析v铅酸蓄电池充放控制电路铅酸蓄电池充放控制电路工作原理工作原理太阳光照射时：光伏电

20、池组件太阳光照射时：光伏电池组件产生的直流电流经过产生的直流电流经过J1-1常常闭触点和闭触点和R1，使，使LED1发光，发光，等待对蓄电池进行充电。等待对蓄电池进行充电。充电控制：充电控制：当当U5U6 V7为高电位为高电位 VT1导通导通VT2截止，截止，LED2熄熄灭，灭，J1释放，释放，J1-1断开充电断开充电回路，回路，LED1发光，指示停止发光，指示停止充电充电 11.4VV5V6明理知行明理知行 精工致远精工致远4.1.2 光伏控制应用电路分析v铅酸蓄电池充放控制电路铅酸蓄电池充放控制电路工作原理工作原理12VV3V2放电控制：放电控制：当蓄电池端电压大于预先设定的当蓄电池端电压

21、大于预先设定的过放电压值时，过放电压值时，A1的脚电位高的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使于脚电位，脚输出高电位使T3导通，导通，T4截止，截止，LED3熄灭，熄灭，J2释放释放 其常闭触点其常闭触点J2-1闭合，闭合，LED4发光，指示负载工作正常发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，预先设定的过放电压值时，A1的的脚电位低于脚电位，脚输脚电位低于脚电位，脚输出低电位使出低电位使T3截止，截止，LED4熄灭熄灭 另一常闭接点另一常闭接点J2-2(图中未绘出图中未绘出)也断开

22、，切断负载回路，避免蓄也断开，切断负载回路，避免蓄电池继续放电电池继续放电 闭合闭合K，蓄电池又，蓄电池又充电充电V3P1，表明扰动方向正确，光伏发电，表明扰动方向正确，光伏发电系统的工作点正靠近最大功率点，应继续增加输出电压；系统的工作点正靠近最大功率点，应继续增加输出电压；如果如果P20 且随着工作点靠近最大功率点且随着工作点靠近最大功率点而减小；而减小；v （3）在最大功率点的右侧，曲线的斜率）在最大功率点的右侧，曲线的斜率dP/dU0 且其绝对值且其绝对值dP/dU随着随着工作点靠近最大功率点而减小。工作点靠近最大功率点而减小。变步长最大功率点跟踪的基本原理变步长最大功率点跟踪的基本原

23、理v 综合分析可知：可以根据综合分析可知：可以根据dP/dU 的正负的正负来确定系统工作点相对于光伏最大功率点来确定系统工作点相对于光伏最大功率点的位置，从而确定扰动观测法下一步的扰的位置，从而确定扰动观测法下一步的扰动方向；可以根据动方向；可以根据dP/dU的大小来的大小来确定扰动观测法下一步的扰动步长，从而确定扰动观测法下一步的扰动步长，从而实现变步长最大功率点跟踪。因此，上一实现变步长最大功率点跟踪。因此，上一时刻的时刻的(t-1) ( 1) t P U （带正（带正负符号）来决定下一时刻光伏电池输出电负符号）来决定下一时刻光伏电池输出电压的扰动量压的扰动量 Ut 。MPPT的主要方法明

24、理知行明理知行 精工致远精工致远v 对于图对于图3-3 中光照强度为中光照强度为S1 下的光伏电池的下的光伏电池的P-U 特性曲线，特性曲线，t 时刻的光伏电池输时刻的光伏电池输出电压变化量和输出电压分别由以下两公式确定：出电压变化量和输出电压分别由以下两公式确定：变步长最大功率点跟踪的基本原理变步长最大功率点跟踪的基本原理公式（公式（3-11）中的系数）中的系数k 即为变步长因子。即为变步长因子。这样，光伏电池的输出电压的扰动量这样，光伏电池的输出电压的扰动量t U 就会随着工作点靠近最大功率点而变小，随就会随着工作点靠近最大功率点而变小，随着工作点远离最大功率点而变大，从而使最着工作点远离

25、最大功率点而变大，从而使最大功率点跟踪能够在不同的跟踪段采用不同大功率点跟踪能够在不同的跟踪段采用不同的跟踪步长，达到了变步长跟踪最大功率点的跟踪步长，达到了变步长跟踪最大功率点的目的。的目的。MPPT的主要方法明理知行明理知行 精工致远精工致远习题与思考题v光伏控制器的基本类型和主要作用？光伏控制器的基本类型和主要作用？v简述图简述图4.8中所示降压斩波电路的工作原理。中所示降压斩波电路的工作原理。v在图在图4.8所示的降压斩波电路中，已知电源所示的降压斩波电路中，已知电源Us50V，L值和值和C值极大，值极大，R20采用脉宽调控制方式，当采用脉宽调控制方式，当T40s，ton25s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo和和输出电流干均值输出电流干均值Iov直流开关电源的输入必须是交流吗？为什么？直流开关电源的输入必须是交流吗？为什么？v简述下简述下MPP控制的基本原理。控制的基本原理。