一、研修内容及意义
风力摆控制系统1.1研修内容
本次研修主要是关于光伏系统DC/DC变换器的设计与仿真。要求深入学习和分析光伏发电系统的最大能量跟踪控制、DC/DC变换器的组成和工作原理。在此基础上，完成DC/DC变换器主电路和驱动保护电路的硬件设计，并在MATLAB SIMULINK平台上，完成控制系统的仿真。其中光伏发电系统的主要性能指标要求为：输入直流电压为30V-40V；输出直流电压为80V，输出额定容量为200W，瞬时最大功率为700W。 1.2 研修意义
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自从上世纪，世界上发生了2次石油危机。由此，光伏发电开始在世界范围内受到高度重视，并且发展十分迅速。光伏发电系统利用取之不尽用之不竭的太阳能进行发电，具有清洁性，安全性和广泛性。同时它还具有长寿命和免维护性、一定的实用性。除此之外，太阳能资源的充足性和潜在的巨大经济效益不仅是让我们从能源危机看到了新的希望，更是以一种新的方式为我们指引了未来发电的趋势。远期看来，光伏发电将以分散式电源进入
电力市场，逐步取代部分常规能源。光伏发电不仅可以作为常规能源的补充，还可以应用在特殊领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面。从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。
但是，面对目前光伏发电的现状，我们也不得不成这回总发电方式还存在着许多局限。众所周知，太阳能具有能量密度低，稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。由此导致了光伏发电受到时间周期、地理位置和气象条件的局限。此外，再解决光伏发电成本问题的基础上，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，当大功率、高电压、远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，将会给交流电网带来新的经济和稳定问题。同时我们还需要考虑运输成本问题。和传统能源相比，如矿物能源，石油，水能，原子能等，光伏能量的转换效率不能令人满意。目前常用的材料中，单晶硅的变换效率约为15%-17%，多晶硅的变换效率约为12%-14%，非晶硅的变换效率约为6%-10%。
对光伏系统的研究开发虽然面对重重难关，但却是大势所趋。从自动化方面，主要研究整个光伏发电系统的设计。本次研修主要针对整个光伏发电系统前端的DC/DC转换器部分进
行研究、设计和仿真。此部分不仅要解决将光伏电池产生并输入的不稳定的直流电压转化为稳定的直流电压和直流电流，还需要考虑最大能量跟踪控制，以保证最大可能的利用能源，提高系统效率。除此之外，此部分还涉及驱动电路和保护电路，从而保证整个DC/DC转换器能正常工作。
二、研修过程及结果
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2.1 概述
光伏发电系统由光伏电池组（包括控制器）、蓄电池（组）、逆变器等组成，其主要结构框图如图2.1所示：
图2.1 光伏发电系统主要结构图
其中，DC/DC转换器的主要作用为：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，将光伏电池产生的在一定范围内波
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）一般也是在这里实现。主要是控制开关管的占空比来达到电阻的匹配。考虑的此部分电路工作的稳定性，还需要为该部分电路加上驱动保护电路。
2.2 DC/DC变换器主电路图模块
2.2.1 模块基本原理
光伏发电系统的最大功率跟踪常采用的DC/DC变换电路拓扑结构有不同类型DC/DC变换器，亦称直流斩波器。其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直接电压变换为另一种直流电压，其中二极管是起续流作用，LC电路用来滤波。典型的DC/DC变化电路有降压式（buck）、升压式（boost）、升降压式（buck-boost）、库克式（cuk）等。
具体选择哪种类型的电路拓扑结构由系统的实际需要决定。本次研修任务要求输入直流电压为30V-40V；输出直流电压为48V。因此，考虑采用Boost电路，即升压斩波器。其输出平均电压大于输入电压，极性相同。特点是：只能升压，不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载，结构简单，常用于将较低的直流电压变换成为较高的直流电压。
升压式（boost）变换器是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。Boost主电路如图2.2所示。Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感和输出滤波电容构成。Boost变换器中电感在输入侧，一般称为升压电感。开关管Q为PWM控制方式，最大占空比必须限制，不允许在=1情况下工作。当Q导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时。当开关Q截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极管向负载供电，同时向电容充电，此时。 图2.2 Boost变换器主电路
Boost变换器有两种工作方式：电感电流连续和断续。图2.3、2.4给出了Boost变换器在不同开关模态时的等效电路。当电感电流连续时，Boost变换器存在来那个钟开关模态，如图2.3、2.4所示。而当电感电流断续时，Boost变换器存在三种模态，如图2.3、2.4、2.5所示。
变速箱试验台图2.3 Q导通 图2.4 Q关断
图2.5 Q关断时电感电流为零
（1）开关模态1[0，]：如图2.3所示
在时，开关管Q导通，电源电压全部加到升压电感上，电感电流线性增长。二极管D截止，负载由滤波电容供电。
当时，达到最大值。在Q导通期间，的增长量为：
（2）开关模态2[，]：如图2.4所示
在时刻，Q关断，通过二极管D向输出侧流动，电源功率和电感的储能向负载和电容转移，给充电。此时加在上的电压为，因为dopc，故线性减小。
当时，达到最小值。在Q截止期间，的减小量为：
在时，Q又导通，开始另一个开关周期。
由此可见，Boost变换器的工作分为两个阶段，Q导通时为电感储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储于电容的能量维持工作。Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容充电。因此Boost变换器的输入电流就是升压电感电流的平均值为。开关管和二极管轮流工作，Q导通时，流过它的电流就是；Q截止时，流过D的电流也就是。通过它们的和相加就是升压电感电流。稳态工作时电容充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，所以通过二极管D的电流平均值就是负载电流。稳态工作时，开关管Q导通期间电感电流的增长量等于它在开关管Q截止期间的减小量。
其中，故此电路只能起到升压作用。
2.2.2 模块的设计
转换器相关参数的设计的将直接影响到转换效率，利用改变开关管的占空比来跟踪太阳能电池的最大功率点，光伏电源能量通过转换器提供给负载，任何元件的功率损失都将影响整个系统的跟踪效率，因此选择适当的元件是这部分设计工作的重中之重。
（1）储能电感L的选取
假设电感的转换效率为100%，转换器工作在连续状态下，当光伏电池工作在最大功率容量(700W)时，由于，可得700/80=8.75A。根据
可得：，
临界负载电流可由下式计算得：
当D=1/3时，IOB有最大值，即。D值越接近1/3，IOB越大。令最小负载电流大于临界负载电流，由公式得
又DC/DC变换器的开关器件使用MOSFET，门极控制信号的工作频率为50khz()。当系统工作于光伏最大容量的状态下时，考虑占空比为0.5时，可得：
>耐高温盘根
