光伏电子线路分析与设计6.1 BOOST升压电路

一、教案头

本次课标题：BOOST升压电路

授课班级 光伏 上课时间 2课时 上课地点 理工南104 教能力（技能）目标 知识目标 学目掌握BOOST升压电路工作原理分析 BOOST升压原理 标 掌握BOOST电路分析 将直流电能转换为另一种固定电压或电压可调的直流电能的电路称为直流斩波电路。它利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，因此也称为开关型DC/DC 变换电路或直流斩波电路。直流斩波电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因素校正，逆变器以及其他领域的交直流电源等。 【案例引导】 测试电路如下图6.2所示，测量输入与输出关系。 ILXFG1L130mHR21ΩQ1D1+C11µFRLuo10kΩ通道2：输入直流电压信号通道2：输出直流电压信号能力训练任务及案 例 Ud20 V 驱动信号- (a)BOOST测试电路 (b)输出波形 图6.2 BOOST升压电路(multisim) 调试电路，输出电压会随着函数信号发生器占空比的改变而改变。占空比越大，输出电压越高，反之较小，但是输出电压高于输入电压。 接下来我们来分析下BOOST电路的工作原理 【项目任务】 构建BOOST升压电路，输入15V，输出50V。 【预习练习】 1. 在光伏控制电路中，BOOST电路是用来提升直流电压。 2. BOOST升压电路中，输出电压、占空比及输出电压之间关系为：UoUd。 1D【信息单】 一、直流斩波电路的基本原理 基本的直流变换电路原理如图6.3所示，T为全控型开关管，R为纯电阻性负载。当开关T 在时间Ton开通时，电流流经负载电阻R，R 两端就有电压；开关T 在时间Toff关断时，R中电流为零，电压也就变为零。直流变换电路的负载电压波形如图6.3(b)。 T+-RTonTs(a) 直流斩波原理图 (b)输出波形 图6.3直流斩波原理示意图 uoToffT 定义上述电路中脉冲的占空比： DTonTon TsTonToff (5-1) 其中Ts为为开关管T的工作周期，Ton为开关管T 的导通时间。由图6.3(b)的波形可知，输出电压的平均值为： UO1TsTs0UddtTonUdDUd TS (5-2) 此式说明，控制开关管的导通与关断来控制就可以达到控制输出电压。 二、BOOST升压过程 直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路为升压变换电路，又称为Boost电路。电路如图6.2所示。 图中Q1为开关管， D1是快恢复二极管，XFG1为频率和占空比都可调的函数发生器， 用于产生驱动开关器件Q1所需的脉冲信号。假设输入电源电压为Ud，输出负载电压为Uo，流过电感的电流为IL。当Q1在出发信号作用下导通时，电路处于Ton工作器件，D 承受反向电压而截止。一方面，能量从直流电源输入并存储到L中，电感电流从I1线性增大到I2；另一方面，负载RL由C提供能量，显然，L 中的感应电动势与Ud相等。则有 UdLI2I1ILL TonTon (5-3) TonLIL Ud (5-4) 当T被控制信号关断时，电路处于Toff工作期间，D导通，由于L中的电流不能突变，产生感应电动势阻止电流减小，此时L中存储的能量经D给C充电，同时也向R提供能量。在理想条件下，电感电流从I2线性减小到I1，由于L上的电压等于UO-Ud，因此可得 UoUdLIL Ton (5-5) Toff则有： LIL UoUd (5-6) UdTonUoUdToff LLUoTonToffToffUdUd 1D (5-7) 其中，D为占空比。当D=0时，Uo=Ud，但D不能为1，因此在0≤D＜1变化范围内，输出电压总是大于或等于输入电压。在理想条件下，电源输出电流和负载电流的关系为 I变换器的开关周期为Ts，则： Id 1D (5-8) TsTonToffLUoIL Ud(UoUd) (5-9) Il式中f为开关管的频率。 Ud(UoUd)UdD fLUOfL由上式可知，电感电流的脉动引起输出电压的脉动，为减小输出电压纹波，可以采取增大电感L或者提高频率的方法。一般来说，电感值的增大会引起电感体积的增大，所以应选择合理的电感值，提高斩波频率即开关器件的开关频率是一种有效的方法。另外一种常用方法为在负载两端并联电容，使得△IL=△Ic，即输出电压纹波可以看成是交流分量经电容进入接地端，从而稳定输出电压。在实际设计电路时，电感L、电容C、开关频率f值的确定比较困难。 三、案例分析 电路的仿真模型如图6.4所示，各参数设置为输入电压Ud=50V，R=50Ω，C=4.7mF，D=50%，由上可知，改变开关频率f，电感L 的值可以有效的抑制电流的脉动，从而使负载处电压保持稳定，分别讨论f和L的取值对输出变压波形的影响。 1.电感对输出电压波形的影响 分别取L1 =50mH，L2 =500mH，f=100Hz，利用虚拟示波器观察其仿真的输出电压波形如图6.4所示，其中图6.4 (a)分别为电感为L1时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形，图6.4 (b)为电感为L2 时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形。 通道2,输出波形通道2,输出波形通道1,驱动波形L=50mH,f=100HZ,D=0.5L=500mH,f=100HZ,D=0.5通道1,驱动波形 (a) L1 =50mH 输出波形 (b) L2 =500mH输出波形 图6.4电感对输出电压波形的影响 从图6.4 (a)、(b)比较可以看出，随电感的增大，输出电压进入稳态的时间差别较大，当L 取50mH 时，大约经240ms 进入稳态状态，而当L 取500mH时，大约经480ms进入稳态。 2）开关频率对输出电压波形的影响 取L=50mH，f=1000Hz，电压波形如图6.5所示，其中图6.5(a)、(b)分别为电感的负载电压波形和电路进入稳态后的一段电压波形，从图中可以看出适当增大频率后，负载输出电压波形稳定，脉动极小，完全适合工程应用的需要。开关频率越大，理论上来说输出电压的脉动就越小，但是此时开关器件的损耗正大，同时在电感上的感抗增大。所以，在提高开关频率的时候应考虑开关损耗对电路的影响。 通道2,输出波形通道2,输出波形通道1,驱动波形L=50mH,f=1000HZ,D=0.5L=50mH,f=1000HZ,D=0.5通道1,驱动波形 (a) 暂态输出波形 (b) 稳态输出波形 图6.5开关频率对输出电压波形的影响 通过以上分析可以看出，输出电压Uo约为100V，与升压理论的分析一致，考虑到成本与输出电压的稳定度，确定该模型的最佳参数为：电感L=50mH，开关频率f=1kHz，电容的选取尽量稍大为好，此处选取C=4.7mF 符合工程设计的需要。 将直流电能转换为另一种固定电压或电压可调的直流电能的电路称为直流斩波电路。它利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，因此也称为开关型DC/DC 变换电路或直流斩波电路。直流斩波电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因素校正，逆变器以及其他领域的交直流电源等 参王志伟.电子技术.北京.化学工业出版社.2010 考资詹新生，模拟电子技术项目化教程，清华大学出版社，20.11 料 二、教学设计 步骤 导 引入 任务1 总结 任务2 BOOST电路 阐述 多媒体、课件 10 多媒体课件 卡纸发 多媒体课件 小组测试 小组回答 操练 问题回答 小组讨论 多媒体课件 多媒体课件 多媒体课件 问题回答 问题回答 问题回答 20 5 20 5 2 18 5 教学内容 教学方法 教学手段 学生活动 时间分配 5 案例引升压电路作用 简述、设问 多媒体、课件 问题回答 廖东进.光伏电子线路分析与制作（校本教材）.2015 直流斩波电路 行动导向 方法和原理 讨论 BOOST升压小组讨论 过程 总结 任务3 总结 方法和原理 参数设置分析 小组讨论 方法和原理总教师总结 结 作业 课外时间 单元知 识片总结

一、教案头

本次课标题：蓄电池的选择及容量设计

授课班级 光伏 教学目标 能力（技能）目标 能太阳能用蓄电池类型的选择； 能对蓄电池容量进行计算； 上课时间 4课时 知识目标 上课地点 理工南211 碱性蓄电池 密封型铅酸蓄电池 确定蓄电池容量的主要因素 光伏电站蓄电池容量的计算方法 任务描述： 在光型太阳能发电系统中，对蓄电池的要求主要与当地的气候和使用方式有关，因此各有不同。选择何种蓄电池及蓄电池容量，直接关系到光伏发电系统成本及技术指标。 案例引导：分析太阳能路灯系统蓄电池容量需求 查阅相关资料填写下表，分析太阳能路灯系统蓄电池容量需求。 能力 训任务1：光伏电站蓄电池容量的计算方法 练例如，按宁波太阳能电源有限公司提供的晶体电池组件，对浙江南都电源动力股份任务有限公司的阀控式密封铅酸蓄电池进行选型。基本要求为：可为400W的负载连续5天阴及案雨天的情况下供电；蓄电池能放电到其额定容量的75%-80%，性能正常，并保证具有5年例 使用寿命。 南都AGM电池放电容量如表4-3所示。 表4-3 AGM电池的放电容量/Ah 电池类型 GFM-800 GFM-1000 GFM-1500 10h放电容量 870-900 1060-1090 1700-1720 负载功率 日工作时间 日照时数 最大连续阴雨天数 容量 3h放电容量 620-673.3 825-900 1216-1237 1h放电容量 403-469.3 625-675 800-850 参廖东进.光伏发电系统集成与设计.北京.化学工业出版社.2013 考王长贵.太阳能光伏发电使用技术.北京.化学工业出版社.2010 资料 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.北京.人民邮电出版社.2010 二、教学设计 步骤 教学内容 教学方法 教学手段 学生活动 时间分配 告知（教蓄电池是光伏简述、设问 学内容、发电系统的重目的） 引入 要组成部分 如何降低蓄电案例法 池成本和保障系统的安全运行 多媒体、课件 问题回答 8分钟 多媒体、课件 明确任12分钟 务，回答问题 子项目1 蓄电池容量设讲述、示范、边讲边做 计 方法1 讨论 小组讨论30分钟 回答 20 方法1（蓄电池教师讲述与学多媒体课件、 提问 并联使用） 生总结相结合 小组讨论10 回答 20 方法2 不同型号的车讲述、示范、边讲边做 并联使用 讨论 小组总不同方法的优教师讲述与学卡纸法、多媒讨论 结 作业 后记

缺点分析 生总结相结合 体课件 课外时间 一、教案头

本次课标题：超级电容器应用

授课班级 光伏 能力（技能）目标 教能分析超级电容器特性； 学目能计算超级电容器容量； 标 上课时间 4课时 知识目标 单体电池的串联特性； 单体电池的并联特性； 上课地点 理工南211 能在光伏发电系统应用超级电容器； 单体电池串并联输出特性； 任务1 超级电容容量计算 任务描述 超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，它具有蓄电池无法比拟的特点：充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，其储能的过程并不发生化学反应，并且这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。 主要案例分析内容如下： 计算举例如下： 能力工作时间为每天3小时，草坪灯正常工作电压为1.7V，截止工作电压为0.8V，求需要多训大容量的超级电容能够保证草坪灯正常工作？ 练由以上公式可知： 任务正常工作电压U1=1.7V; 及截止工作电压Uo=0.8V; 案例 工作时间T=10800s; 工作电流I=0.015A; 那么所需的电容容量为： 一只太阳能草坪灯电路，应用超级电容作为储能蓄电元件，草坪灯工作电流为15mA，C(U1U0)IT(1.70.8)0.01510800180F 22221.70.8U1U0根据计算结果，选择耐压2.5V、180～200F超级电容就可以满足工作需要了。 任务2：超级电容电路案例实施 任务告知：完成超级电容容量设计并实施测试 1. 设计简单电路完成超级电容应用及测试； 2.理论分析超级电容容量设计依据； 3.分析超级电容放电过程； 3.项目载体：由光伏电池、超级电容、负载三部分组成，设计项目功能，并验证蓄电池容量设计的可行性分析，放电时间设置可控和可测。 二、课程引入 项目实施内容见4.3节超级电容器中的容量设计内容 实施说明：要求电路简单，不用设计较大的控制电路。（在实施过程中，超级电容给定） 三、计划（附相关说明） 1.设计满足特定负载情况下超级电容容量设计（理论容量）； 2.设计超级电容项目实施电路原理图； 3.设计超级电容放电过程测量。 四、项目实施（附数据表） 1.电路设计和项目实施。 2.数据表测量与分析。 参廖东进.光伏发电系统集成与设计.北京.化学工业出版社.2013 考王长贵.太阳能光伏发电使用技术.北京.化学工业出版社.2010 资料 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.北京.人民邮电出版社.2010 二、教学设计 步骤 教学内容 教学方法 教学手段 学生活动 时间分配 8分钟 告知（教电池方阵的排简述、设问 学内容、序 目的） 引入 多媒体、课件 问题回答 如何进行电池其他应用（设多媒体、课件 明确任12分钟 方阵串并联，问） 考虑因素是什么？ 务，回答问题 子项目1 超级电容容量行动导向 计算 卡纸法、操作 小组讨论40分钟 回答 小组练超级电容容量教师讲述与学多媒体课件、 提问 习与总计算的方法和生总结相结合 结 步骤 卡纸法 10 子项目2 超级电容电路行动导向 案例实施 小组讨论20 回答 60 小组练电路测试与调教师讲述与学卡纸法、多媒讨论 习与总试 结 归纳总超级电容的应教师讲述与学多媒体 结 作业 后记

生总结相结合 体课件 对提交答15分钟 案点评 课外时间 用与光伏系统 生总结相结合 课件