数字式太阳能电池阵列模拟器的研究与设计

【摘要】：在如今新能源的开发和利用中,光伏发电所占有的比重越来越大,因而对于光伏设备的研究和开发也日益增多。在研发过程中,由于受到环境条件的制约,利用真实的太阳能电池很难实现全天候的测试。太阳能电池阵列模拟器可以模拟任何环境条件下的太阳能电池阵列的输出外特性,可以大大缩短光伏发电系统的研发周期,提高研发效率。本文的研究内容如下: 首先就光伏发电以及太阳能电池技术的发展进行了简单回顾,从太阳能电池的内部结构入手,建立了其等效电路及数学模型,据此得到了太阳能电池的典型输出特性曲线,详细分析了该特性曲线与外界工作环境之间的关系,并就目前存在的两种光伏电池模拟方案:数字式与模拟式的优缺点进行了讨论,确定了以数字式作为本系统的实现方案。 从一个典型的光伏发电系统入手,详细介绍了系统各部分的作用及其工作原理,重点分析了实现太阳能电池最大功率跟踪的原理,它是通过控制光伏电池的输出电压来达到改变系统工作点的目的,由此可以看出需对光伏电池模拟器的输出电流作为直接控制量。然后就目前几种模拟器负载工作点的调节方案进行了讨论,指出了其不足之处,最终确定了本文基于电流反馈的控制策略。 对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。硬件部分包括:基于全桥变换器的DC-DC主功率电路、功能电路以及基于TM320F2809的DSP控制电路设计;软件部分包括:电流调节器的参数整定方案以及基于C语言和汇编语言混合编程的DSP控制程序设计。以上软硬件模块经过实际验证均能正常工作,为最终的系统实现奠定了良好的基础。 最后,给出了仿真和样机实验波形。稳态实验结果表明模拟器的稳态工作点能够与所模拟的太阳能电池阵列I-V输出特性曲线上的各点吻合,其模拟精度达到了规定的指标;动态实验结果表明模拟器具有良好的动态调节特性,能够满足后级最大功率跟踪需求。以上实验结果证明了本文所提出的模拟方案及控制策略的正确性和有效性。 【关键词】：光伏发电 数字式光伏电池阵列模拟器 全桥变换器 TM320F2809 电流反馈控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 新能源的开发与利用15
• 1.2 太阳能发电的优势与发展15-16
• 1.3 太阳能电池的发展16
• 1.4 太阳能电池原理与数学模型16-19
• 1.4.1 太阳能电池的内部结构及工作原理16-17
• 1.4.2 太阳能电池的等效电路及数学模型17-18
• 1.4.3 太阳能电池的输出特性曲线18-19
• 1.4.4 光照及温度条件对特性曲线的影响19
• 1.5 太阳能电池阵列模拟器19-20
• 1.5.1 模拟式太阳能电池阵列模拟器19-20
• 1.5.2 数字式太阳能电池阵列模拟器20
• 1.6 选题意义及课题内容20-22
• 1.6.1 选题的意义20-21
• 1.6.2 研究的内容21-22
• 第二章 太阳能电池阵列模拟器的控制策略研究22-31
• 2.1 光伏发电系统的构成及其工作原理22-24
• 2.2 太阳能电池阵列模拟器的系统结构24
• 2.3 太阳能电池阵列模拟器负载工作点的确定24-30
• 2.3.1 模拟器负载工作点24-25
• 2.3.2 确定模拟器负载工作点的策略25-30
• 2.3.2.1 特性曲线的确定方法26-28
• 2.3.2.2 寻找工作点的控制算法28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 太阳能电池阵列模拟器的硬件电路设计31-48
• 3.1 太阳能阵列模拟器的拓扑选择31-35
• 3.1.1 拓扑选择要求31-32
• 3.1.2 模拟器主功率拓扑的对比与选择32-35
• 3.2 全桥变换器的工作原理35-37
• 3.3 全桥变换器主电路设计37-43
• 3.3.1 变压器的设计38-41
• 3.3.2 功率开关管和整流二极管的选型41
• 3.3.3 输出滤波电感和电容的设计和选取41-43
• 3.3.4 缓冲电路的设计43
• 3.4 功能电路设计43-47
• 3.4.1 MOSFET 驱动电路设计43-44
• 3.4.2 电压、电流检测电路44-46
• 3.4.3 信号调理电路设计46-47
• 3.4.4 过压、过流保护电路设计47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 太阳能电池阵列模拟器的控制系统设计48-68
• 4.1 太阳能电池阵列模拟器的控制器设计48-54
• 4.1.1 确定系统控制方法48-49
• 4.1.2 绘制开环传递函数和控制对象的波特图49-51
• 4.1.3 补偿网络设计51-54
• 4.2 基于DSP 的控制器硬件电路设计54-58
• 4.2.1 TMS320F2809 简介54-55
• 4.2.2 DSP 最小硬件系统设计55-57
• 4.2.3 PWM 驱动接口设计57
• 4.2.4 ADC 外围电路设计57-58
• 4.3 基于DSP 的控制器软件系统设计58-67
• 4.3.1 软件系统整体设计58-64
• 4.3.1.1 编程语言的选择58-59
• 4.3.1.2 采样周期的确定59-60
• 4.3.1.3 DSP 硬件资源配置60-62
• 4.3.1.4 数据定标62-63
• 4.3.1.5 归一化处理63-64
• 4.3.2 主程序及功能模块程序设计64-67
• 4.3.2.1 主程序流程图64-65
• 4.3.2.2 中断程序流程图65
• 4.3.2.3 查表子程序设计65-66
• 4.3.2.4 电流控制器程序设计66-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 系统实验结果与分析68-80
• 5.1 仿真实验68-74
• 5.1.1 典型工作点的静态仿真实验结果68-71
• 5.1.2 动态仿真实验结果71-74
• 5.2 样机实验74-79
• 5.2.1 静态实验波形74-77
• 5.2.2 动态实验波形77-79
• 5.3 本章小结79-80
• 第六章 结论与展望80-81
• 6.1 全文总结80
• 6.2 工作展望80-81
• 参考文献81-84
• 致谢84-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85-86
• 附录86-87

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