基于ARM的独立光伏系统的研究与设计

【摘要】：作为独立光伏系统输入源的光伏电池，分析了其工作原理和等效电路，建立了一个满足一定精度的工程用模型，为应用仿真工具对算法进行验证以及改进奠定基础。对比研究了几种蓄电池，选用铅酸蓄电池作为系统的储能单元，结合最大功率点跟踪技术,采用了三段式的充电方法。第一阶段使用最大功率点跟踪来代替恒流充电，使用仿真软件验证了整个充电过程。应用搭建的模型进行了在不同外部环境下光伏电池输出特性的仿真测试，获得了满足实际情况的电压、电流、功率之间的关系曲线，有助于最大功率点跟踪算法的研究。 目前，作为光伏系统的一个组成部分，最大功率点跟踪技术的相关设计与应用得到了广泛的研究。本文通过对比研究现在比较流行的扰动观察法和电导增量法，分析了它们各自的跟踪原理以及区别，并且应用仿真工具进行验证，指出它们各自存在的不足。在此基础上提出了改进的模糊控制算法，选取功率的变化以及占空比的变化率作为输入，占空比作为输出。在建立模糊规则库的设计过程中加入了权重因子，使得在接近于最大功率点的时候控制量变化更加平缓，减小在稳定点的震荡。具体分析了进行阻抗变换的Buck电路，给出了理想的电路波形以及各元器件参数的选取条件。之后将模糊控制法连续的输入输出离散化，使得模糊推理转化成查询表，可提高微控制器的工作效率。 本文最后给出了系统的一个完整设计，包括充电器主电路的选择、DC/DC变换器中器件的选择、驱动电路的设计、采样电路的设计等。选用低功耗的ARM架构单片机进行蓄电池管理，系统扩展了无线充电模块，无线通信模块。在此基础上搭建了硬件平台，进行了波形的检测，验证了系统的功能原理。 【关键词】：光伏电池 最大功率点跟踪 改进模糊控制 蓄电池管理 系统设计
【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】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 图表清单9-11
• 注释表11-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题研究背景与意义12-13
• 1.1.1 改善环境与气候12-13
• 1.1.2 提供农村电力13
• 1.1.3 享有政策扶持13
• 1.2 光伏产业的现状及其发展13-15
• 1.2.1 国外发展现状14
• 1.2.2 国内发展现状14-15
• 1.3 光伏系统的分类及组成15-16
• 1.3.1 独立光伏发电系统15-16
• 1.3.2 并网光伏发电系统16
• 1.3.3 混合光伏发电系统16
• 1.4 最大功率点跟踪技术的发展16-17
• 1.5 课题的意义与主要工作17-19
• 1.5.1 课题的意义17
• 1.5.2 本文的主要工作17-19
• 第二章 电池特性及建模19-29
• 2.1 光伏电池工作原理与等效电路19-21
• 2.2 光伏电池的建模与仿真21-23
• 2.3 蓄电池充电管理23-29
• 2.3.1 蓄电池种类和性能23-24
• 2.3.2 铅酸蓄电池充电控制方法24-25
• 2.3.3 蓄电池充电策略设计25-29
• 第三章 最大功率点跟踪算法研究29-47
• 3.1 最大功率点跟踪算法原理29-30
• 3.2 最大功率点算法概述30-34
• 3.2.1 扰动观察法30
• 3.2.2 增量电导法30-31
• 3.2.3 开路电压/短路电流法31
• 3.2.4 模糊控制法31
• 3.2.5 神经元网络控制法31
• 3.2.6 算法的比较31-34
• 3.3 影响最大功率点跟踪的因素34-36
• 3.4 实现 MPPT 的 DC/DC 变换电路36-39
• 3.4.1 典型的 Buck 电路分析36-38
• 3.4.2 电路参数的选择38-39
• 3.5 模糊控制算法的研究39-47
• 3.5.1 控制方法的可行性分析39-40
• 3.5.2 模糊控制器设计40-43
• 3.5.3 模糊控制法仿真验证43-44
• 3.5.4 模糊控制法与扰动观察法的对比44-45
• 3.5.5 模糊控制法查询表转化45-47
• 第四章 独立光伏系统的设计与实现47-65
• 4.1 系统设计要求47-48
• 4.2 系统总体设计方案48-49
• 4.3 蓄电池充电器的设计49-55
• 4.3.1 功率电路设计49-52
• 4.3.2 充电器驱动电路设计52-53
• 4.3.3 蓄电池充电器实验结果53-55
• 4.4 无线充电器的设计55-59
• 4.4.1 电路架构及仿真56-57
• 4.4.2 无线充电器硬件电路设计57-58
• 4.4.3 无线充电器实验结果58-59
• 4.5 系统软件设计59-65
• 4.5.1 充电模式设计60-61
• 4.5.2 温度补偿61
• 4.5.3 FLASH 存储芯片61-62
• 4.5.4 TC35i 短信模块62-63
• 4.5.5 辅助功能63-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 5.1 工作总结65
• 5.2 未来工作展望65-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文72-73
• 附录73-76

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