基于MPPT的光伏系统充电控制器的研究

【摘要】：光伏系统充电控制器将太阳能电池输出的电能储存到蓄电池中,是太阳能电池与蓄电池连接的枢纽。如何提高充电效率是光伏系统的一项关键技术,传统的蓄电池充电技术无法追踪到太阳能电池的最大功率点,造成能量损失,利用效率较低。本文对最大功率点跟踪技术进行了深入的研究,设计了一款基于MPPT的光伏系统充电控制器,提高能源的利用率。 本文首先分析了太阳能电池的输出特性,对最大功率点跟踪技术的控制原理及方法进行了研究,为了克服传统MPPT追踪速度慢、精度低、抗干扰能力差和输出效率低等缺点,通过对理想状况下太阳能电池输出特性的分析与仿真,找到了适用于小型光伏系统的MPPT控制策略。为了减小光伏系统的输出振荡,将人工免疫理论应与模糊MPPT算法相结合形成免疫模糊MPPT算法。同时结合对铅酸蓄电池三阶段动态模型的分析,对铅酸蓄电池的充电算法进行了深入的研究和探索,采用合理的控制策略,既充分利用了太阳能电池的输出能量,又与铅酸蓄电池的理想的充电曲线相符合。 其次对光伏系统充电控制器进行了硬件及软件设计。硬件方面,采用STM8S单片机作为控制器,选择Buck电路作为DC/DC变换拓扑,改变太阳能电池的负载特性,使其输出最大功率,并对检测电路、充电电路等进行了设计。软件方面,利用C语言编写了相应的控制程序和算法,完成了铅酸蓄电池充电模块及保护模块的软件设计,通过调整PWM的占空比进行最大功率跟踪,同时实现了蓄电池的分阶段充电算法。 最后通过对算法的仿真验证以及电路的测试,搭建了硬件实验平台并实现了软件设计的功能,实验结果表明本文设计的光伏系统充电控制器能快速稳定地追踪太阳能电池的最大功率点,并且根据铅酸蓄电池的电压状态采取相应的充电方式,充电控制器各个模块可以正常工作,满足设计需求。 【关键词】：光伏系统 最大功率跟踪控制 铅酸蓄电池 三阶段充电控制算法
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM910.6
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 充电控制器的研究现状11-12
• 1.3 光伏系统的分类、应用和组成12-15
• 1.3.1 光伏系统的分类12-14
• 1.3.2 独立光伏系统的应用14
• 1.3.3 独立光伏系统的基本组成14-15
• 1.4 课题研究的目的和意义15
• 1.5 课题研究的主要内容15-17
• 2 最大功率点跟踪算法的研究17-31
• 2.1 太阳能电池的工作特性17-21
• 2.1.1 太阳能电池的种类与特性参数17
• 2.1.2 太阳能电池的等效电路17-19
• 2.1.3 太阳能电池的输出特性19-21
• 2.1.4 负载对太阳能电池输出的影响21
• 2.1.5 太阳能电池的MATLAB/Simulink的仿真研究21
• 2.2 MPPT的基本原理21-22
• 2.3 常用MPPT算法分析22-25
• 2.4 基于模糊MPPT算法的改进算法25-30
• 2.4.1 免疫模糊MPPT算法25-28
• 2.4.2 免疫模糊MPPT算法的仿真研究28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 铅酸蓄电池充电算法的研究31-43
• 3.1 铅酸蓄电池三阶段动态数学模型31-32
• 3.2 外在因素对铅酸蓄电池寿命的影响32-34
• 3.2.1 充电电流32
• 3.2.2 放电电流32-33
• 3.2.3 充电电压33
• 3.2.4 放电终止电压33
• 3.2.5 温度33-34
• 3.3 光伏系统中铅酸蓄电池应用的特殊性34-35
• 3.3.1 光伏系统中铅酸蓄电池的作用34
• 3.3.2 光伏系统中使用铅酸蓄电池的特殊性34-35
• 3.4 常规铅酸蓄电池充电算法分析35-37
• 3.5 改进型铅酸蓄电池充电算法37-42
• 3.5.1 改进型三阶段充电算法的研究37-40
• 3.5.2 改进型充电算法的仿真研究40-41
• 3.5.3 过充保护41
• 3.5.4 过放保护41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 光伏系统充电控制器的硬件设计43-55
• 4.1 光伏系统充电控制器的整体设计43-45
• 4.1.1 DC/DC电路拓扑结构分析43-44
• 4.1.2 系统的设计要求44
• 4.1.3 光伏系统硬件电路的总体结构44-45
• 4.2 充电控制器主电路45-48
• 4.2.1 主控芯片选择45-46
• 4.2.2 Buck电路分析46-47
• 4.2.3 Buck电路各元件参数的计算47-48
• 4.3 光伏系统充电控制器的硬件设计48-54
• 4.3.1 电源电路设计48-49
• 4.3.2 检测电路设计49-51
• 4.3.3 功率开关管驱动电路51-52
• 4.3.4 LED显示电路设计52
• 4.3.5 MCU外围电路设计52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 光伏系统充电控制器的软件设计55-64
• 5.1 系统软件方案设计55
• 5.2 充电控制器的软件设计55-62
• 5.2.1 主程序模块56-57
• 5.2.2 中断程序模块57
• 5.2.3 TIM模块57-58
• 5.2.4 A/D采集的数据处理58-59
• 5.2.5 阈值判断的软件滤波59-60
• 5.2.6 A/D转换及DMA接收程序模块60
• 5.2.7 MPPT算法程序模块60-61
• 5.2.8 充电过程控制模块61-62
• 5.2.9 数据的保护与恢复62
• 5.3 软件编写中注意的问题62-63
• 5.3.1 软启动62
• 5.3.2 避免溢出现象62
• 5.3.3 截断误差62
• 5.3.4 程序抗干扰的方法62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 6 光伏系统充电控制器的实验研究64-67
• 6.1 光伏系统充电控制器主开关管驱动波形64-65
• 6.2 光伏系统充电控制器的充电测试65-66
• 6.3 本章小结66-67
• 7 结论67-70
• 7.1 全文总结67
• 7.2 未来工作的展望67-70
• 参考文献70-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文73-74
• 致谢74-76

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