独立光伏发电系统及其最大功率追踪算法的研究

【摘要】：推广使用独立光伏发电系统，不仅解决了部分地区的供电问题，满足了国计民生的需求，也能缓解对不可再生化石能源的依赖，还有利于环境保护，因此，独立光伏发电系统的研究成为了新能源发电与应用领域的重要研究内容。 本文首先介绍独立光伏发电系统的原理以及太阳能电池的等效电路和工程数学模型，建立了太阳能电池的仿真模型，对太阳能电池在标准测试条件和变环境条件的I-V、P-V特性曲线进行了仿真，为光伏发电系统的研究奠定了良好的基础。 对基于BUCK电路的光伏MPPT系统进行了分析，得出了MPPT的实现条件。介绍并比较了光伏系统中常用MPPT算法的原理及优缺点，针对常用的扰动观察法在追踪速度、精确度等方面的不足，提出了一种基于功率阈值的变步长扰动MPPT算法，通过在Matlab中建立MPPT仿真模型，对新算法进行了验证。 研究了逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)技术，建立了单相逆变器的数学模型和开环控制框图，为控制系统的设计和仿真奠定了基础。对逆变器引入了电压瞬时值PID闭环控制，并采用闭环极点配置的方法设计了PID控制器的参数，最后通过建立单相逆变器的闭环仿真模型，对单相SPWM逆变器进行了仿真分析。 为了检验本文所述方法和理论的正确性，进行了独立光伏发电系统的软硬件设计，详细介绍了系统的硬件和软件设计思想，搭建了一套基于DSP2812的控制平台。在实验平台上试验测试了MPPT算法在系统启动、环境剧烈变化、环境不变以及负载变化时的性能，并与传统的扰动观察法进行了对比实验，还检验了单相逆变器在电压闭环控制时，分别接入阻性负载、非线性负载以及空载时的输出电压电流波形质量。实验表明，改进型MPPT算法响应速度快且在最大功率点处工作稳定，具有比传统算法更好的性能，大幅提高了光伏系统的整体效率；逆变器采用电压瞬时值PID控制时，能够输出良好的正弦波，满足独立光伏发电系统给多种负荷供电的要求。 【关键词】：光伏系统 特征曲线 最大功率点跟踪 逆变器 闭环控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 插图索引11-13
• 附表索引13-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 光伏发电的发展与优势14-15
• 1.2 典型的光伏发电系统15-17
• 1.2.1 并网型光伏发电系统15-16
• 1.2.2 无蓄电池的直流光伏发电系统16
• 1.2.3 有蓄电池的直流光伏发电系统16-17
• 1.2.4 交直流混合独立光伏发电系统17
• 1.2.5 市电互补型独立光伏发电系统17
• 1.3 国内外独立光伏发电系统的研究现状17-19
• 1.3.1 太阳能电池的 MPPT 控制18
• 1.3.2 逆变器控制18-19
• 1.4 论文研究内容与结构19-21
• 1.4.1 论文研究内容19-20
• 1.4.2 论文结构20-21
• 第2章 独立光伏发电系统的基本特性21-30
• 2.1 独立光伏发电系统的组成与能量流动模型21-24
• 2.1.1 独立光伏发电系统的组成与功能21-23
• 2.1.2 独立光伏发电系统的能量流动模型23-24
• 2.2 太阳能电池的数学模型与仿真验证24-29
• 2.2.1 光伏电池的数学模型24-25
• 2.2.2 光伏电池数学模型的仿真与验证25-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 最大功率跟踪的实现条件与算法研究30-45
• 3.1 MPPT 的实现条件30-33
• 3.1.1 BUCK 电路的输入端电阻30-31
• 3.1.2 阻性负载 MPPT 实现的基本条件31-32
• 3.1.3 MPPT 实现的负载电阻选择原则32-33
• 3.2 传统 MPPT 算法33-38
• 3.2.1 定填充系数法34
• 3.2.2 定时(电压或电流)扫描法34-35
• 3.2.3 扰动观察法35-36
• 3.2.4 电导增量法36-38
• 3.3 改进型变步长扰动 MPPT 算法38-42
• 3.3.1 变步长扰动因子38-39
• 3.3.2 变步长扰动算法39-40
• 3.3.3 稳定追踪阈值判别40-41
• 3.3.4 阈值判别的实现41
• 3.3.5 х的优化设计41-42
• 3.4 算法的对比仿真验证42-44
• 3.4.1 光照阶跃变化时的仿真43
• 3.4.2 光照正弦变化时的仿真43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 单相逆变电源研究45-56
• 4.1 单相逆变器电路拓扑结构45
• 4.2 正弦脉宽调制技术45-47
• 4.2.1 双极性调制45-46
• 4.2.2 单极性调制46-47
• 4.2.3 倍频单极性调制47
• 4.3 单相全桥逆变器开环模型47-50
• 4.3.1 脉宽调制与逆变器环节48-49
• 4.3.2 升压与 LC 滤波环节49-50
• 4.4 单相逆变器闭环控制设计50-52
• 4.4.1 PID 控制原理50-51
• 4.4.2 逆变器闭环极点配置51-52
• 4.5 算例及仿真验证52-55
• 4.5.1 设计实例52
• 4.5.2 仿真验证52-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 独立光伏系统软硬件设计56-73
• 5.1 系统硬件设计56-68
• 5.1.1 光伏阵列56-57
• 5.1.2 控制板电路57-59
• 5.1.3 信号处理与保护电路59-63
• 5.1.4 主电路与驱动电路63-68
• 5.2 系统软件设计68-72
• 5.2.1 主程序模块68-70
• 5.2.2 保护中断子程序70-71
• 5.2.3 A/D 中断子程序71-72
• 5.2.4 下溢中断子程序72
• 5.3 本章小结72-73
• 第6章 实验研究与结果73-80
• 6.1 实验参数73
• 6.2 MPPT 实验结果73-78
• 6.2.1 动态追踪实验73-75
• 6.2.2 MPP 处稳定运行实验75-76
• 6.2.3 多种情况下的功率对比实验76-77
• 6.2.4 MPPT 实现条件验证与负载扰动实验77-78
• 6.3 逆变器实验波形78-79
• 6.4 本章小结79-80
• 结论80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 附录 A(独立光伏发电系统实物图)87

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