交互式数字光伏阵列模拟器的研究

【摘要】：面对能源危机,太阳能作为一种新型的可再生资源受到越来越广泛的重视和研究,但是科研中光伏电池易受环境影响且使用不方便,所以本文设计一种新型的光伏电池阵列模拟器,能跟随输出任意环境条件下的光伏电池输出特性曲线,可方便实验室开发光伏发电系统,深入实验研究。 本文选用半桥DC/DC变换器作为模拟器的主功率电路,采用数学信号处理器作为控制核心,研究设计了一种最大输出功率为1kW的光伏电池阵列模拟器。首先在对光伏电池输出特性曲线进行精确数学建模的基础上采用多项式拟合简化模型,并设计了一种新型快速收敛的模拟器工作点搜寻计算方式。在半桥变换器电路准确建模的基础上设计数字PID控制器并创新性的采用数字积分分离法,有效的改善了模拟器的动态性能及动态超调量,使模拟器在所有的负载域内都有良好的动态及稳态效果。 本文使用LabVIEW设计了人机交互界面,使整个模拟器的使用更为简易,可方便切换电池规格及环境参数。同时人机交互界面所带的示波器能实时显示模拟器的输出电压电流及功率信息,方便使用者观察模拟器状态。 最后在理论分析的基础上,设计制作了一台实验样机,实验结果证明了文本的设计方案及控制策略的可行性。 【关键词】：光伏电池模拟器 输出特性曲线 数字PID控制器 半桥变换器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景9-10
• 1.1.1 化石能源危机及太阳能开发前景9
• 1.1.2 光伏发电系统发展综述9-10
• 1.1.3 光伏电池阵列简介10
• 1.2 本课题国内外的研究现状及意义10-12
• 1.2.1 本课题国内外的研究现状10-11
• 1.2.2 本课题研究意义11-12
• 1.3 课题主要研究内容12-14
• 第2章 光伏电池输出特性分析及多项式拟合14-22
• 2.1 光伏电池阵列工作原理14-15
• 2.1.1 光伏电池阵列输出特性14-15
• 2.1.2 光伏电池工作等效电路模型15
• 2.2 光伏电池输出特性数学建模分析15-19
• 2.2.1 光伏电池数学建模及模型简化15-17
• 2.2.2 环境参量对数学模型的影响17-19
• 2.3 光伏电池输出特性曲线多项式拟合19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 光伏电池阵列模拟器主电路设计22-38
• 3.1 主功率硬件电路设计及分析22-30
• 3.1.1 电路拓扑分析比较22-24
• 3.1.2 半桥变换器变压器设计24-26
• 3.1.3 半桥变换器小信号建模26-30
• 3.2 电压闭环PID控制器设计30-37
• 3.2.1 PID控制器原理30-33
• 3.2.2 PID控制器参数整定及系统稳定性分析33-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第4章 光伏电池模拟器系统软件设计38-48
• 4.1 光伏电池模拟器静态工作点搜寻策略38-43
• 4.1.1 光伏电池模拟器静态工作点38-39
• 4.1.2 光伏电池模拟器工作原理分析39-40
• 4.1.3 搜寻负载静态工作点算法40-43
• 4.2 数字PID控制器软件设计43-46
• 4.2.1 模拟控制器的离散化43
• 4.2.2 数字PID控制器算法实现43-45
• 4.2.3 数字PID控制器优化算法45-46
• 4.3 光伏电池模拟器程序架构设计46-47
• 4.3.1 主控制程序设计46-47
• 4.3.2 系统保护程序设计47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 基于LabVIEW的人机交互界面设计48-51
• 5.1 虚拟仪器开发环境简介48
• 5.2 人机交互界面功能介绍48-50
• 5.2.1 光伏电池阵列模拟器输出信息显示48-49
• 5.2.2 数据交换通信协议设置49
• 5.2.3 光伏电池规格及环境参数设置49-50
• 5.3 本章小结50-51
• 第6章 光伏电池模拟器实验结果及分析51-60
• 6.1 光伏电池模拟器样机介绍51-52
• 6.2 模拟器实验结果及相关波形52-59
• 6.2.1 模拟器最大功率点附近工作状态52-53
• 6.2.2 开路电压附近工作状态53
• 6.2.3 模拟器输出特性曲线跟随性测试53-54
• 6.2.4 系统动态性能测试54-56
• 6.2.5 环境参数变化动态过程实验56-58
• 6.2.6 人机界面输出信息显示效果58-59
• 6.3 本章小结59-60
• 总结与展望60-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66
• 作者简历66

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