基于IPC的光伏阵列模拟器研究与设计

【摘要】：全球化石能源日益枯竭在使用中释放温室气体导致全球变暖、环境污染等影响，绿色能源开发利用越来越被各国所重视，其中利用太阳能光伏发电是各国绿色能源研究的重点之一。光伏设备在研发、性能测试过程中需要光伏组件的输出作为输入，由于大功率光伏组件价格昂贵，占地面积大，功率输出受环境影响等不利因素，往往不能满足设备研发过程中的需要，为了摆脱此困境国内外学者提出了光伏阵列模拟的概念，利用光伏阵列模拟装置替代传统的光伏组件增大实验的灵活性，所以光伏阵列模拟器的研发为光伏发电设备的研究奠定了硬件基础。 本文首先介绍了全球光伏产业的发展现状，国内外光伏阵列模拟器的研究现状，总结了数字式与模拟式光伏阵列模拟器各自的特点与应用场合。与早期的模拟式光伏阵列模拟器相比现代电力电子技术的发展，控制技术的提高使数字式光伏阵列模拟器成为研究的热点。文中讨论了几种典型数字式光伏阵列模拟器并分析其可能存在的不足，最后确定本课题以数字式光伏阵列模拟器为实现方案。 模拟器实现以光伏组件数学模型为理论基础，利用数学模型实时计算模拟器此时应输出I-V，作为控制输出用的数学模型应在满足精度要求的前提下，符合模型简洁方便编程原则。论文研究了硅光伏组件的工作原理与物理数学模型，讨论了目前几种常用光伏阵列工程用数学模型。现有的工程用数学精度较高但是模型复杂存在多次指数运算不利于编程与控制器计算，本课题以目前应用最为广泛的光伏阵列数学模型为基础，推导出一种新型工程数学模型—光伏阵列幂函数模型，并将其应用于光伏阵列模拟器的设计。 论文通过在matlab/Simulink下对幂函数模型与指数模型进行仿真对比验证其正确性，利用Simulink对模拟器的控制方法进行仿真。光伏阵列模拟器由上位机软件的计算与实时显示界面，与下位机的电源控制主电路组成。主电路采用模块化设计可以根据需要增减电源控制模块实现不同功率的光伏组件输出模拟，最后课题把在同条件下理论输出与模拟器输出作对比验证了模拟器设计的正确性。 【关键词】：光伏阵列 幂函数模型 模拟器 I-V特性
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 课题研究背景9-12
• 1.1.1 新能源的地位9
• 1.1.2 国内外太阳能使用现状9-10
• 1.1.3 太阳能光伏系统的种类与基本结构10-11
• 1.1.4 国内外光伏利用概况11-12
• 1.1.5 我国光伏产业发展现状12
• 1.2 研究光伏阵列模拟器的意义12-16
• 1.2.1 光伏阵列模拟器概述12-14
• 1.2.2 国内外光伏阵列模拟器研究现状14-15
• 1.2.3 选题意义15-16
• 1.3 本文研究内容16-17
• 1.4 论文结构安排17-18
• 第二章 太阳能光伏组件数学模型18-29
• 2.1 太阳能光伏电池工作原理18-19
• 2.2 太阳能电池电路理论模型19-20
• 2.3 光伏电池工程用指数模型20-21
• 2.4 光伏阵列分段拟合模型21-22
• 2.5 光伏阵列幂函数拟合模型22-28
• 2.5.1 光伏阵列幂函数数学模型的建立23-24
• 2.5.2 幂函数模型的推导24-25
• 2.5.3 两种工程数学模型与实测数据对比25-28
• 2.5.4 两种数学模型编程难易程度与控制器计算速度的对比28
• 2.6 两种工程用数学模型的优缺点28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 光伏阵列模拟器负载工作点跟踪策略与仿真实现29-37
• 3.1 光伏阵列模拟器负载工作点29-30
• 3.2 负载工作点跟踪算法30-34
• 3.2.1 负载工作点确定算法 1（逐点差值比较法）30-32
• 3.2.2 负载工点确定算法 2（嵌套逐点比较法）32-34
• 3.3 光伏阵列模拟器控制系统仿真34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 基于 IPC 的光伏阵列模拟器设计37-59
• 4.1 模拟器系统设计方案37-38
• 4.1.1 系统控制硬件实现37-38
• 4.2 光伏阵列模拟器主电路设计38-49
• 4.2.1 DC/DC 变换器拓扑结构的选择与设计38-43
• 4.2.2 模拟器各部分电路设计43-49
• 4.3 基于 IPC 的光伏阵列模拟器控制系统软件设计49-58
• 4.3.1 下位机程序设计49-52
• 4.3.2 上位机程序设计52-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 数据分析与样机测试59-65
• 5.1 脉宽调制信号测试59-60
• 5.2 MOS 管触发性能与滤波电路测试60-61
• 5.3 模拟器动态性能测试61-62
• 5.4 模拟器静态效果62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 结论与展望65-66
• 参考文献66-69
• 附录69-70
• 硕士期间发表论文70-71
• 致谢71

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