小功率交流独立光伏发电系统的研究

【摘要】：随着传统化石能源的短缺和环境污染问题的加重，世界各国对可再生能源的开发利用愈发重视。光伏发电作为太阳能资源的一种开发利用方式，对缓解能源危机和环境污染具有重大意义，而成为研究的热点。最近几年，各国对大功率的光伏并网发电系统展开了广泛而深入的研究，而中小功率的独立光伏发电系统同样具有广阔的应用前景。 本文以小功率的交流独立光伏发电系统为研究对象，设计了一种以光伏电池作为一次电源、蓄电池为储能设备的光伏发电系统，该系统由光伏电池、蓄电池、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、全桥逆变器以及交流负载构成。对系统的工作模式及控制策略开展了研究。 为了更好地对光伏电池的特性进行分析，在其等效电路模型的基础上，根据光伏电池的四个特性参数：开路输出电压Voc、短路输出电流Isc、最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im，建立了光伏电池的工程用非线性数学模型，并在Matlab/Simulink环境下建立了其仿真模型，通过仿真验证了此模型的可行性。对于光伏电池来说，实现其最大功率点跟踪是一个很重要的问题，本文分析比较了几种常用的实现光伏电池MPPT的方法，阐述了这几种方法的优缺点。 在光伏电池和蓄电池的不同工作状态下，系统有四种不同的工作模式，本文对系统中的变换器在不同工作模式下的工作状态进行了分析。单向变换器和双向变换器在不同的工作模式下有三种不同的工作模式，全桥逆变器有两种不同的工作模式，为了使系统中的三个变换器配合工作，本文制定了系统的能量管理策略，其关键是根据光伏电池和蓄电池的不同工作状态，控制系统中的三个变换器工作在相应的模式，使得系统中的两个能量源：光伏电池和蓄电池配合工作，保证对负载的稳定供电。 由于系统中的单向变换器和双向变换器在非关断状态下分别具有两种不同的工作模式，本文制定了两个变换器在不同工作模式下的控制策略，分别采用了两套不同的控制器对两个变换器进行控制，每个控制器的参数可以独立调节，加强了系统的灵活性。 最后对独立光伏发电系统进行了仿真和硬件实验的验证，对系统在不同工作模式下的工作状态进行了仿真和实验的分析，仿真和实验的结果与理论分析相符，验证了系统制定的控制策略的可行性。 【关键词】：光伏发电 最大功率点跟踪 能量管理 独立系统 蓄电池
【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】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 光伏发电技术现状与发展趋势15-17
• 1.2 光伏发电系统概述17-20
• 1.2.1 独立式光伏发电系统17-18
• 1.2.2 并网式光伏发电系统18-19
• 1.2.3 可调度式和不可调度式光伏发电系统19-20
• 1.3 本课题的研究内容及意义20-21
• 第二章 太阳能电池的数学模型及最大功率点跟踪21-32
• 2.1 概述21
• 2.2 光伏电池的工作原理及输出特性21-24
• 2.2.1 光伏电池的等效电路模型21-22
• 2.2.2 光伏电池的 I-V 特性曲线和 P-V 特性曲线22-23
• 2.2.3 光照强度和环境温度对光伏电池输出特性的影响23-24
• 2.3 常用的最大功率点跟踪方法24-28
• 2.3.1 恒定电压法24-25
• 2.3.2 扰动观察法25-26
• 2.3.3 电导增量法26-28
• 2.3.4 三种常用最大功率点跟踪方法的比较28
• 2.4 光伏电池的工程用数学模型28-31
• 2.4.1 光伏电池工程非线性模型的推导29-30
• 2.4.2 光伏电池模型的 Simulink 仿真30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 系统的工作模式及控制策略32-48
• 3.1 系统的结构组成32-33
• 3.2 铅酸蓄电池的充电方式33-34
• 3.3 系统的工作模式选择34-36
• 3.4 独立光伏发电系统的能量管理控制策略36-37
• 3.5 单向 Boost 变换器的控制策略37-42
• 3.5.1 单向 Boost 变换器的整体控制策略37-38
• 3.5.2 单向 Boost 变换器的建模及控制38-42
• 3.6 双向 Buck/Boost 变换器的控制策略42-44
• 3.7 全桥逆变器的控制策略44-46
• 3.8 本章小结46-48
• 第四章 独立光伏发电系统硬件电路设计48-61
• 4.1 系统的硬件电路构成48
• 4.2 系统中变换器主电路硬件参数设计48-54
• 4.2.1 单向 Boost 变换器的主电路参数设计48-51
• 4.2.2 双向 Buck/Boost 变换器的主电路参数设计51-53
• 4.2.3 全桥逆变器的主电路参数设计53-54
• 4.3 硬件控制电路设计54-59
• 4.3.1 单向 Boost 变换器硬件控制电路设计54-56
• 4.3.2 双向 Buck/Boost 变换器硬件控制电路设计56-58
• 4.3.3 全桥逆变器硬件控制电路设计58
• 4.3.4 系统能量管理硬件电路58-59
• 4.4 系统保护电路设计59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 仿真与实验结果及分析61-71
• 5.1 独立光伏发电系统仿真结果及分析61-66
• 5.2 硬件实验结果与分析66-70
• 5.3 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 全文总结71
• 6.2 未来工作展望71-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-77
• 在学期间发表的学术论文77

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