光伏发电系统中基于MPPT的直流斩波控制

【摘要】：能源是当今世界的热点问题,是经济发展的基础,也是我国人民幸福生活的根本保障。我国人口众多、能源短缺,人们始终在寻找一条用新型、清洁、可再生能源来替代传统不可再生能源的可持续发展道路。太阳能是一种清洁可再生能源,是将来能源转型的最好选择,太阳能的主要应用是在光伏发电领域。 光伏发电是利用光伏电池板的光电效应,把太阳能转换为电能,给负载供电。光伏电池是光伏发电的关键,但目前存在着成本高、转换效率低的问题,为了提高光伏电池的效率,需要对光伏电池的输出加以控制,使其始终工作在最大功率点。因此,在光伏发电系统中,进行光伏电池的最大功率追踪(MPPT)问题研究具有重要的意义和实用价值。 论文首先介绍了光伏发电的国内外动态,指出我国光伏发电的前景,光伏发电是我国走可持续发展道路的必然选择。对太阳能光伏发电系统的原理进行概述,分析了光伏电池的工作原理及输出特性,并且在MATLAB软件中搭建光伏电池工程模型并进行仿真研究。因为光伏电池输出特性是非线性的,电池输出功率随输出电压的变化而变化,只有对光伏电池的输出电压进行控制,才能对光伏电池输出功率进行控制,针对光伏电池最大功率追踪问题,简述并分析了多种实现方法,分别选用定步长导纳增量法和变步长导纳增量法进行最大功率追踪研究,MATLAB中用S函数编写了实现这两种方法的程序并进行了仿真,仿真结果证明两种算法都能追踪到光伏电池的最大功率点,但是变步长导纳增量法较定步长来说,在追踪最大功率时,无论在动态性能上还是在稳态性能上都有很大改善。在此基础上建立了直流斩波控制系统的仿真模型,进行了最大功率追踪系统仿真,结果表明直流斩波电路参数选择合理,最大功率时电压输出稳定。 其次,以仿真结果为基础,研制了光伏电池基于最大功率追踪直流斩波控制系统硬件实验平台,选择并设计了以IGBT为主控元件的Boost升压斩波主电路、检测电路和驱动电路等。介绍了多种IGBT保护缓冲电路,选择RCD吸收电路作为IGBT的保护电路,实验结果证明,RCD缓冲电路有效地抑制了开关管关断过电压。 最后,用美国TI公司的产品TSM320F2812作为控制器,在CCS开发环境中编写并调试了控制系统相关程序,包括主程序、T2下溢中断服务、AD采样滤波及精度校正、最大功率追踪(MPPT)、PWM输出程序等,配合硬件电路进行了系统实验,在一定条件下实现了光伏电池的最大功率追踪。证明了本文设计的软件程序正确、有效,硬件电路工作稳定。 【关键词】：光伏电池 最大功率追踪 Boost斩波电路 TMS320F2812
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 光伏发电的现状11-14
• 1.1.1 世界光伏发电产业现状11-13
• 1.1.2 我国光伏发电产业现状13-14
• 1.2 光伏发电系统分类14-15
• 1.2.1 独立光伏发电系统14-15
• 1.2.2 并网光伏发电系统15
• 1.3 光伏发电前景15-16
• 1.4 选题的意义及主要研究内容16-18
• 第二章 光伏电池工作原理及最大功率追踪18-36
• 2.1 光伏发电系统18-19
• 2.2 光伏电池工作原理及特性19-22
• 2.2.1 光伏电池工作原理19
• 2.2.2 光伏电池等效电路及输出特性19-21
• 2.2.3 其它因素对光伏电池输出特性的影响21-22
• 2.3 光伏电池输出特性仿真22-26
• 2.3.1 光伏电池仿真模型的搭建22-24
• 2.3.2 不同条件下光伏电池仿真结果24-26
• 2.4 最大功率追踪原理26-30
• 2.4.1 几种最大功率追踪方法27-30
• 2.5 最大功率追踪仿真30-35
• 2.5.1 S函数的编写31
• 2.5.2 光伏电池最大功率追踪仿真结果31-34
• 2.5.3 仿真结果分析34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 基于MPPT的直流斩波硬件设计36-57
• 3.1 控制器介绍37-38
• 3.2 Boost直流升压斩波变换器38-43
• 3.2.1 Boost升压原理39
• 3.2.2 Boost电路工作原理39-43
• 3.3 缓冲电路的设计43-47
• 3.3.1 LCRD复合缓冲器44-46
• 3.3.2 RCD缓冲电路46
• 3.3.3 RC缓冲电路46-47
• 3.4 系统器件的选择47-51
• 3.4.1 开关管的选择47-49
• 3.4.2 升压电感的选择49-50
• 3.4.3 滤波电容的选择50
• 3.4.4 蓄电池的选用50
• 3.4.5 二极管的选择50-51
• 3.4.6 缓冲电路的器件选择51
• 3.5 辅助电路5V电源设计51-52
• 3.6 驱动电路设计52-53
• 3.7 电压、电流检测电路53-55
• 3.7.1 电压、电路采样调理电路设计53-55
• 3.7.2 检测电路输出电压计算55
• 3.8 故障电路设计55-56
• 3.9 本章小结56-57
• 第四章 MPPT的直流斩波系统软件设计57-68
• 4.1 CCS开发环境57-58
• 4.2 软件设计总体思路58-59
• 4.2.1 程序初始化过程58-59
• 4.3 系统子程序设计59-63
• 4.3.1 定时器T2下溢中断服务程序59-60
• 4.3.2 AD精度校正原理60-61
• 4.3.3 AD采样及精度校正子程序61
• 4.3.4 数字滤波子程序61-63
• 4.4 PWM脉冲发生程序63-64
• 4.5 数字PI调节器64-65
• 4.6 最大功率捕获控制65-67
• 4.7 本章小结67-68
• 第五章 直流斩波控制系统仿真及实验结果68-81
• 5.1 基于Boost直流斩波电路最大功率追踪仿真68-69
• 5.2 仿真结果69-72
• 5.3 实验过程及结果72-80
• 5.3.1 DSP输出PWM脉冲信号73-74
• 5.3.2 DSP发出经隔离放大后的开关管驱动信号74-75
• 5.3.3 RCD缓冲电路对开关管两端电压的作用75-77
• 5.3.4 光伏电池输出及升压后IGBT两端电压77-78
• 5.3.5 检测电路输出结果78
• 5.3.6 基于Boost电路的最大功率追踪结果78-80
• 5.4 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-83
• 参考文献83-86
• 致谢86-87
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果87

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