基于FPGA的数字式光伏阵列模拟器研究与设计

【摘要】：为了能够对光伏逆变器的特性进行考量,光伏阵列模拟器的研究成为光伏产业研究的一个重大课题。光伏阵列模拟器是用来在实验室环境下模拟实际光伏电池阵列输出电流电压特性的设备。通过此设备,可极大地减小光伏逆变器设计及型式试验的时间和资金开销。国外光伏阵列模拟器的研究早在上世纪九十年代已经展开。得益于国家新能源战略的开展,国内光伏阵列模拟器的研究也已经起步,并取得了一些成就。但是,目前大多数光伏阵列模拟器的研究还停留在比较简单的模拟方式。适应实际工业需求,能够模拟各种不同工况条件的光伏阵列工作特性的模拟器研究尚需进一步开展。 本文首先阐述了光伏阵列模拟器研究的发展历史及研究现状,研究了光伏阵列的运行机理并进行了数学建模。其次,本文重点分析了基于开关电源的数字式光伏阵列模拟器的工作原理,通过Matlab/Simulink仿真研究,证明了基于FPGA的数字式光伏阵列模拟器研究与设计的可行性。最后通过基于RT-LAB的硬件在环仿真验证及光伏阵列模拟器的电路设计与验证,证明了基于FPGA的新型数字式光伏阵列模拟器相对于以往光伏阵列模拟器的优越性。 本课题提出的基于FPGA的数字式光伏阵列模拟器不仅能够适应模拟不同拓扑结构的光伏电池阵列,同时可以模拟在给定拓扑结构下局部温度及局部辐照度参数的光伏电池阵列。经验证,本文提出的方案具备极好的光伏特性,能够满足不同情况下对光伏逆变器的考量。 【关键词】：光伏阵列模拟器 拓扑结构可变 局部参数可变
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 选题背景及意义9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.2.1 模拟光源式光伏阵列模拟器10
• 1.2.2 模拟光伏电池工作机理式光伏阵列模拟器10-12
• 1.3 本课题的主要研究工作及创新点12-14
• 1.3.1 本课题需要解决的问题12
• 1.3.2 本课题的主要研究工作12-13
• 1.3.3 本课题的创新点13-14
• 第二章 光伏阵列模拟器数学模型14-25
• 2.1 光伏电池阵列机理模型及等效电路14
• 2.2 光伏电池阵列的工作特性14-17
• 2.2.1 温度影响下的光伏电池工作特性15
• 2.2.2 光照影响下的光伏电池工作特性15-16
• 2.2.3 局部遮阴条件下的光伏电池输出特性16-17
• 2.3 光伏电池阵列数学模型17-20
• 2.3.1 光伏阵列电路数学模型17-19
• 2.3.2 典型光伏阵列电路数学模型Matlab/Simulink实现19-20
• 2.4 光伏电池阵列负载静态工作点计算20-24
• 2.4.1 光伏电池阵列负载静态工作点概念20-21
• 2.4.2 光伏电池阵列负载静态工作点计算21-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 数字式光伏阵列模拟器控制算法研究25-31
• 3.1 数字式光伏阵列模拟器控制算法研究任务25-26
• 3.1.1 电压型与电流型光伏阵列模拟器概述25
• 3.1.2 光伏阵列模拟器控制器算法的任务25-26
• 3.2 光伏阵列模拟器控制器设计26-30
• 3.2.1 光伏阵列模拟器的系统框图26-27
• 3.2.2 光伏阵列模拟器模糊数字PID控制器研究27-29
• 3.2.3 模糊PID控制器实验验证29-30
• 3.3 本章小结30-31
• 第四章 数字式光伏阵列模拟器硬件电路设计31-45
• 4.1 数字式光伏阵列模拟期硬件电路设计概述31-32
• 4.2 FPGA控制器板卡设计32-38
• 4.2.1 RS-232接口电路设计32-33
• 4.2.2 A/D接口电路设计33
• 4.2.3 配置电路设计33-34
• 4.2.4 时钟电路34
• 4.2.5 FPGA工作电源电路设计34-36
• 4.2.6 控制器机箱及板卡实现36
• 4.2.7 基于Cadence的控制器板卡设计36-38
• 4.3 功率电路设计38-42
• 4.3.1 输入EM1、整流及滤波电路38
• 4.3.2 桥式可逆斩波电路及输出整流电路38-39
• 4.3.3 高频变压器设计39-42
• 4.4 辅助直流电源设计42-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第五章 控制算法的FPGA实现及上位机通信软件开发45-54
• 5.1 通讯协议及其硬件描述实现45-48
• 5.1.1 通信协议定义45-46
• 5.1.2 Modhus通信协议硬件描述实现46-47
• 5.1.3 CRC32校验仿真47-48
• 5.2 静态工作点及基于模糊推理的数字式PID控制器的Vcrilog实现48-50
• 5.2.1 System Generator简介48
• 5.2.2 静态工作点计算与模糊数字PID控制器的Systemm Generator实观48-50
• 5.3 基于Xilinx ISE的FPGA算法综合50-51
• 5.4 基于C#的上位机软件开发51-53
• 5.5 本章小结53-54
• 第六章 数字式光伏阵列模拟器实验及结论分析54-64
• 6.1 RT-LAB半实物仿真平台简介54-55
• 6.2 基于RT-LAB的光伏阵列模拟器硬件在环仿真实验55-61
• 6.2.1 FPGA控制器板卡的硬件在环仿真55-59
• 6.2.2 功率电路的RT-LAB硬件在环仿真59-61
• 6.3 基于FPGA的数字式光伏阵列模拟器实验及结论61-64
• 6.3.1 驱动波形的Chipscope抓取61-62
• 6.3.2 实验结果及结论62-64
• 第七章 结论64-65
• 参考文献65-68
• 附录68-75
• 致谢75-76
• 攻读学位期间发表的学术论文目录76-77

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