光伏发电控制系统关键技术研究

【摘要】：随着世界经济与科技的持续发展,工业人口急剧增多,社会的能源消耗导致传统能源日益枯竭,环境问题愈显突出,解决世界性能源问题的主要方法之一是将研究眼光投向新兴的光伏发电产业。太阳能是一种无限的且不需购买的初级能源,光伏发电系统寿命长,受地域限制小,抗灾自救能力强而且不会造成环境污染。正是这些优势引导人们对光伏能源转换的不断研究。光伏发电控制系统关键技术是业内科学界广泛研究的重点,主要体现在系统效率、质量、可靠性、容量与功能等几个方面。 本课题主要研究内容包括：太阳电池的数学模型仿真、最大功率点跟踪算法的设计、蓄电池充放电模块设计、直流变换模块和逆变模块的参数计算、实现正弦逆变的闭环控制策略、硬件设计等。设计出基于主／从控制的两级多组串式光伏发电控制系统。系统由TI公司DSP TMS320F28035芯片实现全数字化主／从控制,直流变换模块通过对多组串联的太阳电池阵列进行高效最大功率点循环跟踪,使系统输出功率保持最大化；无须经过交流变压器,逆变模块直接输出50Hz、220VAC电压,提高了能源转换效率；各模块通信基于RS485总线,使系统更具可拓性,能源管理灵活性大大加强。 在Matlab/Simulink环境下利用S函数搭建了基于太阳电池等效数学模型的仿真模型,并且参考实际太阳电池组件得出了接近于工程实际的仿真输出特性曲线,检验了该太阳电池仿真模型的准确性。通过对常用的MPPT算法进行深入研判,提出了综合恒压法和基于最优梯度的电导增量法,作为本课题的高效MPPT算法。通过深入分析Boost升压斩波电路的电感元件与该电路工作模式之间的关系推导出相关参数的计算方法；同样也分析给出逆变模块主要元器件参数,设计了合适的LC滤波电路,提供了硬件电路主要器件(如IGBT、IPM等)选取的参考要点。根据电路分析结果设计了光伏发电控制系统的硬件电路,包括以Boost升压电路为支架的直流变换模块、基于IPM的逆变模块和由UC3909实现的蓄电池智能充放电电路等。在逆变控制方面基于双闭环控制策略,通过消除不灵敏区法来优化PI调节。介绍了SPWM波的生成机制并提出使用单极性SPWM波控制IPM输出逆变电力,减少输出电压谐波；并给出了该系统的主要软件控制流程图,从整体功能上描述了多组串式光伏发电控制系统。 最后对系统进行测试并分析实验结果,总结本次设计经验教训,并依此为根据提出光伏能源可拓控制系统的展望。 【关键词】：最优梯度 最大功率点跟踪 Boost 逆变器 光伏发电
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 能源问题14-15
• 1.2 光伏发电的现状与前景15-20
• 1.2.1 国外光伏发电的现状15-17
• 1.2.2 国内光伏发电的现状17-18
• 1.2.3 国内光伏发电的发展前景18-20
• 1.3 课题的研究目的和本文主要内容20-21
• 第二章 光伏发电原理及其系统结构21-37
• 2.1 光伏电池21-25
• 2.1.1 光伏电池材料技术21-22
• 2.1.2 光伏电池的等效模型22
• 2.1.3 光伏电池的输出特性以及仿真分析22-25
• 2.2 最大功率点跟踪算法分析25-33
• 2.2.1 恒定电压法26-28
• 2.2.2 扰动观察法28-29
• 2.2.3 导纳增量法29-31
• 2.2.4 基于最优梯度的电导增量法31-33
• 2.3 光伏发电系统组成33-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 直流变换单元设计37-59
• 3.1 直流变换电路37-42
• 3.1.1 Buck降压电路拓扑37-39
• 3.1.2 Boost升压电路拓扑39-40
• 3.1.3 Buck-Boost升降压电路拓扑40-42
• 3.2 BOOST升压变换电路参数设计42-53
• 3.2.1 储能电感L的分析设计42-48
• 3.2.2 滤波电容C的分析设计48-49
• 3.2.3 功率管IGBT及其驱动电路49-50
• 3.2.4 续流二极管50-51
• 3.2.5 负载电阻与MPPT的关系51-53
• 3.3 基于最优梯度的电导增量法的仿真分析53-55
• 3.4 直流变换单元的模块设计55-58
• 3.4.1 多组串式光伏发电控制模块55-56
• 3.4.2 蓄电池充电模块56-57
• 3.4.3 基于DSP的多路MPPT模块设计57-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第四章 直交变换单元设计59-75
• 4.1 逆变电路的基本拓扑59
• 4.2 逆变器硬件电路的设计59-65
• 4.2.1 直流链支撑电容60
• 4.2.2 逆变输出LC滤波器的设计60-62
• 4.2.3 智能功率模块(IPM)的选取62-64
• 4.2.4 检测电路的设计64
• 4.2.5 通讯接口的设计64-65
• 4.3 逆变控制65-70
• 4.3.1 逆变器的控制策略66-67
• 4.3.2 电压电流双闭环调节器的设计67-69
• 4.3.3 SPWM信号的原理69-70
• 4.4 逆变器软件设计70-74
• 4.4.1 主程序设计70-71
• 4.4.2 生成SPWM波及设定死区71-73
• 4.4.3 AD采样方法73-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 实验结果及分析75-80
• 5.1 系统调试结果及分析75-79
• 5.2 本章小结79-80
• 总结80-82
• 参考文献82-85
• 攻读硕士学位期间发表论文85-87
• 致谢87

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