基于独立太阳能供电的照明系统控制及蓄电池状态监测研究

【摘要】：在太阳能的利用中,太阳能照明占有重要的位置,特别是太阳能路灯产业发展很快。但在太阳能路灯控制系统中,还存在着许多需要亟待解决的问题,主要是它的能源平衡问题和供电的稳定性和智能性控制,因此控制器性能和管理储能策略一直是研究的重点。本文依托成都金堂国际铁人三项赛场太阳能路灯照明系统,对基于独立太阳能供电的照明系统控制及蓄电池状态监测进行了研究。 本文首先对太阳能电池板特性和铅酸蓄电池特性和充放电方式进行了分析。在研究了太阳能电池的最大功率点跟踪问题和蓄电池优化充放电策略问题之后,设计出了一种基于单片机AT89S52的具有自适应功能的控制器,用以改进充放电控制方法。并采用反向传播(BP)神经网络算法预测阀控密封式铅酸蓄电池(VRLA)的剩余容量放电控制法的新思路,对蓄电池工作状态进行实时监测,提高了系统的工作效率,有效延长蓄电池的使用寿命。 系统采用PWM控制的三阶段充电方法,同时采用最大功率跟踪算法,增大光伏电池阵列的输出；放电时基于BP神经网络算法,预测荷电状态,调整LED灯功率大小和工作时长,并且完成了与上位机的串口通信,通过LabVIEW人机交互界面实时监测蓄电池工作状态。 为了验证研究的有效性,在实验室条件下对各模块硬件电路搭建了硬件平台,并利用C语言编写了单片机的控制程序和相应算法,通过实验结果,证明研究结论正确,实现了预期的功能。 最后对控制器系统主要功能进行测试,并对测试结果做了分析,系统能够满足实际应用的要求。 【关键词】：独立运行 太阳能路灯 控制 状态监测 BP预测算法
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 选题背景和意义8-9
• 1.2 课题国内外研究发展现状9-11
• 1.2.1 国外光伏发电应用现状及前景9-10
• 1.2.2 国内光伏发电应用现状及前景10-11
• 1.3 本文主要工作11-13
• 第2章 独立光伏照明系统基本构成和特性13-24
• 2.1 独立光伏照明系统典型结构和设计原则13-14
• 2.1.1 系统的类型及控制结构13-14
• 2.1.2 光伏照明系统控制设计原则14
• 2.2 光伏电池工作原理及特性14-17
• 2.2.1 光伏电池工作原理及分类14-15
• 2.2.2 光伏电池数学模型15-16
• 2.2.3 光伏电池基本特性16-17
• 2.3 VRLA电池工作原理及特性17-20
• 2.3.1 VRLA电池工作原理及性能17-18
• 2.3.2 VRLA电池充放电特性18-19
• 2.3.3 VRLA电池寿命影响因素19-20
• 2.4 LED工作原理及特性20-22
• 2.4.1 LED发光原理20-21
• 2.4.2 LED特性和优点21-22
• 2.5 光伏照明系统控制器22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第3章 光伏照明系统控制总体方案设计24-41
• 3.1 系统设计和性能参数24-26
• 3.1.1 系统设计流程及组件容量计算24-26
• 3.1.2 系统性能参数26
• 3.2 VRLA电池充电控制策略26-32
• 3.2.1 常用蓄电池充电方法分析26-27
• 3.2.2 VRLA电池充电方法27-28
• 3.2.3 均衡充电策略28-29
• 3.2.4 MPPT算法研究及实现方法29-32
• 3.3 VRLA电池剩余容量(SOC)预测方法32-34
• 3.3.1 蓄电池剩余容量数学模型32-33
• 3.3.2 蓄电池SOC传统与智能预测方法33-34
• 3.4 BP神经网络预测模型34-40
• 3.4.1 BP网络优点及学习算法34-36
• 3.4.2 通过实验计算VRLA电池SOC36-37
• 3.4.3 BP神经网络结构设计37-38
• 3.4.4 BP网络仿真结构及分析38-40
• 3.5 LED控制策略40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 光伏照明系统控制器硬件实现41-52
• 4.1 控制器硬件总体方案设计41-42
• 4.2 主控芯片外围电路设计42-43
• 4.3 信号采集模块43-46
• 4.3.1 光伏电池板电压检测电路43-44
• 4.3.2 蓄电池电压检测电路44-45
• 4.3.3 DS18820温度检测电路45
• 4.3.4 模数转换电路45-46
• 4.4 充放电模块46-49
• 4.4.1 Boost-Buck功率电路46-48
• 4.4.2 均衡充电电路设计48-49
• 4.4.3 放电控制电路49
• 4.5 其他外围电路设计49-50
• 4.5.1 电源模块设计49-50
• 4.5.2 串口通信电路50
• 4.6 系统硬件抗干扰设计50-51
• 4.7 本章小结51-52
• 第5章 VRLA电池状态监测设计52-59
• 5.1 系统软件设计52-57
• 5.1.1 系统主程序52-53
• 5.1.2 光强检测子程序53
• 5.1.3 白天处理子程序53-55
• 5.1.4 SOC预测处理55-56
• 5.1.5 夜间处理子程序56-57
• 5.2 基于LABVIEW的上位机监控软件设计57
• 5.3 系统软件抗干扰措施57-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 系统测试及分析59-67
• 6.1 系统实验测试59-64
• 6.1.1 白天充电测试60-62
• 6.1.2 夜间放电测试62-63
• 6.1.3 基于BP神经网络算法的SOC测试63-64
• 6.2 工程背景64-66
• 6.3 小结66-67
• 第7章 总结与展望67-69
• 7.1 总结67
• 7.2 展望67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 附录74-76
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文76

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