小型混合式太阳能调配控制系统设计

【摘要】：随着世界可再生能源储量的急剧消耗，开发利用太阳能成为了建立起清洁和可持续发展能源体系的必由之路。但光伏发电易受气候环境影响，且与之匹配的蓄电池储能装置容量有限，在电能质量与可持续供电方面存在诸多问题。面向用户侧的小型太阳能混合式发电系统由于其运用灵活性，必将成为光伏产业研究与应用的热点。 基于太阳能能源调配管理，本文结合智能化能量调配控制与静态转换开关工作特性，以完成对太阳能与电网市电的最优化利用。在对储能单元充分保护的前提下，系统实现对用户的稳定可持续供电。详细分析了最大功率点跟踪（MPPT）算法、电压暂降检测方法、铅酸电池剩余电量估算方法以及智能化能量调配控制管理策略，实现了系统智能化控制和稳定性工作。 在系统工作原理及理论分析的基础上，进一步对系统各模块进行了软硬件设计，并以STM32F103VCTb处理芯片为核心，设计了一套模块化的混合式调配控制系统。系统硬件部分分为MPPTDC/DC模块、逆变模块、静态转换开关模块等系统模块和智能化能量调配控制系统管理模块。系统控制策略方面，首先针对交错并联断续buck电路提出了一种恒电压启动控制的修正变步长电导增量法的MPPT控制策略，简单有效的提高了MPPT的响应速度与精度；其次，基于改进的dq变化电压暂降检测法设计了适用于本系统的静态转换开关，实现了系统储能、太阳能供电与市电间的“无缝”安全切换；最后，制定有效的能量调配方案，对各个模块状态量实现统一处理，实现能量最优化管理。 仿真及实验结果均表明所设计的混合式调配控制系统灵活性强，能够有效的实现系统能量最优化利用与稳定的可持续供电。 【关键词】：光伏发电 最大功率点跟踪 静态转换开关 电压暂降 能量调配
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM76
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 太阳能发电研究的相关背景及意义11
• 1.2 太阳能发电在国内外的发展现状与前景11-13
• 1.2.1 国外光伏发展现状与前景11-12
• 1.2.2 国内光伏发展现状与前景12-13
• 1.3 太阳能发电系统的分类13-15
• 1.3.1 独立太阳能发电系统13
• 1.3.2 并网太阳能发电系统13-14
• 1.3.3 混合式太阳能发电系统14-15
• 1.4 本文研究的主要内容与设计要求15-16
• 第2章 系统的工作原理及其设计分析16-22
• 2.1 混合式太阳能调配控制系统的工作原理16-17
• 2.1.1 系统基本结构16
• 2.1.2 系统智能化控制策略分析16-17
• 2.2 小型混合式太阳能调配控制系统技术难点17-18
• 2.2.1 系统发电效率问题17-18
• 2.2.2 蓄电池剩余电量估算18
• 2.2.3 静态转换开关抗干扰能力与切换时间18
• 2.2.4 系统工作模式控制与决策18
• 2.3 混合式太阳能调配控制系统的设计分析18-21
• 2.3.1 系统 MPPT&DC/DC 设计分析18-19
• 2.3.2 系统静态转换开关（STS）设计分析19-20
• 2.3.3 系统逆变器分析20-21
• 2.3.4 系统智能化调配控制器设计分析21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 MPPT&DC/DC技术研究22-36
• 3.1 太阳能电池特性22-25
• 3.1.1 太阳能电池的等效电路及特性22-23
• 3.1.2 太阳能电池的输出特性23-25
• 3.2 最大功率跟踪（MPPT）算法分析25-30
• 3.2.1 常用的最大功率跟踪算法分析25-28
• 3.2.2 MPPT 技术应用中存在的问题28
• 3.2.3 恒电压启动控制的修正变步长电导增量法28-30
• 3.3 DC/DC 变换电路设计30-35
• 3.3.1 常用的DC/DC拓扑结构分析30-33
• 3.3.2 交错并联断续 buck 电路主要参数设计33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 静态转换开关（STS）系统设计36-46
• 4.1 电能质量问题分析36-39
• 4.1.1 电能质量分析及其标准36-37
• 4.1.2 电压暂降及其检测方法37-38
• 4.1.3 电能质量问题的解决方法38-39
• 4.2 静态转换开关系统结构39-40
• 4.2.1 STS 的研究现状和应用39
• 4.2.2 STS的基本结构39-40
• 4.3 静态转换开关系统设计与实现40-45
• 4.3.1 改进的dq变换电压暂降检测方法40-42
• 4.3.2 可控硅触发电路设计42-44
• 4.3.3 STS 参数选择及实际测试44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第5章 智能化能量调配控制设计46-64
• 5.1 铅酸电池特性及SOC估测技术46-51
• 5.1.1 铅酸电池的工作原理47
• 5.1.2 铅酸电池的充放电特性47-48
• 5.1.3 铅酸电池SOC估测技术`48-50
• 5.1.4 铅酸电池电参数检测电路设计50-51
• 5.2 MPPT&DC/DC控制方案研究51-54
• 5.2.1 MPPT&DC/DC 控制技术要求51-52
• 5.2.2 MPPT&DC/DC检测控制电路设计52-53
• 5.2.3 MPPT&DC/DC 工作状态模式分析53-54
• 5.3 静态转换开关智能控制设计54-59
• 5.3.1 静态转换开关控制技术要求54-55
• 5.3.2 静态转换开关检测控制电路设计55-59
• 5.3.3 静态转换开关工作状态模式分析59
• 5.4 智能化调配控制器设计59-63
• 5.4.1 智能化调配控制器技术要求59-60
• 5.4.2 智能化调配控制器控制电路设计60-62
• 5.4.3 智能化调配控制器工作状态模式分析62-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文）70-71
• 附录B（各模块 PCB 版图）71-73
• 附录C（系统测试图）73-74
• 附录D（上位机测试图）74

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