太阳能电池模拟器的研究与设计

【摘要】：用太阳能电池模拟器代替真实的太阳能电池，能大大地降低太阳能系统的研究成本，缩短研究周期，提高研究效率。因此，太阳能电池模拟器的研究成为了太阳能光伏发电与应用领域的重要研究内容。 本文首先介绍了太阳能电池的工作原理，基于太阳能电池的等效电路和工程数学模型，建立了太阳能电池的仿真模型。对太阳能电池在标准测试条件和变环境条件的I-V、P-V特性曲线进行了大量的仿真，为模拟器系统的研究奠定了良好的基础。 对模拟器中常用的几种模拟算法的原理及其优缺点进行了分析。针对传统逐点逼近法在追踪速度、振荡范围等方面的不足，提出了一种变步长指令电压逐点逼近算法。该模拟算法利用模拟器负载电流与太阳能电池特性电流的差值控制BUCK开关的占空比，调节模拟器输出电压，使模拟器的工作点逐步逼近太阳能电池I-V曲线的参考工作点，实现对太阳能电池输出特性的模拟。 采用DSP作为模拟器的控制器，采用BUCK变换器为功率电路，设计与制作了一台太阳能电池模拟器样机。对BUCK变换器的工作原理、DSP芯片的A/D校正与保护做了详细阐述，完成了硬件电路设计与参数计算，给出了模拟器软件的设计方法和主要程序流程图。 为了检验算法的有效性，建立了Matlab仿真电路，搭建了模拟器样机实验平台。用仿真和模拟器样机的试验测试了算法的静态特性和负载、光照、温度突变时的动态特性，并与传统逐点逼近算法进行了对比实验。依据实验数据得到了被模拟的太阳能电池的I-V、P-V曲线，并对理论数据与实验数据进行了误差计算与分析。结果表明本文新算法能够快速准确地追踪参考工作点的变化，实现各种环境条件下太阳能电池特性曲线的完整模拟，且具有比传统逐点逼近算法更好的性能。 【关键词】：太阳能电池模拟器 I-V曲线 模拟算法 逐点逼近 BUCK电路 DSP
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 插图索引11-13
• 附表索引13-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 太阳能利用的基本形式14-15
• 1.2 光伏发电的现状与发展前景15-16
• 1.2.1 光伏发电的国内外现状15-16
• 1.2.2 光伏发电的发展前景16
• 1.3 太阳能模拟器研究现状与前景16-18
• 1.3.1 太阳能模拟器研究背景16-17
• 1.3.2 太阳能模拟器的国内外现状17
• 1.3.3 太阳能模拟器的发展前景17-18
• 1.4 太阳能阵列模拟器18-19
• 1.4.1 模拟式太阳能电池阵列模拟器18-19
• 1.4.2 数字式太阳能电池阵列模拟器19
• 1.5 创新点与论文内容19-21
• 1.5.1 创新点19-20
• 1.5.2 论文的主要内容20-21
• 第2章 太阳能电池数学模型及仿真21-30
• 2.1 太阳能电池等效电路与输出 I-V 特性21-23
• 2.2 太阳能电池的数学模型23-25
• 2.3 太阳能电池输出特性仿真模型25-26
• 2.4 太阳能电池的仿真研究26-29
• 2.4.1 太阳能电池标准条件的输出特性仿真26-27
• 2.4.2 日照与温度对太阳能电池特性的影响27-29
• 2.5 本章总结29-30
• 第3章 太阳能电池模拟器原理与算法研究30-42
• 3.1 模拟器的系统结构及功能30-32
• 3.1.1 主电路30-31
• 3.1.2 控制电路31-32
• 3.2 太阳能电池模拟器参考工作点32
• 3.3 常用模拟器算法研究32-37
• 3.3.1 迭代算法32-33
• 3.3.2 弦截法33-35
• 3.3.3 四折线法35-36
• 3.3.4 传统逐点逼近算法36-37
• 3.4 变步长指令电压逐点逼近算法37-39
• 3.5 算法流程39-41
• 3.5.1 系统启动初始化设计40
• 3.5.2 使用电流判别阈值40
• 3.5.3 使用电压判别阈值40-41
• 3.6 本章总结41-42
• 第4章 模拟器软硬件研究与设计42-63
• 4.1 控制电路42-48
• 4.1.1 DSP 控制器模块42-47
• 4.1.2 信号检测模块47-48
• 4.2 主电路设计48-53
• 4.2.1 降压整流电路49
• 4.2.2 BUCK 变换器及其工作模式分析49-52
• 4.2.3 变换电路的参数设计52-53
• 4.3 隔离驱动电路模块53-54
• 4.4 保护电路模块54-56
• 4.5 模拟器工作电源设计56-57
• 4.6 软件系统设置57-61
• 4.6.1 主程序模块58-59
• 4.6.2 PWM 与 ADC 启动信号产生子程序59-60
• 4.6.3 A/D 转换中断服务子程序60
• 4.6.4 保护中断子程序60-61
• 4.7 本章总结61-63
• 第5章 实验研究与结果分析63-75
• 5.1 仿真与实验参数的设计63
• 5.2 模拟器仿真电路63-65
• 5.3 实验结果与分析65-69
• 5.3.1 静态性能仿真与实验65-66
• 5.3.2 动态性能仿真与实验66-69
• 5.4 算法对比实验69-71
• 5.5 实验结果分析71-74
• 5.6 本章总结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 附录 A (攻读学位期间发表的论文)82-83
• 附录 B (本模拟器系统实物图)83-84
• 附录 C (硬件电路原理图)84-86

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