基于组合脉冲单元的光伏多端口DC/DC变换器设计

【摘要】：为了适应多种能源组合利用、各单元之间能量自由流动的需求,各种新型变换器应运而生。在此背景下,对独立光伏发电系统中各种类型的变换器进行了深入研究,在此基础上提出一种多端口光伏发电DC/DC变换器,使用ARM芯片进行电路设计,并进行理论和实验研究。首先,研究了光伏发电领域各种类型的 DC/DC变换器,针对光伏发电中对多端口变换及最大功率点跟踪等要求,提出了一种基于组合脉冲单元的多端口变换器(Multiple ports Converter, MPC),该变换器改进优化了直流单元,能更好的实现MPPT;给出了各工作状态下MPC的理论分析,得到了关键器件的应力参数。其次,详细分析了光伏电池的电气特性,给出其工程用模型,建立基于Matlab/Simulink的光伏阵列仿真模型,对常用的最大功率点追踪控制方法进行了理论研究与总结对比。再次,研究Buck变换器实现MPPT的工作原理,将MPPT应用在所提出的MPC中,针对改进型MPC验证了扰动观察法的有效性；确立了对变换器中光伏电池板采用MPPT控制,全桥变换器部分采用移相调压控制,从而实现了太阳能光伏电池板和全桥变换器的独立控制。搭建了基于Matlab/Simuli nk的仿真平台,仿真结果验证了所提出的MPC三个端口协调运行的有效性。最后,设计了主功率电路,进行了以LPC2131为核心的控制电路的软硬件设计,完成了驱动电路、采样电路、信号调理电路和移相信号发生电路的设计,制作了小功率原理样机并对该系统进行了实验验证。 【关键词】：光伏发电 多端口变换器 移相调压 MPPT
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景和意义10
• 1.2 光伏发电系统简介10-16
• 1.2.1 光伏发电系统结构简介10-11
• 1.2.2 光伏发电前级变换器简介11-12
• 1.2.3 光伏发电系统多端口变换器拓扑研究现状12-16
• 1.3 最大功率点跟踪技术研究现状16-19
• 1.3.1 传统MPPT控制技术研究现状16-17
• 1.3.2 多峰值MPPT控制技术研究现状17-19
• 1.4 本文主要研究内容19-20
• 2 光伏发电系统前级多端口变换器结构研究20-36
• 2.1 单原边绕组多输入变换器20-23
• 2.1.1 组合脉冲单元20-21
• 2.1.2 母变换器21-22
• 2.1.3 Buck-全桥组合式单原边绕组多输入变换器22-23
• 2.2 MPC结构与工作状态分析23-30
• 2.2.1 工作模式和工作模态23-27
• 2.2.2 光伏阵列电压电流分析27-28
• 2.2.3 开关管应力分析28-29
• 2.2.4 变压器磁通分析29-30
• 2.3 MPC控制方式与能量流动分析30-35
• 2.3.1 移相调压控制方式分析30-34
• 2.3.2 能量流动分析34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 光伏发电最大功率点跟踪技术研究36-48
• 3.1 光伏电池的运行原理36-42
• 3.1.1 光伏电池的工作原理36-38
• 3.1.2 光伏电池的工程实用模型38-39
• 3.1.3 光伏电池模型仿真39-42
• 3.2 MPPT基本原理42-44
• 3.3 几种常用的MPPT算法44-47
• 3.3.1 恒电压跟踪法44-45
• 3.3.2 扰动观察法45-46
• 3.3.3 电导增量法46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 MPC的MPPT实现48-68
• 4.1 Buck变换器电路的MPPT实现分析48-49
• 4.2 MPC的MPPT控制分析49-51
• 4.3 MPC仿真实验51-67
• 4.3.1 系统模式仿真实验52-60
• 4.3.2 MPPT控制仿真实验60-67
• 4.4 本章小结67-68
• 5 系统的硬件电路设计68-81
• 5.1 MPC参数设计69-73
• 5.1.1 变压器69-72
• 5.1.2 输出电感和输出电容72
• 5.1.3 Buck电路电感和电容72-73
• 5.1.4 开关管73
• 5.1.5 二极管73
• 5.2 MOSFET驱动电路设计73-77
• 5.2.1 全桥电路驱动73-76
• 5.2.2 Buck电路驱动76-77
• 5.3 采样和信号调理电路设计77-78
• 5.5 移相信号产生电路78-80
• 5.6 本章小结80-81
• 6 系统的软件设计81-87
• 6.1 控制芯片及开发环境81
• 6.2 主程序设计81-82
• 6.3 AD采样子程序82-84
• 6.4 MPPT子程序84-86
• 6.5 本章小结86-87
• 7 独立光伏发电系统实验调试87-99
• 7.1 实验环境构建87-90
• 7.2 系统测试结果和分析90-98
• 7.2.1 直流环节测试实验90-91
• 7.2.2 MPC模式实验91-95
• 7.2.3 MPC效率实验95-96
• 7.2.4 MPPT实验96-97
• 7.2.5 多端口实验97-98
• 7.3 本章小结98-99
• 总结与展望99-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-105
• 附录A105-106
• 附录B106

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