一种光伏阵列模拟器的研究和设计

【摘要】：光伏阵列模拟器是一种实验测试用直流电源,其输出U-I特性(电压-电流特性)要模拟实际光伏阵列的输出特性,主要用于光伏发电系统以及航天器一次供电系统的研发阶段,对电能调节装置的工作性能进行测试。简单地说光伏阵列模拟器可以作为供电源,测试一切需要以半导体太阳能电池的输出直流电能作为能量来源的用电对象,并且能够通过模拟光电池在环境变化条件下(如光照、温度、阴影遮挡等)的输出电特性变化来测试与验证这些用电对象的电能获取能力,甚至可以通过老化实验来这对些用电对象的使用寿命进行预测。本文研究了太阳能电池的工作特性,借助文献资料引出了太阳能电池的数学模型以及常用的太阳能电池的建模方法,同时验证了硬件和软件角度实现太阳能电池输出U-I特性曲线的方式,为光伏阵列模拟器的设计奠定了基础。针对要实现的模拟器的性能特点,设计了一款高动态响应的电流源作为模拟器主功率实现方式。电流源的设计过程中引入了运放电路的稳定性分析,借助saber仿真环境对主功率电路进行了频域分析,并在此基础上选择了运放电路的补偿方案。在主功率方案确定的基础之上,为确保模拟器尽可能高的动态响应能力,最终选用了硬件生成光电池U-I参考曲线的方式,即一种带指数运算电路的电压-电流双环控制电路实现了光伏阵列模拟器的设计。最后,本文基于saber仿真环境,建立了光伏阵列模拟器的仿真模型,并对其动态响应能力、电压-电流静态输出特性、串联结构的功率扩展方式等进行了时域分析,验证了设计的模拟器理论上的可行性。并在此基础之上,搭建了光伏阵列模拟器单体硬件电路平台,对相关电特性指标进行了测试。测试结果证明设计的模拟器满足研究的要求。 【关键词】：太阳能电池 快速响应电流源 光电池建模 线性电路环路分析 功率扩展
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 光伏阵列模拟器国内外研究和应用现状9-10
• 1.3 太阳能电池阵列模拟器的基本性能指标10-12
• 1.4 论文主要研究内容12-14
• 第2章 光伏阵列模拟器的总体框架14-30
• 2.1 引言14
• 2.2 太阳能电池的工作特性14-17
• 2.2.1 电池输出特性14-16
• 2.2.2 电池性能参数16
• 2.2.3 光照强度和温度影响16-17
• 2.2.4 电池组件阴影遮挡17
• 2.3 太阳能电池的数学模型17-21
• 2.3.1 等效电路及数学模型17-18
• 2.3.2 光电池模型工程计算方法18-21
• 2.4 模拟器的整体架构21-29
• 2.4.1 整体框架和相关性能指标21-22
• 2.4.2 硬件生成参考曲线的方式：22-25
• 2.4.3 主功率级的实现方案25-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 线性压控电流源的设计30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 主功率实现方案主要电路及要解决的技术问题30-31
• 3.3 压控电流源静态稳定性分析31-33
• 3.4 线性压控电流频域分析及补偿33-41
• 3.4.1 线性压控电流源环路震荡的原因33-34
• 3.4.2 功率MOSFET寄生参数的频域分析34-36
• 3.4.3 功率MOSFET寄生参数对运放环路特性的影响36-38
• 3.4.4 电流源电路的补偿38-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 模拟器的控制策略42-49
• 4.1 引言42
• 4.2 模拟器的软件控制策略42-43
• 4.3 模拟器的环路控制的硬件实现43-47
• 4.4 模拟器最终选则的控制策略47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 系统实验结果与分析49-56
• 5.1 引言49
• 5.2 模拟器系统仿真49-52
• 5.2.1 仿真模型49-51
• 5.2.2 系统仿真结果及分析51-52
• 5.3 光伏模拟器的硬件实现52-55
• 5.4 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-62
• 致谢62

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