数字式光伏电池模拟器设计与实现

【摘要】：随着世界各国工业的迅猛发展,能源结构的优化问题越来越受到人们的重视。近几年,太阳能作为一种新型的可再生能源被世界各国广泛推广。在光伏系统研发过程中,光照强度、环境温度等都会对光伏电池产生影响,导致实验成本过高,研发周期过长的问题。为了方便光伏系统的研究,本文研究与设计了一种数字式光伏电池模拟器来解决上述问题。本文首先介绍了太阳能开发利用的背景和意义,光伏电池模拟器的分类以及国内外的研究现状；其次通过对光伏电池的工作原理、等效电路的研究分析,推导出了光伏电池的数学物理模型；然后利用MATLAB/Simulink建立了光伏电池的数学仿真模型,通过仿真实验进一步验证了模型的准确性和实用性；最后进行了模拟器系统的整体硬件设计和软件系统设计。本设计中,数字式光伏电池模拟器采用了两级电路,分为前级开关预稳压电路和后级数控稳压电路。前级开关预稳压电路以交流市电作为输入,经过保护和EMI滤波、整流、TL494 PWM推挽放大、半桥式开关稳压以及输出整流滤波实现了+24V电源的稳定输出。后级数控稳压电路利用ST公司的STM32F103VET6作为控制核心,利用A/D和D/A实现了对数控稳压电路电压、电流值采样测量和设定。数字式光伏电池模拟器的核心本质上是符合光伏电池输出特性的数控电源。本设计中,采用STM32F103VET6作为系统的控制核心,利用Keil uVision4进行编程,利用逐点差值比较和滑动平均值滤波实现了模拟器静态工作点的选取和定位,使得模拟器能输出符合光伏电池输出特性的曲线。在整体硬件电路设计完之后,本文利用Altium Designer Summer 09完成了原理图和PCB板图设计,经过焊接、调试、装配完成了模拟器的整体制作。最后测试了模拟器的静态工作特性和动态工作特性。通过分析测试结果可以看出：本文研制的数字式光伏电池模拟器完全符合设计要求,能够很好地实现对光伏电池输出特性的模拟。 【关键词】：光伏电池模拟器 开关预稳压 数控稳压 TL494 STM32F103VET6
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 光伏电池模拟器简述13-15
• 1.2.1 模拟式光伏电池模拟器13-14
• 1.2.2 数字式光伏电池模拟器14-15
• 1.3 国内外的研究现状15-16
• 1.4 本文的研究内容与组织结构16-17
• 第2章 光伏电池的工作特性及数学模型的研究17-25
• 2.1 光伏电池简介17-18
• 2.2 光伏电池的工作特性18-20
• 2.2.1 光伏电池的工作原理18-19
• 2.2.2 光伏电池的等效电路19-20
• 2.3 光伏电池的数学模型20-21
• 2.3.1 光伏电池的数学模型20-21
• 2.3.2 环境因素对模型的影响21
• 2.4 基于MATLAB/Simulink的光伏电池数学模型仿真21-24
• 2.4.1 Simulink子系统模型封装22-23
• 2.4.2 光伏电池模型仿真分析23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 数字式光伏电池模拟器的硬件电路设计25-48
• 3.1 数字式光伏电池模拟器的系统指标25
• 3.2 数字式光伏电池模拟器的硬件电路设计概述25-26
• 3.3 数字式光伏电池模拟器的开关预稳压电路设计26-38
• 3.3.1 保护和EMI滤波电路设计26-27
• 3.3.2 整流滤波电路设计27-28
• 3.3.3 高频变压器设计28-30
• 3.3.4 PWM集成控制器设计30-35
• 3.3.5 推挽式隔离驱动电路设计35-36
• 3.3.6 他激型半桥式开关电路设计36-38
• 3.3.7 低压整流滤波输出电路38
• 3.4 数字式光伏电池模拟器的数控稳压电路设计38-47
• 3.4.1 MCU控制器简介39-41
• 3.4.2 电源系统电路设计41-43
• 3.4.3 MCU系统电路设计43-45
• 3.4.4 数控稳压电路设计45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 数字式光伏电池模拟器的控制算法与软件设计48-57
• 4.1 数字式光伏电池模拟器的控制算法48-53
• 4.1.1 数字式光伏电池模拟器静态工作点48-49
• 4.1.2 数字式光伏电池模拟器的工作原理分析49-50
• 4.1.3 数字式光伏电池模拟器负载工作点的确定50-53
• 4.2 数字式光伏电池模拟器的软件设计53-56
• 4.2.1 程序开发平台53
• 4.2.2 主控制程序设计53-56
• 4.2.3 系统保护程序设计56
• 4.3 本章小结56-57
• 第5章 实验调试及结果分析57-67
• 5.1 硬件电路的设计实现57-59
• 5.1.1 电路原理图设计57
• 5.1.2 PCB电路板设计57-59
• 5.2 系统调试及结果分析59-66
• 5.2.1 前级开关预稳压输出测试59-61
• 5.2.2 静态特性实验及结果分析61-65
• 5.2.3 动态特性实验及结果分析65-66
• 5.3 本章小结66-67
• 第6章 结论与展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 附件74

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