功率实时匹配光伏充电系统的研究

【摘要】：太阳能作为一种新能源,因其资源潜力大、可持续利用等优点被各国竞相开发利用,但由于太阳能存在空间分布不均、间歇性大,因此其利用效率一直较低。独立光伏发电系统的电能存储过程中,光伏电池的发电功率与蓄电池的吸收功率不能完全实时匹配,损失大量能量。因此,设计一种能实时采集光伏电池阵列输出功率的最大值,且能让蓄电池以最大限度存储电能的系统,对提高光伏发电系统的利用效率有深远的意义。针对光伏发电系统中充电功率不匹配的问题,深入研究了光伏电池的负载模型、工作原理、输出特性与影响因素和蓄电池充放电基本原理与电路模型,提出了一种功率实时匹配光伏充电方法。该方法采用MPPT控制电路模块追踪光伏电池阵列功率的最大值和利用设计的功率实时匹配调控电路使蓄电池以最佳吸收功率存储电能,能有效的提高光伏发电系统的充电效率,降低光伏发电利用成本,对光伏发电领域的研究提供一种具有借鉴意义的方法。首先,论述了功率实时匹配光伏充电系统的可行性,运用MPPT追踪光伏电池阵列发出功率的最大值,采用直流功率变压调节具体实现功率实时匹配充电的方案。然后,以STM8S003F3P6单片机为控制系统核心,完成光伏电池阵列发出功率最大值追踪系统的设计。最后,利用直流功率变压调节原理建立功率实时匹配充电电路模型,完成功率实时匹配光伏充电系统的制作,并对整个系统进行实验调试与功率实时匹配充电测试实验。实验结果及结论：(1)功率实时匹配光伏充电系统不仅能在太阳光比较充足环境下实现充电效率的提高,而且在太阳光照比较弱的情况下,也能实现较高的能量收集。(2)蓄电池高频充电时表现出来的感性对光伏充电系统的设计有一定的影响,考虑蓄电池的高频感性,能优化光伏充电系统的性能。(3)纯电阻元件作为光伏电池的负载和有容抗或者感抗元件作为光伏电池的负载在相同条件下比较,偏容抗性或者偏感抗性的负载对光伏电池的发出功率的吸收采集效率较高。(4)在一定的充电电压范围内(44V-52V),功率实时匹配光伏充电效率比同一系统的MPPT光伏充电系统效率能提高10%左右。 【关键词】：光伏电池 功率实时匹配 充电系统 最大功率点 效率
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 研究的背景和意义12-14
• 1.2.1 研究背景12-13
• 1.2.2 研究意义13-14
• 1.3 光伏发电系统的国内外发展现状14-17
• 1.3.1 国外光伏发电系统发展15-16
• 1.3.2 国内光伏发电发展16-17
• 1.3.3 国内外独立光伏发电系统现状17
• 1.4 课题的研究内容及创新点17-21
• 1.4.1 研究内容17-18
• 1.4.2 本文的创新点18-19
• 1.4.3 论文结构安排19-21
• 第2章 光伏电池理论模型的特性研究21-34
• 2.1 光伏电池特性研究21-26
• 2.1.1 光伏电池工作的基本原理21-22
• 2.1.2 光伏电池的二极管模型22-23
• 2.1.3 光伏电池的输出特性研究23-24
• 2.1.4 光伏电池输出特性的影响因素24-26
• 2.2 光伏电池的工程模型26-29
• 2.2.1 光伏电池输出的工程计算26-28
• 2.2.2 任意工况光伏电池输出特性的工程计算28-29
• 2.3 光伏电池功率模型的建立及分析29-33
• 2.3.1 光伏电池功率模型的建立29-31
• 2.3.2 光伏电池功率模型仿真的分析31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 蓄电池理论模型的研究34-45
• 3.1 蓄电池电路模型的研究34-36
• 3.1.1 蓄电池主要性能参数34-35
• 3.1.2 蓄电池的充放电机理35-36
• 3.2 蓄电池的电化学模型36-37
• 3.2.1 蓄电池电化学原理建模36-37
• 3.3 蓄电池的等效电路模型37-41
• 3.3.1 蓄电池基础等效电路模型37-38
• 3.3.2 蓄电池的Thevenin等效电路模型38
• 3.3.3 蓄电池的PNGV等效电路模型38-39
• 3.3.4 蓄电池的动态模型39-41
• 3.4 蓄电池高频瞬态模型41-44
• 3.4.1 蓄电池高频瞬态模型模型推导41-42
• 3.4.2 铅酸蓄电池仿真42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 光伏充电系统的设计45-65
• 4.1 光伏充电系统功率匹配模型的研究45-56
• 4.1.1 光伏电池直接充电模型45-47
• 4.1.2 MPPT光伏电池充电模型47-49
• 4.1.3 功率匹配光伏充电模型的建立49-55
• 4.1.4 功率匹配输出仿真55-56
• 4.2 光伏充电系统的硬件电路设计56-62
• 4.2.1 MPPT输入功率匹配硬件电路设计56
• 4.2.2 MPPT电源电路模块56-58
• 4.2.3 单片机最小系统模块58-59
• 4.2.4 采样与输出控制电路模块59-60
• 4.2.5 功率实时匹配电路模块60-61
• 4.2.6 显示电路模块61-62
• 4.3 控制系统软件设计62-64
• 4.3.1 主控制模块的软件设计62
• 4.3.2 MPPT光伏电池最大功率匹配算法62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第5章 实验研究及分析65-74
• 5.1 光伏电池阵列输出特性实验65-68
• 5.1.1 光伏电池阵列输出特性实验65-66
• 5.1.2 光伏电池阵列最大功率实验测试66-67
• 5.1.3 光伏电池阵列直接充电实验67-68
• 5.2 光伏电池阵列MPPT输出功率实验研究68-69
• 5.2.1 光伏电池阵列MPPT输出特性68
• 5.2.2 MPPT光伏充电系统充电实验68-69
• 5.3 功率实时匹配光伏充电系统的实验研究69-73
• 5.3.1 功率实时匹配光伏充电系统的充电波形测试70-72
• 5.3.2 功率实时匹配光伏充电系统的充电效率分析72-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第6章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-81
• 攻读学位期间的研究成果81-82
• 致谢82-84
• 浙江师范大学学位论文诚信承诺书84

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