离网型光伏发电装置控制策略研究及系统设计

【摘要】：太阳能是资源量最大、分布最普遍的可再生能源，对其进行有效地开发和利用一直是各国追求的目标。光伏发电是太阳能资源的一种有效利用形式，对缓解电力紧张和减少环境污染具有重大意义。目前光伏发电方式有并网型和离网型两种，其中并网型的装机容量较大，而离网型光伏发电方式因具有安装方便、不受电网政策限制、成本相对较低等特点同样具有广阔的应用前景。基于以上背景，本文对离网型光伏发电装置进行了控制策略研究并以ARM控制器为核心设计了一套离网型光伏发电系统。 在分析了离网型光伏发电系统的研究现状和系统设计中的技术难点之后，本文综合考虑了发电设备和储能设备之间的相互配合问题，设计了系统的整体结构，包括光伏板、蓄电池、Boost变换器、双向Buck/Boost变换器和全桥逆变器。 为了实现对光伏板发电能力的最大化利用，本文重点研究了光伏最大功率跟踪（MPPT）算法。通过Matlab仿真实验发现了目前工程中普遍使用的扰动观察法的缺点，之后进行了两次算法改进，设计了方便可行的改进型变步长扰动观察法，很好地缓解了最大功率跟踪时稳态精度和响应速度无法兼顾的矛盾。为了延长蓄电池的使用寿命，本文分析了蓄电池的充放电特性，对比了工程中常用蓄电池充电方法的优缺点，选择了两段式充电方法并通过仿真实验证明了其可行性。此外，本文还对整体结构中涉及的每个功率变换器设计了匹配的控制策略，针对光伏板、负载和蓄电池三者运行时的不同状态设计了系统的6种工作模式，给出了适合本文的能量管理控制策略。 系统设计也是本文的重要内容。针对中小功率家用电器的需求，本文制定了系统各个子模块的功率参数和电压等级，对主电路中用到的三种功率变换器进行了详细的硬件电路设计和元器件参数计算，并参考计算结果进行了器件选型。之后，基于STM32F103ZET6设计了系统的控制电路，包括供电电路、传感器电路、采样电路、MOSFET驱动及其保护电路、全桥逆变控制电路和人机界面。 为了进一步验证系统设计的合理性，本文搭建了一个小功率离网型光伏发电系统实验平台，完成了控制电路调试实验和MPPT实验，给出了相关实验波形。另外，还成功实现了正弦波全桥逆变功能，证明了全桥逆变主电路及其控制电路设计的可靠性。 【关键词】：离网型光伏发电 MPPT 蓄电池 电力电子变换器 正弦波逆变器
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 论文审阅认定书3-4
• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• Contents10-12
• 图清单12-16
• 表清单16-17
• 变量注释表17-19
• 1 绪论19-28
• 1.1 研究背景及意义19-20
• 1.2 光伏发电系统概述20-23
• 1.3 离网型光伏发电系统研究现状23-26
• 1.4 离网型光伏发电系统设计难点26-27
• 1.5 本文研究内容和论文结构27-28
• 2 系统结构分析及控制策略研究28-55
• 2.1 系统整体结构28-29
• 2.2 光伏发电单元29-37
• 2.3 蓄电池储能单元37-44
• 2.4 Boost 变换器单元44-47
• 2.5 双向 DC/DC 变换器单元47-49
• 2.6 全桥逆变器单元49-51
• 2.7 整体系统能量管理控制策略51-54
• 2.8 本章小结54-55
• 3 离网型光伏发电系统主电路硬件设计55-65
• 3.1 系统主要参数55-56
• 3.2 光伏板选型56
• 3.3 蓄电池选型56-57
• 3.4 单向 Boost 变换器的主电路参数设计57-59
• 3.5 双向 Buck/Boost 变换器的主电路参数设计59-61
• 3.6 全桥逆变器的主电路参数设计61-64
• 3.7 本章小结64-65
• 4 离网型光伏发电系统控制电路设计65-77
• 4.1 微处理器 STM32F103ZET64765-66
• 4.2 控制电路电源模块设计66-67
• 4.3 传感器电路设计67-68
• 4.4 采样电路设计68-70
• 4.5 MOSFET 驱动及其保护电路设计70-71
• 4.6 全桥逆变控制模块设计71-72
• 4.7 触摸显示模块选择72-73
• 4.8 STM32F103ZET6 最小系统及管脚分配73-76
• 4.9 本章小结76-77
• 5 仿真与实验结果分析77-90
• 5.1 离网型光伏发电系统仿真结果及分析77-85
• 5.2 硬件系统调试结果与分析85-89
• 5.3 本章小结89-90
• 6 总结与展望90-92
• 6.1 全文总结90
• 6.2 未来工作展望90-92
• 参考文献92-95
• 作者简历95-97
• 学位论文数据集97

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