小功率家用光伏发电储能系统的研究

【摘要】：能源危机的日渐加重以及化石能源对环境的污染,都在不断促使着新能源发电技术的进步。其中,光伏发电因为储量大、无污染等优势得以被越来越多地推广与应用。分布式微网的快速发展以及我国诸多偏远地区输电困难等因素,也为我国光伏发电事业带来了美好的前景。 本文对小功率家用光伏发电储能系统进行了研究与设计。该系统集升压控制、逆变、储能等部分于一体,便于安装、使用,拥有较好的商业前景。文中首先对本系统所采用的Boost升压电路、全桥逆变电路以及储能电路的工作原理进行了分析,并详细介绍了逆变电路中的SPWM调制方式。由于采用了非隔离拓扑,系统在并网工作模式下,会产生严重的漏电流,文中对漏电流的产生和抑制原理进行了解释和说明,决定采用加入共模滤波器的方式来抑制漏电流,并通过仿真验证了该设计的可行性。本文对系统的闭环设计、光伏电池的特性、MPPT的实现、储能环节的充电方案都进行了研究与设计,采用了变步长电导增量MPPT法和三段式充电控制方式对系统进行控制。 在本文理论研究基础上设计了5kW小功率家用光伏发电储能系统样机。文中采用IGBT和MOSFET作为开关器件的选择,对电感、电容等元件参数进行了详细地设计,并针对系统需求,设计了相应的采样调理和保护电路。最后介绍了控制芯片TMS320F28335的外围设计和端口分配。 本文最后对该系统进行了仿真和实验,验证了所用拓扑及调制方式的高效性,测试最高效率可达94.4%。仿真中就MPPT算法对整个光伏系统的可行性也进行了验证,稳态跟踪效率保持在99%以上,能最大限度地利用电池板的功率。本文对双向储能电路也进行了仿真,验证了该电路的可行性。 【关键词】：光伏 非隔离逆变器 储能 共模漏电流 MPPT
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-15
• 1.1 光伏发电的背景与意义11-12
• 1.1.1 能源、环境与太阳能11-12
• 1.1.2 家用光伏发电的意义与需求12
• 1.2 光伏逆变器与储能系统的分类12-13
• 1.2.1 光伏逆变器的分类12-13
• 1.2.2 储能系统的分类13
• 1.3 本文工作重点13-15
• 2 小功率家用光伏发电储能系统原理15-34
• 2.1 系统总体设计方案15-16
• 2.1.1 系统拓扑总体结构15
• 2.1.2 系统设计指标15-16
• 2.2 BOOST升压电路研究16-18
• 2.2.1 工作原理17-18
• 2.2.2 升压电路实际设计18
• 2.3 全桥逆变电路研究18-23
• 2.3.1 工作原理19
• 2.3.2 正弦脉宽调制技术19-23
• 2.4 双向储能电路设计研究23-25
• 2.4.1 双向DC/DC全桥电路23-24
• 2.4.2 双向Buck/Boost电路24-25
• 2.4.3 双向储能电路的分析与选择25
• 2.5 非隔离拓扑漏电流研究25-32
• 2.5.1 非隔离拓扑漏电流因素25-27
• 2.5.2 非隔离拓扑漏电流抑制方案27-30
• 2.5.3 非隔离拓扑漏电流抑制方案仿真30-32
• 2.6 本章小结32-34
• 3 光伏系统控制设计34-51
• 3.1 离网控制设计34-35
• 3.2 并网控制设计35-37
• 3.3 最大功率点追踪(MPPT)原理与设计37-48
• 3.3.1 光伏电池模型37-38
• 3.3.2 光伏电池特性38
• 3.3.3 MPPT原理38-39
• 3.3.4 MPPT常用算法39-41
• 3.3.5 变步长电导增量法41-42
• 3.3.6 MPPT仿真及对比分析42-48
• 3.4 蓄电池充电方法设计48-49
• 3.4.1 蓄电池常用充电方法48-49
• 3.4.2 蓄电池充放电控制设计49
• 3.5 本章小结49-51
• 4 系统硬件设计51-64
• 4.1 功率主电路设计与选型51-52
• 4.1.1 BOOST电路开关器件选型51
• 4.1.2 全桥电路开关器件选型51-52
• 4.1.3 储能电路开关器件选型52
• 4.2 主要无源器件设计52-56
• 4.2.1 Boost电感52
• 4.2.2 Boost输入电容52-53
• 4.2.3 直流母线电容53-54
• 4.2.4 交流输出电感与电容54-55
• 4.2.5 双向储能变压器与电容55-56
• 4.3 辅助硬件电路设计56-61
• 4.3.1 IGBT驱动设计56
• 4.3.2 MOSFET驱动设计56-57
• 4.3.3 采样调理电路设计57-59
• 4.3.4 保护电路设计59-61
• 4.4 DSP电路设计61-63
• 4.4.1 TMS320F28335简介与电路设计61-62
• 4.4.2 TMS320F28335电路设计62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 仿真与实验验证64-74
• 5.1 仿真验证64-70
• 5.1.1 光伏逆变电路离网仿真64-65
• 5.1.2 光伏逆变电路并网仿真65-67
• 5.1.3 双向储能电路仿真67-70
• 5.2 实验验证70-73
• 5.2.1 离网实验验证70-72
• 5.2.2 并网实验测试72-73
• 5.3 本章小结73-74
• 6 工作总结与展望74-76
• 6.1 工作总结74-75
• 6.2 未来展望75-76
• 参考文献76-78
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果78-82
• 学位论文数据集8

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