独立光伏发电系统控制器设计与应用

【摘要】：当今社会能源危机和环境恶化现象促使人们重新审视能源开发问题,新能源的开发和应用成为世界能源发展的必然趋势。其中太阳能具有资源丰富、无污染等显著的优势,成为最有潜力的新能源之一。我国幅员辽阔,太阳能丰富,在太阳能的开发利用上就有明显优势。现今,随着光伏技术的不断发展,生产成本的不断降低,光伏发电成为太阳能利用的重要手段之一。但是光伏发电系统依然存在一些问题有待解决,能量转化效率需进一步提高,控制方法也需改进和优化。因此,研究光伏发电相关控制问题具有重要意义。 本文主要以独立光伏发电系统为研究对象,仿真研究了光伏阵列输出特性,改进了最大功率点跟踪控制算法,对蓄电池的充放电设计了相应的控制算法,并成功应用到实际光伏发电系统中；开发了简单易于实现的独立光伏发电系统,将光伏阵列产生的电能通过相应的控制策略给直流负载供电,并将多余电能储存在封闭式铅酸蓄电池中；通过仿真软件实时监控系统运行状态,可以发现本文设计的光伏系统进一步提高了系统转化效率,能够更有效的利用太阳能。 本文首先按照光伏阵列的数学模型,利用MATLAB/Simulink库中的相应模块搭建了光伏阵列仿真模型,分析了光伏阵列输出特性与外界光照强度和温度的关系,为搭建实际系统提供了参考依据。其次,搭建了独立光伏发电系统硬件电路,主要由光伏阵列、buck电路、控制器、储能环节、负载、检测环节等组成。最后,利用dSPACE DS1104实时仿真平台与MATLAB,结合改进的跟踪控制算法,实现了系统的有效控制。在综合实验调试阶段,把检测环节采集到的系统相应电压电流参数作为控制器的输入量,输出量为buck电路占空比。利用dSPACE的实验软件ControlDESK监控系统各个参数,实时显示系统运行状态,调试结果表明本文设计的光伏系统可以稳定有效地运行。 本文设计的独立光伏发电系统以实际应用为背景,硬件电路结构简单,易于实现,可直接接入直流负载工作；控制器采用dSPACE DS1104实时仿真平台,可与MATLAB实现无缝连接；通过RTI可将在Simulink中用框图实现的控制算法直接编译成C语言下载到DS1104硬件中,开发流程简单,程序编译和下载方便,可随时对程序参数进行调整改进,有效地缩短了开发周期；光伏发电系统的仿真研究,为实际应用提供理论依据；改进后的变步长干扰观察法可快速有效地跟踪最大功率点,并有效防止在跟踪稳定期内能量的损耗；利用仿真实验软件ControlDESK实时监控系统运行状态。系统能高效稳定运行,取得了较好的研究效果。 【关键词】：光伏阵列 最大功率点跟踪(MPPT) dSPACE DC/DC转换器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615;TP273
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 背景与意义12-13
• 1.2 光伏产业发展现状13-15
• 1.3 论文研究的主要内容15-18
• 第二章 独立光伏发电系统总体设计18-24
• 2.1 系统需求分析18-19
• 2.2 光伏发电系统总体设计19-23
• 2.2.1 系统硬件设计及实现形式19-22
• 2.2.2 系统控制策略22-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 独立光伏发电系统硬件设计24-44
• 3.1 光伏阵列特性及仿真24-32
• 3.1.1 光伏电池工作原理及等效表达式24-26
• 3.1.2 光伏阵列仿真26-28
• 3.1.3 光伏阵列特性分析28-32
• 3.2 DC/DC变换器实现32-35
• 3.2.1 DC/DC变换器工作原理和电路设计32-34
• 3.2.2 驱动电路34-35
• 3.3 储能环节设计35-37
• 3.4 控制器介绍37-39
• 3.4.1 dSPACE平台介绍37
• 3.4.2 DS1104控制平台37-39
• 3.5 检测环节39-42
• 3.6 本章小结42-44
• 第四章 独立光伏发电系统控制策略44-60
• 4.1 DSPACE软件介绍44-48
• 4.1.1 开发环境介绍44-46
• 4.1.2 dSPACE实验测试软件46
• 4.1.3 各软件的参数设置46-48
• 4.2 最大功率点跟踪控制算法48-54
• 4.2.1 常用MPPT方法及比较49-53
• 4.2.2 基于占空比的变步长干扰观察法53-54
• 4.3 蓄电池充放电控制54-56
• 4.4 用SIMUlink实现控制策略56-58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 系统仿真与调试60-66
• 5.1 MPPT控制策略仿真60-62
• 5.2 系统调试62-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 本课题主要工作66-67
• 6.2 后续的研究工作67-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-76
• 攻读硕士学位期间完成的论文及参与项目76-77
• 学位论文评阅及答辩情况表77

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