基于STM32的20KW光伏离网逆变器的设计及MPPT技术的研究

【摘要】：随着社会经济的快速发展,常规能源大规模消耗引发的能源危机和环境污染日趋严重,人类越来越重视对绿色新能源的开发和利用。其中,太阳能以其清洁、环保、无污染、取之不尽用之不竭等优点而深受人们的青睐。光伏发电作为太阳能利用的一种重要形式,也得到了迅速的发展,并成为新能源应用领域的重点研究课题。光伏离网逆变器作为光伏离网发电系统中实现电能转换的核心装置,对整个系统的效率、稳定性及成本具有决定性作用。因此,为提高光伏发电系统的发电效率、改善其控制能力,研究一种高性能的光伏离网逆变器具有重要意义。 本文围绕光伏离网发电系统的高效率发电技术和逆变控制技术进行了研究,主要内容如下： (1)研究了单相全桥光伏离网逆变器主电路拓扑结构,详细分析了全桥逆变电路的工作原理。研究了面积中心等效SPWM控制算法及电压电流双闭环PI控制算法,在此基础上实现逆变器的稳压控制。 (2)重点研究了光伏阵列的输出特性、最大功率点跟踪(MPPT)控制算法和蓄电池充电特性。在对比分析几种常见MPPT控制算法的基础上,提出了一种改进型变步长扰动观察的MPPT控制方法,同时介绍了几种实现MPPT算法的常用DC/DC变换电路,对Boost变换电路的原理进行了分析,并基于Boost电路建立了改进型变步长扰动观察法MPPT控制系统的Matlab/Simulink仿真模型,仿真结果表明改进型变步长扰动观察的MPPT算法能有效地跟踪太阳能光伏系统的最大功率点,提高了系统动态和稳态性能;设计了带MPPT和恒压充电功能的光伏充电控制器,有效地提高了光伏阵列的利用率并实现了蓄电池充电控制的优化。 (3)给出了20KW光伏离网逆变器的主电路元件参数及部分硬件电路的原理图设计。 (4)给出了详细的软件控制系统设计方案和各功能子模块的软件流程图,重点阐述了带死区补偿的DSPWM控制信号、稳压控制及信号检测的软件实现方法。 (5)在理论分析和仿真研究的基础上,研制了基于STM32F103VE的单相20KW光伏离网逆变器样机,并对其性能进行测试实验。分析了IGBT驱动波形、空载和带载情况下输出电压的波形,验证了本文所研究的20KW离网型逆变器的设计方案可行性。 【关键词】：光伏离网逆变器 SPWM MPPT STM32F103VE
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外光伏发电产业的发展现状11-12
• 1.2.1 国外光伏发电产业的发展现状11-12
• 1.2.2 国内光伏发电产业的发展现状12
• 1.3 光伏发电系统概述12-14
• 1.3.1 光伏系统的分类12-13
• 1.3.2 光伏离网逆变器13-14
• 1.4 本文的主要研究内容和工作14-15
• 1.5 论文结构15-16
• 第2章 20KW光伏离网逆变器的拓扑结构及控制策略研究16-23
• 2.1 单相光伏离网逆变器的工作原理16-18
• 2.1.1 单相光伏离网系统的主回路拓扑结构16
• 2.1.2 单相全桥光伏离网逆变器工作状态分析16-18
• 2.2 单相光伏离网逆变器的控制策略分析18-22
• 2.2.1 PWM控制的基本原理18-20
• 2.2.2 等面积中心算法20-21
• 2.2.3 双闭环PI稳压控制方法21
• 2.2.4 电压、电流双闭环PI稳压控制方法仿真21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 MPPT控制技术的研究及光伏充电控制器的设计23-40
• 3.1 太阳能光伏电池的建模与仿真研究23-26
• 3.1.1 光伏电池的等效模型和输出特性23-24
• 3.1.2 光伏阵列的Matlab建模与仿真24-26
• 3.2 光伏电池最大功率点跟踪研究26-34
• 3.2.1 最大功率点跟踪原理26
• 3.2.2 DC/DC变换电路26-28
• 3.2.3 典型MPPT控制方法的研究28-32
• 3.2.4 改进型变步长扰动观察的MPPT算法32-33
• 3.2.5 基于Boost电路改进型MPPT算法的Matlab/Simulink建模与仿真33-34
• 3.3 光伏充电控制器的研究与部分设计要点34-39
• 3.3.1 光伏充电控制器的主体设计方案34-35
• 3.3.2 蓄电池的充电特性及充电方法的研究35-36
• 3.3.3 蓄电池充电控制程序设计及PWM控制信号测试36-38
• 3.3.4 光伏充电控制器的MPPT效率测试及分析38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 20KW光伏离网逆变器的硬件设计40-47
• 4.1 20KW光伏离网逆变器技术指标40
• 4.2 光伏离网逆变器总体结构电路40-41
• 4.3 光伏离网逆变器主电路元件参数设计41-43
• 4.3.1 直流侧滤波电容参数设计41-42
• 4.3.2 功率开关管的设计选择42
• 4.3.3 输出端LC滤波电路参数设计42-43
• 4.4 离网逆变器最小系统主控电路43
• 4.5 逆变器辅助电源电路设计43-44
• 4.6 IGBT驱动电路设计44-45
• 4.7 信号采样电路设计45-46
• 4.7.1 直流电压采样45
• 4.7.2 交流电压采样45-46
• 4.7.3 输出电流采样46
• 4.8 本章小结46-47
• 第5章 20KW光伏离网逆变器的软件设计及实验结果分析47-59
• 5.1 软件开发环境及软件功能47-48
• 5.2 光伏离网逆变器软件控制系统总体设计48-49
• 5.3 逆变器系统主循环模块49
• 5.4 逆变器系统各中断服务模块子程序49-53
• 5.4.1 采样程序设计49-50
• 5.4.2 生成SPWM程序设计50-52
• 5.4.3 稳压程序设计52
• 5.4.4 故障检测及处理程序设计52-53
• 5.5 实验结果及分析53-58
• 5.5.1 IGBT驱动信号分析53-54
• 5.5.2 不同输入直流母线电压波动条件下的稳压实验54-55
• 5.5.3 不同负载输出电压实验55-58
• 5.6 本章小结58-59
• 第6章 总结与展望59-60
• 6.1 总结59
• 6.2 工作展望59-60
• 参考文献60-63
• 附录63-64
• 攻读学位期间参与的课题研究及取得的研究成果64-65
• 致谢65-66

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