智能独立光伏充电控制系统的研究

【摘要】：本文是以独立光伏充电控制系统作为研究对象,从系统的拓扑结构、参数的选择、最大功率跟踪(MPPT)、控制策略以及蓄电池的保护等方面做了详细的分析和研究。 本论文分析论述了光伏电池及蓄电池的工作原理,仿真分析了光伏电池的输出特性；研究了蓄电池的充电特性和常用的充电方法。本论文所采用的独立光伏充电方法,其充电过程分为最大功率充电、恒压充电和浮充三阶段充电控制策略,该方法综合了恒流充电法快速、安全的优点和恒压充电法能够控制过充电以及在浮充状态保持蓄电池电量的优点。 在上述分析的基础上,确定采用Buck拓扑结构作为智能独立光伏充电控制系统的主电路结构,该电路结构简单、运行可靠,可以满足独立光伏充电和最大功率跟踪的技术要求。本系统采用C8051F040单片机为控制中心,对光伏电池和蓄电池的端电压不断检测,通过对充电电压或充电电流反馈调节开关管的占空比,实现最大功率跟踪充电、恒压充电和浮充电的功能。完成了基于C8051F040独立光伏充电控制器的硬件设计,并编写了相应的控制程序和算法。 根据前面的理论研究,本文研制了智能独立光伏充电控制器的实验样机,并且进行了实验研究,最大功率充电时能快速跟踪外界条件的变化,提高了光伏电能的利用率,恒充和浮充电压精度高,可以延长蓄电池的使用寿命,获得了良好的实验结果。 【关键词】：智能充电 蓄电池 最大功率跟踪 buck
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究的背景9-10
• 1.1.1 能源及环境污染问题9
• 1.1.2 光伏发电的特点和优势9-10
• 1.2 光伏发电的发展现状及前景10-12
• 1.2.1 国外发展现状11
• 1.2.2 国内发展现状11-12
• 1.3 充电控制器的研究现状12
• 1.4 光伏发电系统的分类与应用12-14
• 1.5 课题主要研究内容14
• 1.6 本章小结14-15
• 2 独立光伏发电系统特性研究15-31
• 2.1 独立光伏发电系统组成15
• 2.2 光伏电池15-18
• 2.2.1 光伏电池工作原理15-16
• 2.2.2 光伏电池的理论数学模型16-17
• 2.2.3 光伏电池的工程数学模型17-18
• 2.3 光伏电池阵列的MATLAB仿真18-27
• 2.3.1 光伏电池阵列的Simulink模型18-21
• 2.3.2 光伏阵列的M函数模型21-27
• 2.4 铅酸蓄电池27-30
• 2.4.1 铅酸蓄电池工作原理27
• 2.4.2 铅酸蓄电池的基本概念27-28
• 2.4.3 蓄电池充电过程中的极化过程28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 智能充电技术的研究与设计31-46
• 3.1 蓄电池充电技术31-33
• 3.1.1 蓄电池的充电理论基础31-32
• 3.1.2 恒流充电法32
• 3.1.3 恒压充电法32-33
• 3.1.4 两阶段充电法33
• 3.2 独立光伏系统中蓄电池充电技术33-34
• 3.3 最大功率点跟踪原理34-35
• 3.4 最大功率点跟踪算法35-39
• 3.4.1 恒电压跟踪控制法35-36
• 3.4.2 扰动观察法36-37
• 3.4.3 电导增量法37-39
• 3.4.4 其它跟踪方法39
• 3.5 最大功率点跟踪算法仿真分析39-45
• 3.5.1 扰动观察法仿真实验40-42
• 3.5.2 电导增量法仿真实验42-45
• 3.5.3 两种MPPT算法仿真结果的分析与比较45
• 3.6 本章小结45-46
• 4 智能光伏充电系统的硬件设计46-64
• 4.1 系统硬件方案总体设计46-47
• 4.2 C8051F040单片机及外围电路47-51
• 4.2.1 单片机特性介绍47-48
• 4.2.2 单片机电源电路48-49
• 4.2.3 系统时钟电路49
• 4.2.4 系统复位电路49
• 4.2.5 JTAG调试接口电路49-50
• 4.2.6 电源状态指示电路50
• 4.2.7 键盘控制电路50-51
• 4.2.8 LCD显示部分设计51
• 4.3 数据采集电路设计51-54
• 4.3.1 电压采集电路52-53
• 4.3.2 电流采集电路53-54
• 4.4 串口通信模块的设计54-55
• 4.5 充电控制电路设计55-60
• 4.5.1 Buck电路工作原理55-57
• 4.5.2 电感的选择与计算57
• 4.5.3 电容的选择与计算57-58
• 4.5.4 功率开关管及续流二极管的选择58-59
• 4.5.5 MOSFET驱动电路设计59-60
• 4.6 Buck基本电路的仿真与分析60-62
• 4.6.1 Buck电路的仿真60-61
• 4.6.2 Buck电路的波形分析61-62
• 4.7 负载保护电路设计62-63
• 4.8 本章小结63-64
• 5 智能光伏充电系统的软件设计64-72
• 5.1 软件开发环境简介64
• 5.2 系统软件方案设计64-65
• 5.3 系统主程序设计65-66
• 5.4 系统充电控制程序设计66-67
• 5.5 三阶段充电子流程67-69
• 5.6 放电控制程序设计69-70
• 5.7 滤波程序设计70-71
• 5.8 本章小结71-72
• 6 结论72-77
• 6.1 实验结果与分析72-74
• 6.2 课题总结74-75
• 6.3 工作展望75-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80-81
• 致谢81-84
• 附录A：智能独立光伏充电控制器原理图84-85
• 附录B：PCB图(Top Layer)85

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