光伏发电系统中基于MPPT的直流斩波控制

论文摘要

能源是当今世界的热点问题,是经济发展的基础,也是我国人民幸福生活的根本保障。我国人口众多、能源短缺,人们始终在寻找一条用新型、清洁、可再生能源来替代传统不可再生能源的可持续发展道路。太阳能是一种清洁可再生能源,是将来能源转型的最好选择,太阳能的主要应用是在光伏发电领域。光伏发电是利用光伏电池板的光电效应,把太阳能转换为电能,给负载供电。光伏电池是光伏发电的关键,但目前存在着成本高、转换效率低的问题,为了提高光伏电池的效率,需要对光伏电池的输出加以控制,使其始终工作在最大功率点。因此,在光伏发电系统中,进行光伏电池的最大功率追踪(MPPT)问题研究具有重要的意义和实用价值。论文首先介绍了光伏发电的国内外动态,指出我国光伏发电的前景,光伏发电是我国走可持续发展道路的必然选择。对太阳能光伏发电系统的原理进行概述,分析了光伏电池的工作原理及输出特性,并且在MATLAB软件中搭建光伏电池工程模型并进行仿真研究。因为光伏电池输出特性是非线性的,电池输出功率随输出电压的变化而变化,只有对光伏电池的输出电压进行控制,才能对光伏电池输出功率进行控制,针对光伏电池最大功率追踪问题,简述并分析了多种实现方法,分别选用定步长导纳增量法和变步长导纳增量法进行最大功率追踪研究,MATLAB中用S函数编写了实现这两种方法的程序并进行了仿真,仿真结果证明两种算法都能追踪到光伏电池的最大功率点,但是变步长导纳增量法较定步长来说,在追踪最大功率时,无论在动态性能上还是在稳态性能上都有很大改善。在此基础上建立了直流斩波控制系统的仿真模型,进行了最大功率追踪系统仿真,结果表明直流斩波电路参数选择合理,最大功率时电压输出稳定。其次,以仿真结果为基础,研制了光伏电池基于最大功率追踪直流斩波控制系统硬件实验平台,选择并设计了以IGBT为主控元件的Boost升压斩波主电路、检测电路和驱动电路等。介绍了多种IGBT保护缓冲电路,选择RCD吸收电路作为IGBT的保护电路,实验结果证明,RCD缓冲电路有效地抑制了开关管关断过电压。最后,用美国TI公司的产品TSM320F2812作为控制器,在CCS开发环境中编写并调试了控制系统相关程序,包括主程序、T2下溢中断服务、AD采样滤波及精度校正、最大功率追踪(MPPT)、PWM输出程序等,配合硬件电路进行了系统实验,在一定条件下实现了光伏电池的最大功率追踪。证明了本文设计的软件程序正确、有效,硬件电路工作稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光伏发电的现状
• 1.1.1 世界光伏发电产业现状
• 1.1.2 我国光伏发电产业现状
• 1.2 光伏发电系统分类
• 1.2.1 独立光伏发电系统
• 1.2.2 并网光伏发电系统
• 1.3 光伏发电前景
• 1.4 选题的意义及主要研究内容
• 第二章 光伏电池工作原理及最大功率追踪
• 2.1 光伏发电系统
• 2.2 光伏电池工作原理及特性
• 2.2.1 光伏电池工作原理
• 2.2.2 光伏电池等效电路及输出特性
• 2.2.3 其它因素对光伏电池输出特性的影响
• 2.3 光伏电池输出特性仿真
• 2.3.1 光伏电池仿真模型的搭建
• 2.3.2 不同条件下光伏电池仿真结果
• 2.4 最大功率追踪原理
• 2.4.1 几种最大功率追踪方法
• 2.5 最大功率追踪仿真
• 2.5.1 S函数的编写
• 2.5.2 光伏电池最大功率追踪仿真结果
• 2.5.3 仿真结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于MPPT的直流斩波硬件设计
• 3.1 控制器介绍
• 3.2 Boost直流升压斩波变换器
• 3.2.1 Boost升压原理
• 3.2.2 Boost电路工作原理
• 3.3 缓冲电路的设计
• 3.3.1 LCRD复合缓冲器
• 3.3.2 RCD缓冲电路
• 3.3.3 RC缓冲电路
• 3.4 系统器件的选择
• 3.4.1 开关管的选择
• 3.4.2 升压电感的选择
• 3.4.3 滤波电容的选择
• 3.4.4 蓄电池的选用
• 3.4.5 二极管的选择
• 3.4.6 缓冲电路的器件选择
• 3.5 辅助电路5V电源设计
• 3.6 驱动电路设计
• 3.7 电压、电流检测电路
• 3.7.1 电压、电路采样调理电路设计
• 3.7.2 检测电路输出电压计算
• 3.8 故障电路设计
• 3.9 本章小结
• 第四章 MPPT的直流斩波系统软件设计
• 4.1 CCS开发环境
• 4.2 软件设计总体思路
• 4.2.1 程序初始化过程
• 4.3 系统子程序设计
• 4.3.1 定时器T2下溢中断服务程序
• 4.3.2 AD精度校正原理
• 4.3.3 AD采样及精度校正子程序
• 4.3.4 数字滤波子程序
• 4.4 PWM脉冲发生程序
• 4.5 数字PI调节器
• 4.6 最大功率捕获控制
• 4.7 本章小结
• 第五章 直流斩波控制系统仿真及实验结果
• 5.1 基于Boost直流斩波电路最大功率追踪仿真
• 5.2 仿真结果
• 5.3 实验过程及结果
• 5.3.1 DSP输出PWM脉冲信号
• 5.3.2 DSP发出经隔离放大后的开关管驱动信号
• 5.3.3 RCD缓冲电路对开关管两端电压的作用
• 5.3.4 光伏电池输出及升压后IGBT两端电压
• 5.3.5 检测电路输出结果
• 5.3.6 基于Boost电路的最大功率追踪结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果