基于FPGA的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

【摘要】：太陽能作為一種可再生能源,具有潔凈無污染,可持續(xù)利用的優(yōu)點,而光伏發(fā)電稱為其中重要的研究領(lǐng)域。由于控制系統(tǒng)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分和使用太陽能的關(guān)鍵部分,因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究中對控制算法和控制裝置的研究顯得尤為重要。 本文以太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)為研究對象,對其中的控制算法問題,包括光伏陣列模型的建立、DC-DC變換器和DC-AC變換器的控制策略進(jìn)行了深入研究；控制裝置部分,本文以Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN型FPGA為核心控制器,對整個控制裝置進(jìn)行了綜合設(shè)計和整體實現(xiàn)。 光伏陣列應(yīng)用特性是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最基本問題,本文在廠家提供的常見參數(shù)基礎(chǔ)上,提出了光伏陣列的工程模型,該模型能復(fù)現(xiàn)光伏陣列在任意溫度及光強(qiáng)下的特性,為電路仿真和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。本文將一種新型“無模型”算法—-I-PI(智能PI)算法應(yīng)用在了太陽能發(fā)電的控制系統(tǒng)中,分析了I-PI算法的原理,證明I-PI算法應(yīng)用到太陽能發(fā)點控制系統(tǒng)中的可行性。 本文利用I-PI算法控制DC-DC變換器,并且提出了在線PSO算法優(yōu)化I-PI參數(shù),在優(yōu)化過程中避免了對變換器的建模,從而實現(xiàn)真正的“無模型”控制；仿真對比了在變換器模型失配時PID算法和I-PI算法的控制效果,結(jié)果表明I-PI算法的魯棒性更好,控制效果更穩(wěn)定。 最后,本文以Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN型FPGA為核心控制器,設(shè)計和實現(xiàn)了以AD7606為核心芯片的采樣電路,以TLP520為核心芯片的功率驅(qū)動電路和各個變換器的主電路；并且將I-PI算法成功的應(yīng)用到了實際降壓變換器和升壓變換器的控制系統(tǒng)中,得到了實際的波形輸出,從而驗證了以I-PI控制算法和以Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN型FPGA為核心控制器的控制裝置可以成功的應(yīng)用在太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)中。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 FPGA I-PI算法 電力電子變換器
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 太陽能光伏的概述11-12
• 1.1.1 太陽能光伏發(fā)展的背景及意義11
• 1.1.2 太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景11-12
• 1.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述12-15
• 1.2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及組成12-13
• 1.2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類13-15
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容及任務(wù)15-17
• 第2章 光伏電池的原理及仿真17-29
• 2.1 光伏電池的種類17-19
• 2.2 光伏電池的工作原理19-20
• 2.3 光伏電池的特性20-23
• 2.3.1 光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型20-23
• 2.3.2 光伏電池的輸出特性23
• 2.4 光伏電池的建模及仿真23-28
• 2.4.1 光伏電池的模組及陣列23-25
• 2.4.2 光伏電池的仿真實例25-28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第3章 無模型控制算法的原理29-35
• 3.1 無模型控制理論的背景29
• 3.2 無模型控制理論29-30
• 3.3 無模型控制算法(I-PI)和PID算法仿真比較30-32
• 3.4 粒子群尋優(yōu)算法對I-PI算法參數(shù)的優(yōu)化32-34
• 3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法優(yōu)化原理及算法描述32
• 3.4.2 幾種特殊的粒子群算法32-33
• 3.4.3 適應(yīng)度函數(shù)的選擇和參數(shù)的整定33-34
• 3.4.4 在線PSO算法流程34
• 3.5 本章小結(jié)34-35
• 第4章 DC-DC及DC-AC變換器的設(shè)計及仿真35-55
• 4.1 DC-DC變換器的分類35
• 4.2 Buck變換器35-42
• 4.2.1 Buck變換器參數(shù)設(shè)計37-38
• 4.2.2 基于I-PI算法的控制系統(tǒng)研究38-42
• 4.3 Boost變換器42-47
• 4.3.1 升壓式DC-DC變換器參數(shù)設(shè)計44-45
• 4.3.2 升壓式變換器Mat lab/Simulink仿真研究45-47
• 4.4 DC-AC變換器47-53
• 4.4.1 DC-AC變換器分類47-48
• 4.4.2 單相DC-AC變換器調(diào)制方法48-50
• 4.4.3 DC-AC變換器的參數(shù)設(shè)計50-51
• 4.4.4 DC-AC變換器的Matlab/Simulink仿真51-53
• 4.5 本章小結(jié)53-55
• 第5章 基于FPGA太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)55-71
• 5.1 基于Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN的控制系統(tǒng)55-56
• 5.1.1 控制芯片Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN芯片介紹55-56
• 5.1.2 整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖56
• 5.2 基于Nios Ⅱ的片上可編程系統(tǒng)開發(fā)56-60
• 5.2.1 基于Nios Ⅱ的SOPC硬件系統(tǒng)開發(fā)流程57-58
• 5.2.2 SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境58-60
• 5.3 采樣電路的設(shè)計60-64
• 5.3.1 采樣芯片AD7606的介紹61-62
• 5.3.2 采樣電路的設(shè)計62-64
• 5.4 功率驅(qū)動電路的設(shè)計64-65
• 5.5 Buck變換器的實驗測試65-67
• 5.6 Boost電路的實際測試結(jié)果67-69
• 5.7 本章小結(jié)69-71
• 第6章 全文總結(jié)及展望71-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 致謝77-79
• 碩士期間取得成果79

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