光伏電池模擬裝置研究

【摘要】：無論是人類社會的穩(wěn)步發(fā)展還是世界經(jīng)濟的空前繁榮，都離不開能源的支撐，因此，能源已成為當(dāng)今世界重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。太陽能作為一種外在的、取之不盡的自然資源，在石化能源越來越緊缺的今天備受關(guān)注。目前，在太陽能的開發(fā)利用上，已經(jīng)逐漸從過去簡單的光-熱轉(zhuǎn)換利用開始向大功率太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電發(fā)展。在光伏并網(wǎng)發(fā)電的研發(fā)過程中，太陽能電池陣列模擬器的應(yīng)用大大縮短了光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究周期，同時也大大提高了研究效率。 本文首先敘述了光伏陣列模擬器在光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中的意義，并根據(jù)光伏陣列模擬器自身的特點，在本設(shè)計中選擇數(shù)字式光伏陣列模擬器為研究對象，以實現(xiàn)在實際研究中代替光伏陣列的功能。 在光伏陣列模擬器的研究中，首先根據(jù)光伏陣列的工作原理，分析并建立了光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出光伏陣列的工程計算方法，并建立光伏陣列的仿真模型，在Matlab/Simulink環(huán)境中仿真并得到光伏陣列的I-U特性曲線。根據(jù)光伏陣列的特性曲線確定本設(shè)計中光伏陣列模擬器負載工作點的確定方法，并以曲線擬合的方法生成光伏陣列輸出特性擬合曲線，為光伏陣列模擬器的控制研究奠定基礎(chǔ)。 其次介紹了光伏陣列模擬裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，并通過對幾種常用的DC/DC直流變換電路拓撲結(jié)構(gòu)及各自功能的對比和根據(jù)本設(shè)計的實際需要，最終選擇Buck-Boost直流變換電路作為數(shù)字式光伏陣列模擬器的主功率電路，并對該電路的工作原理進行了簡要的分析，根據(jù)光伏陣列模擬器的實際運行要求確定了主電路中各主要元件的運行參數(shù)。在Matlab/Simulink中建立了數(shù)字式光伏陣列模擬裝置的仿真模型，并根據(jù)實驗要求分別進行了仿真，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。 在控制策略上，根據(jù)光伏陣列的輸出特點對光伏陣列模擬器的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，本設(shè)計中選用STM32F103ZET6的ARM控制器作為光伏陣列模擬器的控制芯片，該芯片具有高性能、低成本、低功耗等特點，最高工作頻率可達72MHz，完全滿足光伏陣列模擬器的控制需求。 最后，分別給出了本設(shè)計中光伏陣列模擬器的靜態(tài)測試和動態(tài)測試的實驗波形，通過分析證明本文所設(shè)計的光伏陣列模擬器能充分的模擬實際光伏陣列的性能。靜態(tài)工作點均落在光伏陣列仿真曲線上，并且輸出電流電壓波形穩(wěn)定，紋波也完全符合設(shè)計要求；動態(tài)測試中，系統(tǒng)反應(yīng)迅速，能夠很好地跟蹤到新的條件下的工作點上，符合光伏陣列模擬器的動態(tài)要求。 【關(guān)鍵詞】：光伏陣列模擬器 Buck-Boost直流變換器 STM32F103ZET6
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 太陽能開發(fā)利用背景介紹10-11
• 1.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介11-13
• 1.2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)11-12
• 1.2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)12
• 1.2.3 互補型光伏發(fā)電系統(tǒng)12-13
• 1.3 太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展前景13-15
• 1.3.1 世界光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.3.2 中國光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀14
• 1.3.3 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展前景14-15
• 1.4 光伏電池陣列模擬器簡介及研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4.1 模擬式光伏電池陣列模擬器簡介16
• 1.4.2 數(shù)字式光伏電池陣列模擬器簡介16-17
• 1.4.3 光伏陣列模擬器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17
• 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容17-19
• 第2章 光伏電池陣列模擬裝置的總體方案設(shè)計19-34
• 2.1 光伏電池的物理基礎(chǔ)19-21
• 2.1.1 光伏效應(yīng)的量子物理基礎(chǔ)19-20
• 2.1.2 P-N 結(jié)的形成20-21
• 2.2 光伏陣列的建模與工程計算方法21-26
• 2.2.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型21-24
• 2.2.2 光伏電池輸出特性的工程計算方法24-26
• 2.3 光伏陣列的仿真研究26-28
• 2.4 光伏電池陣列模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)28
• 2.5 光伏電池陣列模擬器的工作原理28-33
• 2.5.1 光伏電池陣列的負載工作點的確定28-31
• 2.5.2 光伏電池陣列模擬器的控制算法的實現(xiàn)31-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 第3章 光伏電池陣列模擬裝置的主電路設(shè)計及仿真34-50
• 3.1 主電路拓撲的選擇34-36
• 3.2 Buck-Boost 電路工作過程分析36-40
• 3.2.1 Buck-Boost 主電路拓撲結(jié)構(gòu)36
• 3.2.2 電感電流連續(xù)的工作原理和基本關(guān)系36-38
• 3.2.3 電感電流斷續(xù)的工作原理和基本關(guān)系38-40
• 3.3 功率電路參數(shù)的計算及器件的選擇40-42
• 3.3.1 主功率開關(guān)元件選擇40-41
• 3.3.2 輸出濾波器設(shè)計41
• 3.3.3 液晶顯示器的選擇41-42
• 3.4 驅(qū)動電路的設(shè)計42-43
• 3.5 光伏電池陣列模擬裝置的仿真43-49
• 3.5.1 仿真模型的建立43-44
• 3.5.2 仿真結(jié)果及分析44-49
• 3.6 本章小結(jié)49-50
• 第4章 光伏電池陣列模擬裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計50-63
• 4.1 STM32F103 ARM 控制器概述50-51
• 4.2 控制電路設(shè)計51-57
• 4.2.1 控制芯片外圍電路設(shè)計51-54
• 4.2.2 信號檢測電路54-55
• 4.2.3 保護電路55-56
• 4.2.4 LCD 接口電路設(shè)計56-57
• 4.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計57-62
• 4.3.1 主程序的設(shè)計57-58
• 4.3.2 中斷序的設(shè)計58-62
• 4.3.3 LCD 驅(qū)動顯示程序設(shè)計62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第5章 系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析63-73
• 5.1 靜態(tài)工作點測試波形及分析63-69
• 5.1.1 最大功率點測試63-64
• 5.1.2 短路工作區(qū)測試64-66
• 5.1.3 開路工作區(qū)測試66-69
• 5.2 動態(tài)工作點測試波形及分析69-72
• 5.3 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-74
• 參考文獻74-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果77-78
• 致謝78-79
• 附錄 A79-80
• 附錄 B80

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