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独立光伏发电系统及其最大功率追踪算法的研究

作　者: 曹龙益
导　师: 孟志强
学　校: 湖南大学
专　业: 电气工程
关键词: 光伏系统特征曲线最大功率点跟踪逆变器闭环控制
分类号: TM615
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

推广使用独立光伏发电系统，不仅解决了部分地区的供电问题，满足了国计民生的需求，也能缓解对不可再生化石能源的依赖，还有利于环境保护，因此，独立光伏发电系统的研究成为了新能源发电与应用领域的重要研究内容。本文首先介绍独立光伏发电系统的原理以及太阳能电池的等效电路和工程数学模型，建立了太阳能电池的仿真模型，对太阳能电池在标准测试条件和变环境条件的I-V、P-V特性曲线进行了仿真，为光伏发电系统的研究奠定了良好的基础。对基于BUCK电路的光伏MPPT系统进行了分析，得出了MPPT的实现条件。介绍并比较了光伏系统中常用MPPT算法的原理及优缺点，针对常用的扰动观察法在追踪速度、精确度等方面的不足，提出了一种基于功率阈值的变步长扰动MPPT算法，通过在Matlab中建立MPPT仿真模型，对新算法进行了验证。研究了逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)技术，建立了单相逆变器的数学模型和开环控制框图，为控制系统的设计和仿真奠定了基础。对逆变器引入了电压瞬时值PID闭环控制，并采用闭环极点配置的方法设计了PID控制器的参数，最后通过建立单相逆变器的闭环仿真模型，对单相SPWM逆变器进行了仿真分析。为了检验本文所述方法和理论的正确性，进行了独立光伏发电系统的软硬件设计，详细介绍了系统的硬件和软件设计思想，搭建了一套基于DSP2812的控制平台。在实验平台上试验测试了MPPT算法在系统启动、环境剧烈变化、环境不变以及负载变化时的性能，并与传统的扰动观察法进行了对比实验，还检验了单相逆变器在电压闭环控制时，分别接入阻性负载、非线性负载以及空载时的输出电压电流波形质量。实验表明，改进型MPPT算法响应速度快且在最大功率点处工作稳定，具有比传统算法更好的性能，大幅提高了光伏系统的整体效率；逆变器采用电压瞬时值PID控制时，能够输出良好的正弦波，满足独立光伏发电系统给多种负荷供电的要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
插图索引  11-13
附表索引  13-14
第1章绪论  14-21
  1.1 光伏发电的发展与优势  14-15
  1.2 典型的光伏发电系统  15-17
    1.2.1 并网型光伏发电系统  15-16
    1.2.2 无蓄电池的直流光伏发电系统  16
    1.2.3 有蓄电池的直流光伏发电系统  16-17
    1.2.4 交直流混合独立光伏发电系统  17
    1.2.5 市电互补型独立光伏发电系统  17
  1.3 国内外独立光伏发电系统的研究现状  17-19
    1.3.1 太阳能电池的 MPPT 控制  18
    1.3.2 逆变器控制  18-19
  1.4 论文研究内容与结构  19-21
    1.4.1 论文研究内容  19-20
    1.4.2 论文结构  20-21
第2章独立光伏发电系统的基本特性  21-30
  2.1 独立光伏发电系统的组成与能量流动模型  21-24
    2.1.1 独立光伏发电系统的组成与功能  21-23
    2.1.2 独立光伏发电系统的能量流动模型  23-24
  2.2 太阳能电池的数学模型与仿真验证  24-29
    2.2.1 光伏电池的数学模型  24-25
    2.2.2 光伏电池数学模型的仿真与验证  25-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章最大功率跟踪的实现条件与算法研究  30-45
  3.1 MPPT 的实现条件  30-33
    3.1.1 BUCK 电路的输入端电阻  30-31
    3.1.2 阻性负载 MPPT 实现的基本条件  31-32
    3.1.3 MPPT 实现的负载电阻选择原则  32-33
  3.2 传统 MPPT 算法  33-38
    3.2.1 定填充系数法  34
    3.2.2 定时(电压或电流)扫描法  34-35
    3.2.3 扰动观察法  35-36
    3.2.4 电导增量法  36-38
  3.3 改进型变步长扰动 MPPT 算法  38-42
    3.3.1 变步长扰动因子  38-39
    3.3.2 变步长扰动算法  39-40
    3.3.3 稳定追踪阈值判别  40-41
    3.3.4 阈值判别的实现  41
    3.3.5 х的优化设计  41-42
  3.4 算法的对比仿真验证  42-44
    3.4.1 光照阶跃变化时的仿真  43
    3.4.2 光照正弦变化时的仿真  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章单相逆变电源研究  45-56
  4.1 单相逆变器电路拓扑结构  45
  4.2 正弦脉宽调制技术  45-47
    4.2.1 双极性调制  45-46
    4.2.2 单极性调制  46-47
    4.2.3 倍频单极性调制  47
  4.3 单相全桥逆变器开环模型  47-50
    4.3.1 脉宽调制与逆变器环节  48-49
    4.3.2 升压与 LC 滤波环节  49-50
  4.4 单相逆变器闭环控制设计  50-52
    4.4.1 PID 控制原理  50-51
    4.4.2 逆变器闭环极点配置  51-52
  4.5 算例及仿真验证  52-55
    4.5.1 设计实例  52
    4.5.2 仿真验证  52-55
  4.6 本章小结  55-56
第5章独立光伏系统软硬件设计  56-73
  5.1 系统硬件设计  56-68
    5.1.1 光伏阵列  56-57
    5.1.2 控制板电路  57-59
    5.1.3 信号处理与保护电路  59-63
    5.1.4 主电路与驱动电路  63-68
  5.2 系统软件设计  68-72
    5.2.1 主程序模块  68-70
    5.2.2 保护中断子程序  70-71
    5.2.3 A/D 中断子程序  71-72
    5.2.4 下溢中断子程序  72
  5.3 本章小结  72-73
第6章实验研究与结果  73-80
  6.1 实验参数  73
  6.2 MPPT 实验结果  73-78
    6.2.1 动态追踪实验  73-75
    6.2.2 MPP 处稳定运行实验  75-76
    6.2.3 多种情况下的功率对比实验  76-77
    6.2.4 MPPT 实现条件验证与负载扰动实验  77-78
  6.3 逆变器实验波形  78-79
  6.4 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-86
致谢  86-87
附录 A(独立光伏发电系统实物图)  87

独立光伏发电系统及其最大功率追踪算法的研究

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