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太阳能电池阵列模拟器的研究与设计

2020-12-08阅读(586)

太阳能电池阵列模拟器的研究与设计

论文摘要

21世纪,人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,能源问题越来越突出,太阳能等可再生能源逐渐成为人类关注的焦点。时至今日,人类对光伏系统的研究越来越深入广泛,但在光伏系统的研发过程中,太阳能电池由于受日照强度、环境温度影响较大,导致实验成本过高,研发周期变长。太阳能电池阵列模拟器便能较好地解决这一问题。本文首先对比了模拟式太阳能电池模拟器和数字式太阳能电池模拟器的优缺点,选取了数字式太阳能电池阵列模拟器作为研究对象,并对研究太阳能电池阵列模拟器的实际意义作了阐述。随后描述了太阳能电池的输出特性,讨论了适合工程计算的太阳能电池阵列数学物理模型。本文研究的太阳能电池阵列模拟器由功率电路和控制电路两部分组成。功率电路选取了半桥型DC/DC电路作为主电路拓扑,对其工作过程进行了分析,并对各部分电路进行了设计。然后设计了电压电流双闭环调节器,在此基础之上用PSIM仿真软件对所设计的太阳能电池阵列模拟器进行了仿真,包括静态工作点的仿真以及动态响应速度的仿真,通过仿真验证了模拟器能够达到所要求指标。控制电路板是整个模拟器的核心控制部分,通过控制运算提供输出电压的参考值,进而提供控制功率管开通关断的PWM信号。本文选取了microchip公司的dsPIC30F2023作为主控制芯片,分析了该型号微处理芯片的性能特点,介绍了模拟信号采样电路、232通讯电路、人机交互界面电路等外围电路的硬件设计,调节器采用了数字PID控制。在MPLAB集成开发环境中进行了软件方案的设计,主要包括主程序、生成PWM程序、AD采样、故障处理、人机交互程序等,介绍了各个模块的程序流程。软硬件系统设计完成后,最终实现了太阳能电池阵列模拟器,可以为光伏系统的研究提供一个良好的实验平台。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 绪论
  • 1.1 目前世界能源概况及课题研究背景
  • 1.1.1 能源与环保是可持续发展的重要内容
  • 1.1.2 太阳能是我国可利用的最重要的新能源之一
  • 1.2 太阳能光伏发电及我国发展现状
  • 1.3 太阳能电池阵列模拟器
  • 1.3.1 模拟式太阳能电池阵列模拟器
  • 1.3.2 数字式太阳能电池阵列模拟器
  • 1.4 选题的意义及论文内容安排
  • 1.4.1 选题的意义
  • 1.4.2 本文内容安排
  • 第二章 太阳能电池阵列的建模
  • 2.1 太阳能电池阵列模拟器的工作原理及系统结构
  • 2.1.1 工作原理
  • 2.1.2 系统结构
  • 2.2 太阳能电池
  • 2.2.1 太阳能电池简介
  • 2.2.2 太阳能电池的工作原理
  • 2.2.3 太阳能电池的输出特性
  • 2.2.4 日照和温度对太阳能电池输出特性的影响
  • 2.3 太阳能电池阵列的数学物理模型
  • 2.3.1 太阳能电池单体的等效电路
  • 2.3.2 太阳能电池的数学模型
  • 2.3.3 太阳能电池特性曲线数据的工程计算方法
  • 2.3.4 太阳能电池阵列的数学模型
  • 第三章 太阳能电池阵列模拟器主电路的选取与设计
  • 3.1 DC/DC变换器常用电路拓扑
  • 3.1.1 非隔离型DC/DC变换器
  • 3.1.2 隔离型DC/DC变换器
  • 3.1.3 主电路拓扑的选择
  • 3.2 半桥型DC/DC变换器工作过程分析
  • 3.3 主电路主要器件的选取
  • f'>3.3.1 滤波电感Lf
  • o'>3.3.2 滤波电容Co
  • 3.3.3 功率管及其驱动的选择
  • 第四章 太阳能电池阵列模拟器控制方案设计及其仿真
  • 4.1 控制方法
  • 4.1.1 峰值电流控制
  • 4.1.2 滞环控制
  • 4.1.3 平均值电流控制
  • 4.1.4 抛物线电流控制
  • 2控制'>4.1.5 V2控制
  • 4.2 调节器设计
  • 4.3 仿真研究
  • 4.3.1 PSIM仿真软件简介
  • 4.3.2 仿真原理图
  • 4.3.3 仿真结果与分析
  • 第五章 基于dsPIC30F2023的太阳能电池阵列模拟器设计
  • 5.1 dsPIC30F2023特性及其配置
  • 5.1.1 dsPIC30F2023简介
  • 5.1.2 中央处理器CPU
  • 5.1.3 存储器构成
  • 5.1.4 中断
  • 5.1.5 开关电源比较器模块与PWM模块
  • 5.1.6 模数转换（ADC）模块
  • 5.1.7 时钟配置
  • 5.2 功率电路板的设计
  • 5.2.1 输入整流电路
  • 5.2.2 驱动电路
  • 5.3 控制电路板的设计
  • 5.3.1 电压调理电路设计
  • 5.3.2 斜坡产生电路设计
  • 5.3.3 电流调理电路设计
  • 5.3.4 232通讯接口设计
  • 5.3.5 人机交互界面的设计
  • 5.4 PID算法的数字实现
  • 5.4.1 比例控制算法
  • 5.4.2 积分控制算法
  • 5.4.3 微分控制算法
  • 5.4.4 增量式PID控制算法
  • 5.4.5 数字PID参数的整定
  • 5.5 软件设计
  • 5.5.1 主程序
  • 5.5.2 PWM产生软件设计
  • 5.5.3 A/D采样软件设计
  • 5.5.4 人机交互通讯软件设计
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 本文工作总结
  • 6.2 工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 学位论文评阅及答辩情况表

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