可编程电源及负载模拟装置

论文摘要

目前光伏系统得到广泛的应用,但在光伏系统的研发过程中,如果以真实的光伏电池阵列进行实验,将受到日照强度和环境温度的影响,导致实验成本过高,研发周期变长。为了开发出能适应在任何工况下均性能良好的光伏系统,必须在试验开发过程中提供一个能模拟太阳能电池在任何工况下输出特性的装置来代替实际的太阳能电池阵列。光伏电池阵列模拟装置便能较好地解决这一问题。电力电子级联系统是由不同类型电力电子变换器构成的复杂系统。这样的结构具有直流分布式电源系统的灵活性、扩展性和冗余性等广泛的优点,近年在工业控制、计算机系统、电讯工业和电动汽车动力系统等方面都得到了广泛应用。由于系统各部分设计都仅仅保证自身运行的稳定性,互联的系统稳定性是所要面对的一个重要问题。恒功率负载是导致电力电子变换器互联系统不稳定的主要原因。恒功率负载具有负阻抗特性,具有负阻抗特性的负载会影响电源的供电质量及系统的稳定性。恒功率负载也是本文要模拟的对象之一首先阐述了光伏电池的工作原理,分析了其等效电路并建立了光伏电池的数学模型,在数学模型的基础上通过合理的近似计算推导出工程计算方法,为模拟光伏阵列的算法研究奠定了基础。介绍了可编程电源及负载模拟装置的系统结构及工作原理,并对光伏阵列模拟装置几种常用的拓扑结构从性能、成本、功率等级及应用范围等方面进行了详细的对比和分析。确定了移相全桥电路作为可编程电源及负载模拟装置主拓扑,简要分析了其工作原理并设计了主电路元件的参数。在Matlab/Simulink中建立了可编程电源及负载模拟装置的仿真模型,并给出仿真结果。对可编程电源及负载模拟装置的控制系统进行设计,根据自动控制原理的相关理论,得出系统的稳定裕度和动态特性指标,证明了本文设计的调节器具有较好的稳定性和动态性能。设计了以STM32F103VBT6的ARM控制器作为控制芯片的控制电路硬件及软件系统,并进行了硬件调试。最后给出了恒功率负载和光伏阵列模拟装置的不同静态工作点和动态响应的输出波形,证明了本文所阐述的模拟装置的设计方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 太阳能的开发和利用背景
• 1.1.2 太阳能光伏发电系统简介
• 1.1.3 光伏电池阵列模拟器简介
• 1.1.4 电力电子级联系统及恒功率负载简介
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 可编程电源及负载模拟装置的总体方案设计
• 2.1 光伏电池的工作特性及工程计算方法
• 2.1.1 光伏电池的工作原理
• 2.1.2 光伏电池的等效电路和数学模型
• 2.1.3 光伏电池的工程计算方法
• 2.2 可编程电源及负载模拟装置的系统结构和工作原理
• 2.2.1 可编程电源及负载模拟装置的系统结构
• 2.2.2 可编程电源及负载模拟装置的工作原理
• 2.3 可编程电源及负载模拟装置的控制算法设计
• 2.3.1 光伏阵列的控制算法实现
• 2.3.2 恒功率负载的控制算法实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 可编程电源及负载模拟装置的主电路设计及仿真
• 3.1 主电路拓扑的选择
• 3.2 双极性PWM全桥电路的工作原理和控制方式
• 3.3 主电路元件参数设计
• 3.3.1 输入滤波电容的设计
• 3.3.2 高频变压器的设计
• 3.3.3 主功率开关元件选择
• 3.3.4 谐振电感的计算
• 3.3.5 输出滤波器的设计
• 3.3.6 驱动电路的设计
• 3.4 可编程电源及负载模拟装置的仿真
• 3.4.1 仿真模型
• 3.4.2 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 可编程电源及负载模拟装置控制系统的设计
• 4.1 STM32F103 ARM控制器概述
• 4.2 控制器外围电路的设计
• 4.2.1 信号检测电路
• 4.2.2 保护电路
• 4.2.3 显示电路
• 4.3 数字PID控制算法介绍
• 4.4 控制系统建模及调节器设计
• 4.4.1 Buck变换器的小信号模型
• 4.4.2 移相全桥DC/DC变换器小信号模型
• 4.4.3 控制系统调节器设计
• 4.5 软件系统的设计
• 4.5.1 主程序的设计
• 4.5.2 中断服务程序的软件设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统实验
• 5.1 可编程电源及负载模拟装置采样信号的实验波形
• 5.2 恒功率负载模拟实验波形及分析
• 5.2.1 静态工作点测试
• 5.2.2 动态特性测试
• 5.3 光伏电池阵列模拟实验波形及分析
• 5.3.1 静态工作点测试
• 5.3.2 动态特性测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢