光伏发电系统直流变换器的研究

论文摘要

太阳能是一种新型的绿色可再生能源,具有储量大、利用经挤、清洁环保等优点。因此,太阳能的利用越来越受到人们的重视,而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。近年来,随着国内多个多晶硅生产项目的陆续完成,我国即将实现光伏电池原材料的自给,大规模推广光伏并网发电系统的时代即将到来。但是,目前国内还没有科研单位针对我国具体的经济、社会发展现状研究开发适合在我国大规模推广的光伏并网系统,对光伏发电的具体的利用形式仍缺乏必要的探讨。目前国内实际应用的光伏系统仍以独立系统为主,并网系统则刚刚起步,而且国内自主研制的光伏并网系统存在着系统运行不稳定,可靠性低的弱点;且保护措施不全,容易引起事故,与建筑一体化的问题也没有得到很好考虑。在上述背景下,本文在光伏发电技术方面开展了若干研究工作。本文通过比较分析几种光伏并网发电系统的特点,结合近几年并网型光伏系统的发展情况,确定了一种未来适合在我国大规模推广的光伏并网系统:多支路、两级式光伏并网系统,并就其具体的应用形式展开了讨论。太阳能电池的输出特性受外界环境因素如光照、温度的影响,为了跟踪太阳能电池的最大功率点,提高太阳能电池的利用率,常在光伏系统中加入由最大功率点跟踪算法控制的直流变换环节。本文重点研究了应用于中小功率的多支路、两级式光伏并网系统的直流变换器。在介绍了太阳能电池的发电原理的基础上,探讨了进行最大功率点跟踪的必要性及利用直流变换器实现太阳能电池最大功率点跟踪的原理。在介绍和分析现有的最大功率点跟踪算法之后,本文使用MATLAB对两种常用的最大功率点跟踪算法:爬山法和增量电导法进行了仿真研究,进而提出了一种变步长的电导增量法,改善了最大功率点跟踪的动态性能。为了验证所提出算法的性能,本文在总体方案仿真研究的基础上,搭建了相关的实验平台,硬件方面的工作主要包括:直流变换器主电路的设计、开关器件驱动电路的设计、隔离电源的设计、缓冲启动电路的设计以及信号采样电路设计。软件方面的工作主要是以TMS320F2812型工业控制专用32位定点DSP作为控制核心,利用DSP的片上资源,编写控制程序,主要包括:太阳能电池最大功率点跟踪程序的设计、AD信号采样程序的设计、PWM脉冲触发模块的设计、故障诊断程序的设计以及程序运行过程中相关的抗干扰设计。最后的测试和试验结果验证了系统设计及相关软硬件设计的可行性。本文在系统设计、软件仿真及软硬件设计方面的工作为新型光伏并网系统的最终搭建打下了一定的基础,并且在技术上为后续工作提供了参考和借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景及意义
• 1.1.1 世界能源问题和环境危机
• 1.1.2 光伏发电的优势
• 1.2 国内外光伏发电的发展现状及趋势
• 1.2.1 国外光伏发电的发展现状及趋势
• 1.2.2 国内光伏发电的发展现状及存在的问题
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 太阳能电池的特性及最大功率点跟踪技术
• 2.1 太阳能电池的特性及MPPT 研究的必要性
• 2.1.1 太阳能电池的发电原理及其特性
• 2.1.2 太阳电池结温和日照强度对太阳能电池输出特性的影响
• 2.1.3 太阳能电池最大功率点跟踪研究的必要性及实现原理
• 2.2 基于直流变换器的MPPT 实现原理
• 2.3 最大功率点跟踪算法
• 2.3.1 恒压跟踪法（Constant Voltage Tracking，CVT）
• 2.3.2 扰动观察法（Perturb&Observe Algorithms,P&O）
• 2.3.3 电导增量法（Incremental Conductance Algorithm,INC）
• 2.4 小结
• 第三章 系统整体方案的设计及仿真分析
• 3.1 光伏并网发电系统的电路结构分析
• 3.1.1 光伏并网发电系统的主要种类
• 3.1.2 本课题对系统结构的选择
• 3.2 直流变换器电路结构的选择
• 3.2.1 光伏发电系统直流变换器的特点
• 3.2.2 直流变换器的主电路结构种类与分析
• 3.3 系统整体方案的设计
• 3.4 光伏发电系统仿真模型的建立
• 3.4.1 太阳能电池的模型及仿真波形
• 3.4.2 总体仿真图的搭建及两种MPPT 控制算法的对比研究
• 3.5 MPPT 控制算法仿真过程及结果
• 3.5.1 正常光辐照度条件下MPPT 的跟踪效果
• 3.5.2 低光辐照度的条件下MPPT 的跟踪效果
• 3.5.3 光辐照强度变化的条件下电导增量法的跟踪效果
• 3.6 小结
• 第四章 光伏发电系统直流变换器的硬件设计
• 4.1 改善光伏系统直流变换器工作性能的方法
• 4.1.1 光伏系统直流变换器的性能特点
• 4.1.2 Boost 变换器稳态特性的分析
• 4.1.3 Boost 变换器的小信号分析
• 4.2 Boost 变换器功率电路的设计
• 4.2.1 Boost 电路储能电感的设计
• 4.2.2 其他器件的计算和选择
• 4.2.3 驱动电路的设计
• 4.2.4 电源隔离电路的设计
• 4.2.5 缓冲启动电路的设计
• 4.3 传感器电路的设计
• 4.3.1 霍尔传感器的工作原理
• 4.3.2 电压和电流传感器的选择及相关参数
• 4.3.3 传感器信号调理电路的设计
• 4.4 Boost 变换器的性能测试
• 4.5 小结
• 第五章 基于F2812 型DSP 的软件设计
• 5.1 MPPT 算法模块的设计
• 5.2 数据采集模块的设计
• 5.3 PWM 脉冲触发模块的设计
• 5.4 故障诊断程序的设计及程序运行过程中的抗干扰设计
• 5.5 算法验证实验
• 5.6 小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢