基于ARM处理器的太阳能发电控制系统研究

论文摘要

近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能源越来越受到人们的重视,同时太阳能的光电转换技术也不断发展至可大规模应用的水平。在未来,太阳能电池的应用有着良好的发展前景。从太阳能电池的光伏特性出发,来研究如何提高太阳能的转换效率无疑是很有现实意义的。本课题根据光伏电池的工作特性,设计了独立光伏发电的自动跟踪系统,由于太阳在天空中的位置是不断变化的,为此本文采用了自动跟踪系统,通过由ARM LPC2131、驱动芯片UC3717和步进电机组成的驱动系统使聚光器始终朝向太阳。在天黑后,能够使电池板重新朝向东方,实现日循环运行。本文通过光敏电阻来判断太阳的位置,单片机发出脉冲控制使步进电机转动或停止,停止时产生锁定波形防止电机偏转。本课题采用改进的步进式扰动观察最大功率点算法,来寻找太阳电池阵列的最大功率点,使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率。本课题设计中采用了双环控制系统,电压环采用了DC/DC的升降压变换电路用来保持电力系统的恒电压输出,其中使用了离散型增量式PID算法来对电压进行控制,同时注意使用了软开关技术来提高变换器的转换效率。电流环用改变电流的方式来跟踪太阳能电池的最大功率点。对于升降压变换电路的恒电压控制效果,获得了较为理想的结果。

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第一章绪论

1.1 发展光伏发电产业的紧迫性

1.2 太阳能的特点与优势

1.3 国外光伏发电产业的现状及其发展

1.4 我国光伏发电产业的现状及其发展

1.5 本课题的主要目的与任务

第二章光伏电池的研究与分析

2.1 光伏电池的原理

2.1.1 光伏电池的光伏效应

2.1.2 光伏电池的物理模型

2.2 光伏电池的输出特性及其影响因素

2.2.1 光伏电池的 Iv 和 P-V 特性曲线

2.2.2 光伏电池的主要参数

2.2.3 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响

2.2.4 温度对光伏电池输出特性的影响

2.3 本系统所采用的光伏电池

第三章光伏发电系统中聚光器的研究

3.1 聚光器的选择

3.2 CPC 聚光器的原理

3.2.1 CPC 聚光器的原理

3.2.2 CPC 聚光器的实际应用

3.3 CPC 聚光器的简单实验与使用

3.3.1 CPC 聚光实验

3.3.2 聚光器的使用

第四章自动跟踪系统

4.1 概述

4.2 自动跟踪系统的工作原理

4.3 传感器光敏二极管的工作过程

4.4 步进电机及其特性

4.4.1 步进电机概述

4.4.2 步进电机的主要特性

4.5 基于 ARM LPC2131 控制的驱动电路

4.5.1 UC3717 驱动电路

4.5.2 74L5194 逻辑电路

4.5.3 ARM LPC2131 介绍

4.5.4 步进电机静止时的锁定

4.6 自动跟踪的控制电路

4.7 软件流程

4.8 自动跟踪系统的试验

第五章实现太阳阵峰值功率的 MPPT 算法及实现

5.1 光伏阵列特性曲线

5.2 功率峰值跟踪

5.3 太阳能最大功率点追踪控制算法

5.3.1 电压回授法

5.3.2 功率回授法

5.3.3 增量电导法（Incremental Conductance）

5.4 扰动观察法的改进算法和 MPPT 的实现

5.5 本章小结

第六章太阳能电池的光伏应用系统硬件结构设计

6.1 DC/DC 变换模块的设计

6.1.1 开关管 MOSFET 的电路特性

6.1.2 软开关技术在的 DC/DC 变换器上的实现

6.1.3 非对称结构的 Class D 升降压电路

6.1.4 关于 DC/DC 变换电路的控制设计

6.2 模数转换模块

6.2.1 检测电路

6.2.2 信号保持增益电路

6.2.3 A/D 转换电路

6.3 主控制器模块

6.3.1 主微控制器 LPC2131

6.3.2 LPC2131 的功能说明

6.3.3 脉冲调制器

6.4 蓄电池充放电系统模块

6.5 本章小结

第七章太阳能电力应用系统软件设计

7.1 主控软件设计

7.1.1 模拟信号的转换模块

7.1.2 恒电压控制的 DC/DC 模块

7.1.3 MPPT 及蓄电池组的切换控制

7.1.4 蓄电池的管理

7.2 PWM 信号软件设计模块

7.2.1 脉宽调制器的控制简介

7.2.2 脉宽调制器管脚描述

7.2.3 脉冲调制器基本操作

7.2.4 脉宽调制器的配置及输出

7.3 本章小结

全文总结

参考文献

附录部分程序

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致谢

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