改进型MPPT算法的太阳能充放电控制器设计与实现

【摘要】：太阳能充放电控制器,主要功能是对储能电池的充电和放电过程起控制和保护作用。MPPT技术是提高光伏电池利用率的重要手段。本文通过对MPPT技术进行深入的分析,并结合磷酸铁锂电池的特性,设计了一款应用于独立光伏系统的太阳能充放电控制器,使得太阳能电池板功率得到最大化利用,同时可以延长电池的使用寿命。本文主要研究内容如下:第一,根据光伏电池的等效电路模型与数学特性,建立光伏电池的仿真模型。在此基础上分析光伏电池的输出特性与外界环境的变化对光伏电池输出特性的影响。针对光伏电池的输出特性,在深入分析MPPT的实现原理和现有的MPPT算法的基础上,提出了一种将PID控制算法与增量电导法相结合的改进型控制算法,以提高最大功率跟踪性能。通过将该算法与增量电导法以及PID控制算法作仿真对比,验证了该算法的优越性,并进一步对该算法在多种光照变化条件下的仿真,表明该算法即使在复杂的环境变化条件下,仍能表现出很好的跟踪性能。第二,根据太阳能充放电控制器的功能需求,进行了硬件和软件设计。硬件方面:选择Stm32单片机作为微控制器,采用Buck变换器,通过调整PWM波的占空比来改变光伏电池输出等效负载,使光伏电池工作在最大功率点上。设计了系统信号采样与处理电路、各种保护电路以及TFT液晶显示电路等电路模块;针对MOS管高压悬浮驱动问题,设计了一种基于驱动芯片IRS21171的高效稳定的驱动方案。软件方面:编写了基本底层驱动模块与控制算法;结合磷酸铁锂电池的特性,实现了三阶段充电方式和负载开关控制,并对充电和放电过程,设计了相应的软件保护功能。实验结果表明:本文设计的太阳能充放电控制器各个模块可以正常工作,能够快速稳定的追踪到最大功率点和按照三阶段方式充电。 【关键词】：太阳能充放电控制器 MPPT PID 增量电导法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景与意义11
• 1.2 光伏发电系统概述11-13
• 1.2.1 光伏发电系统分类11-12
• 1.2.2 光伏发电系统应用12-13
• 1.2.3 光伏发电的特点13
• 1.3 MPPT算法发展研究现状13-15
• 1.4 太阳能充放电控制器的发展15
• 1.5 本文研究内容与结构15-17
• 第二章 光伏发电系统的主要部件及其特性17-23
• 2.1 光伏电池等效电路模型与特性17-20
• 2.1.1 光伏电池等效电路模型17-18
• 2.1.2 光伏电池仿真18-20
• 2.2 磷酸铁锂电池概述20-22
• 2.2.1 磷酸铁锂电池结构与工作原理20-21
• 2.2.2 磷酸铁锂电池特性21-22
• 2.2.3 磷酸铁锂电池的充电控制22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章MPPT算法设计与仿真分析23-49
• 3.1 MPPT概述23
• 3.2 MPPT实现原理23-25
• 3.3 经典的MPPT控制法25-29
• 3.3.1 恒电压跟踪法25
• 3.3.2 干扰观察法25-27
• 3.3.3 增量电导法27-28
• 3.3.4 模糊控制法28-29
• 3.4 MPPT的PID控制法29-31
• 3.4.1 PID控制简介29-30
• 3.4.2 PID控制实现MPPT原理30-31
• 3.5 改进型MPPT算法的设计31-34
• 3.6 MPPT算法的仿真与对比34-48
• 3.6.1 增量电导法仿真35-38
• 3.6.2 PID控制算法仿真38-40
• 3.6.3 改进型控制算法仿真40-46
• 3.6.4 仿真对比分析与结论46-48
• 3.7 本章小结48-49
• 第四章 太阳能充放电控制器硬件和软件的设计49-68
• 4.1 太阳能充放电控制器硬件设计49-60
• 4.1.1 主电路回路50
• 4.1.2 DC_DC变换器及其驱动模块50-52
• 4.1.3 信号检测与处理模块52-54
• 4.1.4 负载控制模块54-55
• 4.1.5 系统供电模块55-56
• 4.1.6 保护电路模块56-58
• 4.1.7 微控制器最小系统模块58-59
• 4.1.8 辅助功能模块59-60
• 4.2 太阳能充放电控制器软件设计60-66
• 4.2.1 充电控制与保护流程61-64
• 4.2.2 放电控制与保护流程64-66
• 4.3 本章小结66-68
• 第五章 实验测试与结果68-72
• 5.1 实验测试平台68-71
• 5.1.1 驱动测试与结果68-69
• 5.1.2 MPPT测试与结果69-70
• 5.1.3 恒压充电测试与结果70-71
• 5.2 本章小结71-72
• 总结与展望72-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-79
• 附件79

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