海上独立光伏系统优化设计与MPPT研究

【摘要】：海洋探索需要高新技术设备,设备离不开能量,在海面上最大的能量来源就是太阳能。独立光伏供电系统的优化设计和最大功率跟踪技术(Maximum Power Point Tracking,MPPT)一直都是能量管理的重要研究内容。海上独立光伏系统优化设计的难点主要是如何计算光伏电板在一天内输出的能量。海浪使光伏电板的倾斜角和方位角不断变化,光伏电板接收到的有效辐照度也在不断变化。在一定时间内,光伏电板的方位角是不变的,而倾斜角会呈周期性变化,因此本文采用积分平均的方法。该方法可以将水平光伏电板在分段时间内接收到的有效辐照度转化为海上光伏电板接收到的有效辐照度,然后综合温度的影响,计算出分段时间内光伏电板在非标准测试条件下输出的能量,最后根据生存条件和系统负载决定储能设备的容量,根据分段时间内光伏电板输出能量的迭代计算和条件限制来确定光伏组件的规模,实现优化设计。扰动观测法具有简单易行,经济性好等优点,一直是MPPT策略的首选。但在海面上,光伏电板接收到的有效辐照度是连绵不断地变化的。当辐照度对输出功率的影响超过扰动步长对输出功率的影响时,系统就会判断错误。若步长设定的很大,的确可以对辐照度变化率很大的情况做出正确判断,但系统输出会不稳定。本文采用闭环与开环短路电流比例系数法(FSCC)相结合的MPPT策略,给出了固定比例系数步长下闭环FSCC可正确判断的辐照度变化率范围,在该范围内不断逼近最佳比例系数,超出该范围时采用开环FSCC,这样光伏电板就能够输出更多的能量,而且不用担心因步长过大而使系统输出不稳。在仿真中,本文验证了变辐照度下该MPPT策略的优越性,同时发现了容性负载时占空比的合理存在范围。在实验中,MPPT主拓扑采用同步Buck电路,负载直接连接超级电容,以此来实现快速充电和能量的高效率传输。实验验证了超级电容负载时占空比的合理存在范围,并且在定辐照度下,分别用占空比扰动观测法和闭环FSCC实现了对超级电容的最大功率充电作业,但未验证新型MPPT策略在变辐照度下的优越性。 【关键词】：海上光伏供电系统 优化设计 MPPT 变辐照度 闭环FSCC
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 研究的目的与意义8
• 1.2 国内外研究现状8-13
• 1.2.1 光伏供电系统优化设计的研究现状9-11
• 1.2.2 最大功率点跟踪技术的研究现状11-13
• 1.3 主要研究内容13-14
• 第2章 系统运行方案与光伏电池仿真14-21
• 2.1 引言14
• 2.2 运行方案设计14-16
• 2.2.1 启动模式16
• 2.2.2 正常运行模式16
• 2.3 光伏电池仿真16-20
• 2.3.1 光伏电池的基本原理与特性16-17
• 2.3.2 光伏电池的仿真17-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 海上独立光伏供电系统的优化设计21-33
• 3.1 引言21
• 3.2 光伏电板输出电能的计算21-30
• 3.2.1 水平面在分段时间内接收到的有效辐照度23-26
• 3.2.2 海上光伏电板接收到的有效辐照度26-29
• 3.2.3 光伏电板输出的电能29-30
• 3.3 超级电容的规模设计30-31
• 3.4 光伏组件的规模设计31
• 3.5 本章小结31-33
• 第4章 海上最大功率点跟踪技术的研究与仿真33-48
• 4.1 引言33
• 4.2 最大功率点跟踪技术的原理与仿真33-41
• 4.2.1 基本原理33-34
• 4.2.2 几种常见的MPPT控制策略34-35
• 4.2.3 容性负载的扰动观测法仿真与分析35-41
• 4.3 海上MPPT策略与仿真41-47
• 4.3.1 改进的短路电流比例系数法41-45
• 4.3.2 仿真与比较45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 硬件电路的设计与实现48-60
• 5.1 引言48
• 5.2 硬件电路设计48-51
• 5.2.1 主电路设计48-49
• 5.2.2 检测与控制电路设计49-50
• 5.2.3 驱动电路设计50-51
• 5.3 实验与分析51-59
• 5.3.1 占空比扰动观测法实验51-54
• 5.3.2 闭环短路电流比例系数法实验54-59
• 5.4 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-66
• 致谢66

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