光伏系统直流微网智能接口及MPPT研究

【摘要】：太阳能作为一种无污染的绿色能源,它的开发利用越来越受到重视。直流微网中一个重要的能源来源就是光伏发电,但是太阳能电池板的输出电压一般比较低,不能直接与直流微网中高电压等级的直流母线相连,因此需要通过一个中间接口与直流母线相连,这个中间接口即为电力电子变换元件。在光伏发电系统中,DC/DC变换器常常被用来作为这一中间接口,DC/DC变换器不仅可以将光伏电池输出的低电压升高到所需求的高电压,还可以对太阳能电池实现最大功率跟踪,从而提高了电池的利用率。本文光伏智能接口主要由光伏电池,功率电路,传感器电路,调理电路,A/D转换电路,CPU控制板,手持器,Zigbee接口等组成。功率电路主要包括逆变电路,高频变压器和整流电路。传感器电路所采集的信号经过调理电路后进行A/D转换,A/D转换输出到CPU进行相应的运算与控制。手持器主要用于观测和修改参数。论文首先阐述了直流微网的现状与发展,光伏DC/DC控制器的特点和发展,分析了移相全桥ZVS PWM DC/DC全桥变换器的工作原理。在分析和研究了移相全桥DC/DC变换器的拓扑结构和控制方法基础上,搭建了PSIM移相仿真模块,对其进行了验证。针对移相全桥DC/DC变换器中因特性不一致使变压器初级产生直流分量而导致的偏磁问题,提出了不对称移相的偏磁数字抑制方法,并给出了基于TMS320F28335 DSP不对称移相的实现方法,经仿真和实验表明,取得了较好的效果。此外,系统在并入直流母线之前首先要将电压稳定到直流母线所设定的电压600V,有效的防止了在并网的瞬间将电网电压拉低。在升压时为了防止电压的过冲,加入了惯性环节,使系统使得整个系统可以安全有效的运行。最后,针对光伏电池的伏安特性具有强烈的非线性,对负载适应性较差,且太阳电池的输出功率随光照强度和温度等因素而变化的问题,采用基于正弦扰动的最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)非线性控制方法,仿真和实验结果表明此方法控制效果很好。在完成设计和调试基于TMS320F28335DSP的CPU控制板后,制作了功率板,调理板和传感器采样板,并进行了PWM移相、A/D转换和并网等主要程序的设计和调试。针对基于直流微网中的Zigbee通讯要求,设计了相应的通讯协议和串行通讯程序。 【关键词】：移相全桥DC/DC控制器 ZVS 直流偏磁 不对称移相 数字控制 最大功率跟踪 正弦扰动 光伏系统
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 1 概述8-12
• 1.1 直流微网的发展8
• 1.2 光伏系统直流微网智能接口8-9
• 1.3 光伏DC/DC变换器的特点与发展9-10
• 1.4 移相全桥DC/DC控制器的发展10-11
• 1.4.1 移相全桥DC/DC变换器软开关技术10-11
• 1.4.2 移相全桥DC/DC变换器控制技术11
• 1.5 本课题的主要任务11-12
• 2 移相全桥DC/DC建模与仿真12-33
• 2.1 移相全桥DC/DC的结构与工作原理12-22
• 2.1.1 移相全桥DC/DC的结构12
• 2.1.2 移相全桥ZVS PWM DC/DC工作原理12-22
• 2.2 移相全桥DC/DC数学模型22
• 2.3 直流偏磁的抑制原理22-25
• 2.3.1 偏磁产生的因素以及抑制方法概述22-23
• 2.3.2 偏磁抑制数学模型23-24
• 2.3.3 偏磁抑制的数字实现24-25
• 2.4 移相全桥DC/DC的仿真25-33
• 2.4.1 PSIM的移相器设计25-28
• 2.4.2 对称移相仿真28-30
• 2.4.3 抑制直流偏磁的不对称移相控制仿真30-33
• 3 太阳能电池以及最大功率跟踪控制技术33-44
• 3.1 太阳能电池的特性33-35
• 3.1.1 太阳能电池的等值电路33-34
• 3.1.2 太阳能电池的输出特性34-35
• 3.2 MPPT算法概述35-36
• 3.3 基于正弦扰动的MPPT非线性控制算法及仿真36-44
• 3.3.1 MPPT非线性控制算法原理36-38
• 3.3.2 正弦扰动法38-40
• 3.3.3 基于正弦扰动的MPPT非线性控制算法仿真40-44
• 4 光伏DC/DC控制器的硬件设计44-60
• 4.1 CPU电路设计44-48
• 4.1.1 F28335简介44
• 4.1.2 F28335最小系统电路设计44-48
• 4.2 主电路设计48-53
• 4.2.1 主电路结构48
• 4.2.2 高频变压器的设计48-50
• 4.2.3 输入电容的设计50
• 4.2.4 主开关管的设计50
• 4.2.5 桥臂并联电容与谐振电感的设计50-51
• 4.2.6 输出滤波电感的设计51-52
• 4.2.7 输出滤波电容的设计52
• 4.2.8 输出整流二极管的选择52-53
• 4.3 驱动电路设计53-54
• 4.4 参数采集调理电路54-56
• 4.4.1 电压、电流采集调理电路54-55
• 4.4.2 A/D转换电路55-56
• 4.4.3 温度测量调理电路56
• 4.5 其它电路设计56-60
• 4.5.1 保护电路56-58
• 4.5.2 接口电路设计58-60
• 5 光伏DC/DC控制器软件设计60-72
• 5.1 CCS开发环境简介60
• 5.2 PWM程序与移相控制60-63
• 5.2.1 ePWM模块初始化60-61
• 5.2.2 DSP中的不对称移相的实现61-63
• 5.3 A/D采样与中断程序设计63-64
• 5.4 通讯程序设计64-69
• 5.4.1 通讯协议概述64-65
• 5.4.2 通讯数据格式65-66
• 5.4.3 实时数据的数据结构66-67
• 5.4.4 串行通讯程序设计67-69
• 5.5 并入直流母线控制程序设计69-72
• 6 实验调试结果72-75
• 6.1 偏磁抑制实验72-73
• 6.2 电压响应实验73
• 6.3 MPPT实验73-74
• 6.4 系统调试环境74-75
• 7 总结与展望75-76
• 7.1 全文总结75
• 7.2 前景展望75-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-83
• 攻读学位期间发表的学术论文目录83-84

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