一种基于数模混合控制的快速光伏模拟器

【摘要】：21世纪以来,随着人口数量的增加和现代经济的发展,全球范围内逐渐出现能源危机,对可再生能源的开发和利用势在必行,其中太阳发电具有诱人的发展前景。为配合研发光伏发电系统中光伏功率优化器、光伏逆变器等设备,适应近年来越来越高的MPPT扰动频率,本文设计一种基于数字模拟混合控制的快速光伏模拟器,代替实际光伏组件实现光伏特性输出。 本文首先介绍了光伏电池基本原理及其等效电路,并引入工程用简化光伏特性方程,只需光伏电池厂商提供的关键参数即可列出；介绍了若干种光伏特性曲线的拟合方法简化运算求解过程。本光伏模拟器采用四段折线拟合法建立光伏特性方程。 光伏模拟器采用特定的跟踪策略将其输出工作点调整至所设定的光伏特性曲线上。本文通过理论分析和仿真验证的手段,针对不同负载类型、不同控制方式下的光伏特性跟踪策略进行了研究；考虑到本模拟器针对电阻型负载设计,根据所得研究成果选择使用数值求解法跟随策略。 本模拟器采用同步整流BUCK变换器作为主功率电路拓扑,采用电压电流双环控制,电流内环为峰值电流控制。为提高动态特性采用数模混合控制,模拟控制系统包括峰值电流控制系统、PI补偿电路、采样电路等；数字控制系统根据光伏特性方程求取参考电压,通过PWM形式输出；数模转换使用二阶滤波电路实现。 最后从理论上分析了模拟器的硬件、软件响应速度,求得总响应时间为0.2ms,并进行了仿真和实验验证。仿真、实验和理论分析一致,证明所设计模拟器能够满足后级光伏变流器在调试快速扰动的MPPT算法时的动态要求,具有可行性。 【关键词】：光伏模拟器 MPPT 数模混合控制 快速响应 跟随策略
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题背景10-11
• 1.1.1 国内外能源现状10
• 1.1.2 可再生能源的开发利用10
• 1.1.3 光伏发电前景10-11
• 1.2 光伏发电系统简介11-12
• 1.2.1 离网型光伏发电系统11-12
• 1.2.2 并网型光伏发电系统12
• 1.3 光伏模拟器的研究意义和研究现状12-14
• 1.3.1 研究意义12-13
• 1.3.2 国内外研究现状13-14
• 1.4 本课题主要研究内容14-15
• 2 光伏电池特性方程及其拟合方法15-27
• 2.1 光伏电池原理15-16
• 2.2 光伏电池等效电路及其参数的提取方法16-17
• 2.3 工程用简化光伏特性方程17-22
• 2.3.1 简化光伏特性方程介绍18-19
• 2.3.2 考虑环境条件的简化光伏特性19-20
• 2.3.3 简化光伏特性曲线的仿真验证20-22
• 2.4 光伏特性的拟合方法22-26
• 2.4.1 分段折线拟合法22-23
• 2.4.2 二项式拟合法23-24
• 2.4.3 抛物线拟合法24-26
• 2.4.4 其他拟合方法26
• 2.5 本光伏模拟器光伏电池特性方程方案设计26
• 2.6 本章小结26-27
• 3 光伏模拟器主电路设计27-36
• 3.1 光伏模拟器主体结构27-30
• 3.1.1 模拟式光伏模拟器27
• 3.1.2 数字式光伏模拟器27-29
• 3.1.3 其他光伏模拟器29-30
• 3.2 主电路设计30-35
• 3.2.1 常见DC-DC主功率电路拓扑及其优缺点分析30-33
• 3.2.2 主功率电路方案拟定33
• 3.2.3 主功率电路参数设计33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 光伏特性跟踪策略研究36-54
• 4.1 电阻型负载的光伏跟踪策略36-44
• 4.1.1 迭代法跟踪策略36-42
• 4.1.2 数值求解法跟踪策略42-44
• 4.2 针对控电压型负载的光伏跟踪策略44-48
• 4.2.1 迭代法跟踪策略44-48
• 4.2.2 数值求解法跟踪策略48
• 4.3 控电流型负载的光伏跟踪策略48-51
• 4.3.1 迭代法跟踪策略49-51
• 4.3.2 数值求解法跟踪策略51
• 4.4 光伏特性跟踪策略研究总结51-53
• 4.5 本模拟器光伏跟随策略选择53-54
• 5 光伏模拟器的控制系统设计54-61
• 5.1 模拟控制系统54-59
• 5.1.1 方案设计54-55
• 5.1.2 主电路建模和PI参数设计55-56
• 5.1.3 芯片选择及采样、补偿电路的实现56-59
• 5.2 数字控制系统59-60
• 5.3 本章小结60-61
• 6 仿真及实验结果分析61-70
• 6.1 光伏模拟器动态特性分析及其仿真验证61-64
• 6.1.1 光伏模拟器动态特性分析61-62
• 6.1.2 仿真实验验证62-64
• 6.2 光伏模拟器样机及实验波形64-69
• 6.2.1 光伏模拟器静态特性测试64-65
• 6.2.2 光伏模拟器动态特性测试65-69
• 6.3 本章小结69-70
• 7 总结与展望70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76-77
• 作者简介及发表论文77

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