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小型混合式太阳能调配控制系统设计

作　者: 赵亚魁
导　师: 王镇道
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 光伏发电最大功率点跟踪静态转换开关电压暂降能量调配
分类号: TM76
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着世界可再生能源储量的急剧消耗，开发利用太阳能成为了建立起清洁和可持续发展能源体系的必由之路。但光伏发电易受气候环境影响，且与之匹配的蓄电池储能装置容量有限，在电能质量与可持续供电方面存在诸多问题。面向用户侧的小型太阳能混合式发电系统由于其运用灵活性，必将成为光伏产业研究与应用的热点。基于太阳能能源调配管理，本文结合智能化能量调配控制与静态转换开关工作特性，以完成对太阳能与电网市电的最优化利用。在对储能单元充分保护的前提下，系统实现对用户的稳定可持续供电。详细分析了最大功率点跟踪（MPPT）算法、电压暂降检测方法、铅酸电池剩余电量估算方法以及智能化能量调配控制管理策略，实现了系统智能化控制和稳定性工作。在系统工作原理及理论分析的基础上，进一步对系统各模块进行了软硬件设计，并以STM32F103VCTb处理芯片为核心，设计了一套模块化的混合式调配控制系统。系统硬件部分分为MPPT&DC/DC模块、逆变模块、静态转换开关模块等系统模块和智能化能量调配控制系统管理模块。系统控制策略方面，首先针对交错并联断续buck电路提出了一种恒电压启动控制的修正变步长电导增量法的MPPT控制策略，简单有效的提高了MPPT的响应速度与精度；其次，基于改进的dq变化电压暂降检测法设计了适用于本系统的静态转换开关，实现了系统储能、太阳能供电与市电间的“无缝”安全切换；最后，制定有效的能量调配方案，对各个模块状态量实现统一处理，实现能量最优化管理。仿真及实验结果均表明所设计的混合式调配控制系统灵活性强，能够有效的实现系统能量最优化利用与稳定的可持续供电。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 太阳能发电研究的相关背景及意义  11
  1.2 太阳能发电在国内外的发展现状与前景  11-13
    1.2.1 国外光伏发展现状与前景  11-12
    1.2.2 国内光伏发展现状与前景  12-13
  1.3 太阳能发电系统的分类  13-15
    1.3.1 独立太阳能发电系统  13
    1.3.2 并网太阳能发电系统  13-14
    1.3.3 混合式太阳能发电系统  14-15
  1.4 本文研究的主要内容与设计要求  15-16
第2章系统的工作原理及其设计分析  16-22
  2.1 混合式太阳能调配控制系统的工作原理  16-17
    2.1.1 系统基本结构  16
    2.1.2 系统智能化控制策略分析  16-17
  2.2 小型混合式太阳能调配控制系统技术难点  17-18
    2.2.1 系统发电效率问题  17-18
    2.2.2 蓄电池剩余电量估算  18
    2.2.3 静态转换开关抗干扰能力与切换时间  18
    2.2.4 系统工作模式控制与决策  18
  2.3 混合式太阳能调配控制系统的设计分析  18-21
    2.3.1 系统 MPPT&DC/DC 设计分析  18-19
    2.3.2 系统静态转换开关（STS）设计分析  19-20
    2.3.3 系统逆变器分析  20-21
    2.3.4 系统智能化调配控制器设计分析  21
  2.4 本章小结  21-22
第3章 MPPT&DC/DC技术研究  22-36
  3.1 太阳能电池特性  22-25
    3.1.1 太阳能电池的等效电路及特性  22-23
    3.1.2 太阳能电池的输出特性  23-25
  3.2 最大功率跟踪（MPPT）算法分析  25-30
    3.2.1 常用的最大功率跟踪算法分析  25-28
    3.2.2 MPPT 技术应用中存在的问题  28
    3.2.3 恒电压启动控制的修正变步长电导增量法  28-30
  3.3 DC/DC 变换电路设计  30-35
    3.3.1 常用的DC/DC拓扑结构分析  30-33
    3.3.2 交错并联断续 buck 电路主要参数设计  33-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章静态转换开关（STS）系统设计  36-46
  4.1 电能质量问题分析  36-39
    4.1.1 电能质量分析及其标准  36-37
    4.1.2 电压暂降及其检测方法  37-38
    4.1.3 电能质量问题的解决方法  38-39
  4.2 静态转换开关系统结构  39-40
    4.2.1 STS 的研究现状和应用  39
    4.2.2 STS的基本结构  39-40
  4.3 静态转换开关系统设计与实现  40-45
    4.3.1 改进的dq变换电压暂降检测方法  40-42
    4.3.2 可控硅触发电路设计  42-44
    4.3.3 STS 参数选择及实际测试  44-45
  4.4 本章小结  45-46
第5章智能化能量调配控制设计  46-64
  5.1 铅酸电池特性及SOC估测技术  46-51
    5.1.1 铅酸电池的工作原理  47
    5.1.2 铅酸电池的充放电特性  47-48
    5.1.3 铅酸电池SOC估测技术`  48-50
    5.1.4 铅酸电池电参数检测电路设计  50-51
  5.2 MPPT&DC/DC控制方案研究  51-54
    5.2.1 MPPT&DC/DC 控制技术要求  51-52
    5.2.2 MPPT&DC/DC检测控制电路设计  52-53
    5.2.3 MPPT&DC/DC 工作状态模式分析  53-54
  5.3 静态转换开关智能控制设计  54-59
    5.3.1 静态转换开关控制技术要求  54-55
    5.3.2 静态转换开关检测控制电路设计  55-59
    5.3.3 静态转换开关工作状态模式分析  59
  5.4 智能化调配控制器设计  59-63
    5.4.1 智能化调配控制器技术要求  59-60
    5.4.2 智能化调配控制器控制电路设计  60-62
    5.4.3 智能化调配控制器工作状态模式分析  62-63
  5.5 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-69
致谢  69-70
附录A（攻读学位期间所发表的学术论文）  70-71
附录B（各模块 PCB 版图）  71-73
附录C（系统测试图）  73-74
附录D（上位机测试图）  74

小型混合式太阳能调配控制系统设计

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