开关型太阳能阵列模拟器的研究

摘要

太阳能（Photovoltaic, PV）阵列模拟器是利用电力电子电路来模拟实际PV电池板输出特性的装置。论文对国内外模拟器的研究现状进行了调查和总结，分别对参考曲线生成环节和功率放大环节的国内外现状进行了分析，得出本设计所要实现的模拟器特性要求。
　　研究了PV电池的物理特性，通过Matlab仿真对比了工程计算法与实际PV电池板的输出I-V和P-V曲线，得出工程计算法的不足。然后对比了各种I-V曲线生成方式的优缺点，选择使用模拟电路的方式产生参考曲线，可以灵活进行曲线变换，以此来解决数字方式的时间延迟，提高了系统的动态响应，并且通过串并联使用可以模拟阴影状态下PV电池板的输出特性。对现有的功率级电路拓扑进行比较，最终选取多相交错并联Buck的开关型拓扑结构来实现模拟器的功率输出。
　　借助Simplis仿真软件对曲线生成环节进行环路设计，使其达到要求的带宽，改变环路增益和硬件参数可以得到多条曲线的输出。建立了功率电路的小信号模型，设计其环路补偿器，通过Saber软件仿真分析了使用多相交错并联的优势，并对其输出特性进行了仿真验证。
　　确定了整个模拟器系统的结构，即通过模拟外环和数字内环相结合的结构，对整个系统动态特性进行了Saber仿真验证。使用现场可编程门阵列FPGA进行数字内环控制，对其采样环节、补偿环节和PWM输出环节分别进行了分析与设计。
　　最后对系统的硬件电路进行了设计，建立了整个系统的硬件实验平台，对提出的方案进行稳态和动态性能实验验证，最终得出使用这种方案能够达到较高的动态响应速度，并且可以模拟任意一条I-V曲线。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 太阳能阵列模拟器的国内外研究现状

1.3 课题主要内容

第2章 太阳能阵列模拟器实现方案的确定

2.1 引言

2.2 太阳能电池的物理特性及其数学模型

2.3 模拟器的系统框架设计

2.4 本章小结

第3章 太阳能阵列模拟器的电路设计及仿真

3.1 引言

3.2 参考曲线生成电路的设计与仿真

3.3 功率级电路的设计及仿真

3.4 本章小结

第4章 太阳能阵列模拟器的控制结构设计

4.1 引言

4.2 控制结构分析与设计

4.3 模拟器主电路环路的数字控制设计

4.4 本章小结

第5章 太阳能阵列模拟器的实验与结果分析

5.1 引言

5.2 模拟器硬件电路设计

5.3稳态和动态实验结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢