太阳能混合直流电源中MPPT和PFC技术的研究

摘要

随着全球经济的快速发展，有限的煤、石油、天然气等化石能源已经无法满足人类的发展需要，为了避免出现能源危机，必须大力开发可再生的新能源。太阳能是一种清洁、高效且用之不竭的太阳光辐射能量，但光伏电池的输出受外界环境和负载的影响较大，为了充分利用太阳能，提高光伏电池的利用效率，需要在太阳能供电系统中加入辅助电源并且对光伏电池进行最大功率点跟踪。
　　本文综合了光伏发电技术、最大功率点跟踪技术和功率因数校正技术，研制出一套节能高效的太阳能混合直流电源装置，它由太阳能光伏、蓄电池、AC/DC电源三者集成，实现了电能来源的多样化，可自动无扰切换。同时它还具备MPPT、PFC和实时监控等功能。针对此太阳能混合直流电源的设计，本文所做的工作如下:
　　(1)详细阐述了太阳能发电技术和MPPT的基本原理，分析和比较了恒定电压法、扰动观察法和电导增量法三种MPPT算法，总结各算法的优缺点，提出了适合本课题的跟踪算法——恒定电压启动结合扰动观察算法。对常用的DC/DC变换器进行分析，然后根据本系统的实际要求选择合适的变换电路和主控制芯片，完成硬件电路参数设计，选择合适的电子元器件，制作电路板，搭建一个120W的光伏发电系统。
　　(2)分析了功率因数校正的基本原理，对PFC的主电路拓扑和控制方法进行了详细分析和比较，最终确定了适合本系统的功率因数校正方案;基于平均电流控制的Boost型APFC。利用UCC28019控制芯片设计了一个基于平均电流模式控制的APFC实验装置，其输出功率为1kW，给出了PFC电路的详细设计步骤和具体参数的计算过程。
　　(3)研究了如何快速无扰切换三种电源，保证混合电源能24小时不间断的给负载提供稳定可靠的电能，并提出了实现控制的切换算法，对太阳能混合直流电源系统中的智能自动无扰切换控制器进行设计。
　　(4)对太阳能混合直流电源中MPPT模块和PFC模块单独进行测试，并对实验结果进行分析，然后对混合直流电源进行集成联调。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 相关技术的国内外研究现状

1．2．1 最大功率点跟踪技术

1．2．2 功率因数校正技术

1．3 课题的提出及主要研究内容

1．4 论文的组织与安排

第2章 混合直流电源的总体方案设计

2．1 电源总体方案设计

2．1．1 电源需求分析

2．1．2 电源设计原则

2．1．3 电源总体结构设计

2．2 MPPT技术

2．2．1 MPPT原理

2．2．2 MPPT算法分析

2．2．3 本文MPPT算法设计

2．3 PFC技术

2．3．1 PFC的实现方法

2．3．2 APFC电路结构

2．3．3 APFC控制方法

2．4 本章小结

第3章 MPPT模块的设计与实现

3．1 光伏阵列

3．2 单片机控制电路

3．2．1 控制芯片介绍

3．2．2 电源电路设计

3．2．3 复位电路、LCD显示器电路设计

3．3 DC／DC变换器电路分析和设计

3．3．1 DC／DC变换器常用电路分析

3．3．2 DC／DC变换电路的选用和参数设计

3．4 DC／DC变换器电路图设计

3．4．1 采样电路设计

3．4．2 驱动电路设计

3．5 本章小结

第4章 PFC模块的设计与实现

4．1 PFC电路的主要技术指标

4．2 功率因数校正专用芯片UCC28019

4．2．1 UCC28019简介

4．2．2 UCC28019的保护功能

4．3 Boost功率电路的设计

4．3．1 升压电感的设计

4．3．2 输入电容设计

4．3．3 输出电容设计

4．3．4 整流桥、开关管和二极管的设计

4．4 控制电路的设计

4．4．1 电流检测电路

4．4．2 峰值电流限制

4．4．3 电压检测电路

4．4．4 反馈补偿网络的设计

4．5 本章小结

第5章 智能无扰切换控制器模块的设计与实现

5．1 控制器的总体结构

5．2 控制器的硬件电路设计

5．2．1 主控制芯片

5．2．2 电子开关及其驱动电路设计

5．2．3 辅助电源电路设计

5．2．4 电压、电流采样电路设计

5．2．5 温度采集电路设计

5．3 智能无扰切换控制算法设计

5．4 可扩展输出模块的设计

5．4．1 可扩展输出模块整体结构

5．4．2 可扩展输出模块硬件设计

5．5 本章小结

第6章 实验结果及分析

6．1 最大功率跟踪实验

6．1．1 实验参数设置

6．1．2 实验结果及分析

6．2 功率因数校正实验

6．2．1 Simulink仿真模型建立

6．2．2 仿真结果及分析

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 研究展望

参考文献

附录1

附录2

致谢

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