基于ARM的独立式光伏控制器设计与实现

摘要

太阳能是理想的可再生能源。太阳能光伏发电技术是人们对太阳能利用研究的一个热点，被认为是未来最具发展潜力的一种发电技术。光伏控制器是光伏发电系统的重要组成部分，其技术发展不断加快，目前比较流行的为MPPT控制器。结合控制器发展现状及ARM微控制器的性能优势，本文设计实现了一种基于ARM9的MPPT光伏控制器。
　　首先，本文对光伏阵列的输出特性进行研究，利用实用的数学模型在MATLAB中搭建模型仿真。结合仿真结果，分析了光照强度和温度对光伏阵列输出特性的影响，为以后的MPPT研究打下基础。
　　其次，对MPPT的实现原理进行研究，对不同的MPPT算法进行优缺点比较，提出了一种改进电导增量法来实现最大功率跟踪。并对扰动观察法和改进电导增量法在MATLAB中建模仿真，通过对仿真结果地比较分析得出两种方法都可完成最大功率跟踪，但是经过优化改进的电导增量法效果更好。
　　再次，对最大功率跟踪系统中常用的DC/DC变换电路的拓扑结构进行总结，选取BUCK电路作为本文设计控制器的主电路，并对主电路的参数进行详细的设计。完成了基于ARM9S3C2440的核心板及控制器相应底板的硬件电路设计。
　　最后，使用CADENCEAllegro软件对控制器的核心板和底板进行PCB制作，对核心板重要元件的高速信号进行完整性仿真。在实习单位的实验室中，对控制器的主要硬件模块进行调试。调试结果显示，光伏控制器的各个设计模块工作正常，功能实现良好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外光伏控制器研究现状

1．2．1 国外光伏控制器研究现状

1．2．2 我国光伏控制器现状

1．3 本文工作

2 光伏阵列建模仿真及控制器整体方案设计

2．1 光伏电池的工作原理

2．2 光电池的等效电路

2．2．1 光电池基本特性

2．2．2 建立等效电路

2．3 基于matlab／simulink的光伏组件模型搭建及仿真

2．4 光伏控制器整体方案设计

2．4．1 总体方案设计

2．4．2 硬件选型

2．5 本章小结

3 最大功率点跟踪算法分析及建模仿真

3．1 光伏电池最大功率跟踪原理

3．2 几种MPPT算法分析

3．3 独立光伏发电系统常用DC／DC变换器及其特点

3．3．1 BUCK电路

3．3．2 BOOST电路

3．4 光伏阵列最大功率跟踪控制算法建模

3．4．1 基于MATLAB／simulink的DC／DC电路模型搭建

3．4．2 MPPT算法建模

3．4．3 PWM模块

3．4．4 MPPT算法仿真系统总体模型搭建

3．5 MPPT算法仿真结果及分析

3．5．1 扰动观察法仿真结果

3．5．2 改进电导增量法仿真结果

3．5．3 仿真结果比较及分析

3．6 本章小结

4 控制器硬件电路设计及软件设计

4．1 S3C2440芯片介绍

4．1．1 芯片整体结构及组成介绍

4．1．2 芯片在控制器中重点应用功能介绍

4．2 基于S3C2440的核心板硬件电路设计

4．2．1 S3C2440核心板组成

4．2．2 S3C2440芯片外围电路设计

4．2．3 电源电路设计

4．2．4 晶振电路

4．2．5 存储器(SDRAM和FLASH)

4．2．6 JTAG接口电路

4．2．7 串行接口电路设计

4．2．8 复位电路

4．3 控制器底板设计

4．3．1 主电路参数设计

4．3．2 太阳能板输出采样电路

4．3．3 蓄电池电流和电压采样电路

4．3．4 太阳能板和蓄电池反接保护电路

4．3．5 驱动电路设计

4．3．6 电源电路

4．3．7 底板引脚配置简述

4．4 控制器软件设计

4．5 本章小结

5 控制器PCB制作、仿真及调试

5．1 Allegro软件简介

5．2 PCB板设计

5．2．1 PCB板设计流程综述

5．2．2 核心板的PCB设计及仿真

5．2．3 底板的PCB设计

5．3 PCB板焊接及相应模块调试

5．3．1 PCB板级调试步骤简述

5．3．2 电源模块调试

5．3．3 电流采样模块(LTC6102)调试

5．3．4 MOSFET管驱动模块调试

5．3．5 主电路反接保护模块调试

5．3．6 调试总结

5．4 实物展示

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录