光伏集成模块发电系统控制器研究

摘要

随着经济的发展和社会的进步，能源需求日益增长，常规能源越来越供不应求。同时，常规能源的大量使用造成了世界范围内的环境污染和生态恶化。因此新能源的开发和应用成为当今世界发展的必然趋势。太阳能是一种十分具有潜力的新能源，光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一。太阳能光伏发电对缓解能源危机和减少环境污染具有重要的意义，并具有广阔的应用前景。
　　本论文将光伏组件直接与DC/DC变换器串联，能量转化效率高，采用模块化设计，系统构造灵活。光伏集成模块发电系统是将每个光伏组件都接有一个具有MPPT功能的高增益DC/DC变换器，然后并入电网，这样大幅提高了光伏组件的利用率。因为每个光伏组件具有独立的MPPT，增强了系统抗阴影能力。然后设计了一种基于正激变换的前级直流模块式DC/DC变换器，它具有结构简单、易于串并联、较高的电压增益、较低的纹波以及输入输出电气安全隔离等特点。
　　本集成系统主要由光伏电池、功率电路、调理电路、传感器电路、A/D转换电路、CPU控制板、Zigbee通讯模块等组成。功率电路主要包括变换电路、高频变压器和整流电路。传感器电路所采集的信号经过调理电路后进行A/D转换，A/D转换输出到CPU进行相应的运算与控制，然后通过ZigBee通讯模块传送到上位机进行实时监控。
　　论文首先阐述了光伏集成模块发电技术的发展现状，DC/DC控制器的特点，单端正激变换器的工作原理。在分析和研究了单端正激变换器拓扑结构和控制方法基础上对电路进行了建模与仿真，对其进行了验证。针对光伏电池的伏安特性具有强烈的非线性，对负载适应性较差，且光伏电池的输出功率随光照强度和温度等因素而变化的问题，采用基于正弦扰动的最大功率点跟踪(MPPT)非线性控制方法，并对多个光伏集成模块的串并联特性进行了分析研究。设计了基于TMS320F103ZET6的CPU控制电路，功率电路，调理电路和传感器电路，并进行了PWM、A/D转换和串口通讯等主要程序的设计和调试。针对基于Zigbee通讯模块的要求，设计了相应的通讯协议和串行通讯程序。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 课题研究的目的和意义

1．1．2 光伏发电技术的发展现状

1．2 光伏并网发电系统的拓扑研究

1．2．1 常见光伏并网发电系统结构

1．2．2 直流模块式光伏发电系统

1．3 DC／DC变换器的介绍

1．4 光伏发电系统MPPT控制技术

1．5 ZigBee通讯技术

1．6 本论文选题与主要研究内容

第二章 直流模块式DC／DC变换器的设计

2．1 常见隔离型DC／DC变换器

2．2 单端正激式变换器工作原理

2．3 正激式DC／DC变换器的建模与仿真

2．3．1 PI控制的参数调节

2．3．2 基于电流内环反馈控制的仿真

2．3．3 基于双闭环控制DC／DC变换器的仿真

第三章 光伏组件MPPT控制及串并联特性研究

3．1 光伏电池的输出特性

3．2 MPPT的控制过程

3．3 基于正弦扰动的MPPT非线性控制算法及仿真

3．3．1 MPPT非线性控制算法原理

3．3．2 MPPT控制

3．3．3 正弦扰动法

3．3．4 基于正弦扰动的MPPT非线性控制算法仿真

3．4 集成组件串并联特性研究

3．4．1 串联集成组件

3．4．2 并联集成组件

第四章 系统的硬件设计

4．1 主电路设计

4．1．1 主电路结构

4．1．2 技术指标

4．1．3 最大导通时间的确定

4．1．4 变压器相关参数的确定

4．1．5 输出滤波电感的选取

4．1．6 输出滤波电容的选取

4．1．7 主开关管的设计

4．1．8 二极管的选取

4．2 驱动电路的设计

4．3 稳压电路的设计

4．4 信号采集调理电路的设计

4．5 CPU电路设计

4．5．1 STM32ZET6简介

4．5．2 STM32ZET6处理器最小系统的设计

4．6 ZigBee JN5148通讯模块设计

4．6．1 ZigBee JN5148模块简介

4．6．2 JN5148最小系统设计

4．6．3 传感器节点的设计

4．6．4 协调器节点的设计

第五章 系统的软件设计

5．1 RVMDK简介

5．2 GPIO／LED软件设计

5．3 串口通信软件设计

5．4 ADC数模转换软件设计

5．5 PWM输出软件设计

5．6 ZIgBee软件设计

5．6．1 开发平台概述

5．6．2 软件开发环境

5．6．3 协调器节点的软件设计

5．6．4 路由节点的软件设计

5．6．5 传感器节点的软件设计

第六章 试验调试结果

6．1 ADC数模转换调试

6．2 PWM输出调试

6．3 驱动电路调试实验

6．4 DC／DC变换器调试实验

6．5 MPPT实验

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 前景展望

参考文献

致谢

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