光伏系统直流微网智能接口及MPPT研究

摘要

太阳能作为一种无污染的绿色能源，它的开发利用越来越受到重视。直流微网中一个重要的能源来源就是光伏发电，但是太阳能电池板的输出电压一般比较低，不能直接与直流微网中高电压等级的直流母线相连，因此需要通过一个中间接口与直流母线相连，这个中间接口即为电力电子变换元件。在光伏发电系统中，DC/DC变换器常常被用来作为这一中间接口，DC/DC变换器不仅可以将光伏电池输出的低电压升高到所需求的高电压，还可以对太阳能电池实现最大功率跟踪，从而提高了电池的利用率。
　　本文光伏智能接口主要由光伏电池，功率电路，传感器电路，调理电路，A/D转换电路，CPU控制板，手持器，Zigbee接口等组成。功率电路主要包括逆变电路，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。手持器主要用于观测和修改参数。
　　论文首先阐述了直流微网的现状与发展，光伏DC/DC控制器的特点和发展，分析了移相全桥ZVS PWM DC/DC全桥变换器的工作原理。在分析和研究了移相全桥DC/DC变换器的拓扑结构和控制方法基础上，搭建了PSIM移相仿真模块，对其进行了验证。
　　针对移相全桥DC/DC变换器中因特性不一致使变压器初级产生直流分量而导致的偏磁问题，提出了不对称移相的偏磁数字抑制方法，并给出了基于TMS320F28335 DSP不对称移相的实现方法，经仿真和实验表明，取得了较好的效果。
　　此外，系统在并入直流母线之前首先要将电压稳定到直流母线所设定的电压600V，有效的防止了在并网的瞬间将电网电压拉低。在升压时为了防止电压的过冲，加入了惯性环节，使系统使得整个系统可以安全有效的运行。
　　最后，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，且太阳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(maximum power point tracking，MPPT)非线性控制方法，仿真和实验结果表明此方法控制效果很好。
　　在完成设计和调试基于TMS320F28335DSP的CPU控制板后，制作了功率板，调理板和传感器采样板，并进行了PWM移相、A/D转换和并网等主要程序的设计和调试。针对基于直流微网中的Zigbee通讯要求，设计了相应的通讯协议和串行通讯程序。

目录

摘要

1 概述

1．1 直流微网的发展

1．2 光伏系统直流微网智能接口

1．3 光伏DC／DC变换器的特点与发展

1．4 移相全桥DC／DC控制器的发展

1．4．1 移相全桥DC／DC变换器软开关技术

1．4．2 移相全桥DC／DC变换器控制技术

1．5 本课题的主要任务

2 移相全桥DC／DC建模与仿真

2．1 移相全桥DC／DC的结构与工作原理

2．1．1 移相全桥DC／DC的结构

2．1．2 移相全桥ZVS PWM DC／DC工作原理

2．2 移相全桥DC／DC数学模型

2．3 直流偏磁的抑制原理

2．3．1 偏磁产生的因素以及抑制方法概述

2．3．2 偏磁抑制数学模型

2．3．3 偏磁抑制的数字实现

2．4 移相全桥DC／DC的仿真

2．4．1 PSIM的移相器设计

2．4．2 对称移相仿真

2．4．3 抑制直流偏磁的不对称移相控制仿真

3 太阳能电池以及最大功率跟踪控制技术

3．1 太阳能电池的特性

3．1．1 太阳能电池的等值电路

3．1．2 太阳能电池的输出特性

3．2 MPPT算法概述

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 正弦扰动法

3．3．3 基于正弦扰动的MPPT非线性控制算法仿真

4光伏DC／DC控制器的硬件设计

4．1 CPU电路设计

4．1．1 F28335简介

4．1．2 F28335最小系统电路设计

4．2 主电路设计

4．2．1 主电路结构

4．2．2 高频变压器的设计

4．2．3 输入电容的设计

4．2．4 主开关管的设计

4．2．5 桥臂并联电容与谐振电感的设计

4．2．6 输出滤波电感的设计

4．2．7 输出滤波电容的设计

4．2．8 输出整流二极管的选择

4．3 驱动电路设计

4．4 参数采集调理电路

4．4．1 电压、电流采集调理电路

4．4．2 A／D转换电路

4．4．3 温度测量调理电路

4．5 其它电路设计

4．5．1 保护电路

4．5．2 接口电路设计

5 光伏DC／DC控制器软件设计

5．1 CCS开发环境简介

5．2 PWM程序与移相控制

5．2．1 ePWM模块初始化

5．2．2 DSP中的不对称移相的实现

5．3 A／D采样与中断程序设计

5．4 通讯程序设计

5．4．1 通讯协议概述

5．4．2 通讯数据格式

5．4．3 实时数据的数据结构

5．4．4 串行通讯程序设计

5．5 并入直流母线控制程序设计

6 实验调试结果

6．1 偏磁抑制实验

6．2 电压响应实验

6．3 MPPT实验

6．4 系统调试环境

7 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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