基于FPGA的太阳能发电控制系统的研究与实现

摘要

太阳能作为一种可再生能源，具有洁净无污染，可持续利用的优点，而光伏发电称为其中重要的研究领域。由于控制系统是太阳能发电系统的核心部分和使用太阳能的关键部分，因此在太阳能发电系统的研究中对控制算法和控制装置的研究显得尤为重要。
　　本文以太阳能发电控制系统为研究对象，对其中的控制算法问题，包括光伏阵列模型的建立、DC-DC变换器和DC-AC变换器的控制策略进行了深入研究;控制装置部分，本文以CycloneⅡ EP2C35F6762CN型FPGA为核心控制器，对整个控制装置进行了综合设计和整体实现。
　　光伏阵列应用特性是太阳能光伏发电系统中的最基本问题，本文在厂家提供的常见参数基础上，提出了光伏阵列的工程模型，该模型能复现光伏阵列在任意温度及光强下的特性，为电路仿真和控制系统的实现提供了基础。本文将一种新型“无模型”算法——I-PI(智能PI)算法应用在了太阳能发电的控制系统中，分析了I-PI算法的原理，证明I-PI算法应用到太阳能发点控制系统中的可行性。
　　本文利用I-PI算法控制DC-DC变换器，并且提出了在线PSO算法优化I-PI参数，在优化过程中避免了对变换器的建模，从而实现真正的“无模型”控制;仿真对比了在变换器模型失配时PID算法和I-PI算法的控制效果，结果表明I-PI算法的鲁棒性更好，控制效果更稳定。
　　最后，本文以CycloneⅡ EP2C35F6762CN型FPGA为核心控制器，设计和实现了以AD7606为核心芯片的采样电路，以TLP520为核心芯片的功率驱动电路和各个变换器的主电路;并且将I-PI算法成功的应用到了实际降压变换器和升压变换器的控制系统中，得到了实际的波形输出，从而验证了以I-PI控制算法和以CycloneⅡEP2C35F6762CN型FPGA为核心控制器的控制装置可以成功的应用在太阳能发电控制系统中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 太阳能光伏的概述

1．1．1 太阳能光伏发展的背景及意义

1．1．2 太阳能光伏发电的现状及其发展前景

1．2 太阳能光伏发电系统的概述

1．2．1 太阳能光伏发电系统原理及组成

1．2．2 太阳能光伏发电系统分类

1．3 本文主要研究内容及任务

第2章 光伏电池的原理及仿真

2．1 光伏电池的种类

2．2 光伏电池的工作原理

2．3 光伏电池的特性

2．3．1 光伏电池的工程用数学模型

2．3．2 光伏电池的输出特性

2．4 光伏电池的建模及仿真

2．4．1 光伏电池的模组及阵列

2．4．2 光伏电池的仿真实例

2．5 本章小结

第3章 无模型控制算法的原理

3．1 无模型控制理论的背景

3．2 无模型控制理论

3．3 无模型控制算法(I-PI)和PID算法仿真比较

3．4 粒子群寻优算法对I-PI算法参数的优化

3．4．1 标准粒子群算法优化原理及算法描述

3．4．2 几种特殊的粒子群算法

3．4．3 适应度函数的选择和参数的整定

3．4．4 在线PSO算法流程

3．5 本章小结

第4章 DC-DC及DC-AC变换器的设计及仿真

4．1 DC-DC变换器的分类

4．2 Buck变换器

4．2．1 Buck变换器参数设计

4．2．2 基于I-PI算法的控制系统研究

4．3 Boost变换器

4．3．1 升压式DC-DC变换器参数设计

4．3．2 升压式变换器Matlab／Simulink仿真研究

4．4 DC-AC变换器

4．4．1 DC-AC变换器分类

4．4．2 单相DC-AC变换器调制方法

4．4．3 DC-AC变换器的参数设计

4．4．4 DC-AC变换器的Matlab／Simulink仿真

4．5 本章小结

第5章 基于FPGA太阳能发电控制系统的设计及实现

5．1 基于Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN的控制系统

5．1．1 控制芯片Cyclone Ⅱ EP2C35F6762CN芯片介绍

5．1．2 整体控制系统结构框图

5．2 基于Nios Ⅱ的片上可编程系统开发

5．2．1 基于Nios Ⅱ的SOPC硬件系统开发流程

5．2．2 SOPC Builder硬件开发环境

5．3 采样电路的设计

5．3．1 采样芯片AD7606的介绍

5．3．2 采样电路的设计

5．4 功率驱动电路的设计

5．5 Buck变换器的实验测试

5．6 Boost电路的实际测试结果

5．7 本章小结

第6章 全文总结及展望

参考文献

致谢

硕士期间取得成果