光伏充电系统功率自匹配模糊控制技术研究

摘要

太阳能不仅是一种清洁无污染的能源，还是可再生、可持续发展的能源，被世界各国广泛认为是最有希望替代不可再生能源的能源，甚至有可能在本世纪末成为主力能源之一，许多国家都投入了很大的研究精力以及鼓励政策支持技术研究。但是在现有的充电技术条件下，光伏电池只能将部分电能存储到蓄电池中，而大部分的电能以不同的形式损失，储存的电能少意味着发电成本的增加，这就不利于光伏充电系统投资成本的回收，在某种意义上会影响甚至会妨碍光伏充电技术的进一步发展。本论文深入分析了光伏充电系统的工作原理，对几种充电控制器进行了实验分析研究，分析了光伏充电损耗的原因，实验结果可以为提高光伏充电的采收率（采收率与充电效率概念不同，指的是蓄电池充入电量与太阳能电池最大功率点时输出的电量之比，主要考量对太阳能最大发电能力的利用率。）指明方向，在此基础上设计了一种改进型的最大功率点跟踪充电控制器，本文的主要研究内容如下:
　　本文首先对光伏电池工作的基本原理进行深入分析，并根据外界环境的不同，分析光伏电池组件输电性能因素的影响，分析了铅酸蓄电池在充电过程中和放电过程中工作的机理。在基于PSIM仿真软件的基础上，设置相关电池板的参数，测试实验中所使用的光伏电池板的性能。
　　常用的最大功率点跟踪(MPPT，Max Power Point Track)控制方式主要有恒压跟踪法、扰动观察法、增量电导法。在Matlab/simulink环境下，以数学模型建立光伏电池的仿真模块，根据几种常用的MPPT控制原理搭建仿真控制模块，根据仿真结果可以看出常用的MPPT控制方式的优缺点，主要缺点是响应速度慢以及稳态状态下振荡带来的损耗。通过改变控制算法中的扰动步长，提高系统的响应速度，实现光伏充电系统的功率自匹配，有助于提高光伏电池板的采收率。外界环境是时刻变化的，模糊控制具有很强的鲁棒性，因此该控制器可以满足使用需求。
　　对目前常用的充电控制器进行实验对比分析，主要充电方式有直接充电方式、变电阻充电方式、PWM充电方式、Buck型MPPT充电方式，其中变电阻充电方式主要用于反映当前状态下光伏电池最大输出功率的能力，而PWM充电方式实际上相当于一种恒压充电方式。通过实验对比可知直接充电的采收率最低，PWM充电方式采效率比直充方式稍高一些，MPPT充电方式比前两者高一些。
　　在Matlab/simulink仿真软件环境下，分别对模糊控制器和光伏充电系统的仿真模型进行设计，在fuzzy窗口对模糊控制域以及变量进行设置，对模糊控制规则进行编辑，最终对光伏充电系统进行仿真分析。依据仿真建模的设计图，对光伏充电系统的硬件电路和软件部分进行设计。搭建实验平台，记录实验数据，通过实验绘制了功率随时间变化的曲线，通过对比各种充电控制方式，证明本实验的充电方式效率高，相对于变电阻的充电效率达到92.8％，相对于市面上常见的PWM充电控制方式而言，此控制器的充电效率高出27.14％。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景和研究意义

1．2．1 研究背景

1．2．2 研究意义

1．3 光伏充电技术国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题的研究内容及创新点

1．4．1 研究内容

1．4．2 本文的创新点

1．4．3 论文结构安排

第2章 光伏充电系统的构成及工作原理

2．1 光伏充电系统的构成

2．2 光伏电池

2．2．1 光伏电池工作原理

2．2．2 光伏电池输出功率影响因素

2．2．3 光伏电池模型的建立

2．2．4 光伏电池性能测试

2．2．5 光伏系统的设计选型

2．3 铅酸蓄电池充放电时的工作机理

2．3．1 铅酸蓄电池充放电时能量转换的工作机理

2．3．2 蓄电池的充电方式

2．4 本章小结

第3章 光伏电池MPPT输出对充电效率的影响

3．1 光伏电池MPPT充电原理

3．2 光伏板输出电能的功率最大值跟踪法

3．2．1 恒压跟踪法

3．2．2 扰动观察法

3．2．3 电导增量法

3．2．4 光伏电池的其他MPPT控制算法

3．3 光伏电池MPPT控制算法仿真分析研究

3．3．1 光伏输出MPPT扰动观察法仿真建模与分析

3．3．2 增量电导控制模块仿真建模与分析

3．4 本章小结

第4章 充电控制电路的能量损耗

4．1 光伏直充型充电实验分析

4．2 光伏输出脉宽调制型充电实验

4．2．1 PWM充电控制器工作原理

4．2．2 市面上常用的PWM控制器

4．2．3 PWM型光伏系统充电方式的实验分析

4．3 市面上常用MPPT充电的控制方式分析

4．3．1 Buck型MPPT控制器的工作原理

4．3．2 BUCK型MPPT的充电控制方式实验分析

4．4 本章小结

第5章 模糊MPPT光伏充电控制器设计

5．1 MPPT模糊控制的仿真模型搭建

5．1．1 模糊控制器的设计

5．1．2 仿真模糊控制器的设计

5．2 光伏板的充电电路设计

5．2．1 MPPT电源电路设计

5．2．2 MPPT控制模块的设计

5．2．3 MOSFET驱动电路设计

5．2．4 过压、过流保护电路的设计

5．3 系统软件设计

5．3．1 光伏输出的充电模糊控制设计流程

5．3．2 最大功率充电设计流程

5．4 本章小结

第6章 光伏电池模糊MPPT充电实验研究与分析

6．1 光伏充电实验实物图

6．2 光伏充电实验分析

6．3 光伏电池充电实验波形及充电效率分析

6．3．1 光伏电池充电实验波形测试

6．3．2 光伏充电效率实验分析

6．4 本章小结

总结

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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