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功率实时匹配光伏充电系统的研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究的背景和意义

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究意义

1.3 光伏发电系统的国内外发展现状

1.3.1 国外光伏发电系统发展

1.3.2 国内光伏发电发展

1.3.3 国内外独立光伏发电系统现状

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 论文结构安捧

第2章 光伏电池理论模型的特性研究

2.1 光伏电池特性研究

2.1.1 光伏电池工作的基本原理

2.1.2 光伏电池的二极管模型

2.1.3 光伏电池的输出特性研究

2.1.4 光伏电池输出特性的影响因素

2.2 光伏电池的工程模型

2.2.1 光伏电池输出的工程计算

2.2.2 任意工况光伏电池输出特性的工程计算

2.3 光伏电池功率模型的建立及分析

2.3.1 光伏电池功率模型的建立

2.3.2 光伏电池功率模型仿真的分析

2.4 本章小结

第3章 蓄电池理论模型的研究

3.1 蓄电池电路模型的研究

3.1.1 蓄电池主要性能参数

3.1.2 蓄电池的充放电机理

3.2 蓄电池的电化学模型

3.2.1 蓄电池电化学原理建模

3.3 蓄电池的等效电路模型

3.3.1 蓄电池基础等效电路模型

3.3.2 蓄电池的Thevenin等效电路模型

3.3.3 蓄电池的PNGV等效电路模型

3.3.4 蓄电池的动态模型

3.4 蓄电池高频瞬态模型

3.4.1 蓄电池高频瞬态模型模型推导

3.4.2 铅酸蓄电池仿真

3.5 本章小结

第4章 光伏充电系统的设计

4.1 光伏充电系统功率匹配模型的研究

4.1.1 光伏电池直接充电模型

4.1.2 MPPT光伏电池充电模型

4.1.3 功率匹配光伏充电模型的建立

4.1.4 功率匹配输出仿真

4.2 光伏充电系统的硬件电路设计

4.2.1 MPPT输入功率匹配硬件电路设计

4.2.2 MPPT电源电路模块

4.2.3 单片机最小系统模块

4.2.4 采样与输出控制电路模块

4.2.5 功率实时匹配电路模块

4.2.6 显示电路模块

4.3 控制系统软件设计

4.3.1 主控制模块的软件设计

4.3.2 MPPT光伏电池最大功率匹配算法

4.4 本章小结

第5章 实验研究及分析

5.1 光伏电池阵列输出特性实验

5.1.1 光伏电池阵列输出特性实验

5.1.2 光伏电池阵列最大功率实验测试

5.1.3 光伏电池阵列直接充电实验

5.2 光伏电池阵列MPPT输出功率实验研究

5.2.1 光伏电池阵列MPPT输出特性

5.2.2 MPPT光伏充电系统充电实验

5.3 功率实时匹配光伏充电系统的实验研究

5.3.1 功率实时匹配光伏充电系统的充电波形测试

5.3.2 功率实时匹配光伏充电系统的充电效率分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

声明

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摘要

太阳能作为一种新能源,因其资源潜力大、可持续利用等优点被各国竞相开发利用,但由于太阳能存在空间分布不均、间歇性大,因此其利用效率一直较低。独立光伏发电系统的电能存储过程中,光伏电池的发电功率与蓄电池的吸收功率不能完全实时匹配,损失大量能量。因此,设计一种能实时采集光伏电池阵列输出功率的最大值,且能让蓄电池以最大限度存储电能的系统,对提高光伏发电系统的利用效率有深远的意义。
  针对光伏发电系统中充电功率不匹配的问题,深入研究了光伏电池的负载模型、工作原理、输出特性与影响因素和蓄电池充放电基本原理与电路模型,提出了一种功率实时匹配光伏充电方法。该方法采用MPPT控制电路模块追踪光伏电池阵列功率的最大值和利用设计的功率实时匹配调控电路使蓄电池以最佳吸收功率存储电能,能有效的提高光伏发电系统的充电效率,降低光伏发电利用成本,对光伏发电领域的研究提供一种具有借鉴意义的方法。
  首先,论述了功率实时匹配光伏充电系统的可行性,运用MPPT追踪光伏电池阵列发出功率的最大值,采用直流功率变压调节具体实现功率实时匹配充电的方案。然后,以STM8S003F3P6单片机为控制系统核心,完成光伏电池阵列发出功率最大值追踪系统的设计。最后,利用直流功率变压调节原理建立功率实时匹配充电电路模型,完成功率实时匹配光伏充电系统的制作,并对整个系统进行实验调试与功率实时匹配充电测试实验。
  实验结果及结论:(1)功率实时匹配光伏充电系统不仅能在太阳光比较充足环境下实现充电效率的提高,而且在太阳光照比较弱的情况下,也能实现较高的能量收集。(2)蓄电池高频充电时表现出来的感性对光伏充电系统的设计有一定的影响,考虑蓄电池的高频感性,能优化光伏充电系统的性能。(3)纯电阻元件作为光伏电池的负载和有容抗或者感抗元件作为光伏电池的负载在相同条件下比较,偏容抗性或者偏感抗性的负载对光伏电池的发出功率的吸收采集效率较高。(4)在一定的充电电压范围内(44V-52V),功率实时匹配光伏充电效率比同一系统的MPPT光伏充电系统效率能提高10%左右。

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