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基于單片機(jī)的控制的太陽能逆變電源研究-文庫吧

2025-06-09 16:01 本頁面


【正文】 并闞光伏發(fā)電系統(tǒng)和 孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)。勢鼴光伏發(fā)電系統(tǒng)是奄嘏力系統(tǒng)連接在一起熬光鉸發(fā)電系繞, 像其能類激發(fā)電站一樣,可為電力系統(tǒng)掇供有功稍無功電熊。并嘲怒光伏發(fā)電發(fā) 髏戇簸會濺方彝。援嶷必捩發(fā)瑰系統(tǒng)是攀與零娥毫力系統(tǒng)穗遴藤孤立運(yùn)器夔發(fā)魄 系統(tǒng),熏驟應(yīng)用于偏遠(yuǎn)無電地區(qū),其建設(shè)的主鬟鞠的就是解決無電閥題。其供墩 W舷性受氣象環(huán)境、負(fù)荷等因素影響很犬,供電穩(wěn)定性也相對較差,很多時候需 要麓裝輟爨{密存囊戇鬃案毽臻麓。 {,3度黻縫遂變怠源的現(xiàn)狀與發(fā)震∽蠟 太陽熊逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重簧部件,隨著電力電乎技術(shù)和控制 理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)歷了從低頻逆變到簡頻逆變的發(fā)展,其性能得到不斷 瓷離_鞴究驁。 逆炎魄添按變換方式可勢必工頻變抉霸離頻變換。工頻變換逆燮電源是利饜 給燕器徉輔集殘塊產(chǎn)徽50戮交流售號,然愛剩穗忑頻舞壓囂產(chǎn)生220V交流電。 這種逆變器結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,但這種逆變器體積大、笨黛、噪昝犬、價格高、 效率方甏墩毒終進(jìn)一步挺裹。癱頹交換邋變電浮楚逶過高頻DC-DC交換接本,鬼 將低壓崴流變?yōu)楦哳l低壓童流,經(jīng)過高頻變壓器辯壓后再整流骺離聯(lián)愨流,若對 冀遴露愛滾交換,鄂弼簿黧220V、50Hz愛弦渡交滾電。當(dāng)然,這耱i燕交器控鍘秘 節(jié)較多,電路復(fù)雜,佩因采用商頻變換,因而體積小、重量輕,噪音小、效率高。 由于采嗣閉環(huán)控制穩(wěn)愿技術(shù),矮輸出電壓非常穩(wěn)宓,受載能力強(qiáng),性熊價格比高, 怒強(qiáng)翁幫褥釜麓源發(fā)電系統(tǒng)中蘺選產(chǎn)品。 逶燮漱源鮑主電路均需婺蠢控制電路來實瑗,一般有方波移逶弦渡兩爭}控制 方式。剪波旃出的逆變電源墩鼯筒孳,成本低,德效率低,諧波成份犬,噪音高。 2 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 囊弦波徐出是囂藩逆交電源熬瘋羯趨勢,憨麓騫PWM功麓豹微處理囂蠲整,歪弦 波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。在中、大容量的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中,逆變 電源的輸出應(yīng)為失真度較小的難弦波。這是由于在中、犬容量系統(tǒng)中,若采用方 滾擻電,舞|l轅逡將含有較多豹諧波分量,褒次諧波將產(chǎn)煞瓣熱損耗,溺孛、夫容 量的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時,為避免對公共電網(wǎng)的電力污染,也要求逆 變電源輸出正弦波電流。由予開關(guān)變換器的強(qiáng)非線性,以及它具有離散和變結(jié)構(gòu) 瓣符煮,受載毪矮戇多襻毪,生電路的蔑艇妊須瀵是受載大范強(qiáng)交純,贗毒這些 使殲關(guān)變換器的控制問題和控制器的設(shè)計較為復(fù)雜。一魑新的控制方法,如自適 應(yīng)、模糊控制、復(fù)合控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及各種調(diào)制策略得到廣泛地應(yīng)用,專 溺繁成控制芯冀豹瓣毽,使遂燮電源動態(tài)程縋有禳大提離,龜籍氌大襁度籬倦。 隨著軟開關(guān)功率變換技術(shù)的發(fā)展,諧振變換也被應(yīng)用在逆變電源系統(tǒng)中,即 構(gòu)成諧振型高效逆變電源。采用零電壓或零嗽流開關(guān)技術(shù),開關(guān)損耗然本上可以 清除,瑟便當(dāng)殲莢頻率超過1MHz酸上轟,電源靜效率纛不會瞪顯降低。 太陽能逆變電源的研究方向正朝著數(shù)字化控制、模塊化方向發(fā)展。即采用微 處颼器軟{牛智能控制和采用不問豹模塊組念,就可構(gòu)成不同的電壓、波形變換電 源系統(tǒng)。 1.4電力電子技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展“”8】 自零毽紀(jì)聶中年裁寒第一必曩闋管翊繳叛寒,毫力激子接拳殲戇袋上瑗我電 氣傳動技術(shù)舞臺。從誕生到躉今已經(jīng)近50年。電力電予技術(shù)對人類文明起著巨大 的推動作用。電力電子技術(shù)照一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電 予技零、翕蘸羧裁菠本等誨多警零毒夔邊緣交叉學(xué)辯,驄麓秘學(xué)鼓零鶼發(fā)震,電力 電予技術(shù)與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切柜 關(guān)。目前,它已縫發(fā)展成為~門包含更多學(xué)科的綜合性技術(shù)學(xué)科,并在現(xiàn)代通訊。 兔予餃器、謗霧穰、王盈蠡動像、電疆錢恁、毫力工程、國薅及菜驁蔫瑟技零提 供搿質(zhì)量、高效率、高可靠餓的電能方面超著關(guān)鍵的作用。 現(xiàn)代電力電予技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子 第l牽緒論 學(xué)向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電予學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子器件的高頻 化髭今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)方向,藤硬佟結(jié)梅的標(biāo)準(zhǔn)模塊怒器件發(fā)展的必 然憝勢。功率場效應(yīng)鑫缽繁(MOSFET),絕緣爨雙撅縫鑫薅管(1GBT)蠢場控螽 闡管漢成為現(xiàn)代高頻電力電子技術(shù)的主要開關(guān)器件。高性能碳化醚(SIC)功率半 導(dǎo)體器件將是21世紀(jì)最W能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料。智能功率模塊 (IPM)和集成電力電子模塊(1PEM)的產(chǎn)黼化推動了電力電予技術(shù)的更大發(fā)展。 褰頻磁性元{孚茲發(fā)震毽怒褒頹逛力奄子按術(shù)黲一令重要方瑟,蠢警覆磁蕊、平囂 交囂囂技術(shù),集成磁元傳,用微熱工技米掰制≥&赫級高頻交換器豹磁元件等研究 成果。 1.5本課題的任務(wù) 續(xù)會獲上豹努輯,零課遂戇任務(wù)如下: 《1)攝據(jù)太陽能電漶輸出特性和蓄毫池靜特性,設(shè)詩蓄鬯池的充電控制方法。 (2)設(shè)計逆變主電路,井采用兩片ATmegal6LAVR微處理器構(gòu)成雙核控制, 編寫軟件勞采用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路,對直流電壓采用SPWM逆變調(diào)制,產(chǎn)生 220V/50Hz豹正弦交流嘏。采用輸出£c:濾波稠雙翅環(huán)受反饋調(diào)節(jié),確保輸出波形 豹袋麓。 (3)利用MATLAB/Simulink建立逆變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行掇制策略仿真并搭 建樣機(jī)實驗,得出結(jié)論。 “)輔助電源設(shè)計、保護(hù)電路設(shè)計及系統(tǒng)抗于擾技術(shù)。 4 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 第2章太陽能電池板直流充電系統(tǒng) 太陽能逆變電源系統(tǒng)包括太陽能電池板直流充電系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)兩大部分, 其中太陽能電池板直流充電效率的提高有以下兩點(diǎn),一是通過實時調(diào)整太陽能電 池板工作點(diǎn),使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近,從而能最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化 為蓄電池的電能。二是配合蓄電池的特性對充電過程控制,對蓄電池高效地充電。 2.1太陽能電池及其特-眭“?41蚓 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的首要問題是如何將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電 池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成,它是一種能將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn) 換器件。半導(dǎo)體材料通常是硅,太陽能電池除單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能 電池外,還有非晶硅太陽能電池和化合物(Cds,c棚咀等)太陽能電池等很多種 類。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要使用單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。 太陽能電池多數(shù)具有一個大面積的P.N結(jié),當(dāng)光線照射時,就可以在電池內(nèi) 部產(chǎn)生直流電流。實際太陽能電池總是希望輸出電流大、輸出電壓高。理想P-N 結(jié)太陽能電池的輸出特性用以下方程表示: l=l^一Io(eqU棚一1) 式中,I為太陽能電池輸出的負(fù)載電流、U。為太陽能電池的輸出電壓;I。為 光生電流,正比于太陽能電池的面積和入射光的輻照度;I。為太陽能電池內(nèi)部等 效二極管的P.N結(jié)反向飽和電流;k是玻爾茲曼常量,O.8610_4eV,K;q是電子 電荷,1.610。19C;T為絕對溫度;A為P-N結(jié)的曲線常數(shù)。 弱光條件下,因IPh遠(yuǎn)小于I。,使得u。5等’等;而強(qiáng)光線條件下,因Iph 遠(yuǎn)大于I。,又使u。=壘豎ln善。由此可見,在太陽光較弱時,硅型太陽能電池 q 10 的輸出電壓隨光的強(qiáng)度呈近似線性的變化,而當(dāng)太陽光較強(qiáng)時,U。則隨光的強(qiáng)度 呈對數(shù)關(guān)系變化。 第2章太剛能電池板直流充電系統(tǒng) 太陽能電池輸出電流一電壓特性如圖2.1所示,是指在某一確定的日照強(qiáng)度和 溫度下,太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。這個特性也稱為伏安特 性。 圖2.1太陽能電池的伏安特性曲線 F培.2.1 V-I cha陽cte血nc cun,c of∞l缸battcfy 伏安特性曲線表明太陽能電池既非恒壓源,又非恒流源,是一種具有強(qiáng)烈非 線性的直流電源,輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定,最終在一個足夠 高的電壓之后,電流迅速下降為零。圖中虛線表示太陽能電池的P-U曲線,有助 于精確計算最大功率點(diǎn)。在實際的太陽能電池工作中,工作點(diǎn)與負(fù)載條件和輻射 條件有關(guān),所以工作點(diǎn)偏離最佳功率點(diǎn)。 根據(jù)特性曲線可以看出太陽能電池的幾個重要技術(shù)參數(shù): (1)短路電流l。:正負(fù)極間為短路狀態(tài)時流過的電流。、 (2)開路電壓V0:正負(fù)極間為開路狀態(tài)時的電壓。 (3)最大輸出工作電流l。:在給定溫度照度下輸出最大功率時的工作電流。 (4)最大輸出工作電壓、k:在給定溫度照度下輸出最大功率時的工作電壓。 (5)最大功率點(diǎn)功率匕:在給定溫度照度下所能輸出的最大功率即最大輸出工 作電壓‰最大輸出工作電流I。 單體太陽能電池又稱為太陽能電池片(。c11),是太陽能電池的最基本單元。在 6 基于肇琦輥接箭的太陽麓遵變電源研究 搜鼴太潮簸憊泡擻魄糖,太麓麓奄邀冀褰譬羧,j、翰爨壤基只騫零患足鉸、簸爨 蜂馕功率逛熙霄lW表卷。一般譽(yù)裁瀵楚負(fù)載艨漱簸囂要,墩不使節(jié)安裝使用。 鞭此黌將凡脖,幾十片或見酉片單體太陽熊嗽池椴攢負(fù)載需要,經(jīng)過串、并聯(lián)連 接筵束褥成綴合梅,逶遘一怒翁辮裝方弼猿藏發(fā)毫緩鬻。封裝蓊豹綴合體稱之兔 太陽畿電混模塊綴俘(moaule);麗瓣裝薅稱之為太黼綴宅漶綴合教f赫稱太陽麓嘏 漶援’。工鬟上饅臻熬太羯畿壤洼投是太耀戇憋涎使翔熬熬零攀元,葵埝爨電壓~ 救在十豇至熙卡譙莊纛。她外,姆若于個太嗣黥魄漉叛掇擺負(fù)載容熬大小要求, 再串、并聯(lián)組成較大功率的實際供電裝鬻稱之為太陽能陣列。一般來說,常用的 太鬻鼴邀漶綴饞黢模塊雨都標(biāo)準(zhǔn)率聯(lián)酶數(shù)蟹怒拍令域鈞令,每個炎蠲熊毫濾磚 簸密憊篷太縫0.45V,經(jīng){睪禳邇奄逛大約楚16~18後,霹雙魏額定魄篷12V懿蘩 激漶遴蠢鴦效鶼瓷邀。太輟憩魄滾維轉(zhuǎn)瓣轉(zhuǎn)羧效率,攀菇疆太鞭鏈彀濾雋12%~ 15%,霧晶礁太粥熊電池為10%~13%,非繇硅太湖熊魄濁釉化含物半導(dǎo)體太陽 能嗽瀚(Cds,CdTe等)莛6%~9%。 2.2薷電池及麒充電特性。脅刪 儲麓裝鬟楚太陽熊光飫發(fā)電系統(tǒng)的鬟簧綴艘部分,籠英鼴獨(dú)蠢的太戳能光伏 發(fā)毫系絞運(yùn)移跨,德能環(huán)繁凳楚黲不霹少豹絳液部努,一般寒說,是天斃太鞠怒 轉(zhuǎn)傳麓電糍,通過寵魄器翻蒸電漶把魄髓德霧起塞,魄土孬遴過放電囂把德存嶷 鬻惠池燕麴嫩能放蛙:來進(jìn)霸遺送搜用。掰見,豢魄漶是太閹憩光鉸鏈戇的核心器 件。 鬻瞧瀨屬予電傀舉電漶,它觳化學(xué)中的裁化還驃所釋放蹬來酶熊量蠹接轉(zhuǎn)變 凳蠹流瞧裁。蓍瞧涎囊孽經(jīng)鼴臻耩蠢: ∞容鬃襲零囂懣法襲態(tài)滿耄酌繁況下豹鎊纛多少,禳放電毫浚與墩電時愆 鮑黎積來襲承,雄位為安對(Am)。 (2)放嫩率襲零放電至中止的電流大小竣時黼快慢。可以用放嘏電流栗表永, 也爵戳用放嘏時閹柬襲示。鍘如,一個6.5A'h鷯蓄漱漣,充滿之囂戳325mA瀵流 教敷,經(jīng)避20h麓迭穰敖穗巾盎魄垂,救瞧率蓉戳魄浚柬襲承為0。325A攀,羲茨 第2章太磁能電泡教簸漉充電系統(tǒng) 放電時間來表示則為20h放電率。 國功率與比功率鬻電池的功率指蓄魄溉在一定放電奉4發(fā)下,單位時間所能 給爨戇羹豹丈奪,莘霞必顎瓦>或kW(手囂)。攀往覆量蓄鬯淑愛耱繪窶豹功率 稱為比功率,單位為W/kg或kW/kg,lj:功率也是蓄電池重要的餓能指標(biāo)之一。 (4)放電電流就是鬻電池的輸出電流,它除了用安培來表承外,通常也用蓍 電池的容量乘以某個系數(shù)米表示。例如對予6.5A?h的蓄電池,0.1C的放電電流的 實瓣袋為0.16。5----0.65A。 (5)放電孛止宅匿襲承蓄電洼不允許搏放出電熊時的電送,通常為1.75W攀 格。 (6)自放電率蓄電池在不用時其內(nèi)部也會消耗能量,一般以a天來表示。 我國還沒有用于太陽姥光鉸發(fā)電系統(tǒng)黲專用蓄電灌,大多餿耀零援的鉛酸蓄 毫漶。鏹酸蓄毫渣有葜逸贊低廉、緩用麓肇、維穆方便,蘸秘籽率富等往贏。下 面以錨酸蓄電池為例分析其充電特性,它在充電過程中表現(xiàn)出非常復(fù)雜的輸入特 性,以一定的電流充電時,其端電壓表示如下; UlE+Atp.+A單一+kR 蔑巾,u為充毫辯囂壤泡的端電壓(V),矗吼為正援扳遭嘏鍵(V),Aq,為 負(fù)極掇過電位(v),l為充電電流(A)。R為莆電池內(nèi)阻(o)。 一般蓄電池的過電倪和內(nèi)阻很小,蓄電池的容量和壽命是蓄電池的主要參數(shù), 它們受充電方法的影響緞犬。鎊酸蓄電池盼究嘏電流與端電壓隧寵呶時聞變化靜 夔線鱺下翟2。2: 從圖2.2中可以看淺,在充電開始對,電池電壓逐步上升,巍電池電壓達(dá)到設(shè) 定的恒定值時,充電電流逐漸減少而電壓值保持不變。充電策略對于蓄電池非常 重要,一個優(yōu)化的充電鬣略可以提高蓄電池的性能和壽命;反之,~個不合理的 充魄繁賂會{#常顯著豹辮{氛蓄電t逡霹爰騫爨辯鑊躅壽鑫。 8 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 箍 Ⅲ 克 t t 鼉 E^電● ’20 ‘。o k/ /一 eO Ⅲ ㈨ Ⅲ m f 。 f } 擬 雌 競 eO鼉 ■ .|l } | .| ‘\ 凳ii荔;囂;…’’’ 、 柏~ l l i 競電電lE 20 、\. 競毫片癬f h) 。 0 圖2.2蓄電池充電特性曲線 Fig.2.2 charge characteristic CulNe ofstorage cell 隨著電儲能技術(shù)的發(fā)展,越來越多新的儲能方式出現(xiàn),例如鋰電池、燃料電 池、超級電容儲能、超導(dǎo)儲能等。鎳氫蓄電池、燃料電池以其無污染的特點(diǎn)將成 為未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要伙伴。 2.3直流充電器設(shè)計 2.3.1
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