蓄电池光伏充放电控制器的设计

本文由wc19880906贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。武汉理工大学硕士学位论文蓄电池光伏充放电控制器的设计姓名：黄原申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘皓春20090501摘要能源危机的加剧使得光伏电能的应用越来越受到人们的重视，成为新能源利用的主流之一。对于一个完备的独立光伏直流应用系统，除了光伏电池、蓄电池、负载之外，光伏充放电控制器是不可或缺的。光伏充放电控制器通过监测蓄电池的状态，对蓄电池的充电电压电流加以规定和控制；并按照需求控制光伏电池和蓄电池对负载电能的输出，是整个光伏系统的核心部分。现有相关资料对光伏充放电控制器的探讨多是以实现某些具体功能为切入点，并没有对光伏充电系统进行建模分析与计算，忽略了光伏充放电控制器性能指标的优化设计问题，可能会造成光伏充放电控制器实际运行状况并不理想。针对这一不足，本文从光伏充放电系统的特点出发，在建立光伏充电系统数学模型的基础上，采用连续时间系统的工程设计方法，对充电回路进行设计，使得光伏充放电系统的性能指标得到改善。在改善光伏充放电系统性能的基础上，再展开各种功能上的开发，力求完成一种性能良好、功能完善的中小功率光伏充放电系统的软硬件设计。本课题中，首先讨论了光伏充放电系统的特点和结构，对电压电流双闭环充电系统进行了数学建模，然后采用工程设计方法对系统进行了设计，得到了电流调节器和电压调节器的传递函数，并对系统进行了ＭＡＴＬＡＢ仿真，结果与二阶最佳系统吻合。另外，针对光伏电池电压波动对充电系统带来的影响，文中进行深入分析，提出了解决办法。本文对光伏充放电系统的硬件结构也进行了深入讨论，完成了主要元器件的选型和参数整定，设计了降压型ＢＵＣＫ功率变换回路、ＭＯＳＦＥＴ驱动电路、ＰＷＭ调制电路、电压电流反馈电路以及电压、电流调节器等主要硬件功能模块。本课题采用ＰＩＣｌ６Ｆ８７７Ａ单片机对系统的工作状态进行综合管理。文中阐述了软件总体设计构架和主要软件功能模块的设计思想。完成了蓄电池充电过充保护、蓄电池过放保护、自动调整充电状态给定、光控负载通断以及设定主要充放电参数等功能的设计。关键词：光伏发电，蓄电池充放电，工程设计法ＡｂｓｔｒａｃｔＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓ，Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｐｏｗｅｒｏｎｅａｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｐｅｏｐｌｅ，ａｎｄｉｔｈａｓｂｅｃｏｍｅｃｅｌｌｓｉＳａｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｅａｍｎｅｗｅｎｅｒｇｙ．ＢｕｔＰＶｗｈｏｌｅｏｆＰＶｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｍｕｓｔｂｅｋｉｎｄｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒａｓｏｕｒｃｅｓ，ＳＯｃｏｎｔａｉｎｅｄａｎｄｃｈａｒｇｉｎｇ．ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｅｘｃｅｐｔｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ，ｓｔｏｒａｇｅｂａＲｅｒｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓ１０ａｄ．ＴｈｅｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅＰＶｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｃａｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅ．ｏｎＩｎｔｈｅｐａｓｔ，ｍｏｓｔｏｆｐａｐｅｒｓａｂｏｕｔＰＶｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｅｒｅｂａｓｅｄａｃｈｉｅｖｉｎｇｓｏｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＶｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｄｂｅｅｎｉｇｎｏｒｅｄ．ＴｈｅａｃｔｕａｌｓｔａｔｅｏｆＰＶｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｍａｙｂｅｎｏｔｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｂａｓｅｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｏｎｓｙｓｔｅｍｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎ，ｄｅｓｉｇｎｓｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｂｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｂｙｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｄｅｓｉｇｎｓｓｏｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｂｏｕｔＰＶｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｔｏｐｉｃ，ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰＶｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｃｉｒｃｕｉｔｔｏｆｉｒｓｔｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｖｏｌｔａｇｅｌｏｏｐｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｒｅｇｕｌａｔｏｒａｎｄｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒｈａｖｅｂｅｅｎｆｉｇｕｒｅｏｕｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｈａｓｂｅｅｎｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈａｔｉｓｉｎｋｅｅｐｉｎｇｗｉｔｈｏｐｔｉｍａｌｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｅａｕｒｂａｔｉｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎｓｏｍｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．ＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＶｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓａｌｓｏｂｅｅｎｄｅｅｐｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｓｅｐ．ｄｏｗｎＤＣ／ＤＣ．ＢＵＣＫｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅＭＯＳＦＥＴｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ，ＰＷＭｍｏｄｕｌａｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｆｅｅｄｂａｃｋｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｄｏｐｔｓＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａｔｏｏｎｍａｎａｇｅｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｐｅｒａｌｓｏｅｌａｂｏｒａｔｅｓｔｈｅｗｈｏｌｅｄｅｓｉｇｎｆｒａｍｅａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎＩＩｔｈｉｎｋｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｓｏｆｔｗａｒｅ’Ｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｂａｔｔｅｒｙｏｖｅｒｃｈａｒｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｂａｕｅｒｙｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ａｕｔｏｍａｔｉｃａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆａｇｉｖｅｎｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ，ｐｈｏｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｏａｄｏｎ／ｏｆｆａｎｄｓｅｔｔｉｎｇｏｆｍａｉｎｃｈａｒｇｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＶｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＢａｔｔｅｒｙＣｈａｒｇｉｎｇ／Ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ，ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄＩＩＩ独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究雌名）．垄盈日期垦！丛ｚ７关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研籼鞠：煎冱∑翮ｃ蚴：袒日期尘业?衫武汉瑾Ｔ大学硕士学位论文第１章１．１课题研究的背景及意义绪论顺着能源危机问题的日益凸显，美圈、日本以及西欧的许多发达国家政府都纷纷如台了很多有利于太阳能产业发展的针对性政策和法规，并且投入大量的人力、物力和财力以支持光伏能源的利用开发和研究。光伏能源取之不尽、用之不竭，作为一种可再生利用的新能源，得到了广泛的应用。光伏发电与常规发电如煤炭，石油，核能相比有如下的优点【１，２】：（１）普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要寻找，运输。稼）无害性。没有凌渣，废料，疲气，疲水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害。（３）长久性。只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。（４）巨大性。一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种麓量的总和大几万倍。幽于光伏能源存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号等的野外电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义１３ｊ。１．２光伏产业与光伏技术国内外现状太阳能光伏发电产业自２０世纪８０年代以来持续高速发展，每年以３０％．４０％的速度递增。光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国，普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发电具有许多优点，但是其发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法与常规能源进行竞争。２０世纪９０年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离逶讯、光伏水泵等产业领域。为了鼓励光伏能源的开发和利用，各晷政府分武汉理Ｔ大学硕士学位论文别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美民德等薅方发达国家为主。美国计划到２０１０年要求发电成本降到７．７美分／千瓦时；日本计划到２０１０年一半以上的薪居屋顶将安装光伏太阳能光伏系统；德国政府颁布的“可再生能源法抒予２０００年４月ｌ圜正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、丽班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范匿来讲，光伏发电已经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域。大功率应用如光茯集中发电并霹、屋顶光锬毫洼建筑等发展迅速：中小功率应嗣如光伏路灯，景观灯，广告等已逐渐成为市场主力。我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。在２０００年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。２００８年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现。但与发达网家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较藿羚比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验１４，５】。光伏技术方面，随着硅工艺技术的提升，光伏电池本身的的成本和发电效率不断的提升。目前光伏电池的发电成本可以达到２４元／ｗＰ，转换效率可达２０％。大规模中长期应用较传统的发电方式优势越发明显。并且近几年来，伴随低功耗、高光遥量ＬＥＤ技术嗣趋成熟，各有关部门都纷纷出台了以ＬＥＤ灯取代传统的高功耗，低光通量照明设备的政策。对照明功耗要求的降低，使得装配容量较小蓄电池的光伏系统就霹以满足ＬＥＤ作为照明负载对能耗的需求，无形中为中小功率光伏系统的应用提供了一个广阔的平台。深圳市不久前就正式发奄（（ＬＥＤ产业发展规划（２００９－－２０１５年）》，争取至Ｉ２０１０年，深圳市ＬＥＤ相关产业年产值达到２８０亿元以上；到２０１５年，深圳市ＬＥＤ相关产业年产值达