基于简化模型和智能算法的太阳能电池模拟器设计与研究

摘要

随着世界能源的枯竭以及环境污染问题的日益突出，长期以来，人们一直致力于新能源的探索和开发，太阳能等清洁能源逐渐成为社会关注的焦点，太阳能发电量所占比重越来越高。如果运用真实的太阳能电池进行光伏发电系统开发，开发过程容易受自然气候影响，导致开发进展缓慢。利用太阳能电池模拟器代替真实的太阳能电池进行光伏系统研究与开发，不仅能够降低光伏系统的开发成本，而且可以缩短研究周期，提高研究效率。针对太阳能电池模拟器，本论文进行了如下研究：
　　(1)研究了太阳能电池的结构与工作原理;分析了太阳能电池的等效电路和输出特性;根据等效电路推导出太阳能电池的精确数学模型;对直线简化和曲线简化两种简化方法进行了分析研究;通过太阳能电池数学模型建立MATLAB仿真模型，并对太阳能电池在不同条件下的输出特性进行仿真分析，为系统的开发提供了理论参考。
　　(2)总结了主电路拓扑结构的选取原则;通过对BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路的工作原理进行分析，选择输出电压范围宽的BUCK-BOOST电路设计方案;根据本模拟器的性能特点和主要技术指标，结合电路的临界条件，计算出电路参数。运用PSIM仿真软件对所设计的主电路进行仿真，验证了主电路设计的合理性。
　　(3)对太阳能电池模拟器中几种常用的控制算法的原理及特性进行分析。针对传统算法的不足，本文提出了一种基于四直线简化模型的模糊PID控制算法，该算法利用模拟器输出的负载电流与参考电流的差值控制主电路通断，使模拟器的输出符合太阳能电池I-U输出特性。本文选用TMS320F2812作为主控制器，分析了该型DSP的性能特点，根据控制器及其外围电路设计，给出了模拟器软件设计方法和程序流程图。
　　(4)为了验证本模拟器设计的合理性，本文对模拟器进行了大量的仿真和实验研究。通过在MATLAB建立仿真电路，对模拟器的静态性能以及启动、负载突变、光照突变时的动态性能进行分析研究;通过搭建的模拟器样机平台，对模拟器的上述性能进行实验，绘制出太阳能电池I-U特性曲线，并对误差进行分析和计算。将本算法与传统PID算法进行对比实验，实验结果与理论分析相符合，验证了基于四直线简化模型和模糊PID算法的模拟器具有跟踪速度快、稳定性能好的优点，能够替代太阳能电池完成光伏系统的开发。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 国内外能源利用概况

1．2 国内外太阳能的利用现状

1．3 太阳能电池模拟器研究背景和现状

1．3．1 太阳能电池模拟器研究背景

1．3．2 太阳能电池模拟器的国内外现状

1．4 太阳能电池模拟器

1．4．1 模拟式太阳能电池模拟器

1．4．2 数字式太阳能电池模拟器

1．5 论文研究的内容及创新点

1．5．1 论文的内容安排

1．5．2 本文的创新点

第2章 太阳能电池建模和仿真

2．1 太阳能电池工作原理

2．2 太阳能电池等效电路和输出特性

2．3 太阳能电池数学模型

2．3．1 太阳能电池数学模型推导

2．3．2 太阳能电池数学模型简化方法

2．3．3 太阳能电池数学模型简化

2．4 太阳能电池仿真

2．4．1 太阳能电池仿真模型建立

2．4．2 太阳能电池在标准条件下输出特性

2．4．3 温度和光照强度对太阳能电池输出特性影响

2．5 本章小结

第3章 太阳能电池模拟器主电路设计与仿真

3．1 DC-DC主电路拓扑结构选择

3．1．1 降压式DC-DC变换电路(BUCK)分析

3．1．2 升压式DC-DC变换电路(BOOST)分析

3．1．3 升降压式DC-DC变换电路(BUCK-BOOST)分析

3．2 BUCK-BOOST电路设计

3．2．1 BUCK-BOOST电路临界条件

3．2．2 BUCK-BOOST电路参数计算及元件选型

3．2．3 缓冲电路设计及元件选型

3．3 电路仿真

3．3．1 PSIM仿真软件介绍

3．3．2 BUCK-BOOST仿真原理图

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 电路设计及调试

3．5 本章小结

第4章 太阳能电池阵列模拟器算法设计’

4．1 太阳能电池模拟器系统原理分析

4．2 常用控制算法的对比研究

4．2．1 查表法

4．2．2 逐点逼近法

4．2．3 PID算法

4．3 太阳能电池模拟器模糊PID控制器设计

4．3．1 太阳能电池模拟器模糊PID控制器原理

4．3．2 模糊控制器输入输出变量模糊化接口设计

4．3．3 模糊控制器模糊推理算法设计

4．3．4 PID控制器设计

4．3．5 解模糊接口设计

4．4 软件系统设计

4．4．1 TMS320F2812控制器简介

4．4．2 主程序设计

4．4．3 采样中断程序设计

4．4．4 保护中断程序设计

4．4．5 采样校正程序设计

4．5 本章小结

第5章 仿真和实验研究

5．1 仿真与实验参数设计

5．2 MATLAB仿真设计

5．2．1 系统仿真结构设计

5．2．2 模糊PID控制器设计

5．2．3 PWM波产生电路设计

5．3 模拟器静态性能仿真和实验

5．3．1 模拟器静态仿真和实验

5．3．2 模拟器静态性能误差分析

5．4 模拟器动态性能仿真和实验

5．4．1 模拟器启动时的仿真和实验

5．4．2 模拟器负载突变时的仿真和实验

5．4．3 模拟器光照变化时的仿真和实验

5．4．4 算法对比实验

5．4．5 实验结果分析

5．5 本章小结

工作总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

附录