《独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、南京航空航天大学 硕士学位论文 独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现 姓名：陈春柳 申请学位级别：硕士 专业：电子科学与技术、电路与系统 指导教师：王成华 2010-12 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 独立型太阳能发电系统具有重要经济意义和广泛的应用场合，其主要应用于通信中继站、 气象台和边防哨所等特殊处所和远离电网、零星分布的农村社区以及太阳能路灯、太阳能汽车 等众多太阳能光伏产品。本课题针对独立型太阳能发电系统中实现蓄电池能量管理的双向直直 变换模块进行研究。 首先，本文对双向直直变换模块进行整体方案设计。选用双向 Boost/Buck 电路作为模块主 电路的拓扑；
2、确定数模混合控制策略为模块的主控制策略，控制电路由基于 MSP430F2274 单 片机的数字电路和模拟电路等构成；经过理论分析，验证了所设计的整体方案的可行性。 其次，对双向直直变换模块进行了具体的硬件设计。模块的硬件电路包括主电路、控制电 路、采样电路、调理电路、驱动电路和保护电路。通过理论分析、主功率器件选型和参数计算 设计了安全、可靠、高效的双向直直变换模块硬件电路。 再次，进行了基于闭环控制策略的控制方案设计。课题根据模块性能指标要求和已有的硬 件电路平台设计了一套功能完备、性能周全的数模混合控制方案。并通过 saber 软件对充电模 式和放电模式进行了仿真，验证控制方案的正确性和可
3、行性。 最后，对双向直直变换模块进行测试。测试结果表明，课题设计、实现的双向直直变换模 块在充电模式下最大充电电流为 20A、在放电模式下最大功率为 5kW。升压模式和降压模式下 均能满足性能指标要求，模块具有良好的稳态性能和动态性能。 关键词：关键词：太阳能发电，蓄电池，双向直直变换器，能量管理，闭环控制策略 独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现 ii ABSTRACT Stand-alone photovoltaic system has great economically importance and widespread applications. It is mainl
4、y used in communications relay stations, weather stations, frontier sentry, the scattered rural communities away from the power grid and other special locations. It is also used in many photovoltaic products, such as solar street lamps, solar power vehicles and other products. This dissertation is d
5、edicated to the design of the bi-directional DC/DC converter, which implements the power management of battery in the stand-alone photovoltaic system. Firstly, a total solution for the bi-directional DC/DC converter is proposed. The bi-direction Boost/Buck circuit topology is adopted as the topology
6、 of the main circuits. The digital-analog hybrid control strategy is determined as the main control strategy module. The analog circuit and the digital circuit based on a MSP430F2274 microcontroller consists the control circuit. The system solution is verified to be practicable through the theoretic
7、al analysis. Secondly, the detail excogitation of the hardware is carried out. The hardware project includes the devise of main circuits, sample circuits, signal conditioning circuits, driver circuits, and protecting circuits. A reliable, safe and efficient bi-directional DC/DC converter is planed t
8、hrough the theoretical analysis, high power devices selection and parameter calculation. Thirdly, a control strategy based on the closed-loop control strategy is excogitated. Base on the required module performance and hardware platform, a multi-functional digital-analog hybrid control strategy is d
9、esigned. The correctness and feasibility of the control strategy is verified though the simulation of charge mode and discharge mode with saber software. Finally, the testing on bi-directional DC/DC module is conducted. The testing results indicate that the maximum charge current is up to 20A, the m
10、aximum output power of the discharge mode reaches 5kW. The result of both of the boost mode and the buck mode can meet the required module performance. The bi-directional DC/DC module has excellent steady-state characteristics and dynamic performance. Key Words: solar power system, battery, bi-direc
11、tional DC/DC converter, power management, closed-loop control strategy 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1. 1 独立型太阳能发电系统框图4 图 1. 2 蓄电池通过直直变换器接入系统的三种方式5 图 1. 3 基于直流母线的独立型太阳能发电系统扩展架构图6 图 1. 4 最低析气率的蓄电池充电电流曲线7 图 2. 1 双向直直变换模块的系统框图13 图 2. 2 Boost/Buck 型双向直直变换器原理图13 图 2. 3 Buck-Boost 型双向直直变换器原理图14 图 2. 4 Cuk 型双向直直
12、变换器原理图14 图 2. 5 Spice/Zeta 型双向直直变换器原理图15 图 3. 1 两路交错 Boost 变换器原理图及电流波形示意图.20 图 3. 2 两组两路交错并联 Boost/Buck 电路原理图.20 图 3. 3 Boost/Buck 双向变换器在 Boost 模式各阶段等效电路图.23 图 3. 4 Boost 电路 DCM 模式下 D0.5 时电流波形25 图 3. 7 Boost 电路 CCM 模式 D0.5 时电流波形 26 图 3. 10 Boost/Buck 双向变换器在 Buck 模式各阶段等效电路图28 图 3. 11 双向直直变换模块的数字控制部分框
13、图32 图 3. 12 复位电路图33 图 3. 13 A/D 采样前端电路34 图 3. 14 控制信号调理电路34 图 3. 15 D/A 电路35 图 3. 16 模拟 PI 闭环电路36 图 3. 17 相位交错的三角波产生电路37 图 3. 18 两路相位交错 PWM 信号产生电路37 图 3. 19 HNC-100LA 的电流采样电路38 图 3. 20 电流信号调理电路39 图 3. 21 保护电路原理图40 图 3. 22 驱动信号逻辑电路40 独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现 vi 图 3. 23 非隔离型驱动电路原理图41 图 3. 24 隔离型驱动电路原理
14、图42 图 4. 1 控制方案总体框图43 图 4. 2 模块总体软件流程图45 图 4. 3 恒流充电曲线46 图 4. 4 恒压充电曲线46 图 4. 5 阶段式充电曲线46 图 4. 6 三阶段充电策略阶段图47 图 4. 7 充电子函数软件流程图49 图 4. 8 放电子函数流程图50 图 4. 9 电压电流双独立环电路图51 图 4. 10 恒压限流 PI 值选通电路图51 图 4. 11 电压电流双闭环电路图52 图 4. 12 系统主电路图52 图 4. 13 充电恒压限流 PI 控制环53 图 4. 14 充电仿真波形图53 图 4. 15 放电 PI 控制环54 图 4. 1
15、6 放电仿真波形图54 图 5. 1 双向直直变换模块样机实物图56 图 5. 2 充电实验波形图57 图 5. 3 放电实验波形57 图 5. 4 模块放电时各控制信号波形图57 图 5. 5 模块充电时各控制信号波形图57 图 5. 6 充电功率与效率曲线图58 图 5. 7 放电功率与效率曲线图59 表 1. 1 全球太阳能装机容量和增速3 表 2. 1 模拟控制和数字控制的比较16 表 3. 1 两路交错并联 Boost/Buck 电路 Boost 模式下的电路状态表21 表 3. 2 Boost 电路 DCM 模式下 D0.5时的电路状态表 时间段 0t1 t1t2 t2t3 t3t
16、4 t4t5 t5t6 对应模态 模态VIII 模态VI模态II模态VIII模态VII 模态IV 0 t 0 t 0 t iL1 iL2 t1t3 T2T T2T0.5T1.5T ibat t2t4t6t5t7t8 0 t 0 t 0 t iL1 iL2 t1t3 T2T T2T0.5T1.5T ibat t2t4t6t5t7t8t10t12t11t9 图3. 5 Boost电路DCM模式下D=0.5 时电流波形 图3. 6 Boost电路DCM模式下D0.5 时电流波形 (2) CCM模式 CCM模式下当D0.5时的电路状态表 时间段 0t1 t1t2 t2t3 t3t4 对应模态 模态VIII模态VI模态VIII模态VII 0 t 0 t 0 t iL1 iL2 T2T T2T0.5T1.5T ibat t1t3t2t4t6t5t7t8 0 t 0 t 0 t iL1 iL2 T2T T2T0.5T1.5T ibat t1t2t3t4 0 t 0 t 0 t iL1 iL2 T2T T2T0.5T1.5T ibat t2t4t3t5t7t6t8t1 图3. 7
