太阳能交通灯的MPPT控制器设计

发布时间：2017-09-19 19:35

  本文关键词：太阳能交通灯的MPPT控制器设计

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【摘要】：交通领域的交通灯等设备,因其室外工作环境的特殊性,采用光伏供电具有节能环保、节约成本等优势。尤其是针对输供电困难的偏远地区,交通设备采用光伏供电优势显著。光伏供电系统中,光伏最大功率点追踪(MPPT)控制器是其关键技术之一,对提高整个光伏发电系统的效率意义重大。本文针对交通灯设备的光伏供电系统特点,设计了一种基于ARM平台的MPPT跟踪控制器。本文分析了光伏电池发电原理,建立matlab仿真模型,研究其对外输出特性。通过模型仿真,获取了电压-电流与电压-功率输出特性曲线,对光伏电池最大功率点追踪控制的特点进行分析与研究。比较分析了各种传统常用的MPPT控制算法的优缺点、适用场合等特点。对常规扰动法步长变化特点进行研究,提出了基于多状态变步长的扰动法,该方法将步长变化划分为五种状态,按照一定规律变更步长,在matlab中建立仿真模型,检验了控制算法的有效性。针对负载变换拓扑结构的异同与性能,对常用的Buck与Boost拓扑进行对比,分析各自特性与适用特点,最终选取Boost拓扑作为负载变换的基础拓扑结构;制作了MPPT控制器。针对交通灯的特殊应用需求,一方面设计了以Boost拓扑电路为基础的主电路,并进行了防雷设计、过电流保护设计等;还设计了驱动隔离模块、监控模块、电压与电流参数采样等模块;特别是设计了自恢复过流保护电路与辅助电源监控电路,减少一般故障下的维护负担与人为干预。编写软件代码并调试,主要包括系统初始化、PWM生成模块、AD转换模块,同时设计了看门狗软件保护程序,采集系统关键测试点参数进行分析。最后,进行验证实验,将光照从某一量级阶跃变换为另一量级,同时设置对比实验,采集一般扰动法与优化后的扰动法的控制结果,观察此时系统的电压输出、电流输出等参数,对实验采集数据进行归纳整理分析。结果表明:基于多状态的变步长扰动控制可以快速识别追踪功率最大点异常变动,响应外界条件变化速度快,控制精度高,抵御外界干扰能力强,证明本控制方案设计的正确性和有效性。
【关键词】：光伏电池 最大功率点追踪控制 数学建模 验证实验
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U491.51
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 研究的背景与意义9-10
• 1.2 国内外光伏发电控制器研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 论文的研究重点和结构安排12-14
• 1.3.1 研究重点和创新点12-13
• 1.3.2 结构安排13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 第二章 最大功率点的跟踪控制策略15-36
• 2.1 等效电路模型与输出特性15-21
• 2.1.1 光伏电池原理15
• 2.1.2 光伏电池等效电路模型15-17
• 2.1.3 光伏电池的matlab模型建立17-21
• 2.2 常用MPPT控制算法的分析21-24
• 2.3 负载变换拓扑分析比较和选择24-26
• 2.4 多状态扰动MPPT控制算法26-35
• 2.3.1 多状态变步长扰动法的理论基础26-27
• 2.3.2 多状态变步长扰动法的控制原理27-28
• 2.3.3 Boost功率拓扑传输特性分析与建模28-30
• 2.3.4 多状态变步长扰动控制算法建模30-32
• 2.3.5 仿真实验结果分析32-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 MPPT控制器电路设计36-49
• 3.1 太阳能交通灯的MPPT控制器整体方案36-37
• 3.2 主电路设计37-39
• 3.3 控制与驱动隔离电路39-41
• 3.4 监控保护模块41-45
• 3.4.1 自恢复保护模块41-44
• 3.4.2 系统辅助电源监控电路44-45
• 3.4.3 主电路欠压保护45
• 3.5 数据采集电路模块45-48
• 3.5.1 电压参数采集模块45-47
• 3.5.2 电流参数采集模块47-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 程序软件设计与调试49-58
• 4.1 开发平台的搭建说明49
• 4.2 程序控制策略流程49-54
• 4.2.1 MCU系统初始化51
• 4.2.2 AD转换51-52
• 4.2.3 PWM控制脉冲生成52-53
• 4.2.4 软件看门狗设计53-54
• 4.3 控制器调试54-57
• 4.3.1 通电前检查和通电测试55
• 4.3.2 系统关键参数测试结果分析55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 系统测试和结果分析58-61
• 5.1 系统联合测试58
• 5.2 实验结果数据分析58-61
• 第六章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 展望62-63
• 致谢63-64
• 文献附录64-67
• 攻读学位期间取得的研究成果67

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