仿真模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果智能型高效風(fēng)光互補(bǔ)控制器的研究

1、第五章 仿真模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 仿真模型與仿真結(jié)果5.1.1光伏系統(tǒng)部分1. 光伏陣列模型本文針對matlab/simulink仿真環(huán)境，根據(jù)第二章第2.2.3小節(jié)介紹的光伏陣列工程化數(shù)學(xué)模型，搭建了光伏陣列的仿真模型，如圖5.1所示。該模型考慮了環(huán)境溫度、太陽光照強(qiáng)度、光伏模塊參數(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流等)對陣列i-v 特性的影響，此外，該系統(tǒng)還考慮了系統(tǒng)是否帶有最大功率跟蹤(mppt)功能。圖5.1 光伏陣列仿真模型圖5.2 封裝后的光伏陣列仿真模塊圖5.2為封裝后的光伏陣列仿真模塊，其中輸入接口中的vout為光伏陣列的工作電壓，s為工

2、作時的太陽光照強(qiáng)度，t為工作時的環(huán)境溫度，輸出接口中的i為工作在vout下的輸出電流。通過點(diǎn)擊圖5.2的圖標(biāo)，即可得如圖3.5所示的光伏電池的封裝參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以方便地設(shè)置這些參數(shù)，從而構(gòu)成不同i-v特性的光伏陣列。圖5.3 光伏陣列模塊封裝參數(shù)當(dāng)太陽能光伏陣列的仿真參數(shù)設(shè)置為圖5.3中的模塊封裝參數(shù)時，在vout輸入接口處連續(xù)加不同的輸入電壓，可以得到光伏陣列的i-v、p-v特性仿真曲線分別如圖5.4(a)、5.4(b)所示。 (a) 光伏陣列i-v特性仿真曲線 (b) 光伏陣列p-v特性仿真曲線圖5.4 光伏陣列特性曲線仿真圖2. mppt算法仿真擾動觀察法是目前最常用的mppt算法

3、之一，其優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，容易實(shí)現(xiàn)，本文即采用此方法。依據(jù)第三章第3.2.2小節(jié)闡述的擾動觀察法實(shí)現(xiàn)原理，建立如圖5.5所示的擾動觀察法mppt仿真模型，圖5.6為擾動觀察算法模塊。圖5.5 擾動觀察法mppt仿真模型圖5.6 擾動觀察算法模塊仿真結(jié)果如圖5.7所示，(a) (d)(b) (e)(c) (f)圖5.7 擾動觀察法仿真波形圖5.7(a)、(b)、(c)分別為光伏陣列在溫度(25)和光照強(qiáng)度(600)的情況下輸出電流、電壓、功率仿真波形，(d)、(e)、(f)分別為溫度(25)和光照強(qiáng)度在0.07s由600躍變至1000時的輸出電流、電壓、功率波形。仿真結(jié)果說明：在外界條件突變的情況

4、下，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過擾動觀察法，可以搜索新的最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定運(yùn)行于此點(diǎn)，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。從仿真波形可知，隨著光照強(qiáng)度、溫度條件的變化，光伏陣列最大功率點(diǎn)不斷變化。系統(tǒng)可以穩(wěn)定、實(shí)時地追蹤最大功率點(diǎn)。在追蹤過程中，在光照強(qiáng)度變化情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定、快速的跟蹤最大功率點(diǎn)。5.1.2風(fēng)力發(fā)電部分1. 仿真模型由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模，本文只是對風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電經(jīng)整流變成直流電后給蓄電池充電進(jìn)行仿真。風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后輸出的直流電壓波動范圍比較大，不能直接對蓄電池進(jìn)行充電，整流后的直流電壓應(yīng)經(jīng)dc/dc變換器降壓或升壓達(dá)到蓄電池充電電壓范圍才能滿足充電要求。本文以

5、buck電路的仿真作為蓄電池充電的理論依據(jù)，如圖5.8所示。圖5.8中風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓范圍為1825v，經(jīng)buck電路降壓后對12v蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池用一個12v直流電壓源串聯(lián)一個等效電阻代替，輸出濾波電感值為0.2mh，輸出濾波電容值為100uf。2. 仿真結(jié)果當(dāng)對蓄電池進(jìn)行恒壓充電時，buck電路的輸出電壓設(shè)定為14.5v；當(dāng)對蓄電池進(jìn)行浮充充電時，buck電路的輸出電壓設(shè)定為13.8v。圖5.9(a)、(b)、(c) 為在buck電路設(shè)定充電電壓為14.5v時，分別對應(yīng)輸入電壓為 18v 、22v 和25v的蓄電池電壓仿真波形 ，圖5.9(d)、(e)、(f)為在0.04s時將設(shè)定

6、電壓由14.5v設(shè)定為13.8v，分別對應(yīng)輸入電壓為18v、22v、25v的蓄電池電壓仿真波形。從仿真波形可以看出，設(shè)計的buck電路在輸入范圍為18v25v可以使輸出電壓很好的穩(wěn)定在設(shè)定電壓，滿足蓄電池的充電要求。圖5.8 buck電路充電仿真模型(a) (d)(b) (e )(c) (f)圖5.9 buck電路對蓄電池充電仿真波形5.2 系統(tǒng)充電實(shí)驗(yàn)與結(jié)果5.2.1 充電實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)充電主電路為buck電路，控制電路實(shí)物圖如圖5.10所示，和為mosfet管驅(qū)動電路，和為電壓檢測電路，為繼電器電路，為單片機(jī)及其外圍電路，為電流檢測電路；風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺如圖5.11所示，為三相調(diào)壓器，為

7、鉛酸蓄電池，為三相整流橋和卸荷負(fù)載，為風(fēng)光互補(bǔ)控制器、穩(wěn)壓電源和示波器等。圖5.10 風(fēng)光互補(bǔ)控制電路實(shí)物圖圖5.11 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺5.2.2 充電實(shí)驗(yàn)波形與數(shù)據(jù)圖5.12(a)為buck主電路開關(guān)管實(shí)測驅(qū)動波形，由圖可以看出驅(qū)動信號上升沿和下降沿很陡，mosfet可以迅速開通和關(guān)斷，實(shí)驗(yàn)過程中驅(qū)動芯片tlp250在長時間工作時發(fā)熱效果也不明顯，這說明tlp250完全滿足放大驅(qū)動信號的要求。圖5.12(b)為buck電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)時續(xù)流二極管兩端電壓波形，圖中高電平時續(xù)流二極管截止，mosfet管導(dǎo)通，低電平時續(xù)流二極管導(dǎo)通，mosfet管關(guān)斷。 (a) 開關(guān)管mosfet的驅(qū)動波形

8、(b) 電流連續(xù)續(xù)流二極管端電壓波形圖5.12 開關(guān)管驅(qū)動波形與續(xù)流二極管端電壓波形圖5.13(a)為蓄電池充電時檢測到的電壓波形，圖中的2.88v實(shí)際上是蓄電池電壓經(jīng)分壓后的電壓，蓄電池實(shí)際電壓；圖5.13(b)為蓄電池充電時檢測到的電流波形，圖中3.03v為與蓄電池串聯(lián)的0.05精密電阻的兩端電壓放大10倍得到的，3.03v實(shí)際上代表蓄電池充電電流。圖5.14是實(shí)測蓄電池電壓檢測電路線性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，圖5.15是實(shí)測電流檢測電路線性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 (a) 蓄電池充電時檢測到的電壓波形 (b) 蓄電池充電時檢測到的電流波形圖5.13 蓄電池充電時檢測波形在做蓄電池充電實(shí)驗(yàn)時，本文使用的蓄電池為賽達(dá)電

9、池fm12-65，其額定電壓為12v，額定容量為65ah。由于所選蓄電池的容量較大，完成一次完整的蓄電池充電過程需要時間較長，不容易采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此本文在對風(fēng)力發(fā)電部分進(jìn)行三段式充電實(shí)驗(yàn)測試時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用三相調(diào)壓器代替。將380v三相交流電經(jīng)過降壓整流后給蓄電池充電，實(shí)驗(yàn)中對過充電壓和浮充電壓的設(shè)定為25，恒壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓設(shè)定為14.5v，限流電流設(shè)定為6a，進(jìn)入浮充階段的轉(zhuǎn)折電流為設(shè)定1.6a，蓄電池充電初始電壓為10.8v，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5.16所示。圖5.14 電壓檢測電路線性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)圖5.15 電流檢測電路線性轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)圖5.16 實(shí)測蓄電池充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第六章 總結(jié)與展望6.1 總結(jié)本

10、文主要從智能型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及蓄電池充電的工作原理以及運(yùn)行特性，設(shè)計了一個以pic16f877a單片機(jī)為核心的智能型風(fēng)光互補(bǔ)控制器。本文完成的主要工作如下：1. 對智能型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略進(jìn)行了研究，通過比較分析，采用擾動觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略。利用matlab仿真軟件，搭建了光伏陣列的仿真模型，分析研究了光伏陣列的輸出特性，并對光伏陣列的擾動觀察mppt控制算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)可以穩(wěn)定、實(shí)時地追蹤最大功率點(diǎn)。在追蹤過程中，在光照強(qiáng)度變化情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定、快速的跟蹤最大功率點(diǎn)。2. 對風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電

11、經(jīng)整流變成直流電后給蓄電池充電部分進(jìn)行仿真，建立了以buck電路為主電路對蓄電池充電的仿真模型，仿真結(jié)果表明：設(shè)計的buck電路在輸入電壓變化范圍內(nèi)可以使輸出電壓很好的穩(wěn)定在設(shè)定電壓，滿足蓄電池的充電要求。3. 設(shè)計了以pic16f877a單片機(jī)為核心的智能型風(fēng)光互補(bǔ)控制器，對dc/dc變換電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、功率管驅(qū)動電路等硬件模塊進(jìn)行設(shè)計，在軟件開發(fā)方面，以mplab-ide開發(fā)環(huán)境為平臺，利用模塊化設(shè)計的方法，編寫系統(tǒng)的主程序和子程序。對控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的三段式充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器能夠滿足蓄電池的充電要求，能夠延長蓄電池的使用壽命。6.2 展望雖然本

12、文對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方面進(jìn)行了理論研究，對最大功率點(diǎn)跟蹤方式也進(jìn)行了仿真，但是由于時間關(guān)系和作者水平有限，該部分還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)一套完整的帶有mppt跟蹤功能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)還有大量工作要做，論文還有很多方面需要進(jìn)一步改善，概括如下：1. 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池組件輸出功率的不穩(wěn)定性，需要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率、光伏電池組件功率、蓄電池和負(fù)載功率的匹配問題。2. 由于缺乏風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電整體設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案需要進(jìn)一步完善。3. 對蓄電池的溫度補(bǔ)償部分考慮較少，在實(shí)際應(yīng)用中，蓄電池的溫度補(bǔ)償非常重要，能夠影響蓄電池的使用壽命，需要設(shè)計合理

13、的溫度補(bǔ)償電路。致謝光陰荏苒，我的研究生生涯就要結(jié)束了，而入學(xué)仿佛還是昨天的事，初來乍到的場景還歷歷在目?；厥走@三年的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，喜憂參半，我深深地感受到自己是在許多老師、同學(xué)和親朋好友的關(guān)懷和幫助下才能一步一步地走到今天，在此謹(jǐn)向他們表示我最衷心的感謝！首先，最深的謝意獻(xiàn)給我的導(dǎo)師鄭詩程副教授。在三年研究生學(xué)習(xí)期間，鄭老師在科研、學(xué)業(yè)和生活各個方面都給予了我極大的支持和幫助，使我在學(xué)術(shù)水平和做人處事方面都有了很大提高，并將終生受益。鄭老師淵博的知識、開闊的思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的作風(fēng)將影響和激勵我的一生，他對我的關(guān)心和教誨我將終生難忘！感謝合肥為民電源有限公司總經(jīng)理張為民先生，在課題的研究方向、專業(yè)技術(shù)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)中給予我很大支持和幫助。在此，對張總表示衷心的感謝，也對合肥為民電源有限公司全體員工表示衷心的感謝！感謝劉偉、朱虹