主动能量管理光伏直流微网系统研制(附件)
工业的快速发展使得全球能源需求日益增长，而传统化石能源的大量使用带来一系列的问题如大气污染、环境恶化等。使得风能、水能、太阳能等新能源得到了更多关注，而太阳能又具有分布广、储量大、一次开发便捷等优点，受全世界各国的关注并成为当前新能源开发的研究热点。太阳能发电通常有离网型和并网型两种类型，光照条件的随机性和波动性给并网型太阳能发电系统带来不良影响，光伏直流微网系统解决了这样的困惑。太阳能控制器是实现光伏发电能量介入微电网的通道，也是实现直流微网稳定以及太阳能组件最大功率跟踪的基础。 本文提出三种MPPT控制算法，并以BUCK电路为主电路、dsPIC30F4011单片机为核心的太阳能充电器，采用变步长扰动观测法找到其最大功率点对蓄电池进行合理的充电。通过样机的实验，验证了该控制器能够将太阳能板的能量高效地给蓄电池充电。关键词 直流微网，太阳能，控制器，最大功率点跟踪，降压斩波电路
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外微电网发展概括 2
1.3 太阳能利用及其充电器的发展 3
2 光伏发电系统的模型及原理 4
2.1 光伏直流微网系统框图 4
2.2 光伏发电控制系统的组成 6
2.3 光伏电池的工作特性 7
2.4 光伏组件最大功率点跟踪(MPPT)分析 9
2.5 蓄电池的工作特性 14
3 太阳能充电器硬件电路设计 17
3.1 主电路模块 17
3.2 负载控制模块 18
3.3 单片机最小系统模块 19
3.4 驱动电路模块 20
3.5 信号采样与处理模块 21
3.6 通信模块 23
3.7 系统供电模块 23
4 太阳能充电器软件程序设计 24
4.1 函数初始化 24
4.2 控制器充电控制程序 27
4.3 控制器放电控制程序 28
4.4 变占空比的扰动观测法 29
5 实验结果及分析 32
5.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
测试条件 32
5.2 测试框图 33
5.3 测试数据 33
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
附录A：原理图 39
附录B：部分程序 40
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
世界经济的不断发展离不开能源的支撑，使得能源的需求越来越大，而大部分的能源又是来自传统化石能源。众所周知，它并不是可再生资源。据不完全统计，按照当前的消耗情况来看，石油的储存量可供生产40多年、天然气将在80年内面临枯竭、煤炭可供开采164年。并且，传统化石能源的使用带来了一系列的问题如大气的污染、环境的恶化等。这就使得风能、水能、太阳能等新能源得到了更多关注，而太阳能又具有分布广、储量大、一次开发便捷等优点，受全世界各国的关注并成为当前新能源开发的研究热点。
光伏发电技术就是把太阳发出的光能被光伏组件吸收后直接转换成电能。再配备一些辅助设备，如控制器、蓄电池和逆变器等，就可构成不同的发电系统[1]。近十年来，光伏发电产业每年以40%~50%的速度递增，成为当今世界上发展最迅速的能源产业。然而，直接将光伏发电通过电力电子逆变器并网，这样很容易产生谐波、三相电流不平衡，以及其输出功率的随机性易造成电网电压波动、闪变[7]。因此，国内外学者提出光伏直流微网。直流微电网是将分布式电源、储能设备、负荷等都连接到直流母线上，电力电子逆变装置再把直流网络连接到外部交流电网[3]。光伏发电通常有离网型和并网型两种类型。离网型解决了偏远地区、孤立小岛、环境恶劣等情况下，输电线不能将电能传输到此位置的局限性。离网型不受交流电网的影响，实现的是自给自足的模式。并网型为用户提供了更高的电能质量及其稳定性。光伏发电多余的电能不仅可以储存在储能装置里还可以并入交流电网。一旦，交流电网大面积的停电，并网型系统可以自动切断与交流电网的连接，通过储能装置继续给负载供电。光伏发电迫使了传统的发电系统的架构的改变，在传统的设计理念当中，发电系统是依靠强有力的发电机组进行支持者，并且，能量的流动是单一方向。目前，分布式结构与集中式结构的出现，解决能源利用受地理条件的限制。能量的双向流动实现了能量的多元化。
微网的提出解决了可再生能源分布式利用的问题，它把分布式可再生能源、储能、负荷，以及监控设备等融合在一起，构成完整的微型电网，既能独立运行，也能够与电网并联运行。这样可再生能源的利用效率得到了提高，供电的可靠性也得到了增强[4]。光伏直流微网由PV发电、储能、负载及并网逆变器4部分组成。其中，PV发电部分就是把太阳能电池板吸收的太阳能直接转化为电能，并且实现最大功率点跟踪。是整个系统中的关键部分。因此，将光伏组件所发出的电能高效率地给蓄电池充电是DCDC变换器在系统中的主要作用，同时确保蓄电池可以长时间的使用。其内部主要包括光伏输入保护电路，蓄电池保护电路，采样电路以及充／放电控制电路组成。
1.2 国内外微电网发展概括
微型电网（简称微电网）是指在一定区域内装有发电设备、能量变换装置、储能设备、一般负荷、保护装置和监控设备，它们组合在一起就构成了一个小型发/配电系统，它能够实现自己管理、自己控制、自己保护的自治系统。微电网被接入配电网后，它也不是单独运行的，它与配电网之间是协同运行的，双向电能交换在微电网与配电网之间得到了灵活的运用[5]。当配电网因发生故障停电时，微电网可以在极短的时间内做出反应而脱离配电网，独立地向所管辖的负荷区域供电，保证供电安全，改善电能质量。依据微电网接入配电网母线结构类型的不同，将其分为直流、交流和交直流混合微电网3种，本文以直流微网为背景深入分析。
在微电网与分布式发电、可再生能源发电方面，美国、日本、欧洲、澳大利亚均处于研究前列。近年来，在智能电网驱动下，韩国、印度、新加坡等国家都十分重视微电网的研究，正在建设各类试验平台或示范工程。从2005年开始，美国和劳伦斯伯克利国家实验室联合发起了重要的项目，它由政府、企业、大学、研究单位共同参与的微电网研讨会，一直受到工业界和学术界的关注。目前，美国、日本、欧洲一些发达国家对微电网的研究，已经通过理论、实验室的验证、典型的示范工程。中小规模的微电网已经得到了企业的推广与应用。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外微电网发展概括 2
1.3 太阳能利用及其充电器的发展 3
2 光伏发电系统的模型及原理 4
2.1 光伏直流微网系统框图 4
2.2 光伏发电控制系统的组成 6
2.3 光伏电池的工作特性 7
2.4 光伏组件最大功率点跟踪(MPPT)分析 9
2.5 蓄电池的工作特性 14
3 太阳能充电器硬件电路设计 17
3.1 主电路模块 17
3.2 负载控制模块 18
3.3 单片机最小系统模块 19
3.4 驱动电路模块 20
3.5 信号采样与处理模块 21
3.6 通信模块 23
3.7 系统供电模块 23
4 太阳能充电器软件程序设计 24
4.1 函数初始化 24
4.2 控制器充电控制程序 27
4.3 控制器放电控制程序 28
4.4 变占空比的扰动观测法 29
5 实验结果及分析 32
5.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
测试条件 32
5.2 测试框图 33
5.3 测试数据 33
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
附录A：原理图 39
附录B：部分程序 40
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
世界经济的不断发展离不开能源的支撑，使得能源的需求越来越大，而大部分的能源又是来自传统化石能源。众所周知，它并不是可再生资源。据不完全统计，按照当前的消耗情况来看，石油的储存量可供生产40多年、天然气将在80年内面临枯竭、煤炭可供开采164年。并且，传统化石能源的使用带来了一系列的问题如大气的污染、环境的恶化等。这就使得风能、水能、太阳能等新能源得到了更多关注，而太阳能又具有分布广、储量大、一次开发便捷等优点，受全世界各国的关注并成为当前新能源开发的研究热点。
光伏发电技术就是把太阳发出的光能被光伏组件吸收后直接转换成电能。再配备一些辅助设备，如控制器、蓄电池和逆变器等，就可构成不同的发电系统[1]。近十年来，光伏发电产业每年以40%~50%的速度递增，成为当今世界上发展最迅速的能源产业。然而，直接将光伏发电通过电力电子逆变器并网，这样很容易产生谐波、三相电流不平衡，以及其输出功率的随机性易造成电网电压波动、闪变[7]。因此，国内外学者提出光伏直流微网。直流微电网是将分布式电源、储能设备、负荷等都连接到直流母线上，电力电子逆变装置再把直流网络连接到外部交流电网[3]。光伏发电通常有离网型和并网型两种类型。离网型解决了偏远地区、孤立小岛、环境恶劣等情况下，输电线不能将电能传输到此位置的局限性。离网型不受交流电网的影响，实现的是自给自足的模式。并网型为用户提供了更高的电能质量及其稳定性。光伏发电多余的电能不仅可以储存在储能装置里还可以并入交流电网。一旦，交流电网大面积的停电，并网型系统可以自动切断与交流电网的连接，通过储能装置继续给负载供电。光伏发电迫使了传统的发电系统的架构的改变，在传统的设计理念当中，发电系统是依靠强有力的发电机组进行支持者，并且，能量的流动是单一方向。目前，分布式结构与集中式结构的出现，解决能源利用受地理条件的限制。能量的双向流动实现了能量的多元化。
微网的提出解决了可再生能源分布式利用的问题，它把分布式可再生能源、储能、负荷，以及监控设备等融合在一起，构成完整的微型电网，既能独立运行，也能够与电网并联运行。这样可再生能源的利用效率得到了提高，供电的可靠性也得到了增强[4]。光伏直流微网由PV发电、储能、负载及并网逆变器4部分组成。其中，PV发电部分就是把太阳能电池板吸收的太阳能直接转化为电能，并且实现最大功率点跟踪。是整个系统中的关键部分。因此，将光伏组件所发出的电能高效率地给蓄电池充电是DCDC变换器在系统中的主要作用，同时确保蓄电池可以长时间的使用。其内部主要包括光伏输入保护电路，蓄电池保护电路，采样电路以及充／放电控制电路组成。
1.2 国内外微电网发展概括
微型电网（简称微电网）是指在一定区域内装有发电设备、能量变换装置、储能设备、一般负荷、保护装置和监控设备，它们组合在一起就构成了一个小型发/配电系统，它能够实现自己管理、自己控制、自己保护的自治系统。微电网被接入配电网后，它也不是单独运行的，它与配电网之间是协同运行的，双向电能交换在微电网与配电网之间得到了灵活的运用[5]。当配电网因发生故障停电时，微电网可以在极短的时间内做出反应而脱离配电网，独立地向所管辖的负荷区域供电，保证供电安全，改善电能质量。依据微电网接入配电网母线结构类型的不同，将其分为直流、交流和交直流混合微电网3种，本文以直流微网为背景深入分析。
在微电网与分布式发电、可再生能源发电方面，美国、日本、欧洲、澳大利亚均处于研究前列。近年来，在智能电网驱动下，韩国、印度、新加坡等国家都十分重视微电网的研究，正在建设各类试验平台或示范工程。从2005年开始，美国和劳伦斯伯克利国家实验室联合发起了重要的项目，它由政府、企业、大学、研究单位共同参与的微电网研讨会，一直受到工业界和学术界的关注。目前，美国、日本、欧洲一些发达国家对微电网的研究，已经通过理论、实验室的验证、典型的示范工程。中小规模的微电网已经得到了企业的推广与应用。
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