仿真模型与实验结果智能型高效风光互补控制器的研究

1、第五章 仿真模型与实验结果5.1 仿真模型与仿真结果5.1.1光伏系统部分1. 光伏阵列模型本文针对matlab/simulink仿真环境，根据第二章第2.2.3小节介绍的光伏阵列工程化数学模型，搭建了光伏阵列的仿真模型，如图5.1所示。该模型考虑了环境温度、太阳光照强度、光伏模块参数(如标准条件下光伏阵列的短路电流、开路电压、最大功率点电压、最大功率点电流等)对阵列i-v 特性的影响，此外，该系统还考虑了系统是否带有最大功率跟踪(mppt)功能。图5.1 光伏阵列仿真模型图5.2 封装后的光伏阵列仿真模块图5.2为封装后的光伏阵列仿真模块，其中输入接口中的vout为光伏阵列的工作电压，s为工

2、作时的太阳光照强度，t为工作时的环境温度，输出接口中的i为工作在vout下的输出电流。通过点击图5.2的图标，即可得如图3.5所示的光伏电池的封装参数设置界面，用户可以方便地设置这些参数，从而构成不同i-v特性的光伏阵列。图5.3 光伏阵列模块封装参数当太阳能光伏阵列的仿真参数设置为图5.3中的模块封装参数时，在vout输入接口处连续加不同的输入电压，可以得到光伏阵列的i-v、p-v特性仿真曲线分别如图5.4(a)、5.4(b)所示。 (a) 光伏阵列i-v特性仿真曲线 (b) 光伏阵列p-v特性仿真曲线图5.4 光伏阵列特性曲线仿真图2. mppt算法仿真扰动观察法是目前最常用的mppt算法

3、之一，其优点是简单可靠，容易实现，本文即采用此方法。依据第三章第3.2.2小节阐述的扰动观察法实现原理，建立如图5.5所示的扰动观察法mppt仿真模型，图5.6为扰动观察算法模块。图5.5 扰动观察法mppt仿真模型图5.6 扰动观察算法模块仿真结果如图5.7所示，(a) (d)(b) (e)(c) (f)图5.7 扰动观察法仿真波形图5.7(a)、(b)、(c)分别为光伏阵列在温度(25)和光照强度(600)的情况下输出电流、电压、功率仿真波形，(d)、(e)、(f)分别为温度(25)和光照强度在0.07s由600跃变至1000时的输出电流、电压、功率波形。仿真结果说明：在外界条件突变的情况

4、下，光伏发电系统通过扰动观察法，可以搜索新的最大功率点，并稳定运行于此点，系统具有良好的动态性能。从仿真波形可知，随着光照强度、温度条件的变化，光伏阵列最大功率点不断变化。系统可以稳定、实时地追踪最大功率点。在追踪过程中，在光照强度变化情况下，系统仍能稳定、快速的跟踪最大功率点。5.1.2风力发电部分1. 仿真模型由于风力发电系统结构十分复杂，很难进行实验建模，本文只是对风力发电机发出交流电经整流变成直流电后给蓄电池充电进行仿真。风力发电机经整流后输出的直流电压波动范围比较大，不能直接对蓄电池进行充电，整流后的直流电压应经dc/dc变换器降压或升压达到蓄电池充电电压范围才能满足充电要求。本文以

5、buck电路的仿真作为蓄电池充电的理论依据，如图5.8所示。图5.8中风力发电机输出电压范围为1825v，经buck电路降压后对12v蓄电池进行充电，蓄电池用一个12v直流电压源串联一个等效电阻代替，输出滤波电感值为0.2mh，输出滤波电容值为100uf。2. 仿真结果当对蓄电池进行恒压充电时，buck电路的输出电压设定为14.5v；当对蓄电池进行浮充充电时，buck电路的输出电压设定为13.8v。图5.9(a)、(b)、(c) 为在buck电路设定充电电压为14.5v时，分别对应输入电压为 18v 、22v 和25v的蓄电池电压仿真波形 ，图5.9(d)、(e)、(f)为在0.04s时将设定

6、电压由14.5v设定为13.8v，分别对应输入电压为18v、22v、25v的蓄电池电压仿真波形。从仿真波形可以看出，设计的buck电路在输入范围为18v25v可以使输出电压很好的稳定在设定电压，满足蓄电池的充电要求。图5.8 buck电路充电仿真模型(a) (d)(b) (e )(c) (f)图5.9 buck电路对蓄电池充电仿真波形5.2 系统充电实验与结果5.2.1 充电实验装置系统充电主电路为buck电路，控制电路实物图如图5.10所示，和为mosfet管驱动电路，和为电压检测电路，为继电器电路，为单片机及其外围电路，为电流检测电路；风光互补系统实验平台如图5.11所示，为三相调压器，为

7、铅酸蓄电池，为三相整流桥和卸荷负载，为风光互补控制器、稳压电源和示波器等。图5.10 风光互补控制电路实物图图5.11 系统实验平台5.2.2 充电实验波形与数据图5.12(a)为buck主电路开关管实测驱动波形，由图可以看出驱动信号上升沿和下降沿很陡，mosfet可以迅速开通和关断，实验过程中驱动芯片tlp250在长时间工作时发热效果也不明显，这说明tlp250完全满足放大驱动信号的要求。图5.12(b)为buck电路工作在电流连续状态时续流二极管两端电压波形，图中高电平时续流二极管截止，mosfet管导通，低电平时续流二极管导通，mosfet管关断。 (a) 开关管mosfet的驱动波形

8、(b) 电流连续续流二极管端电压波形图5.12 开关管驱动波形与续流二极管端电压波形图5.13(a)为蓄电池充电时检测到的电压波形，图中的2.88v实际上是蓄电池电压经分压后的电压，蓄电池实际电压；图5.13(b)为蓄电池充电时检测到的电流波形，图中3.03v为与蓄电池串联的0.05精密电阻的两端电压放大10倍得到的，3.03v实际上代表蓄电池充电电流。图5.14是实测蓄电池电压检测电路线性转换数据，图5.15是实测电流检测电路线性转换数据。 (a) 蓄电池充电时检测到的电压波形 (b) 蓄电池充电时检测到的电流波形图5.13 蓄电池充电时检测波形在做蓄电池充电实验时，本文使用的蓄电池为赛达电

9、池fm12-65，其额定电压为12v，额定容量为65ah。由于所选蓄电池的容量较大，完成一次完整的蓄电池充电过程需要时间较长，不容易采集实验数据。因此本文在对风力发电部分进行三段式充电实验测试时，风力发电机使用三相调压器代替。将380v三相交流电经过降压整流后给蓄电池充电，实验中对过充电压和浮充电压的设定为25，恒压转折点电压设定为14.5v，限流电流设定为6a，进入浮充阶段的转折电流为设定1.6a，蓄电池充电初始电压为10.8v，实验数据如图5.16所示。图5.14 电压检测电路线性转换数据图5.15 电流检测电路线性转换数据图5.16 实测蓄电池充电实验数据第六章 总结与展望6.1 总结本

10、文主要从智能型风光互补发电系统的结构出发，分析了风力发电、光伏发电以及蓄电池充电的工作原理以及运行特性，设计了一个以pic16f877a单片机为核心的智能型风光互补控制器。本文完成的主要工作如下：1. 对智能型风光互补发电系统中最大功率点跟踪控制策略进行了研究，通过比较分析，采用扰动观察法实现最大功率点跟踪控制策略。利用matlab仿真软件，搭建了光伏阵列的仿真模型，分析研究了光伏阵列的输出特性，并对光伏阵列的扰动观察mppt控制算法进行了仿真。仿真结果表明：系统可以稳定、实时地追踪最大功率点。在追踪过程中，在光照强度变化情况下，系统仍能稳定、快速的跟踪最大功率点。2. 对风力发电机发出交流电

11、经整流变成直流电后给蓄电池充电部分进行仿真，建立了以buck电路为主电路对蓄电池充电的仿真模型，仿真结果表明：设计的buck电路在输入电压变化范围内可以使输出电压很好的稳定在设定电压，满足蓄电池的充电要求。3. 设计了以pic16f877a单片机为核心的智能型风光互补控制器，对dc/dc变换电路、电压检测电路、电流检测电路、功率管驱动电路等硬件模块进行设计，在软件开发方面，以mplab-ide开发环境为平台，利用模块化设计的方法，编写系统的主程序和子程序。对控制器进行了实验调试，实现了蓄电池的三段式充电。实验结果表明该控制器能够满足蓄电池的充电要求，能够延长蓄电池的使用寿命。6.2 展望虽然本

12、文对风光互补发电系统最大功率点跟踪控制方面进行了理论研究，对最大功率点跟踪方式也进行了仿真，但是由于时间关系和作者水平有限，该部分还没有进行实验验证，真正实现一套完整的带有mppt跟踪功能的风光互补发电系统还有大量工作要做，论文还有很多方面需要进一步改善，概括如下：1. 由于风力发电机组和光伏电池组件输出功率的不稳定性，需要考虑风力发电机组输出功率、光伏电池组件功率、蓄电池和负载功率的匹配问题。2. 由于缺乏风光互补发电整体设计经验，风光互补发电系统的总体设计方案需要进一步完善。3. 对蓄电池的温度补偿部分考虑较少，在实际应用中，蓄电池的温度补偿非常重要，能够影响蓄电池的使用寿命，需要设计合理

13、的温度补偿电路。致谢光阴荏苒，我的研究生生涯就要结束了，而入学仿佛还是昨天的事，初来乍到的场景还历历在目。回首这三年的点点滴滴，喜忧参半，我深深地感受到自己是在许多老师、同学和亲朋好友的关怀和帮助下才能一步一步地走到今天，在此谨向他们表示我最衷心的感谢！首先，最深的谢意献给我的导师郑诗程副教授。在三年研究生学习期间，郑老师在科研、学业和生活各个方面都给予了我极大的支持和帮助，使我在学术水平和做人处事方面都有了很大提高，并将终生受益。郑老师渊博的知识、开阔的思维、严谨的治学态度和实事求是的作风将影响和激励我的一生，他对我的关心和教诲我将终生难忘！感谢合肥为民电源有限公司总经理张为民先生，在课题的研究方向、专业技术和实际工作经验中给予我很大支持和帮助。在此，对张总表示衷心的感谢，也对合肥为民电源有限公司全体员工表示衷心的感谢！感谢刘伟、朱虹