极地低温环境下小型风光互补供电系统的研究

发布时间：2017-04-07 06:51

  本文关键词：极地低温环境下小型风光互补供电系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：极地地区指地球的南北极地区,由于气候恶劣,极地地区受到人类活动的影响很小,科考价值极大。南北极地区气候条件恶劣,常年低温并伴有极昼极夜现象,罕有人迹,科考极其不便,所以抛弃式的科考设备更符合极地科考的要求。但是抛弃式设备最大的问题就是续航能力差,直接导致许多科考数据的丢失,严重影响到了极地科考工作的进行。本课题选用小型风光互补供电系统作为研究内容,来提高抛弃式设备的续航能力。小型风光互补供电系统安装方便,属于清洁能源,能够使风能和光能的能源供应互补,适用于极地地区。目前国内外对小型风光互补供电系统的研究有很多,作者在此基础上考虑到极地地区特殊的环境对小型风光互补供电系统进行了设计,并对风力发电机、太阳能板和蓄电池进行了选型。由于蓄电池的充放电能力受温度的影响很大,作者利用实验室的高低温实验柜模拟极地环境对蓄电池进行了不同低温下的充放电实验,研究了蓄电池在低温下的充放电特性,根据实验结果确定了对供电系统采用MPPT控制以增大蓄电池的充电接受能力的思路。本文根据南北极科考中选用的小型风力发电机、小型太阳能板,分别设计了与之相对应的Buck型DC/DC电路,提出了一种变步长占空比扰动观测法来实现风力发电系统和光伏发电系统的MPPT控制,并进行了仿真验证;设计了蓄电池储能系统和双DC/DC控制电路,并仿真验证了它的电量管理功能;设计了极地环境下风光互补的控制策略并对整个小型风光互补供电系统进行了仿真,仿真结果为实现极地环境下小型风光互补供电系统的MPPT控制奠定了基础。为了加快文中设计的小型风光互补供电系统的MPPT跟踪速度和减小最大功率点的震荡,考虑到风力发电和光伏发电系统的非线性,作者采用模糊控制算法对这两个系统分别设计了相应的模糊控制器,并对风力/光伏发电系统和小型风光互补供电系统分别进行了仿真验证,证明了模糊自适应控制的优越性;以南极中山站的气候数据为依据对该系统进行了供电可靠性分析,证明了其供电可靠性。研究了小型风光互补供电系统的控制器并进行了软硬件的设计。硬件设计包括风光互补主电路和控制电路,并对元器件进行了耐低温选择;软件设计包括系统的主程序、风/光MPPT控制子程序和外围采集电路程序。研究结果表明作者设计的极地环境下小型风光互补供电系统适用于极地科考中,文中设计的控制电路和控制方法能有效的提高供电系统的供电能力和抛弃式科考设备的续航能力,可以保证抛弃式设备在南北极地区的正常工作。
【关键词】：极地地区 低温实验 风光互补 模糊控制 MPPT 控制器
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM61
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 选题的背景和研究意义11-12
• 1.2 国内外研究动态12-13
• 1.3 本课题研究的目的和主要内容13-15
• 第二章 极地环境下小型风光互补供电系统主要设备的选型15-25
• 2.1 极地环境下小型风光互补供电系统的总体结构15-16
• 2.2 极地环境下风力发电机的选型16-18
• 2.2.1 风力机的种类与工作特性16-17
• 2.2.2 风力发电机的选型17-18
• 2.3 极地环境下光伏电池的选型18-20
• 2.3.1 光伏电池的分类与输出特性18-19
• 2.3.2 光伏电池的选型19-20
• 2.4 极地环境下蓄电池的选型20-22
• 2.4.1 铅酸蓄电池的性能指标和充电方式20-21
• 2.4.2 蓄电池的选型21-22
• 2.5 小型风光互补供电系统的控制器22-23
• 2.6 本章小结23-25
• 第三章 低温下铅酸式蓄电池的充放电特性研究25-35
• 3.1 铅酸蓄电池在低温下的性能25-26
• 3.1.1 铅酸蓄电池在低温下充放电存在的问题25
• 3.1.2 铅酸蓄电池容量的影响因素25-26
• 3.2 低温下铅酸式蓄电池的放电实验26-28
• 3.3 低温下铅酸式蓄电池的充电实验28-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第四章 极地环境下小型风光互补供电系统MPPT控制及仿真35-63
• 4.1 低温下光伏电池的特性研究35-38
• 4.1.1 光伏电池仿真模型35-36
• 4.1.2 低温下光伏电池的特性36-38
• 4.2 极地环境下光伏电池最大功率控制及仿真38-47
• 4.2.1 光伏发电系统DC/DC变换器设计38-40
• 4.2.2 光伏电池最大功率控制原理40-44
• 4.2.3 光伏发电系统仿真结果和分析44-47
• 4.3 极地环境下风力发电机最大功率控制及仿真47-54
• 4.3.1 极地环境下风力发电机的仿真建模47-49
• 4.3.2 风力发电系统DC/DC变换器设计49-50
• 4.3.3 风力发电机最大功率控制原理50-52
• 4.3.4 风力发电系统仿真结果和分析52-54
• 4.4 蓄电池储能系统54-58
• 4.4.1 蓄电池DC/DC变换器55-56
• 4.4.2 蓄电池DC/DC变换器的控制56-57
• 4.4.3 蓄电池储能系统的仿真57-58
• 4.5 极地环境下小型风光互补供电系统最大功率控制58-62
• 4.5.1 极地环境下风光互补供电控制策略58-60
• 4.5.2 小型风光互补供电系统MPPT仿真60-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第五章 基于模糊自适应的MPPT控制及供电可靠性分析63-79
• 5.1 光伏发电系统模糊自适应MPPT控制63-69
• 5.1.1 光伏发电系统模糊自适应MPPT控制器的设计63-66
• 5.1.2 光伏发电系统模糊自适应MPPT控制仿真66-69
• 5.2 风力发电系统模糊自适应MPPT控制69-74
• 5.2.1 风力发电系统模糊自适应MPPT控制器的设计69-72
• 5.2.2 风力发电系统模糊自适应MPPT控制仿真72-74
• 5.3 小型风光互补供电系统模糊自适应MPPT控制仿真74-76
• 5.4 极地环境下小型风光互补供电可靠性分析76-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 极地环境下小型风光互补供电系统控制器设计79-95
• 6.1 小型风光互补供电系统控制器的硬件电路设计79-88
• 6.1.1 硬件电路设计总体框图79
• 6.1.2 风光互补主电路的设计79-82
• 6.1.3 控制电路中数据处理模块的设计82-84
• 6.1.4 控制电路中电源模块和驱动模块的设计84-86
• 6.1.5 控制电路中外围采集电路的设计86-88
• 6.2 小型风光互补供电系统控制器的软件设计88-94
• 6.2.1 主程序设计88-89
• 6.2.2 风力发电系统MPPT控制子程序89-90
• 6.2.3 光伏发电系统MPPT控制子程序90-91
• 6.2.4 电压采集程序91-92
• 6.2.5 温湿度采集程序92-94
• 6.3 本章小结94-95
• 第七章 总结与展望95-97
• 参考文献97-101
• 致谢101-103
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况103

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