基于光伏发电的复合电源控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于光伏发电的复合电源控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

超级电容充电的工作模式，图 描述了该工作模式下能量流向。 图 能量流向图 该工作模式下， boost 变换器工作于恒流模式，单片机控制系统检测铅酸电池的充电状态。 充电完成时，若未检测到系统充电控制开关断开，系统切换到下一充电模式，否则系统退出充电状态。 Mode3： 光伏电池经 boost 变换器给超级电容充电的工作模式，图 描述了该工作模式的能量流向。 图 能量流向图 该工作模式下， boost 变换器依然工作于恒流模式，需要注意的 是由于 boost 变换器的工作特性，其输出电压一定不会比输出电压低，因此不能直接用来给超级电容充电，必须使 boost 变换器最低输出电压和超级电容上电压的差值在一个很小的范围是，才可用 boost 变换器来个超级电容充电，因此该模式必须在 Mode1 完成的状态下，系统才能转换到当前工作模式。 模式之间相互转换时，必须十分注意此顺序，转换到该模式时，软件控制中，也需检测输入电压和超级电容的电压，来判断是否可以进行该模式转换。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 8 以上就是对系统处于充电状态下的各种工作模式分析，下面分析系统处于放电状态下时，各工作模式。 系统 处于该状态下时，吸收能量的只有电机负载，提供能量的有太阳能电池板、铅酸电池和超级电容。 由于电机吸收能量是有启动和稳定运行两种状态，不同状态下，提供能量的对象不同，这里有 2 种工作模式。 Mode4：电机负载启动，光伏电池、超级电容及铅酸电池一同给负载供电的工作模式。 图 描述了该工作模式下能量的流向。 图 能量流向图 该工作模式下，由于电机启动电流较大，需要超级电容为其提供启动过程中所需的大电流，电机启动过程结束，进入稳定运行状态时，将超级电容从电路中切除，转换到另一工作模式。 光伏电池通过 boost 变换器给电机供电时，单片机控制电路将 boost 变换器切换到恒压模式。 Mode5：电机负载稳定运行，光伏电池和铅酸电池给负载供电的工作模式。 图 描述了该工作模式下能量的流向。 图 能量流向图 电机负载启动结束后，电机进入稳定运行状态，此状态下，无需超级电容提供大电流，将超级电容切除，只有铅酸电池和光伏电池给负载供电， boost 变换器工作于恒压模式。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 9 由于电机还有制动这一工作状态，此时电机将机械能转换为电能，处于发电状态，为了充分利用能量，可用超级电容来吸收电机制动时的能量回馈。 Mode6：超级电容吸收电机制动时能量回馈模式。 图 为该模式下能量流向图。 图 能量流向图 当系统各模块均不工作时，系统处于停止模式，记该 模式为 Mode7。 各工作模式下继电器状态 了解清楚系统的各个工作模式，还需确定在各种工作模式下，继电器的相关状态，才能清楚如何控制系统在各个模式之间转换。 参见继电器控制连接框图绘制表格表明各个工作模式下继电器的状态如下： 表 各工作模式下继电器状态表 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 Mode1 OFF ON 触点 2 触点 4 OFF OFF 触点 6 Mode2 ON OFF 触点 1 触点 4 OFF OFF 触点 5 Mode3 ON OFF 触点 2 触点 3 OFF OFF 触点 6 Mode4 ON OFF 触点 1 触点 4 ON ON 触点 5 Mode5 ON OFF 触点 1 触点 4 ON OFF 触点 5 Mode6 OFF OFF 触点 2 触点 4 OFF ON 触点 5 Mode7 OFF OFF 触点 2 触点 4 OFF OFF 触点 5 表 表明了系统在各种工作模式下时，各继电器的开端状 态或触点连接状态，由表可清楚看出系统在不同模式之间进行转换时继电器状态的变化，由于系统在模式转换过程中各个模块之间连接顺序不是随意的，继电器切换的过程还需要根据继电器连接框图确定具体的切换顺序。 下面分析各种工作模式之间进行模式转换时，继电器的具体操作顺序。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 10 各工作模式间转换时继电器操作顺序 根据上表可知，系统处于不同的工作模式下时，对应着不同的继电器状态，切换系统的工作模式时，就必须控制继电器状态的转换，转换过程的步骤不是随意的，否则可能会使得系统进入一个不可知的状态，造成系统的功能紊乱，严重时 可能还会造成系统短路，损坏系统。 系统的工作模式与负载的工作状态息息相关，必须考虑系统切换过程中继电器状态变换顺序。 下面分析负载处于不同的工作状态时，系统的工作模式以及相应模式的切换。 负载不工作时： 图 负载不工作时系统所有可能模式转换图 负载不工作时，系统启动之后，进入充电模式，首先工作于 Mode1，即光伏电池通过 buck 变换电路对超级电容充电。 buck 变换器对超级电容的充电完成时，系统切换工作模式，进入 Mode2，即光伏电池通过 boost 变换器对铅酸电池充电。 当光伏电池对铅酸电池的充电完成时，系 统再切换到 Mode3，即光伏电池通过 boost 变换器对超级电容充电。 超级电容的电压达到 boost 变换器输出电压上限时，停止充电，系统切换到停止模式。 除了以上相关切换过程之外，考虑到系统处于任意工作模式时，可能因为外界因 素，人为控制，系统需从其中任意模式直接进入停止模式，还需分析以上任一模式下，如何切换到停止模式。 （ 1） 系统启动进入 Mode1，即由停止模式进入光伏电池经 buck 变换器给超级电容充电。 系统启动前，处于停止模式，该过程即是有 Mode7 转换见到 Mode1。 分析各工作模式下继电器状态表可知： 由 Mode7 到 Mode1 的转换只有 SW2， SW7 的状态发生了变化。 操作步骤： ① 合上 SW2 ② SW7 接触点 6 （ 2） Mode1转换到 Mode2，即光伏电池经 buck变换器给超级电容充电切换到经 boost20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 11 变换器给铅酸电池充电。 该转换过程 SW1， SW2， SW3， SW7 状态均发生了变化。 操作步骤： ① 断开 SW2 ② SW7 接触点 5 ③ 合上 SW1 ④ SW3 接触点 1 （ 3） Model2 转换到 Model3，即光伏电池经 boost 变换器由给铅酸电池充电切换到给 超级电容充电。 该转换过程 SW3， SW4， SW7 状态发生变化。 操作步骤： ① SW7 接触点 6 ② SW3 接触点 2 ③ SW4 接触点 3 （ 4） Model1 转换到 Model7，光伏电池经 buck 变换器给超级电容充电切换到停止模式。 该转换过程 SW2， SW7 的状态发生变化。 操作步骤： ① 断开 SW2 ② SW7 接触点 5 （ 5） Model2 转换到 Model7，即光伏电池经 boost 变换器由给铅酸电池充电切换到停止模式。 该转换过程 SW1， SW3 的状态发生变化。 操作步骤： ① 断开 SW1 ② SW3 接触点 2 （ 6） Model3 转换到 Model7，光伏电池经 boost 变换器给超级电容充电切换到 停止模式。 该转换过程 SW1， SW4， SW7 的状态发生变化。 操作步骤： ① SW7 接触点 5 ② 断开 SW1 ③ SW4 接触点 4 以上是负载不工作时，系统各种模式转换的过程中需要进行状态转换的继电器及其操作顺序分析。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 12 负载启动到稳定运行以及制动停止： 图 负载启动到稳定运行以及制动停止所有可能模式转换图 电机负载启动时需要较大的启动电流，此时工作于 Model4，由铅酸电池，超级电容，光伏电池经 boost 变换器同时给负载供电，超级电容主要是为了提供电机启动所需的电流。 当电机启动之后，进入稳定运行状态，此 时将超级电容从电路中切除，由铅酸电池和光伏电池给负载供电，系统进入工作模式 Model5，电机负载稳定运行模式。 当接受到制动命令式，系统进入制动状态，即工作模式 Mode6，此过程可能发生在系统启动或稳定运行过程中。 制动结束后系统进入停止模式。 （ 1）系统启动到 Model4，即由停止模式进入电机负载启动模式，此切换过程即由Model7 切换到 Model4， SW1， SW3， SW5， SW6 状态发生变化，操作步骤： ① 合上 SW1 ② SW3 接触点 1 ③ 闭合 SW6， SW5 （ 2） Model4 转换到 Model5，即电机启动模 式进入稳定运行模式，此时切除超级电容对负载的供电。 此过程仅 SW6 状态发生变化，操作步骤：断开 SW6 （ 3） Mode4 转换到 Mode6，即电机启动模式进入制动模式，此时 SW1， SW3， SW5 状态发生变化。 操作步骤： ① 断开 SW5 ② 断开 SW1 ③ SW3 接触点 2 （ 4） Mode5 转换到 Mode6，即电机稳定运行到制动模式，此时 SW1， SW3， SW5，SW6 状态发生变化。 操作步骤： ① 闭合 SW6 ② 断开 SW5 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 13 ③ 断开 SW1 ④ SW3 接触点 2 （ 5） Mode6 转换到 Mode7，即制动模式结束后转换到停止模式，此 时 SW6 的状态发生变化。 操作步骤：断开 SW6。 以上是负载 启动到稳定运行以及制动停止， 系统各种模式转换的过程中需要进行状态转换的继电器及其操作顺序分析。 本章小结 本章主要介绍了系统的整体结构，系统的各种工作模式，各种工作模式下的控制状态，以及不同状态间进行转换的控制操作。 通过本章的分析，可清楚各个模式间转换的具体操作，方便后面软件的设计。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 14 第 3 章 系统控制硬件设计 各组成模块介绍 独立光伏发电系统工作原理 通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统。 其主要结构由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电池（组）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。 太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。 直流或交流负载通过开关与控制器连接。 控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载，当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。 有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的 功能。 在交流光伏发电系统中， DCAC 逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。 图 独立型太阳能光伏发电系统工作原理 系统供电采用光伏电池板，光伏电池板一种通过光电效应或者光化学效应直接将光能转化为电能的装置。 光伏电池在系统中作为能量输入源。 独立光伏发电系统的设计 光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则。 做到既能保证光伏系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的太阳 能电池组件功率和蓄电池的容量。 协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 15 单片机 本课题中单片机采用的是飞思卡尔的 8位单片机 MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成员，提供多种模块，内存大小和封装类型 [5]。 可根据实际应用选择，这里选择的是 20Pin 封装。 该单片机包含模数转换 ADC、 IIC 总线、时钟模块 MTIM、实时时钟 RTC、脉宽调制模块 TPM 等等 [错误 !未定义书签。 ]，完全满足该课题的需求。 其引脚分布图如下 : 图 MC9S08SG16 引脚分布图 [错误 !未定义书签。 ] 控制器 DCDC 变换电路 DCDC 变换电路不仅转换效率很高，而且可通过对半导体开关通 断时间控制来控制输出的电压电流，可方便调节输出功率，调节光伏电池的输出供率，追踪最大功率工作点 [6]。 本课题采用的是 buck 和 boost 变换电路。 20xx 届湖北汽车工业学院 科技学院 毕业设计（论文） 16 单片机控制原理图 单片机供电模块 图 系统及单片机辅助供电模块电路图 该部分为辅助电源模块，芯片 L7805为稳压输出芯片，输出电压为 5V，用来个单片机供电， LM317为线性稳压芯片这里设计输出电压为 12V，用来给系统中运算放大器及MOSFET 驱动电路相关芯片供电。 通信模块 图 单片机与计算机通信模块电路图 [7] 串口模块可实现单片机与计算机的通信，单片机可将采集处理的数据发送到计算机显示，方便程序的运行调试。 通。