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1、单位代码： 10359 学 号： 2014110443 密级： 公开 分类号： TP273 Hefei University of Technology 硕士学位论女 MASTERS DISSERTATION 论文题目： 基于光伏系统的多路转换器设计 及能量管理的研究 学位类别： _ 学历硕士 _ 专业名称： 控制理论与控制工程 作者姓名： _ 盛婷停 _ 导师姓名： 郑涛副研究员 完成时间： _ 2017年 3月 _ 万方数据 合 肥工业大 学历硕士学位论文 学 _BU_W Y3196047 基于光伏系统的多路转化器设计及 能量管理的研宄 作者姓名： _ 盛婷婷 指导教师： 郑涛副研究员 专
2、业名称： 控制理论与控制工程 研究方向： 现代控制理论及其应用 2017年 3月 万方数据 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Research on Design of Multi-channel Converter and Energy Management Based on Photovoltaic System By Sheng Tingting Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R. China March, 2017 万方数据 合 肥 工 业 大 学 本论文经
3、答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ) 主席 . 华中科技大学， 委员：中国电力科学研究院，研宄员 ， y 南京师范大学， 副教授， 安徽大学， 合肥工业大学， 教 a . 女 t丄 教授， X、 导师：合肥工业大学， 万方数据 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和
4、集体，本 人己在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学 位 论 文 作 者 签 名 ： 签 名 日 期 ： 2 月 $ 日 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定 , 即：除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可 以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文版权使用授权书 论文作者毕业去向 工作单位
5、 : 联系电话 : 通讯地址 : 邮政编码 : 万方数据 致谢 随着毕业论文的完成，三年的研宄生生涯也快要结束。本论文以及前期的选 题及各种准备工作都是在郑涛老师的指导下完成。郑涛老师学识渊博，和蔼可亲， 学术态度严谨，在本论文的选题、资料搜集及撰写方面，郑涛老师都时刻关注并 加以指导。在论文的准备工作中，由于能力及经验不足，在软硬件设计方面出现 了诸多问题及疏忽。郑涛老师总是细心的指出各种问题并与我一起讨论出解决方 法，并教会我做项目和做学术时该有的态度及为人处事的许多道理。在论文的初 稿完成后，郑涛老师仔细阅读我的论文，并认真给出修改意见，对论文的成型有 很大的帮助。郑涛老师严谨治学的态度
6、和认真负责的工作态度都很值得我的学 习，老师对我的关心和教诲我会铭记于心。在这里，我想对郑涛老师说声谢谢， 感谢他对我的关心和教诲。 其次，我还要感谢李鑫老师和陈梅老师。虽然他们不是我的直接导师，但是 在这三年的研究生生活中，他们都给予了我很多指导意见。李鑫老师见识广，有 着丰富的实践经验，且为人幽默，寓教于乐，他的指导和教诲使我受益颇多。陈 梅老师平易近人，有耐心，指点我解决了许多问题。在此对老师们的 帮助表示由 衷的感谢。在毕业临近之际，我还要对在这三年中给予我诸多帮助的各位老师表 示深深的感谢，感谢他们三年来对我的辛勤栽培。 然后，我还要感谢我身边的同学和研宄所的全体成员。无论在学习还是
7、生活 上，他们都在生活和学业上给了我很大的帮助。在此特别感谢王宁、石文博、桂 少婷、陈星邑、洪涛、丁明刚等人，感谢他们在这三年中给予我的关心与支持。 最后，我要感谢一直默默支持我的父母和哥哥。从小到大，父母对我的无私 付出都让我无比感激与感动。因为有他们的支持，我才能走到现在。除了父母， 我还要感谢我的哥哥，感谢他对我 的照顾和鼓励。家人的关心是我前进的动力。 论文完成离开学校将暂时告别校内学习模式，步入工作后我会继续学习和努 力，把校内学习的方式方法融入到工作中，以更大的热情来回报这些对我有帮助 的人。 作者：盛婷婷 2017年 02月 26日 万方数据 I 摘要 在光伏并网系统中，并网逆变
8、器和储能电池的工作状态关系到光伏系统中的 能量流动方向，因此需要能量管理系统对能量的流动进行控制，而光伏系统现场 的设备数量众多，通信协议不同，能量管理系统需要对这些设备集中管理监控， 而通信水平直接影响到能量管理系统的控制的实时性及效率。因此，本文设计了 多路转换器来改善这一问题，并在此基础上对能量管理系统进行了研究。 首先，本文从多路转换器的软件设计方法开始分析，通过模块化设计方法对 多路转换器的软件进行设计，实现串口扩展、 “ 串转并 ” 的功能。其中每一路串 口都是相对独立的，且波特率可通过编程改变。在 QuartusII平台上使用 Verilog HDL进行了软件编程，并通过 Mod
9、elsim进行了仿真验证。 然后，对多路转换器的硬件进行了设计。从总体设计和各模块电路原理图进 行了设计与分析。 分析了 FPGA等芯片的选型方法。对其外围电路如电源模块、 FLASH模块、通信模块等进行了原理图设计。其中通信模块主要提供能量管理 系统与现场设备通信的接口。 最后，设计了光伏发电系统的能量管理系统，包括监控界面的功能及实现， 并针对该光伏发电系统的能量管理策略进行了研究，提出了基于模糊控制算法的 能量管理策略对光伏发电系统的利润进行优化，并通过算例分析和比较证实了策 略的有效性。 关键词 ：光伏发电；全钒液流电池；多路转换；能量管理；模糊控制 万方数据 II ABSTRACT
10、The energy flow direction in the PV system is related to the working state of the grid-connected inverter and the energy storage battery. Therefore, it is needed for the energy management system to control the flow of energy. The number of devices in the PV system is large and communication protocol
11、s are different, so the energy management system needs to monitor these devices centrally. And the communication level directly affects the real-time and efficiency of the energy management system control. Therefore, the multi-channel converter is designed to improve this problem, and the energy man
12、agement system is studied on it. Firstly, the software design method of the multi-channel converter is analyzed. And the software of it is designed through the modular design method to realize the function of serial port expansion and “serial to parallel”. Each serial port is relatively independent,
13、 and the baud rate can be programmed to change. Software is programmed on the Quartus II platform using Verilog HDL and simulated by Modelsim. Secondly, the hardware of the multi- channel converter is designed. The overall design and the module circuit schematic diagram are designed and analyzed. Se
14、lection methods of FPGA and other chips are analyzed. And its external circuits such as power supply module, FLASH module, communication module are designed, where the communication module mainly provides an interface for the energy management system to communicate with the field devices. Finally, t
15、he energy management system of the PV system is designed, including the function and realization of the monitoring interface, and the energy management strategy is studied. The energy management strategy based on the fuzzy control algorithm is put forward to profit the photovoltaic power generation
16、system and the validity of the strategy is verified by case study and comparison. KEYWORDS: PV system; VRB; multi-channel converter; energy management; fuzzy control 万方数据 III 目录 躲 . 1 1.1弓丨言 . 1 1.2光伏发电系统的国内外背景及发展趋势 . 1 1.2.1光伏发电系统的国内外背景 . 1 1.2.2国内光伏发电技术发展趋势 . 2 1.3光伏系统中的通信研究现状 . 2 1.4光伏系统的能量管理系统研究
17、现状 . 4 1.5论文的主要工作 . 5 第二章混合储能光伏系统的组成 . 7 2.1混合储能光伏系统结构 . 7 2.2光伏龟池 . 8 2.2.1光伏电池的数学模型 . 8 2.2.2光伏电池的输出特性 . 10 2.3储能单元 . 11 2.3.1储能单元分类 . 11 2.3.2超级电容 . 12 2.3.3全钒液流电池 . 14 2.4逆变器 . 18 2.5双向直流变换器 . 18 2.6本章小结 . . . 19 第三章多路转换器软件设计 . 21 3.1开发环境介绍 . 21 3丄 1芯片介绍 . 21 3.1.2开发环境介绍 . 21 3.1.3仿真环境介绍 . 23 3.
18、2多路转换器软件设计 . 23 3.2.1 16路转 1路程序设计 . 24 3.2.2 1路转 16路软件设计 . 30 3.3本章小结 . 32 第四章多路转换器硬件设计 . 34 4.1总体硬件配置 . 34 万方数据 IV 4.2FPGA 选型 . 34 4.3硬件设计原理图 . 36 4.3.1电源模块 . 36 4.3.2晶振模块 . 38 4.3.3 JTAG 模块 . 38 4.3.4 FLASH 模块 . 39 4.3.5复位模块 . 39 4.3.6 RS485 模块 . 40 4.3.7 RS232 模块 . 40 4.4本章小结 . 40 第五章光伏系统能量管理的研宂 . 41 5.1监控系统 . 42 5.1.1监控系统功能 . 42 5.1.2基于 VB6.0的监控系统设计 . 42 5.2能量管理策略研宄 . 46 5.2.1光伏系统的运行模式 . 46 5.2.2基于模糊控制的控制策略 . 47 5.3本章小结 . 51 第六章总结与展望 . 53 6.1总结 . 53 6.2展望 . 53 . 55 隱 1 . 59 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 . 66 万方数据 V