基于互联网光伏充电桩研究与设计

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:w88官方网页版 点击次数:
论文字数:44585 论文编号:sb2022013022083443444 日期:2022-02-14 来源:w88官方网页版
本文是一篇工程硕士论文,本文针对光伏部分进行了设计与分析,根据光伏元件的工作原理提出了基于电导增量方法的 MPPT 控制策略。对传统的 MPPT 控制策略进行了分析与介绍,并通过 Matlab 软件进行了 MPPT 策略的选型与仿真对比,验证了基于电导增量方法的 MPPT 控制策略的优越性;对光伏板的安装进行了简要分析,根据当地的地理位置以及太阳辐射仿真分析完成光伏板的最佳安装方式的选择。

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义
随着全球能源危机的不断加剧,不可再生能源的全球储量日趋枯竭,加之化石燃料的大量燃烧造成的严重污染,全球升温,海平面日益上升的问题急需解决。我国是全世界最大的发展中国家,对能源的需求不断增加。大量化石燃料燃烧所带来的危害,不利于国家的长期发展。所以,当前调整我国的能源消费结构,减少化石燃料的燃烧,保护环境,建设环境友好型的社会势在必行,就必须通过新能源来填补一次能源的需求空缺,进而实现经济发展与环境保护的并驾齐驱。
随着人们对美好物质生活需求的需要,汽车基本已经成为了每个家庭的生活必需品。然而汽车是石油消耗的主力之一,如图 1-1 所示为 2016 年我国石油来源与消耗示意图。

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电动汽车用电能取代了以石油为能源的传统汽车的工作方式,以此来达到减少环境污染与缓解一次能源的过度消耗问题。我国的“十四五”规划建议,降低碳排放强度,支持有条件的地方率先达到碳排放峰值,而碳排放的降低意味着更多新能源的使用和更少化石能源的消耗[1]。在新能源当中最为常见的,最易使用的就是太阳能了,倘若通过太阳能电板发电,将电能传送给电动汽车来使用,这样就能实现汽车的“零排放”,对减少石油消耗,环境污染将会有极为重要的意义。
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1.2 电动汽车的发展以及现状
1.2.1 电动汽车的发展现状
随着科技的快速发展,电池的储能量加大,充电时长的逐渐降低,电动汽车越来越受到人们的欢迎。但是成本高,不能行驶远程距离的缺点也限制了电动汽车的发展。
如今比较常见的电动汽车其实并非都是纯电动汽车,为了避免电动汽车突然没电的尴尬境况,现如今大多电动汽车的类型是多种能源共用的类型,包括混合动力电动汽车,燃料电池电动汽车,如表 1-1 所示。

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随着国家对电动汽车的各项扶持政策以及近年来电动汽车领域的难关逐渐被突破,加之人类保护环境意识的提高,电动汽车行业正在快速崛起。伴随着电动汽车行业的逐渐发展,相配套的各项基础设施必须提前进行,而充电桩的建设则是电动汽车发展最重要的一个环节。
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第二章 光伏充电桩的方案设计与分析

2.1 光伏充电桩总体方案设计
随着近些年来电动汽车行业的飞速发展,对与之对应的充电桩的建设要求非常迫切。本文研究的主要目标是设计出一套以光伏和电网同时供电,且操作简便,安全高效的充电桩系统方案。工作原理是将光伏电通过控制装置向汽车充电,如光伏电富裕,或通过储能蓄电池组把电能进行存储起来,或返送电网;如光伏电不足,再加入电网通过充电桩的输出装置或将蓄电池的电能传输到电动汽车内;例如在天气条件差太阳能发电不足以供给电动汽车充电时,通过电网供电来给电动汽车充电。
供电控制单元包括电网供电系统以及太阳能发电模块同时为充电桩提供电能,此外电网,光伏发电和蓄电池模块通过联动起到对电网进行削峰填谷的作用;充电系统由充电机单元,人机交互单元组成。充电机和人机交互是实现电动汽车充电的基础,供电控制是系统的重要组成部分。光伏充电桩的逻辑框图如图 2-2 所示。

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2.2 光伏充电桩场地选择与建造
光伏充电桩场地的选择需要兼顾多方面的影响,首先就是要设立在有电网建设的区域,这样才可以通过电网对充电桩进行电能的输入,同时可以将太阳能发的电能并入电网;然后就是要考虑环境对太阳能发电的影响;再者就是根据当地电动汽车的数量确定充电桩的建设规模和覆盖范围。
光伏充电桩的本质就是充分利用我国丰富的太阳能资源来实现人们绿色出行,节能减排的,所以光伏充电桩要选择建造在露天场所,所以可以选择建在露天停车场,路边的公共停车位等。
目前市场主流太阳能构件分为三类,单晶硅,多晶硅,非晶硅太阳能板等。
充电桩的建造要充分利用地理优势,选用光照较好且方便交通运行的地区进行充电桩的建造,将光伏+车棚+充电桩的结合做到 1+1+1>3 的效果。结合光伏建筑一体化的策略,将绿色环保,可持续的光伏充电桩进行效益最大化。
光伏充电桩与传统充电桩大体上是一样的其关键是由两大部分构成:一是充电桩管理系统,对所有的充电桩进行统筹管理;二是充电桩控制系统,主要实现单个充电桩的各项功能需求。所以在设计思路上两者并无太大的区别,针对两者之间的特点和不同之处进行以下介绍。
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第三章 光伏充电桩有源滤波系统设计与仿真.................................. 13
3.1 滤波方式的选择............................................ 13
3.2 有源滤波系统工作原理................................ 13
3.3 有源滤波系统设计...................................... 15
第四章 光伏充电桩控制系统设计.............................. 26
4.1 控制系统组成简介............................................... 26
4.1.1 主控制器的选择........................................... 26
4.1.2 STM32F103 的硬件结构..........................27
第五章 光伏模块及其工作原理................................ 42
5.1 光伏发电模块.................................................. 42
5.1.1 太阳能电池的工作原理....................................... 42
5.1.2 光伏电池 MPPT 控制策略....................................43

第六章 充电桩充电控制系统软件设计

6.1 软件需求分析与总体设计方案
6.1.1 软件需求分析
(1)设计触摸屏的人机交互界面,实现触摸屏与 MCU 之间的通信,将 MCU 采集的相关信息进行显示,并且使 MCU 能接收来自用户操作触摸屏时产生的按键信息。
(2)定义 M1 卡的数据格式和内容,读取卡内信息,并执行充电前的身份验证,是否可充电判断,充电中的充电锁定,充电后的费用结算和卡的解锁[61]。
(3)驱动有方 N10 网络通信模块,建立充电桩与阿里云服务器的连接,将充电信息和用户数据上传至云端,并接受用户的远程参数设置与充/断电控制指令。
(4)建立与智能电表的通信连接,获取充电电能,电压,电流等参数。
(5)检测充电接口的 6 种充电状态,按照控制导引时序进行充电控制。
(6)对充电枪触头温度进行采集。
(7)将谐波与无功电流检测算法,滞环控制和 PI 控制法写进 MCU,实现指令电流的计算与跟踪功能。
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第七 章 总结与展望

7.1 本文总结
本文结合当前新能源发展的需求和电动汽车行业的快速发展,结合二者之间的联系,对光伏充电桩这一课题进行了调研与研究。文章主要介绍了光伏充电桩的功能原理和系统构成,设计了基于 STM32F103 单片机的交流充电桩控制系统,并给出了各功能模块的硬件设计方案,工作内容如下:
(1)阐述了课题来源背景和研究意义,分析了国内外电动汽车以及充电桩的研究现状以及确定论文主要研究内容
(2)全面分析了充电桩需要实现的功能以及各种技术要求与环境要求,针对光伏充电桩分析了其特殊性,并将其与传统充电桩进行了对比,根据其特点完成了系统的总体设计。
(3)为解决充电桩对电网的谐波污染问题,设计了并联型有源滤波系统,系统选用基于瞬时无功功率理论的 ip-iq 检测算法,使用滞环控制法对谐波与无功电流 进 行 跟 踪 控 制 , 使 用 PI 控 制 对 直 流 侧 电 容 进 行 稳 压 控 制 , 最 后 在MATLAB/SIMULINK 软件平台搭建了有源滤波系统的仿真模型,验证了其谐波检测算法和电流跟踪算法的可行性。
(4)完成了系统底层硬件模块的设计,包括控制导引电路的工作原理分析介绍,并通过仿真验证了控制导引电路的可行性;人机交互模块,工作电源模块的设计;以及系统中各类传感器的选型以及功能实现。最后,对系统中的主要部分硬件电路进行了分析介绍。
(5)针对光伏部分进行了设计与分析,根据光伏元件的工作原理提出了基于电导增量方法的 MPPT 控制策略。对传统的 MPPT 控制策略进行了分析与介绍,并通过 Matlab 软件进行了 MPPT 策略的选型与仿真对比,验证了基于电导增量方法的 MPPT 控制策略的优越性;对光伏板的安装进行了简要分析,根据当地的地理位置以及太阳辐射仿真分析完成光伏板的最佳安装方式的选择。
(6)完成了整个系统的软件开发,主要包括信息的采集与通讯,云平台的连接等内容。完成了人机交互页面的设计,实现了充电桩与阿里云平台进行通信,建立连接,以及发布和订阅数据。
参考文献(略)

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