具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究

从提高户用光伏系统蓄电池寿命和系统性能出发，设计出一个户用光伏充电系统。在这个充电系统中，提出了采用具有太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)功能和蓄电池充电电压温度补偿功能相结合的充电控制方法。实验和模拟仿真证明，系统实现了对太阳能电池的MPPT控制和对蓄电池充电的温度补偿。     

光伏并网发电系统的MPPT-电压控制策略仿真

在配电网络的末端,负载的无功波动将会对电网供电电压产生较大的影响,对光伏发电系统并网处系统侧的交流电压进行控制,可以提高系统的电压水平。根据光伏并网系统的结构,采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。通过abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量,引入最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量,引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量,实现了具有MPPT和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。仿真结果表明MPPT-电压控制策略既能够实现光伏并网的最大功率点跟踪,也能够控制光伏发电系统接入点的交流电压,进一步提升了光伏并网发电系统的应用前景。     

基于模糊双曲正切模型的车辆路径跟踪算法

为了实现铰接式车辆无人驾驶技术。针对路径跟踪问题,该文提出了基于模糊双曲正切模型的铰接式车辆路径跟踪控制算法。首先根据实地试验测得铰接式车辆的横向偏差、横向偏差变化率、航向角偏差、航向角偏差变化率和转向角的样本数据,建立其模糊双曲正切模型。在此基础上,采用改进的自适应反向传播(back propagation,BP)神经网络对模型进行参数辨识,并推导了基于Cauchy鲁棒误差估计器的权系数调解率公式。然后设计基于极点配置方法的控制器,得到转角的反馈控制率。从试验数据可以看出:车辆横向位置偏差、航向角偏差、转角控制量分别控制在0.008 m、0.07 rad(0.5°)、0.21 rad(12°)附近,各向偏差均稳定,误差控制在1%以内。该种路径跟踪控制算法的研究可为铰接式车辆无人驾驶提供参考。     

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

线性时变模型预测控制器提高农业车辆导航路径自动跟踪精度

为提高农业车辆导航路径自动跟踪精度,提出一种基于线性时变模型预测控制的路径跟踪方法。该方法将农业车辆非线性运动学模型线性化和离散化处理,作为控制器预测方程;建立以系统控制增量为状态量的目标函数,为防止无可行解,引入松弛因子;设计系统控制量、控制增量和状态量约束条件,并将目标函数求解转为带约束的二次规划问题;采用内点法进行求解,将求得的控制输入增量第一个元素作用于系统;重复以上过程,实现优化控制。基于Matlab/Simulink平台进行了模型预测控制器设计,并分别进行了导航坐标系下的直线和圆形路径跟踪试验。结果表明,所设计的控制器能够实现直线路径的完全跟踪(误差始终为0);跟踪圆形路径时,1 m/s时的横向平均跟踪误差为7.5 cm,3 m/s时的横向平均跟踪误差为10 cm;整个跟踪过程,前轮转角始终被限定在约束范围内。不同控制器参数下的仿真结果表明,增大预测时域和控制周期能够减小跟踪误差和前轮转角变化幅度,控制时域的变化对控制器路径跟踪响应速度影响较小。同时基于设计的模型预测控制器进行了场地试验。结果表明,试验小车以1m/s的速度跟踪直线路径时,横向最大误差均值为1.622 cm,横向平均误差均值为0.865 cm;跟踪圆形路径时,当行走速度低于1 m/s时,横向最大误差小于10 cm。     

基于离散时间纹波控制的太阳能最大功率点跟踪算法

为了提高光伏太阳能转换率,拓展传统纹波控制技术的应用,该文提出了离散时间纹波控制算法,通过对纹波控制技术的离散化处理,将最大功率点跟踪控制问题转换为离散采样-控制问题。以太阳能板输出电压为状态量,在其处于极大值和极小值时对系统进行采样;随后采取离散时间纹波控制算法使系统快速追踪到系统的最大功率点。该文在Simulink系统中对离散时间纹波控制算法进行了仿真。仿真结果表明,在1 000和200 W/cm2,25℃的条件下,算法均可以快速准确地追踪到太阳能系统的最大功率点,追踪精度高达96%;在外部环境由1 000变为200 W/cm2时,系统能够在0.1 s内准确地追踪到新的最大功率点。     

基于电动方向盘的拖拉机自动导航转向控制方法

为提高轮式拖拉机自动导航过程中转向控制的精度与稳定性，该研究以雷沃欧豹M704-2H拖拉机作为试验平台，采用电动方向盘作为转向执行机构，分析转向机械间隙对控制精度的影响，针对转向间隙特性设计转向控制算法。首先，为了获得准确的转向角，利用GNSS(global navigation satellite system)与二轮车模型快速标定虚拟轮转角，标定结果表明：虚拟轮转角的最大误差为1.3°，平均误差为0.11°。然后，对转向系统的机械间隙进行分析，设计一种带有间隙补偿的模糊PD(proportional derivative)转向控制算法，并在Simulink中验证算法的可行性。实车试验结果表明，该算法跟踪方波转角信号的响应时间为1.1 s，最大稳态误差为0.65°，平均稳态绝对误差为0.132°。跟踪正弦波转角信号的平均延时为0.5 s，最大误差为1.91°，平均绝对误差为1.09°。与无间隙补偿算法相比，有间隙补偿算法跟踪方波信号最大稳态误差减小了0.022°，平均稳态绝对误差减少了0.112°，角度误差在±0.2°内的时间提升了71%；跟踪正弦波信号最大误差减小了0.68°，平均绝对误差减小0.23°。田间直线导航转向控制试验结果表明，转角跟踪的绝对平均误差为0.61°，最大跟踪误差为2.82°，转向控制跟踪精度较高，稳定性好，满足导航作业需求。     

基于预瞄模型的农机路径跟踪预测控制方法

为了提高农机路径跟踪系统控制性能对作业速度变化的适应性,该研究提出一种基于预瞄运动学模型的快速预测控制方法。采用预瞄跟随理论建立预瞄航向误差模型,并将其作为输出方程与路径跟踪误差常规状态方程联立,构建预瞄运动学状态空间误差模型,进而运用模型预测控制算法与输入参数化衰减策略设计路径跟踪控制律。仿真试验结果表明,在不同作业速度下,预瞄模型预测控制器的直线路径跟踪横向误差均渐近趋于0,行驶曲线均无超调;当作业速度为1、3与5 m/s时,预瞄模型预测控制器的圆形路径跟踪横向最大绝对误差分别为8.52、10.42和10.82 cm,标准差分别为3.96、5.83和6.17 cm;当控制时域为10、30与60时,预瞄模型预测控制器的运算周期相对常规模型预测控制器分别减小7.5%、43.0%和48.5%;与常规模型预测控制相比,预瞄模型预测控制能够在确保路径跟踪系统控制精度的同时有效改善系统的动态性能和提高系统的实时性,使不同作业速度下的跟踪效果更加均衡。田间测试结果表明,在0.5～5 m/s作业速度范围内,预瞄模型预测控制器对作业速度变化具有较强的适应性,能够使农机快速平稳地跟踪参考路径并具有较高的控制精度,其直线路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于5.5 cm、标准差均值小于2.5 cm,圆形路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于15.5 cm、标准差均值小于8.5 cm,跟踪效果满足农机实际作业要求,适于复杂作业环境或高速作业场合。     

基于最大功率点与最小损耗点跟踪的光伏水泵系统效率优化

太阳能光伏电源是一种非常有潜力的再生能源,但应用成本高、投资回报率低是当前制约独立光伏水泵系统在光照充足的农村地区大面积推广的瓶颈之一。该文研究工作的核心是优化光伏水泵系统、提升效率,在不增加硬件投入的前提下,一是利用一种最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）算法优化光伏转换效率,二是在异步电动机的损耗方面优化进而提升效率,利用一种最小损耗点跟踪（minimum loss point tracking, MLPT）算法提高水泵用异步电动机效率,并且将MPPT与MLPT耦合。通过样机试验验证了优化策略的实际运行情况,其节能效果具有一定的实际意义,从而可有效提高投资回报率。     

机电式流量阀的模糊控制实现与测试

为在线混药式变量喷雾农药流量检测设计一种机电式流量控制阀和流量控制系统。采用模糊控制算法,依托STC12C5410AD单片机实现对农药流量的模糊控制。对所设计的系统进行静态跟踪测试和动态响应测试,静态跟踪误差为±3.0%;初始流量为1.5 mL/s,目标流量为3.1 mL/s,阶跃响应曲线上升时间为0.35 s,绝对稳态误差为 ±0.1 mL/s,相对稳态误差在±3.2%以内。测试结果表明该流量阀采用模糊控制,其控制性能,超调量、响应时间和稳态误差能达到变量喷雾的要求。     

热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率

为解决光伏电池板接收太阳辐射发电时板面温度上升导致光电转换效率下降的问题,该文通过温差发电技术对光伏电池板进行主动冷却;同时为解决温差发电技术因温差较小时热电转换效率低下的问题,引入热开关对装置进行控制,并采用扁平热管作为传热单元,利用水对流为系统进行冷却。为测试基于热开关的光伏/温差联合发电装置的性能,分析了不同光辐射强度、不同板面温度、以及不同冷端温度对系统的影响,并搭建试验平台,对联合发电装置进行试验研究。结果表明,装置联合发电效率高于单独一种发电方式的效率,实现了能量的梯级利用。在对装置进行瞬时性能测试期间,发电效率最高达到19.45%,发电功率最大达到32.15 W。在6 d全天性能测试期间,联合发电装置的平均发电效率为17.72%,最高可达18.37%。所获电能基本可以满足农业温室大棚检测系统、远程传感器的供电要求。     

太阳能硅光电池最大功率点跟踪算法的仿真及试验

目前,中国的太阳能光伏发电应用已渗透到工、农业生产的各个领域。由于太阳辐射的波动性和随机性,太阳能硅光电池的光电转换效率并未得到最大化利用,波动引起的系统运行状态的瞬时变化也容易对作业设备造成一定损耗。为解决这一问题,本研究选取常用的太阳能硅光电池为研究对象,提出一种基于扰动观察的太阳能硅光电池最大功率点跟踪检测算法并应用于太阳能发电装置,通过与传统工作方式进行对比试验,试验结果表明采用该方法电能输出功率提高11%,较好地抑制了电能输出的波动性。     

基于环境因素与模糊识别的太阳自动跟踪控制策略

提高太阳自动跟踪控制系统的运行稳定性和跟踪精度,需要考虑外界环境因素对系统的影响及选择适当的跟踪方式。目前,太阳自动跟踪系统普遍采用光电跟踪和程序跟踪相结合的混合跟踪方式,将光强值与光强阈值的差值作为切换跟踪方式的依据。当光强值趋近光强阈值时,会造成跟踪方式频繁的切换,该文针对该问题,以外界光强大小、光强变化和风速大小为特征目标,利用MATLAB中的模糊识别方法归类总结了天气情况和系统运行情况,建立了一种基于环境因素判断的模糊识别系统,通过仿真验证,得到了天气类型和系统的运行情况,仿真结果完全符合推理条件,并与计算所得结果基本一致。该研究为太阳自动跟踪系统的启停和跟踪方式的切换提供了可靠的理论支持,且具有较高的实用性和可行性。     

基于微热管的局部阴影下光伏-热电耦合系统的性能分析

光伏-热电耦合系统由于光伏电池受到局部阴影遮挡的影响,导致光伏电池温度不均衡以及热电受热不均匀,降低了光热联合发电系统的输出功率。该研究以微热管作为导热元件并设置温度控制装置,制成光热联合发电组件,解决由于阴影遮挡光伏电池而引起的光伏电池温度不均匀以及热电系统受热不均匀的问题,提高联合发电系统的输出功率。试验表明：当阴影遮挡光伏板的面积为光伏板总面积的10%,热端口热量流速为0.012 4 m/s,冷端的水流速为0.013 5 m/s时,光伏电池阴影区与非阴影区的平均温度差约为274.15 K,光伏输出的平均功率提高18.79%,热电输出的平均功率提高1.92%,为光热联合发电系统的进一步研究提供参考依据。     

PV-PCM-TE系统设计及电热性能分析

光伏温差混合发电系统（Photovoltaic-Thermoelectric,PV-TE）温度随辐照度变化而波动,对系统的太阳能利用率产生较大的影响。将相变材料（Phase Change Material,PCM）加入PV-TE系统,设计基于相变材料的光伏温差混合发电系统（Photovoltaic-Phase ChangeMaterials-Thermoelectric,PV-PCM-TE）,通过相变材料的相变潜热特性提高系统在辐照度变化下的稳定性。该文分析了系统内部能量传递与转换过程建立数学模型,搭建试验平台测试PV-PCM-TE系统性能。试验结果表明,在辐照度最高的11:00-14:00期间,光伏电池的最高温度基本维持在相变材料的相变温度,使系统在适宜的工作温度下运行;冷却系统采用水冷,冷却效果优于自然风冷,系统接触面选用高导热率材料减小接触热阻提高系统发电效率;PV-PCM-TE系统相比PV-TE系统,电效率与电功率分别增加了1.05%和16.21%,全年测试期间PV-PCM-TE系统最大电效率为22.28%,最大热效率为32.55%,最大?效率为27.32%。系统所获电能可为现代农业温室环境监控系统、照明系统供电,并为植物生长提供部分热能。     

基于微热管阵列的太阳能温差发电系统优化

温差发电技术因为具有无噪音、无污染物排放、体积小、质量轻等优点,是当今社会能源利用的科学研究热点,但其输出功率过低,传热效果较差仍是很大的问题。该文将微热管应用于低温下的太阳能温差发电中,对温差发电的系统设计进行优化,对其光热输出功率、热电输出功率较低的问题进行改善,通过采用PLC的双轴跟踪和黑铬镀金膜,将太阳能吸热能力提高了5.32%,同时在传热与散热过程中采用液态金属填充硅脂,让微热管阵列在太阳能温差发电传热过程中减少热损失,让光热平均的输出功率提升2.21%,在热电转换过程中,通过采用变长式电导增量法的MPPT,改善功率输出不稳定,精准度不高的问题,总体的光电输出功率可达到28.32 W,较之前相比光电输出功率提高了5.19%,通过对太阳能温差发电系统的追踪优化和传热结构的改善,完善了光伏板在农业上的应用。     

聚光太阳能光伏/温差热复合发电系统设计与性能测试

针对现代温室用电成本高、太阳能利用效率低及余热能量浪费的问题。论文探究了光伏温差混合发电的机理,设计了一种聚光太阳能光伏/温差复合发电系统,该系统利用抛物型聚光器进行聚光,采用三角形热管对光伏电池热量进行传递,完成了以下目标:光伏电池的一部分热量通过温差电池实现二次发电;另一部分通过热管内水对流将多余热量传递到储热箱进行热利用。为测试该复合发电系统电/热性能,建立了电/热数学的模型对系统的能量转换进行分析,并进行试验,得出全年四季不同光辐射强度、冷却水流量对系统的影响。冬季测试期间电效率最高达到20.98%,热效率达到39.81%,?效率达到32.5%。结果表明,该系统与无聚光光伏温差混合发电系统相比效率较高且稳定。所获电能可为温室内环境监控、照明系统供电,并能为作物生长提供部分热能。