220V光伏单相离网逆变器设计Word文档格式.docx
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太阳能发电，属于清洁能源，既不会产生温室气体排放，也不污染环境，是取之不尽用之不绝的可再生能源。
因此，天阳能发电系统设计，具有一定的实际意义，对学生应用所学的电力电子技术，自动控制技术，计算机控制技术等进行综合应用有很好的训练作用。
1、对太阳能发电系统进行研究，对其发电能量的利用进行充电控制器的主电路进行设计。
2、对太阳能发电系统的单相逆变器主电路进行理论计算和设计
3、对太阳能发电控制电路进行理论计算和设计
4、对太阳能发电控制电路软件进行设计
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；
②独立解决实际问题的能力；
③研究内容的理论依据和技术方法；
④取得的主要成果及创新点；
⑤工作态度及工作量；
⑥总体评价及建议成绩；
⑦存在问题；
⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；
②基础理论及基本技能的掌握；
③综合运用所学知识解决实际问题的能力；
④工作量的大小；
⑤取得的主要成果及创新点；
⑥写作的规范程度；
⑦总体评价及建议成绩；
⑧存在问题；
⑨是否同意答辩等）：
评阅教师签字：
③工作量的大小；
⑤写作的规范程度；
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
摘要
本文对光伏离网并网发电系统都有了一定的分析和介绍，其中的几个关键问题比如主电路拓扑等问题，逆变器控制方面做出了分析和讨论，在此基础上构建了以DSP芯片TMS320LF2407A为核心的1KW单相离网220V逆变器设计。
主要内容如下：
1.对光伏电池的工作原理，输出特性进行了分析。
2.对最大功率跟踪控制（MPPT）的常用几种技术进行了分析。
并选择其中的电导增量法为课题中的控制方法。
3.对蓄电池的种类和充电方式进行了分析和选择。
4.对DC-DC直流转换的电路进行了设计，对逆变部分的电压外环电流内环的PI控制进行了分析，对逆变部分的采用的IPM模块PM50B4LB060进行了分析，并针对PM50B4LB060的电源电路和外围保护电路进行了设计。
5完成基于DSP芯片TMS320LF2407A的控制部分的设计。
关键词：
光伏发电；
电导增量法；
电压外环电流内环的PI控制；
DSP控制；
IPM模块;
MPPT
ABSTRACT
Inthispaper,andoff-gridphotovoltaicpowergenerationsystemhasacertainamountofanalysisandpresentation,inwhichseveralkeyissuesandotherissuessuchasthemaincircuittopology,theinvertercontroltotheanalysisanddiscussion,onthisbasistobuildDSPchipasthecoreTMS320LF2407A1KW220Vsingle-phaseoff-gridinverterdesign.Followingmajorelements:
1.Theworkingprincipleofphotovoltaiccells,theoutputcharacteristicswasanalyzed.
2.Tothemaximumpowertrackingcontrol（MPPT）ofseveralcommonlyusedtechnologiesareanalyzed.Andselectoneoftheconductanceincrementmethodfortheissueofcontrol.
3.Onthebatterytypeandchargingfortheanalysisandselection.
4.OntheDC-DCconversioncircuitdesign,thevoltageoftheinverterpartoftheinnerPIcurrentcontrolouterloopisanalyzedonthepartoftheadoptionofIPMinvertermodulePM50B4LB060wereanalyzed,andthepowerPM50B4LB060Protectioncircuitandexternalcircuitdesign.
5BasedonDSPChipTMS320LF2407Acompletecontrolofpartofthedesign.
Keywords:
Photovoltaicpowergeneration;
conductanceincrementmethod;
voltagecurrentoftheinnerouterPIcontrol;
DSPcontrol;
IPMmodule;
1绪论
1.1太阳能应用的背景
目前，世界能源结构中，人类主要利用的是化石能源，其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为41%、23%和27%而根据目前所探明的储量和消费量计算，这些能源资料仅可供全世界大约消费170年。
具体来说，石油将在40年内耗尽，天然气将在60年内用光，煤炭也只够使用220年。
由此可见，在人类开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期仅是一个不太长的阶段，化石能源被新能源取代是历史的必然。
因此，人类必须未雨绸缪，及早寻求替代能源。
同时我们也知道，化石能源的大量开发和利用是造成人类生存环境恶化的主要原因之一，如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生，全世界每天约产生1亿吨温室效应气体，如果不对温室气体采取减排措施，人们预计，全球平均气温每10年将升高0.2℃，到2100年全球平均气温将升高13.5℃，这将对人类生存空间带来极大的威胁。
21世纪，人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战，在有限资源和环保要求的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题，这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源。
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。
太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。
根据国际权威机构预测，到21世纪50年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13％～15％，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50％。
太阳能将成为2l世纪最重要的能源之一[1]。
所以，在能源需求急剧增加而其他能源日益紧张的背景下，太阳能作为一种取之不尽的、无污染的可再生能源已成为当今最热门的能源开发应用的课题之一，它也必将是21世纪最重要的能源之一。
因此对光伏发电设计具有巨大应用价值和现实意义。
1.2光伏发电应用现状和意义
1.2.1国内光伏发电应用现状
我国于1958年开始对光伏电池的生产和应用进行研究，1971年成功将其应用到东方红二号卫星上。
由于受到价格与产量的限制，市场发展很慢，太阳能电池的年产量一直徘徊在10Kwp左右。
除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统，如微波中继站、军队通信系统、铁路信号系统、小型户用系统及偏远地区的供电。
在1981年～1990年间，我国的光伏工业得到一定的巩固与发展，并在一些应用领域建立了示范工程。
同时，国家也加大了对光伏发电系统研究及生产的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条1Mwp的非晶硅电池生产线外，其余全部是单晶硅电池生产线，使我国太阳能电池的生产能力由每年的10KWp发展到4．5MWp售价也由80元／w，下降到40元／WP左右。
随着国家对产业的不断重视，我国光伏电池的总装机容量和生产能力有较大的提高，到2005年全国光伏组件装机量已达70MWp光伏电池的制造能力也已超过200Mwp，生产企业有十多家。
尽管如此，与世界光伏产业发达国家相比还有很大的差距，目前光伏应用比较广泛的国家光伏总装机容量已接近或达到500MW的规模。
我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW生产能力约为5-8MW，累计用量约为15MW，同国外相比有很大差距!
光伏发电产业生产规模小，水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其总体水平落后国外约15年。
我国“十五"
规划提出了解决600万人（即无电人口的10%）的用电问题等目标!
这给光伏发电产业提供了前所未有的市场和发展机会[2]。
我国光伏发电的重点项目：
（1）我国“光明工程”计划
由国家发展计划委员会牵头制定的“中国光明工程”计划，筹集l00亿元，计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的生活、边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站等用电问题。
使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平。
（2）深圳园博园光伏并网发电系统，该项目总投资750万美元，这是国内第一座MW级太阳能发电站。
是目前中国乃至亚洲最大的太阳能并网发电系统，发电能力约为100万千瓦。
该电站采用与市电并网形式。
投入使用以来共发电200多万度。
（3）京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统
2008年4月。
北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。
这是2008北京奥运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电。
这套光伏发电系统总投资约1000万元，总装机容量为100千瓦。
该太阳能光伏系统使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术。
可以就地安装、维护费用低。
该太阳能光伏发电系统安装在位于国家体育场鸟巢周围的5个安检棚顶部，每个安检棚为一个并网发电单元。
通过光伏并网逆变器与公共电网并接，实现了与公共电网的互联、互通和互补。
该系统发电除满足鸟巢检票系统的自身用电外，多余电力将并人国家体育场的电力供应系统。
按平均每天5小时光照时间计算。
这套光伏发电系统每天可为鸟巢提供520度绿色电力。
该系统将稳定运行25年，累计可生产约475万度绿色电力，可减排2500多吨废气．替代1500吨标准煤。
（4）上海十万个太阳能屋顶计划上海十万个太阳能屋顶计划研究，是在世界自然基金会和上海市经委的支持下。
由上海交通大学太阳能研究所承担的太阳能应用项目课题，总投资近百亿元。
上海计划利用十年的时间，将现有2亿平方米平屋顶的1．5％，约300万平方米，即十万个屋顶用作太阳能发电。
相当于新建一个30万千瓦的电站，而且是峰值发电。
在1000瓦，平方米标准日照条件下安装太阳能屋顶，可发电130~180千瓦时，平方米。
按上海地区标准日照时间1100~1300小时／年计算。
每年最低发电量可达143千瓦时，平方米．每年至少发电3．3亿度。
（5）其他建设项目
西部7省无电乡村通信工程项目、无锡国家工业设计园300千瓦屋顶并网光伏系统、上海崇明岛生态公园85千瓦屋顶光伏系统、香港湾仔政府大楼屋顶光伏系统、广州十万个光伏屋顶计划、乌拉特后期1MW沙漠太阳能光伏并网电站，该电站将是目前国内最大的沙漠太阳能光伏电站。
1.2.2国外光伏发电发展现状
20世纪80年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、物力
开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和利用工作。
并制定相应的光伏发电系统的发展计划。
1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划"
。
1998年进一步提出10万套屋顶计划。
日本政府1994年开始实施“朝日七年计划”，总容量185WMp，1997年又宣布实施“七万屋顶计划”，总容量280MWp。
意大利1998年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量50MWp，在这类系统中，规模最大的是1997年6月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到2010年将安装101．4万套光电系统，总安装量3025MWp。
表所示为2000～2004年五年内世界光伏器件的年产量数据，从中可以看到近五年光伏产品需求的强劲上升势头，年平均增长率超过50％。
充分说明了该产业的迅猛发展态势。
美国能源部预测，在今后十年内世界太阳电池销售量将以年均30％的速度增长，到2010年将达到4．6GWp，累计容量将达到20GWp[6]。
近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装容量达2826mwp，其中德国约占47%，西班牙约占23%，日本约占8%，美国约占8%。
2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。
除此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使得该产业规模不断扩大。
虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。
日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。
2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。
2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策续延2-6年[3]。
通过上面的叙述，可以看出，在能源日渐紧张的情况下，太阳能不仅仅是现在能源发展的一种趋势，还是未来能源发展的主要部分，在环境和经济的情况下看，光伏发电技术是新能源技术的重要组成部分，是正在发展着的高新技术。
在国家能源政策的引导下，随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能光伏发电系统性能价格比的提高，太阳能资源的开发及应用前景将是十分广阔的。
光伏发电技术也是具有很大的意义。
1.3本课题研究的内容
本课题为1KW单相离网220V逆变器设计，为小功率的一个发电系统，是家
用型的一个光伏发电系统，根据所给的课题，主要是针对逆变器及其控制系统的设计。
第一部分：
根据太阳能电池板输出功率1KW来进行蓄电池和太阳能电池的选择。
以及充电方式和控制方式。
第二部分：
选择DC-DC、DC-AC部分的主电路拓扑。
第三部分：
逆变器选用的是IPM模块，控制系统是基于DSP的控制。
IPM模块选用的是PM50B4LB06，DPS选用的是TMS320LF2407A。
1.4本课题结构
第一章：
阐述选题背景，课题研究的目的和意义，以及国内外光伏的发展现状及本课题研究的主要内容；
第二章：
简单的阐述了光伏发电系统的基本组成。
第三章：
简要的阐述太阳能电池的工作原理，以及其控制方式。
第四章：
简单的阐述了蓄电的分类和充电方式。
第五章：
阐述了DC-DC，AC-DC部分的电路拓扑以及控制方式。
以及IPM模块的简单介绍。
第六章：
对本课题中使用的蓄电池和光伏电池进行了选择
第七章：
对设计的硬件系统部分进行设计，对使用的技术参数进行了计算确定。
第八章：
简述了系统软件的构架。
第九章：
总结了在本次设计中得到的成果以及系统的不足，以及整个系统的发展前景。
2光伏发电系统的基本组成和工作方式
2.1光伏发电系统的基本组成
（1）光伏电池阵列：
光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小，最大输出功率不超过5Wp，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串并联后统一封装构成光伏模块（PhotovoltaicModule—PV），这是目前光伏器件的主要存在及应用方式。
因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中200Wp以上的光伏模块更受欢迎。
如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列（PVArray）为系统提供更高的输出功率和输出电压[5]。
（2）直流变换部分（DC-DC）：
直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和逆变器要求的电压等级。
同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟（MaximumPowerPointTracking—MPPT）问题。
如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。
为此，控制系统除了完成对DC-DC变换和DC-AC变换所需的基本控制外，还需在DC—DC变换环节中增加MPPT控制，以实现光伏阵列的最大功率输出。
（3）逆变部分（DC-AC）:
光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在内的许多用电场合需要交流电，所以（DC-AC）逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。
它的功能是受控制系统控制，从而将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。
该环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。
目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上有较大的差距。
（4）储能部分：
光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚上，所以蓄电池可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可作为交流电网断电时的不间断电源（UPS源（uninterruptiblePowerSupply）为本地重要交流负载供电。
这种包括蓄电池作为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏发电系统”。
如图2-1所示：
图2-1可调度式光伏发电系统
还有一种不含蓄电池的发电系统，这种系统称为“不可调度式光伏发电系统”。
如图2-2所示：
本课题主要讨论并实现的对象是对“可调度的光伏并网发电系统”。
图2-2不可调度式光伏发电系统
2.2光伏发电系统的工作方式
光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大
小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运行模式三种[4]。
1独立运行方式：
光伏发电系统的“独立运行模式”是指远离电网的光伏发电系统。
它通常用作便携式设备的电源，向远离现有电网的地区和设备供电或者用于任何不想与电网发生联系的供电场合。
该系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可缺少的，它将日照时发出的剩余电能存储起来供日照不足或没有日照时使用，所以它属于
可调度光伏发电系统。
如图2-3所示。
图2-3独立运行方式
本人设计的主要方式为独立运行方式，在后面的章节中会有具体的阐述。
2并网运行方式：
在公用电网的场合，光伏发电系统可直接与电网连接，在系统容量足够大和日照强度较大时，可将多余的电能回送给电网。
所以该系统对应的逆变器所输出的交流电要求满足并网的条件。
如图2-4所示。
图2-4并网运行方式
3混合运行方式：
混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。
较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图2-5所示。
图2-5混合运行方式
在通常情形下，白天日照强，夜间风多；
夏季日照强、风小；
冬春季日照强度小而且风大。
显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显见：
利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；
在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；
对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须启动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效益。
但是，风/光互补联合发电系统存在：
一次性投资较大，并需定期更换蓄电池等缺点。
3太阳能电池和MPPT控制
3.1太阳能电池的工作原理
在自然界中，物体根据其导电能力和电阻率的大小分为导体、绝缘体和半导体三类，其中把电阻率在10e—3～10e+8Ω。
cm左右的称为半导体。
半导体有许多的特性如掺杂特性、热敏特性、光敏特性等，这些特性在现代电力电子技术中已得到极为广泛的应用。
除此之外，半导体还具有很强的光伏效应[1]。
光伏效应是指当物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子的分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。
光伏电池是以半导体PN结上接受太阳光照射产生光生伏特效应为基础，直接把光能转换成电能的能量转换器。
当光照射到表面时，部分光线被其表面反射，对发电不起作用；
部分被电池吸收，给电池加热，产生电池的温升；
其它部分太阳光进入半导体内部，冲击N区和P区的价电子，使其得到超过禁带宽度Eg的能量，从而脱离共价键的束缚，形成非平衡状态的电子一空穴对。
这些被激发的电子一空穴对，部分复合后对外不显电性，属于光伏电池能量损耗部分；
剩下部分处于非平衡状态的电子一空穴对，在原PN结垫垒电场的作用下，把P区的光生非平衡少子电子拉入N区，同样把N区的光生非平衡少子空穴拉入P区，从而形成一个与原垫垒电场Ei方向相反的光生电场Epv，如图3-1所示：
图3-1光伏电池的机理图
当光伏电池的外部与负载接通后，就会形成电流，电流方向由电池的外部从P区流向N区。
这就是光伏发电的基本机理[7]。
光生电压可以由式3-l[7]给出，从式中可以看出，PN结的饱和电流越小，光生电压Upv就越大。
（3-1）
（3-2）
式中：
K——波耳兹曼常数
T——电池绝对温度
q——电子电量
Jpv——光生电流密度
Jsat——二极管反向饱和电流密度
J一一负载电流密度
Upv——光伏电池端电压
3.1.1太阳能电池的V-I特性
为了更好地描述光伏电池的输出V—I特性，图3—2给出了实际使用的单个光伏电池的等效电路模型。
在该模型中，光伏电池相当于一个电流为Ipv的恒流源与一个正向二极管并联。
图中的RS为串联电阻，该值较小，理想状态下可以等效为0；
RSH为旁路电阻，阻值相对较大，理想状态下为无穷大。
实际上希望RS尽可能小，而RSH尽可能的大。
图3—2单个光伏电池的等效电路图
根据图3--2等效原理图，可以求出单个太阳能电池的V--I特性方程：
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