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太阳能光伏发电系统论文
太阳能光伏发电系统
摘要
本系统采用C8051F020为控制核心，实现了模拟太阳能光伏发电系统的功能。
该系统主要通过太阳能储蓄电能，通过正弦波脉宽调制技术（SPWI）控制全桥逆变将直流电变为交流电，再经过变压器将电压变为所需的电压。
该系统具有最大功率追踪（MPPT）,输岀电压与给定参考电压频率、相位同步，欠压、过流保护，欠压保护的自动恢复等功能，且具有LCD屏幕显示功能。
关犍词：
C8051F020SPWMMPPT欠压过流保护
Abstract
ThissystemusesC8O51F020simulationofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemtocontrolthecorefunctions.Thesystemismainlyelectricitythroughthesolarsavingsbysinusoidalpulsewidthmodulation（SPVCM）controlfull-bridgeinverterdirectcurrentintoalternatingcurrent,andthenthroughthetransformervoltageintotherequiredvoltage.Thesystemhasthemaximumpowerpointtracking（MPPT）,outputvoltagewithagivenreferencevoltagefrequencyandphasesynchronization,undcn^oltagc,ovcrcurrcntprotection,undcnrokagcprotection,automaticrecover}-,andtheLCDscreendisplay
Keywords:
C8051F020SPVCMMPPTUnder-voltageover-current
protection
前言1
第1章总体设计方案3
1.1PC—AC逆变驱动方案3
1.2显示模块的选择4
1.3MPPT控制方案6
1.4输入电压采集模块6
1.5模数转换芯片AD的选择7
第2章硬件系统的设计8
2.1系统整体原理框图8
2.2系统各模块的设计及参数计算8
2.2.1控制器8
2.2.2MPPT的控制方法与参数计算10
2.2.3同频、同相的控制方法与参数计算11
2.2.4提高效率的方法11
225滤波参数计算12
2.2.6全桥逆变电路12
2.2.7开关管3区动电路13
2.2.8电压信号调理电路14
2.2.9电流信号调理电路15
2.2.10显示电路16
第3章系统软件设计19
3.1ADCO的使用21
3.1.1ADCO使用出现的问题21
3.1.2ADCO使用注意事项21
3.1.3APCO通道输入保护22
3.1.4ADCO使用总结22
第4章系统测试23
4.1测试方案与测试结果23
4.2测试仪器24
结束语25
谢辞26
参考文献27
二厶—
冃I」§
尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。
在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。
光伏发电就是其中之一。
虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。
到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。
我国光伏产业正以每年30%的速度增长。
最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。
按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，201（）年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW（15OO万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%）,至203（）年全球光伏发电装机容量将达到300GW（届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元），至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-2（）%。
按此计划推算，201（）-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上（参看资料：
15）。
其中并网应用会有较大的发展,从而形成并网发电（约46%）、离网供电（约27%）和通讯机站（约21%）3个主要应用领域（参看资料：
16）。
太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。
并不象有些文章中所说的那样巨大。
例如，当我们在在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。
除建筑物和荒漠外,在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。
这不仅仅是因为成本巨大的原因，问题是显而易见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。
总之，节能降耗是人类的一个永恒话题。
从某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。
岀国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-3（）年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。
新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。
当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。
任何事物总是具有两面性。
目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势,这里有必要指出光伏发电的一些局限性。
太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。
光伏发电的局限性包括以下几个方面：
1.时间周期局限。
由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。
因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。
为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。
2.地理位置局限。
光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。
如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或音破坏环境和生态。
3・气象条件局限。
气候对光伏发电影响。
采用光伏并网发电无蓄电池方案
时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动；当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。
4.容量传输局限。
在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。
不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1,2,3的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。
下面将会讨论这个问题。
5.光能转换效率偏低。
和传统能源（矿物能源，石油，水能，原于能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。
进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。
从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。
不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充,在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护&能源战略上都具有重大的意义。
光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：
1.充分的清洁性。
（如果采用蓄电池方案，要誇虑对废旧蓄电池的处理）
2.绝对的安全性。
（并网电压一般在220V以下）
3.相对的广泛性。
4.确实的长寿命和免维护性。
5.初步的实用性。
6.资源的充足性及潜在的经济性等。
青岛大学本科生毕业论文（设计）
第1章总体设计方案
系统包括模拟光伏电池、DC-AC变换电路、驱动电路、欠压过流保护、电压电流采样电路、系统状态显示等几个主要部分。
全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节SPVHM波的调制比实现MPPT控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。
当系统检测到输入欠压或输岀过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实自动恢复正常工作状态的功能。
输入
欠压过
SPWM
电压采样
流保护
波驱动
输出电压电感电流采样
系统主要涉及以下几部分器件的选择:
（1）DC—AC逆变驱动方案
（2）显示模块的选择
（3）MPPT控制方案比较
（4）输入电压采集模块
（5）模数转换芯片AD的选择
1.1DC—AC逆变驱动方案
方案一：
用PSP或FPGA产生SPWM信号驱动半桥或全桥式PC-AC变换器，经输出LC滤波后得到逆变信号。
此方案的缺点在于SPWM控制为开环，在功率电源和负载变化时难以保重波形的失真度满足题目要求。
方案二：
采用硬件技术，分别产生三角波和正弦波，用以产生SPWM波形。
此方案设计思路简单，实现的SPVCM波形占空比从（）到100%可调，但是该方案实现复杂。
方案三：
使用8位单片机C8O51F020
它是SiliconLaboratories生产得一种完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，（C8051F020）是一种增强型得51单片机系列。
它具有高速、流水线结构的8051兼容的C1P-51内核（可达25MIPS）,,高速、非侵入式的在系统调试接口（片内）,真正12位（C8051F020）lOOksps的8通道ADC,并且片内的ADC可以实现单端输入或者是差分方式，这样就可以很方便的采集到电压差。
带PGA和模拟多路开关，真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关，两个12位DAC,具有可编程数据更新方式，64K字节可在系统编程的FLASH存储器,4352（4096+256）字节的片内RAM,可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的SPKSMBus/I2C和两个UART
串行接口，5个通用的16位定时器，具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器，具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。
综上所述：
C8（）51F（）2（）能产生所需的SPWI波形驱动所需的电路而且本系统就是利用C8051F020作为控制器，故选用方案三。
1.2显示模块的选择
图形点阵液晶显示模块具有信息丰富（可显示汉字、字符、曲线、图形）、功耗低、体积小、质量轻、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点，因而是单片机系统理想的显示器件。
而我们采用的OCM4X8C是128X64点阵的中文图文液晶显示器模块。
该模块的内部由于含有国标一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，该模块的硬件接口与单片机的硬件接口电路教为简单。
OCM4X8C主要特点及引脚定义如下。
OCM4X8C是具有串/并接口，具内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。
该模块的控制/驱动器采用台湾矽创电于公司的ST7920,因而具有较强的控制显示功能。
OCM4X8C的液晶显示屏为128X64点阵，可显示4行、每行8个汉字。
为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM,该字型ROM中含有8192个16X16点阵中文字库；同时，为便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb的16X8点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形,提供了一个64X256点阵的GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型,
提供了4组16X16点阵的造字空间。
利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。
为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。
该模块具有2.7〜5.5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。
液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系统电源设计。
模块同时还提供LED背光显示功能。
除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直回面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。
OCM4X8C具有串/并多种接口方式，方便了模块与各种单片机、微处理器的连接。
第一种，4/8位并行接口方式。
当模块的PSE脚接高电平时，模块即进入并行接口模式。
在并行模式下可由功能设定指令的“DL”位来选择8位或4接口方式，主控制系统将配合“RS”、“RW”、“E”DEO〜DB7来完成指令/数据的传送，其操作时序与其它并行接口液晶显示模块相同。
第二种，2/3线串行接口方式。
当模块的PSE脚接低电平时，模块即进入串行接口模式。
串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成2线串行模式。
OCM4X8C还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。
此时，要利用片选端“CS”构成3线串行接口方式，当“CS”接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。
通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“CS”可连接固定的高电平。
⑤“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位。
当变更“RE”后，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设“RE”位。
本系统主要利用OCM4X8C的3线串行接口方式工作o（）CM4X8C模块的PSB脚接低电平，模块处于串行接口模式。
串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据。
单片机的P1.5口接液晶模块的SCLK引脚。
P1.6口接SID引脚。
利用P1.7口控制片选端“RS”构成3线串行接口方式，此时OCM4X8C允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。
当“RS”接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。
通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“RS”可连接固定的高电平。
单片机与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。
首先，单片机要给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。
紧接着，
“RW”位用于选择数据的传输方向（读或写），“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为“0”。
在接收到起始位及“RW”和
“RW”的第1个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。
数据或指令的髙4位，被放在第2个宇节串行数据的高4位，其低4位则置为“（）”；数据或指令的低4位被放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“（）”，如此完成一个字节指令或数据的传送。
需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。
这是因为液晶模块内部没有发送/接收缓冲区。
1.3MPPT控制方案
方案一：
扰动观测法（P&C））。
其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压,并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。
方案二：
增量电导法（lNC）o对光伏电池的电压和电流迸行采样，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。
方案二和方案一均是通过扰动逐步使光伏电池逼近最大功率点，但方案二较方案一更具优势，其避免了扰动观测法的盲目性，控制精确，响应速度快，且光伏电池的输出电压能平稳追随环境的变化，稳态振荡小，故选用方案二。
1.4输入电压采集模块
方案一：
霍尔电压互感器采集方案。
使用霍尔电压型传感器，可以实现隔离的采集电压，采集电压精确、实时。
但是这主要应用于实际发电系统中的高压采集。
而本题中的模拟光伏发电装置的输入电压端为30V左右，一般的霍尔电压型传感器使用在高电压的场合，因此我们放弃此方案
方案二：
使用电阻分压采集方案，由于输入的电压不高，使用高阻值的电阻进行分压，得到一个较小的电压，送入A/D进行采集。
这种方案，简单易行，容易迸行程序的控制，而且不会担心接入其它元件对电路中电流电压产生影响。
而且经过计算，使用电阻分压的采集方案，消耗的功率要小于使用霍尔电压互感器的方案。
因此，在本题的模拟光伏发电装置中，我们使用此方案。
1.5模数转换芯片AD的选择
方案一：
选择外部A/D
选择T3公司生产的TL2543,该芯片是T1公司生产的转换精度为12为的串行模数转换芯片。
控制电路简单，仅需要d_in、d_out.cs、elk四个通道就可以实现控制，外围电路简单。
但是在选用TLC2543的时候，需要为其制作专门的基准电源，并且制作TLC2543的电路板极其需要注意电磁干扰问题，稍有不慎就会造成转换数据的波动，为了尽量避免转换数据的波动造成的电路状态不稳定，放弃此方案。
方案二：
选择内部ADCO
C8051F020内部带有两个模数转换功能单元，分别是12位的ADCO和8位的ADClo12位的ADC0转换速率可以达到lOOksps,8为的ADC1更是可以达到500ksps,在本系统中主要是要求的数据转换精度，对速度的要求不是很高，因此选择内部的ADC0,于采用外部模数转换芯片相比，不仅仅有利于增加电路的稳定性和提高电路状态的可靠性，而且可以降低整个系统的功率损耗，尽最大可能的将功率输送给外部负载。
综上所述，选择内部ADC0作为模数转换模块。
第2章硬件系统的设计
2.1系统整体原理框图
输入电1
压釆样
欠压
过流
SPWM
波驱动
输出电压
电感电流釆样
系统包括模拟光伏电池、DC-AC变换电路、驱动电路、欠压过流保护、电压电流采用电路、系统状态显示等几个主要部分。
全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节SPVCM波的调制比实现MPPT控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。
当系统检测到输入欠压或输岀过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实自动恢复正常工作状态的功能。
2.2系统各模块的设计及参数计算
2.2.1控制器
控制器采用SiliconLaboratories的C8051F020系列单片机。
该单片机与MCS51单片机完全兼容。
C8（）51F（）2（）器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚（C8051F020）。
高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真正12位（C8051F020/1）或1（）位（C8051F022/3）、10（）ksps的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC,具有可编程数据更新方式64K字节可在系统编程的FLASH存储器4352
（4096+256）字节的片内RAM可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI.SMBus/厂C和两个UART串行接口5个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。
片内看门狗定时器、VPP监视器和温度传感器，具有片内VPD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。
所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步尺运行和停机命令。
在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围（-45°C到+85°C）内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口]/（）>/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
对于本设计，单片机的I/O口和存储器足够，无需外扩I/O口和存储器，
故只要做出单片机的最小系统板即可，在该系统板上仅仅做了它的供电电源，晶
振和I/O口插脚。
C8O51f（）2O的最小系统PCB图如图2.2.1所示：
图2.2.1C8O51F020最小系统PCB布线图
2.2.2MPPT的控制方法与参数计算
1）实现MPPT的算法采用增量电导法，简称IncCond法。
对于光伏阵列某一固定P-U曲线如图2所示，在其最大值卩皿处的斜率为零，所以有：
dP/dU=d（IU）ldU=I+UdI/dU=0,即dlldU=-HU
（1）
当U二Um时，有dP/dU=（）;当QUm时，有dPIdUQ；当uvq时，有dP/dU>0o
即：
dI/dU>-I/U（V（2）
dI/dU<-I/U（V>Vm）（3）
dI/dU=-I/U（V=Vm）（4）
可以根据dl/dU与—I/UM间的关系来调整工作电压而达到MPPT的目的。
当兀=（）时，光伏电池的工作点电压没变，此时外界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的输出特性曲线之间转移。
若d]=（）,说明外界条件没
有变化，仍工作于最大功率点；若d]>（）,说明工作点向功率增大的方向变化，输出特性曲线上移,原来的工作点位于当前最大功率点的左侧，此时应增大电压,即增加SPWM波的调制比a；反之，若dl<0,应增大调制比—图2光伏电池P-U曲线
当dIldU>-IIU时，说明工作点正处于最大功率点的左侧，应该继续增大工作电压，即增加SPVCM波的调制比冷反之，若dUdu<-nuy则应减小调制比0C,若dI/dU=-HUy则维持在最大功率点。
2）扰动步长Ad的调整。
要准确快速的实现MPPT功能，的设置很关键，设置过大，会导致跟踪过程可能跨越最大功率点，使工作点在Pm点处霹荡，甚至始终无法达到最大功率点；Aa过小，会导致跟踪速度减慢，系统的动态效应差，且可能不满足题目指标。
本系统采用可变扰动步长△对根据每次I、U测量和计算的结杲不断调整步长当工作点离最大功率点较远时，增大使工作点电压变化加快，当工作点在最大功率点附近时，减小减少霹荡。
△仅的确认可采用模糊控制法。
2.同频、同相的控制方法与参数计算
1频率跟踪的实现使用过零比较电路，使用单片机的定时器和计时器进行计数，获得参考信号源的频率，然后调整SPWI波的占空比，使得输岀波形的频率和参考信号源的频率一致，实现频率的跟踪。
2相位跟踪的实现使用过零比较电路，对将变压器端得反馈电压和参考信号源的相位进行比较，根据相位差的值，调整SPWM脉宽产生的时间，从而实现相位的同步。
2.2.3同频、同相的控制方法与参数计算
1）同频的控制方法与参数计算
我们采用频率跟踪法来实现参誇信号与反馈信号的同频控制。
在频率跟踪法中，我们采用测周期法来测量参考电压的频率。
1将参考信号作为门限，在FPGA中用计数器记录在此门限内的FPGA时钟脉冲数N,从而确定参考信号的频率fe=fo
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