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离网光伏发电毕业论文

摘要

由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。

太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。

本文针对太阳能应用的一个重要研究领域——光伏发电系统，尤其是小功率光伏离网发电系统，设计实现了基于DSP控制的光伏离网逆变器逆变电路局部的硬件电路。

论文首先介绍了太阳能光伏发电的国外开展现状，阐述了利用DSP控制光伏离网系统的根本原理。

然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的光伏离网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进展了仿真测试。

关键词：

光伏离网；逆变器；DSP；Matlab仿真

Abstract

Inrecentyears,withthecontinuousconsumptionofnon-renewableenergy,theenergycrisishasbeeincreasinglyprominent,countriesaresteppingupthepacetodevelopnewenergy.Solarpower,asanewenergyproductionmethods,ownsmanyfeatures,suchas,clean,non-polluting,neverfailureofsourceandsimplemaintenancemeasures,andthusdrawsmoreandmoreattention.Inthispaper,asforanimportantresearchfieldofsolarenergyapplications-photovoltaicsystems,especiallylowpowerphotovoltaicoffgridpowergenerationsystem,designandachievethehardwarecircuitofinvertercircuitinphotovoltaicoffgridinverterbasedonDSPcontrol.

Thepaperfirstlydescribedthedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationintheworld,andexplainedthebasicprinciplesofDSPcontrolledphotovoltaicoffgridsystem.ThenobjectiveoftoffgridinverterwiththecoreofDC/ACconversiontechnologyinverterhardwarecircuitisdesignedanditssimulationtestsontheMatlabsoftwareisproceeded.

Keywords:

offgridphotovoltaic;inverter;DSP;Matlabsimulation

1引论

1.1太阳能应用的背景

伴随着传统的能源资源不断枯竭，环境污染造成全球变暖的最严重的问题，制约着社会的可持续开展。

对于全世界的能源需求的增长使能源资源已经成为了世界上最重要的战略物资。

因此，开展可再生能源是全球未来的能源开展的必由之路。

在中国水电和风力发电已成为商业发电，但他们的资源是有限的，他们不可能即使利用所有的资源满足未来的需求。

光伏发电，是一种取之不尽的无限量的能源，可以直接将太转化为电能。

光伏发电系统是一种重要的解决问题，如能源危机和环境保护。

技术相关的并网光伏发电系统已经通过了世界广泛的研究并已经取得了很大进展。

尽管中国的光伏并网发电系统的研究开场不久，但中国有丰富的太阳能资源。

通过上述分析，在能源需求急剧增加而其他能源日益紧的背景下，太阳能作为一种取之不尽的、无污染的可再生能源已经成为当今最热门的能源开发应用的课程之一，它必将是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。

因此，将来光伏发电系统的开展前景会很乐观。

同时对于目前的一些能源问题，光伏并网发电系统都可以很好的解决，这将会对我们社会所面临的能源问题做出相当大的奉献。

1.2光伏发电应用现状和意义

1.2.1国光伏发电应用现状

中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外〞现象，即90%的原材料依赖进口，而90%的光伏产品却进入了国际市场。

光伏产业的开展也相对缓慢，各种光伏材料的开展都相对落后。

1958年开场对太阳能光伏电池进展研究，并于1971年将光伏电池成功应用于红2号卫星；1973年开场太阳能光伏电池的地面应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于本钱高，太阳电池在地面的应用非常有限。

20世纪90年代以后，随着本钱的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开场向工业领域和农村电气化应用开展，市场稳步扩大。

国家和地方政府开场制订光伏方案。

2002年，国家发改委启动了“送电到乡〞工程，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23．5MW迅速增长到2002年的45MW，至2003年到达55MW。

2003～2005年，受德国市场的巨大需求影响，国光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。

2005年，电池产量约150MW，组件产量约284MW，装量约5MW，累计安装量70MW。

近年来，随着环境问题日益突出，绿色开展理念逐渐深入人心，全球经济的开展方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。

目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。

据了解，随着国太阳能光伏发电的大规模应用及快速开展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统部的封闭运行，从而接近零排放水平。

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，生产本钱高，市场培育缓慢，其总体水平落后国外约15年。

我国“十二五〞规划纲要提出，要大力开展节能环保、新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点开展太阳能热利用和光伏光热发电、生物质能等，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开展时机[2]。

我国光伏发电的重点工程：

（1）我国“光明工程〞方案

由国家开展方案委员会牵头制定的“中国光明工程〞方案，筹集l00亿元，方案到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万遥远地区人口的生活、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。

使他们到达人均拥有发电容量100瓦的水平。

（2）园博园光伏并网发电系统，该工程总投资750万美元，这是国第一座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。

奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。

这是2008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给系统。

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）十万个太阳能屋顶方案十万个太阳能屋顶方案研究，是在世界自然基金会和市经委的支持下。

由交通大学太阳能研究所承当的太阳能应用工程课题，总投资近百亿元。

方案利用十年的时间，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）其他建立工程

西部7省无电乡村通信工程工程、国家工业设计园300千瓦屋顶并网光伏系统、崇明岛生态公园85千瓦屋顶光伏系统、湾仔政府大楼屋顶光伏系统、十万个光伏屋顶方案、乌拉特后期1MW沙漠太阳能光伏并网电站，该电站将是目前国最大的沙漠太阳能光伏电站。

1.2.2国外光伏发电开展现状

太阳能是一种产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的开展，将提供越来越多的就业时机。

太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场开展前景相当广阔，已经引起了世界兴旺国家的高度重视。

日本利用其电子技术优势，大力开展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50以上；德、日、英、荷、美等国企业根本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80以上。

据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3000MW增加到2020年的70GW。

（w为峰瓦），光伏发电将解决非洲30GW、经济合作与开展组织（OECD）国家10GW的电力需求。

当2010年欧洲风力发电到达约40GW、光伏发电3GW和太阳能集热器100Mm时，总计可提供154～167万个就业时机。

20世纪80年代以来，世界各国特别是兴旺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开展方案。

1990年德国政府率先推出“一千屋顶方案"。

1998年进一步提出10万套屋顶方案。

日本政府1994年开场实施“朝日七年方案〞，总容量185WMp，1997年又宣布实施“七万屋顶方案〞，总容量280MWp。

意大利1998年实行“全国太阳能屋顶方案〞，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“百万太阳能屋顶方案〞，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年五年世界光伏器件的年产量数据[11]。

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开展态势。

美国能源部预测，在今后十年世界太阳电池销售量将以年均30％的速度增长，到2010年将到达4.6GWp，累计容量将到达20GWp。

近几年国际上光伏发电快速开展，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方案〞，确定太阳能发电量到2030年的开展目标是要到达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年月16日，美国参议院通过了一揽子减税方案，其中将光伏行业的减税政策〔itc〕续延2-6年。

1.3太阳能光伏发电的概述

太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。

通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电〞。

它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进展封装保护即可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏发电装置。

根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。

1.4本课题的容和设计要求

本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，设计一个小型光伏离网发电系统的逆变电路。

要求：

输入直流电压250V-300V,逆变电压波形为正弦信号,有效值220V±10%,50Hz,输出功率>=100W，效率>80%。

根据设计要求，从以下几个方面进展研究设计:

（1）介绍光伏发电的的根本状况和前景，理解光伏发电系统的组成和分类，明确离网型光伏逆变器的作用与开展及设计的目的。

（2）阐述光伏发电的原理。

（3）逆变器中逆变电路硬件电路的设计，包括：

直流升压斩波电路构造、逆变器电路、LC输出滤波、DSP控制电路、采样硬件电路。

（4）通过建立离网逆变器的仿真模型,并采用直流电源供电,实现逆变电路的MATLAB仿真并进展分析。

2光伏发电系统

2.1光伏发电系统的组成

光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。

主要是由光伏电池阵列、变换局部、逆变器及储能局部组成。

〔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送。

如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，那么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。

〔2〕直流变换局部〔DC-DC）：

直流变换局部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，那么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变换所需的根本控制外，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〕逆变局部〔DC-AC〕:

光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在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〕储能局部：

光伏发电系统只有在白天有时才能发电，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连续电源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〞。

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〞。

2.2光伏发电系统的分类

光伏并网发电系统根据系统本身的构造、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。

独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、播送电视等根本生活用电。

还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。

独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等局部。

图2-1所示是典型独立光伏发电系统的构造示意图。

图2-1独立光伏发电系统

并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公共电网。

当太阳能光伏发电进入大规模商业化开展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成局部，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。

并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。

带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不连续电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压、消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。

图2-2所示是典型的并网光伏发电系统构造示意图，主要包括光伏电池阵列、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、控制器和电网五个组成局部。

根据负载及系统的供电可靠性的需要，在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。

图2-2并网光伏发电系统

混合型光伏发电系统是指在光伏发电的根底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缺乏，或电池容量缺乏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，系统构造框图如图2-3所示。

图2-3混合型光伏发电系统

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；对混合发电系统进展合理的设计和匹配，可以根本上由风/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光伏电池

3.1光伏电池的工作原理

在光伏发电系统中，光伏电池般是实现光能转换成电能的器件，光伏电池阵列是多个特性一样的电池单体经过串并联后构成的，一是由半导体材料制成的，其特性与二极管类似。

光伏电池单体实际上是一个PN结，PN结处于平衡状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由N指向P区的电场。

当太照射到PN结时，就会产生一定量的电子和空穴对，N区就有过剩的电子，这样就形成了光生电动势，其方向与势垒电场方向相反。

光生电动势使P区和N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。

这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流〞流过，从而产生电能。

3.2光伏电池的分类

光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学电池，开展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要：

半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。

按电池构造分类如下。

〔1〕异质结光伏电池。

由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一个异质PN结。

像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。

〔2〕同质结光伏电池。

在同一个半导体材料构成一个或多个PN结。

像砷化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。

〔3〕肖特基光伏电池。

指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒〞的光伏电池〔又称MS光伏电池〕。

其原理是基于在一定条件下金属—半导体接触时产生类似于P-N结可整流接触的肖特基效应。

这种构造的电池现已开展成为金属—氧化物—半导体光伏电池〔MOS光伏电池〕、金属—绝缘体—半导体光伏电池〔即MIS光伏电池〕等。

〔4〕薄膜光伏电池。

指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道提的衬底上而构成的光伏电池。

这种光伏电池大减少半导体材料的消耗〔薄膜厚度以μm计〕从而大降低了光伏电池的本钱。

可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏电池性能较优。

〔5〕叠层光伏电池。

指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。

鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充分利用太中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能。

〔6〕湿式光伏电池。

指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间参加电解液而构成的光伏电池。

这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还未建筑物和太阳能应用的一体化设计创造了条件。

按电池材料分类：

〔1〕硅光伏电池：

包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。

其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率高，可达20%左右，但本钱比拟昂贵。

多晶硅材料晶体方向无规律性。

由于在这种材料中的正负电荷有一局部会因晶体晶界连接的不规那么性而损失，所有不能全部被P-N结电场别离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。

但多晶硅光伏电池本钱较低。

多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。

用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。

而非晶硅光伏电池是采用部原子排列“短程有序而长程无序〞的非晶体硅材料〔简称α—Si〕制成。

非晶硅材料根本被制成薄膜电池形式。

其造价低低廉，但光电转换效率比拟低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。

〔2〕非硅半导体光伏电池。

主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。

硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜/硫化镉光伏电池、碲化镉/硫化镉光伏电池、铜铟硒/硫化镉光伏电池等。

而砷化镓具有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。

即采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片构造也可采用薄膜构造以制成光伏电池。

〔3〕有机半导体光伏电池：

用含有一定数量的碳—碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。

其特点是转换效率低、价格廉价、轻便，易于大规模生产。

4主电路拓扑及电路主要参数设计

4.1主电路拓扑

主电路拓扑如图4.1所示。

该电路前级由Q1、LC、Dl等器件组成的BOOST电路对光伏输出电压进展升压斩波后并对蓄电池进展充电；后级为单相全桥逆变电路，作用是将前级的产生直流电压逆变并经L2、C5滤波后得到工频正弦交流电。

图4.1主电路拓扑

4.2DC-DC局部的电路拓扑

适用于直流转换局部的电路拓扑有：

降压斩波电路〔busk电路〕，升压斩波电路〔boost电路〕，升降压斩波电路〔buck-boost电路〕等等。

在本课题中，所用到的直流变换局部的电路只要求升压，所以这里只对升压斩波电路〔boost电路〕进展表达。

其电路构造原理图如下列图4.2：

图4.2BOOST电路构造

一、Boost升压电感参数的设计

对于一般的变换器来说，由于电感和电容寄生电阻的影响，随负载电流增加，输出电压会下降，输出电压对占空比

的敏感度下降，控制特性变差。

为了输出电压的稳定，控制电路尽量增大占空比，使电压增益变大以便于维持输出电压的恒定。

因此，设计中选择滤波元件总是尽量选取小的寄生电阻元件，且实际应用中，是占空比调节

。

为了使光伏发电系统能够不连续的往外输出功率，前级的Boost升压斩波电路应该工作在电感足够大电流连续的模式下。