光伏并网控制器设计.docx

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光伏并网控制器设计

摘要

太阳能光伏发电技术是当前世界上最清洁、最现实、最具有大规模开发利用前景的可再生能源之一。

太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，已成为世界各国研究的重点，必将得到快速的发展。

本文就是在此背景下，对太阳能并网发电系统的核心器件并网控制器进行了重点研究。

并对光伏并网系统中的最大功率点跟踪控制、孤岛效应的检测进行了分析研究。

首先，简述了国内外光伏发电的现状和发展趋势，其次，介绍了一种基于数字信号处理器DSP2401A控制的数字化光伏并网控制器，其充电部分采用最大功率跟踪（MPPT）进行控制，逆变部分的前级采用SG3525进行高频升压，后级采用双极性SPWM调制实现工频逆变。

控制器实现了光伏电池最大效率的利用，并且最大限度地降低了逆变部分的谐波畸变率。

关键字：

DSP2401A,最大功率点跟踪,脉冲宽度调制,逆变

Abstract

Solarphotovoltaictechnologyiscurrentlyoneoftheworld’smostclean,mostrealisticandbestprospectsforlarge-scaledevelopmentandutilizationtechnologies.Thegrid-connectedsolarenergyphotovoltaicpowersystemasoneofthemainutilizationofsolarenergy,hasbecomeahostspotintheword.Underthisbackground,thedissertationdeeplyresearchesthePVgrid-connectedcontroller,whichisthehardcoreofthesystem，Andresearcheswithmaximumpowerpointtracking（MPPT）andislandingdetection.

Firstly,itbrieflyintroducesthepresentsituationandthedevelopmentprospectsofphotovoltaicgeneratingathomeandabroad.Secondly,itintroducesakindofDigitalGrid-connectionPhotovoltaicControllerbasedonDSP2401A,thechargingpartofwhichiscontrolledbythemaximumpowertracking（MPPT）,TheformerbipolarofinverterrealizestheboostwithSG3525,andthelatterbipolarrealizesthefrequencyinverterwithbipolarSPWMmodulation.Thecontrollerhasachievedthemaximumefficiencyutilizationofphotovoltaiccellsandreducedtheharmonicdistortionrateoftheinverterparttotheutmost.

Keywords：

DSP2401A，MPPT,SPWM，Invert

1绪论

能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础，是世界经济的血液，也是影响国家安全的重要因素。

随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长。

目前，世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和水与核能等一次能源为主，然而这些有限的能源储量正日趋枯竭。

在人类社会发展的今天，物质文明己经空前繁荣，但要使人类社会不断地可持续发展，能源问题成为了最重要的制约因素之一。

与此同时，人类正面临着能源和环境两大问题，是以牺牲环境发展经济还是重视环境延缓经济发展，是人类面临的巨大考验。

所以，发展可再生的、清洁无污染的替代能源成为当务之急。

太阳能是当前世界上最清洁、最现实、最有大规模开发利用前景的能源之一，由于其本身的优点越来越受到人们的关注，已成为世界各国研究的热点。

1.1全球能源危机与环境问题

能源是人类社会生存和发展的动力源泉。

世界文明史上，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步。

然而，随着人类文明的发展日益迅速，人类对能源的需求也日益增加，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机己展现在人类面前。

在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示:

石油可开采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。

可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数。

随着时间的推移与传统能源的日趋减少，由此引发的如能源战争，经济衰退等问题将会愈加严重。

此外，大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。

环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点，如温室效应、酸雨和臭氧层的破坏等。

由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失;工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，使水体失去原有的生态功能和使用价值，给生态系统造成直接的破坏和影响。

目前由于大量矿物能源的使用，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染。

如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，使海平面上升，四分之一的人类生活空间将因此受到极大威胁。

严重的环境污染还会造成社会问题。

随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突日益增加。

随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。

面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾，因此，在有限资源和环保严格要求的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。

从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的、理想的绿色能源。

全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。

1.2太阳能的开发与利用

太阳辐射到地球大气层的能量为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173，OOOTW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤的燃烧。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍。

太阳能的优势在于:

1.普遍:

太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。

2.无害:

开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

3.巨大:

每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

4.长久:

根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

它正逐渐受到世界各国的重视。

目前对太阳能的利用基本方式可以分为如下4大类:

1.光热利用

它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。

通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（低于200℃）、中温利用（200一800℃）和高温利用（高于800℃）。

目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

2.太阳能发电

未来太阳能的大规模利用是用来发电。

利用太阳能发电的方式有多种。

目前已实用的主要有以下两种:

1）光-热-电转换。

即利用太阳辐射所产生的热能发电。

一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。

前一过程为光-热转换，后一过程为热-电转换。

2）光-电转换。

其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

3.光化利用

这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光-化学转换方式。

4.光生物利用

是通过植物的光合作用来实现，将太阳能转换成为生物物质的过程。

目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。

其中，以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点:

1.太阳能取之不尽，用之不竭且不受地域限制。

2.太阳能是一种洁净的能源:

在开发利用时，不消耗燃料，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，不会造成污染和公害，更不会影响生态平衡。

3.太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。

4.光伏发电系统无机械转动部件，维护简单:

光伏发电是静态运行，没有运动部件，寿命长，无需或极少需要维护。

5.太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的太阳能发电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。

6.光伏建筑集成（BIPV—BuildingIntegratedPhotovoltaic）:

节省发电基地使用的土地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。

由于太阳能电池的主要材料硅的储量十分丰富，随着太阳能电池研究的快速发展和转换效率的不断提高以及与其相关的系统技术的进展，发电成本己经呈现快速下降趋势。

可以预料，太阳能发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。

1.3国内外光伏发电现状

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。

全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6x1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。

近年来，新能源光伏产业得到了全世界广泛的关注，德国、日本、美国、西班牙等各国政府相继推出了如税收抵扣、电价补贴、低息贷款等鼓励政策和政府计划，从而推动了新能源光伏产业的迅猛发展。

根据SolarbuzzLLC年度PV工业报告的信息，2007年世界光伏市场统计安装量为2826MWp，相比2006年增长了62%。

其中发达国家的光伏市场占据世界市场份额将近90%。

根据欧洲光伏工业协会的预测，到2020年世界新能源光伏发电总装机容量将达195GW一200Gw，市场前景广阔。

同时，近几年国际上光伏发电快速发展，世界上己经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。

美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。

日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。

而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。

瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。

大规模使用新能源光伏发电电能，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，改善地球气候。

2005年2月16日，由联合国141个成员国家共同签署的《京都协议书》正式生效，将再生能源的开发与规划推向一个新的阶段。

从目前发展状况来说，新能源光伏发电虽然发展整体规模要小于风能，但是增长速度最快。

随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。

我国经济正处在一个飞速发展的时期，能源需求量在未来几十年仍将快速增加。

能源的发展状况对我国全面实现建设小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。

而目前，我国的能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的巨大压力。

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。

太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。

中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。

在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。

大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。

年日照时数大于2000小时。

与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。

经过30多年的努力，己迎来了快速发展的新阶段。

在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。

从我国国内的市场容量来看，截止2003年，我国边远地区、山区近期市场潜力高达1420Mwp（wp是太阳能电池输出功率），综合考虑到以后用电水平的提高，最终市场容量将超过3000Mwp。

从国家产业政策来看，2006年1月1日，《可再生能源法》正式实施，明确提出“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷、新能源光伏发电系统等太阳能利用系统”，为可再生能源地位确立、价格保障、税收优惠政策等提供了法律保障。

十一五期间，很多地方政府都相继发布了比较完备的新能源推广政策和相应的太阳能屋顶计划，例如《国家发展改革委办公厅关于开展大型并网光伏示范电站建设有关要求的通知》、《2005一2007上海市太阳能开发利用行动计划》、《江苏省能源产业科技示范工程2005一2007实施方案》等，将发展可再生能源落实到具体的政策以及地方法规中，为整个产业的发展建立了政策法制基础。

2007年9月，我国政府在《可再生能源长期规划》中提出，至2010年，国内太阳能发电总容量将达到300MW，到2020年达到1800MW。

由此计算，在未来几年内，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达20%左右。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的比例也将达到10%以上;到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上，到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。

这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

光伏发电具有如此广阔的前景，相比世界发达国家，我国的光伏市场仍然处于起步阶段，目前国内生产的光伏电池/组件主要用于出口，但是从总体上来讲，与国外发达国家相比，我国的光伏发电技术及其产业还有很大的差距，这些差距表现在:

①硅材料紧缺;②生产规模小，自动化水平低;③技术水平较低;④专用原材料国产化程度不高;⑤光伏用的控制器、逆变器等关键设备，技术性能不够高，可靠性尚低，品种规格少，功能不多，特别是并网逆变器和智能控制器与国外先进水平的差距很大;⑥成本价格尚高;⑦标准规范不够健全。

1.4光伏发电发展的新趋势

光伏发电按照与电力系统的关系分类可分为:

光伏独立发电系统和光伏并网发电系统。

光伏并网发电系统由光伏阵列、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置组成，光伏阵列是光伏并网系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换。

光伏并网发电系统就是利用太阳光伏电池组件将太阳能转换成直流电，再经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。

与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处:

1.不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。

2.光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率。

3.因为直接将电能输入，可以充分利用光伏阵列所发的电力。

省略了作为储能环节的蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系统的成本。

4.光伏并网系统可以对公用电网起到调峰作用。

太阳能光伏并网发电系统的作用是将太阳能转换为可供利用的交流电能。

在白天有光照的时候发出电能，通过逆变控制器向用户负载供电，同时与电网并联，将多余的电能输入电网;在阴雨天或晚上的时候，则由电网供电。

光伏并网发电开始于80年代初，大都是较大型的光伏并网电站，规模从100KW到IMW不等，都是政府投资的试验性电站。

但由于太阳能电池成本过高，其发电成本很难让电力公司接受。

90年代后，国外发达国家掀起“屋顶光伏并网系统”的热潮，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。

近年来，光伏并网发电更是成为光伏发电应用的重要方向和研究热点，这标志着太阳能光伏并网发电技术己经进入了一个新的历史阶段，即太阳能光伏发电己开始向大能源、替代能源过渡，也就是说，光伏发电应用己经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑结合的常规供电方向发展。

据统计，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，在光伏行业中的市场比例上升迅猛，至2000年己上升50%。

并网所用的太阳能电池己占全球产量的一半以上，成为太阳能发电最重要的应用领域，而且随着大规模的应用，发电成本还将不断下降，作为一种分散供电的新模式，有着十分广阔的应用前景。

目前，国外并网发电技术日趋成熟，已开发出并网发电专用的逆变器及相应的配套组件。

我国虽己成功地实现了部分地区的并网发电，但在联网的光伏发电方面，我国只有100Kwp以下等级的系统，仍然缺乏1MW级以上光伏发电系统联网的经验，特别是太阳能光伏发电屋顶系统的安装经验。

但随着电力电子及微电子技术的快速发展，并网发电系统将会得到不断的改善。

总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。

但目前光伏发电系统也存在三大问题:

1.光伏阵列发电效率低;2.系统的造价成本高;3.发电运行受气候环境因素影响大。

同时光伏并网供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。

1.5课题主要研究内容

本文对光伏并网控制进行了深入研究，并根据光伏电池的工作特性，将最大功率跟踪（MPPT）控制应用于控制器的充电电路中，实现了光伏电池最大效率的输出，逆变部分的前级采用SG3525进行高频升压，数字信号处理器（DSP）产生6路双极性SPWM脉冲驱动后级逆变电路实现了从直流电向50Hz/220V市电的转换。

控制器实现了光伏电池最大效率的利用，并且最大限度地降低了逆变部分的谐波畸变率。

2太阳能光伏发电系统介绍

2.1太阳能光伏发电系统组成

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏打效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。

一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。

如图2.1所示:

图2.1太阳能光伏发电系统基本结构框图

1.太阳能电池板:

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或使负载工作。

2.太阳能控制器:

太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。

在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。

其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

3.蓄电池:

一般为铅酸电池，微小型系统中，也可用镍氢电池、镍福电池或铿电池。

其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

4.逆变器:

太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。

为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC/AC逆变器。

2.2光伏并网发电系统

太阳能光伏并网发电系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。

在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。

系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。

因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。

这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。

降低了整个系统的负载缺电率。

但是，光伏并网供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。

图2.2光伏并网发电系统结构框图

目前常用的光伏并网发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。

不带有蓄电池环节的光伏并网发电系统称为不可调度式光伏并网发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。

当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网;夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。

带有蓄电池环节的光伏并网发电系统称为可调度式光伏并网发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，可调度式光伏并网发电系统在功能和性能方面较之不可调度式有若干扩展和提高，核心变流器一般由并网逆变器和蓄电池充电器两部分组成。

其功能不仅是将太阳电池阵列产生的直流电能逆变后输向电网，同时还经DC/DC变换后向蓄电池充电;可调度系统不仅能向电网馈送同频同相的正弦波电能，而且还充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量;此外，大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的大小，这有益于电网调峰。

电网负荷增加时，可以调度增加光伏并网发电装置的上网电流，有助于电网的运行质量。

2.3光伏发电系统的并网标准

随着光伏并网发电系统的增加，它们在一定程度上改变和影响了电网及其调节能力。

因此，国际上相关部门针对光伏并网发电系统制定出一些列的技术尺度和并网要求。

2003年6月，由标准制定委员会21次会议（SCC21）发布的IEEE.STD.1547一2003是第一个规范燃料电池、光伏系统，分布式发电装置、能量存储设备这类分布式电源系统的并网标准。

IEEE.STD.1547一2003考虑的容量为不超过10Mva，工作频率为60Hz的分布式发电系统。

所以针对国内的工频50