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索颖毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目：

太阳能光伏发电并网馈电系统

——硬件部分

院（系）：

电子信息工程学院

专业：

自动化

班级：

070402

学生：

索颖

学号：

070402126

指导教师：

师公社

2011年6月　　　

太阳能光伏发电并网馈电系统—硬件部分

摘要

随着我国国民经济和现代社会的迅速发展,资源匮乏问题也越来越受人们关注，人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。

在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。

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能源的减少，在不久的将来光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。

到时候太阳能并网馈电系统在高压输电网络中，可以参与电力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方向。

在今后的十几年，我国太阳能光伏市场将会向并网光伏发电方向发展。

如何使用安全、高效和实用的太阳能光伏发电并网馈电系统，以满足太阳能光伏发电系统对公网的实际需要,提高我国的太阳能光伏发电并网馈电系统，成为一个重要的课题。

本题目采用单片机、电力电子、计算机等技术，实现典型的太阳能光伏发电并网馈电系统的公网光电隔离、相位检测、放大和电力电子SPWM逆变技术，构成一个典型的太阳能光伏发电并网馈电系统。

关键词：

单片机；逆变器；相位检测；电流放大

Solarphotovoltaicpowergridfeedersystem–hardware

Abstract

WithChina'snationaleconomyandtherapiddevelopmentofmodernsociety,resourcescarcityproblemsarebecomingmoreandmorepeopletopayattentionto,peoplelikesolarandwindpowergreenlongingbecomeincreasinglyintensecleanenergy.Incomputer,optical-electronic,powerelectronicsandothermanufacturingandapplicationtechnologymaturestoday,thisalsotobecomebroadscientificworkersattentionandresearchhotspot.Photovoltaicpowergenerationisoneofthem.Althoughphotovoltaicpowerofpracticalapplicationofvariouslimitationsexist,butasphotovoltaicenergycostreductionandmineralenergyreduction,somedayphotovoltaicenergycostswillandtraditionalpowercostsquite.Whenhigh-voltagetransmissionnetwork,canparticipateinpowertransmissionandallocate,thefutureofthecountriesaroundtheworldoftheimportantrenewablepowergenerationdevelopmentdirection.Inthenexttenyears,oursolarphotovoltaicmarketwilltogrid（pv）powerdirection.Howtousethesafe,efficientandpracticalsolarphotovoltaicpowergridfeedersystem,tosatisfythesolarphotovoltaicpowergenerationsystemofthepublicnetwork'sactualneed,enhanceChina'ssolarphotovoltaicpowergridfeedersystem,becomingaveryimportantissue.

KeyWords:

single-chipcomputer;Inverter;Phasedetection;Currentamplification

1绪论

1.1课题背景

随着世界性能源紧张和环境污染加剧，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。

我国正处在经济转轨和蓬勃发展期，能源问题将更加突出，主要体现在：

能源短缺、环境污染、温室效应，实现可持续发展和人与自然和谐相处，只能依靠科技进步，大规模的开发可再生洁净能源，而太阳能具有储存量大、普遍存在、经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，如发电过程无污染、无需生产原材料、不占用空间，光伏发电作为常规能源的补充，无论在解决特殊应用领域，如通信、信号电源和偏远无电地区民用生活用电需求方面，还是从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。

目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，第一种是离网光伏蓄电系统，这是一种常见的太阳能应用方式。

在国内外应用已有若干年，系统比较简单，而且适应性广。

只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。

第二种是光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电，而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。

在依靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩大了使用的范围和灵活性，降低了造价。

第三种是两者的混合系统，这是介于上述两个方案之间的系统。

该系统有较强的适应性，但是其造价和运行成本较上述两个方案高。

而太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统，所以说太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21实际最具吸引力的能源利用技术。

1.2课题研究的实际意义

太阳能光伏发电并网馈电系统是通过把太阳能转化为电能，经过蓄电池储能，通过并网逆变器，把电能送上电网。

太阳能光伏发电并网馈电技术是太阳能利用技术的一个重要方面，其理论指导意义在于利用该系统采集的太阳能系统运行数据，可更为深入的进行太阳能的研究开发，推动太阳能利用和研究事业的发展，进而使得光伏并网逆变技术越来越趋于成熟。

现实意义在于光伏发电作为常规能源的补充，越来越受人们的重视；并网系统从环境保护以及能源战略上具有重大意义。

并网发电系统具有可以利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略等特点。

1.3光伏并网系统的发展历史与趋势

1.3.1国外光伏发电历史及现状

近几年，国际上光伏发电快速发展，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划。

国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用，向并网发电和与建筑结合的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。

美国政府最早光伏发电的发展计划，1997年又提出“百万屋顶”计划，能源部和有州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000MW以上。

日本于1974年开始执行“阳光计划”，投资5亿美元，一跃成为太阳电池的生产大国，1994年提出朝日七年计划，计划到2000年推广16.2万套太阳能光伏屋顶，已完成。

1997年又宣布7万光伏屋顶计划，到2010年将安装7600MW太阳电池。

1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。

德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶（每户约3kW～5kW）计划。

并且1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克，极大地刺激德国乃至世界的光伏市场。

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。

印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。

2008年世界各国太阳能发电装机的比较，西班牙新增太阳能发电装机容量达2511MW，扩展规模为全球最大，同时也几乎占了全球市场的一半。

而德国、美国、韩国分别以1500MW、342MW、274MW的扩容规模分列二到四位，德国的安装总量仍居世界首位。

1.3.2国内光伏发电历史及现状

我国的太阳能光伏发电应用始于20世纪70年代，但直到1982年以后才真正发展起来，在1983年至1987年短短几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4.5兆瓦。

在应用方面，我国目前太阳能电池主要用于通信系统和边远无电地区，在1995年销售才约1.1兆瓦。

在1995年西藏的无水力无电力县中，已建成2个功率分别为10千瓦和20千瓦的光伏电站。

地区而言，当前我国光伏发电的重点在青海、西藏、新疆、内蒙、甘肃等无电和严重缺电的农牧区。

据不完全统计，在这些地区已建成10～100kW光伏电40多座，推广家用光伏电源15万台，总功率达2.9MW。

2004年9月，广东首座总容量为1兆瓦的太阳能发电系统在深圳通过验收。

2004年9月，我国首座屋顶太阳能发电站在北京竣工投产。

这套太阳能发电系统，可以单独供电也可以并网供电，总装容量140千瓦，年发电量约15万千瓦时，能让4万盏100瓦的路灯亮上一年。

2005年初，甘肃《敦煌8兆瓦并网光伏发电系统建设预可行性报告》也通过有关部门组织的专家评审。

据悉，敦煌8兆瓦系统目前即使在全世界也是最大的，光伏发电技术领先的德国也只有5兆瓦光伏发电系统。

据有关方面人士介绍，甘肃省敦煌8兆瓦光伏发电系统建设项目工程，建设投运后年均发电量可达1280万千瓦时。

我国在光伏并网发电技术方面的研发起步较晚,至今尚处于研究试验阶段。

近几年来，光伏并网发电技术得到了业内人士的广泛关注。

在上海市电力公司在发展常规能源的同时,极其关注和支持再生能源的发展,为了进一步推动我国太阳能光伏并网技术的发展，上海市电力公司在1999年委托上海新能源环保工程有限公司，开展“太阳能利用技术在电力生产中的应用可行性研究”项目的研究与开发工作。

在上海新能源环保工程有限公司的主持下，会同上海太阳能科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、合肥工业大学电气与自动化工程学院，联合开发成功10KW屋顶光伏并网系统（以下简称“10KW系统”），并于2002年11月在上海奉贤海湾旅游区安装完成并投入试运行。

随后，在2004年10月底，又完成了两套屋顶光伏并网发电系统（以下简称“屋顶系统”），一套为总功率6.6KW、三相、380V的光伏并网发电系统（A系统）；另一套为总功率3.3KW单相、220V的光伏并网发电系统（B系统），这3套系统目前都已投入无故障运行。

根据国家《可再生能源中长期发展规划》，要大力推广应用小功率光伏系统，建立分散型和集中型兆瓦级联网光伏示范性电站。

其中主要用于解决西部无电区通电问题，其次为工业应用，包括通讯、铁路设备等，最后是提供照明部分。

我国国内光伏市场十分巨大。

表1.1是2010年全国年累计光伏并网发电量。

表1.12010年全国年累计光伏并网发电量（MW）

年份

2006

2007

2008

2009

2010

荒漠并网发电

8

18

30

45

60

屋顶并网发电

8

18

30

45

60

1.4课题主要研究的内容

（1）完成太阳能并网馈电系统拟用80C51F330单片机来实现控制。

（2）给出了并网逆变器控制方案，并分析了每个环节具体控制思路和控制方法，设计好公网电压光电隔离、相位检测、放大整形等环节

（3）完成10—12位蓄电池电压、电流取样、放大（非隔离、内部）等设计方法。

（4）实现SPWM输出及正负半周选通控制和PWM的选通。

（5）实现设计的常规可靠性，还要考虑成本问题。

1.5课题主要研究的任务

太阳能光伏发电并网馈电系统设计包括硬件设计和软件设计两部分内容。

本文着重介绍系统的硬件设计。

本次设计拟完成以下工作：

1）熟练掌握专业电工、电子技术。

2）掌握太阳能光伏发电并网馈电系统结构、工作原理等专业技术。

3）熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。

4）系统硬件电路设计。

5）借助DXP2004软件，绘出系统SCH、PCB图。

6）搭出系统硬件电路，在完成系统通电调试的基础上，进行系统联机调试。

2系统方案

2.1太阳能光伏发电并网馈电系统基本结构

太阳能光伏发电并网馈电系统系统如图2.1主要由光伏阵列、并网逆变器及控制检测保护系统构成，直接或通过变压器与电网连接把电能送上电网。

本系统采用单片机实现检测及控制功能，把由光能转换成的直流电通过逆变器转变为交流后回馈到电网。

其中单片机的检测控制是非常重要的，通过对电流、电压的检测来实现系统的功能。

图2.1太阳能光伏发电并网馈电系统硬件设计框图

2.2太阳能光伏发电并网馈电系统实现方案

太阳能光伏发电并网馈电系统是利用太阳电池将太阳能转换为电能,然后在通过逆变技术回馈到电网。

主要由光伏阵列、并网逆变器及控制检测保护系统构成，直接或通过变压器与电网连接把电能送上电网。

本系统采用单片机实现检测及控制功能，把由光能转换成的直流电通过逆变器转变为交流后回馈到电网。

系统主要设计思想是在满足设计目标要求的情况下，尽可能使得电路结构简化，以降低成本并提高其可靠性。

2.2.1系统微处理器选择

鉴于太阳能光伏发电并网馈电系统的特殊性及对可靠性更高的要求，依据技术实现方式及功能，微处理器除了通常的通用、高速、低功耗等基本优点外，还应具备在复杂环境下可靠工作的特质，优先考虑广泛应用于如汽车等特殊工业领域的微处理器系列。

最好选用内部具有所需硬件资源及软件支持协议的微处理器，以免庞杂的硬件扩展及开发软件使得系统可靠性下降且成本高昂。

总之，太阳能光伏发电并网馈电系统微处理器应具有以下

特点及硬件资源：

1.太阳能光伏发电并网馈电系统应涉及电压、电流、温度等模拟信号的多路连续采，因而微处理器内应嵌有3路以上的A/D转换模块，转换精度10位以上。

2.设计方案中，系统能馈及充电部分涉及SPWM控制技术，因而微处理器内应

含有PWM接口输出。

3.微处理器内应嵌入SPI、I2C、UART等通讯协议，以便应用软件开发。

4.另外，微处理器内还应嵌入基本的如SRAM、看门狗电路、电源监控及保护电路等。

综合以上对微处理器的要求可以看出，满足设计要求的微处理器首推Microchip微芯公司的PIC16F87X系列。

其次，嵌入51内核又兼有微芯公司PIC系列复合多种扩展应用模块特点的Cygnal公司C8051F系列的几款微处理器也应是一种不错的选择。

另外，Motorola公司的68HC系列中如68HC05BXX微处理器也可以在考虑的范畴。

鉴于我们本科阶段主要学习C8051系列，加之设备长期在户外工作，所以我最终选择了工业级的C8051F330作为这次设计的微处理器。

2.2.2C8051F330单片机概述

模拟外设

−10位ADC

●转换速率可达200ksps

●可多达16个外部单端或差分输入

●VREF可在内部VREF、外部引脚或VDD中选择

●内部或外部转换启动源

●内置温度传感器

−10位电流输出DAC

−比较器

●可编程回差电压和响应时间

●可配置为中断或复位源

●小电流（<0.4μA）

在片调试

−片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试

−支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器

−比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能

−廉价而完整的开发套件

供电电压…………………………2.7V-3.6V

−典型工作电流：

6.4mA@25MHz

9μA@32KHz

−典型停机电流：

0.1μA

温度范围：

-40°C-+85°C（工业级C8051F330）

高速8051微控制器内核

−流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期

−速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时）

−扩展的中断系统

存储器

−768字节内部数据RAM（256+512）

−8KBFLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节

数字外设

−17个端口I/O；均耐5V电压，大灌电流

−硬件增强型UART、SMBus和增强型SPI串口

−4个通用16位计数器/定时器

−16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有3个捕捉/比较模块

−使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式

时钟源

−两个内部振荡器：

●24.5MHz，±2%的精度，可支持无晶体UART操作

●80/40/20/10kHz低频率、低功耗振荡器

−外部振荡器：

晶体、RC、C、或外部时钟

−可在运行中切换时钟源，适用于节电方式

C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。

下面列出了一些主要特性.

●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10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器

●10位电流输出DAC

●高精度可编程的25MHz内部振荡器

●8KB可在系统编程的FLASH存储器

●768字节片内RAM

●硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口

●4个通用的16位定时器

●具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）

●片内上电复位、VDD监视器和温度传感器

●片内电压比较器

●17个端口I/O（容许5V输入）

具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F330是真正能独立工作的片上系统。

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。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内SiliconLabs二线（C2）开发接口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。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

工业级C8051F330器件可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。

端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。

C8051F330采用20脚DIP封装（见图2.2.2）

图2.2.2C8051F330封装图

2.3太阳能光伏发电并网馈电系统硬件各部分的介绍

2.2.1电源部分

对于电源的设计有一些总的规则，但是在实际应用中，还需要根据实际要求灵活的选择电源方案。

一部分是蓄电池12V/15V的直流电，另一部分是C8051F330系统及外部扩展3V～5V直流供电电压。

故采用3V的三端稳压器HT7130A。

2.2.2逆变部分

逆变器主要负责将控制器输出的直流电能变换成稳压稳频的交流电能馈送电网。

传统逆变器分为电压型和电流型逆变器，DC/AC的功率变换技术就是基于两种传统的逆变拓扑。

电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，根据应用场合的不同，输出电压的幅值和频率可以恒定也可以变化。

电压源型逆变器拓扑可以看做是由BUCK变换电路拓展而来的，电压源逆变器也可以称为电压源变流器，而且电压源逆变器必须具有恒定的输入电压源，也就是说它的戴维南等效阻抗应当是理想的为0，如果电源电压不够恒定，可以在输入侧接入一个大的用来储能的电容器。

直流电压可以恒定或可变，可以有电网或旋转交流电机经过整流器和滤波器而得到，也可以由蓄电池，燃料电池或光伏电池组得到。

逆变器的输出电压可以是三相或多相，也可以是方波，正弦波，PWM波，阶梯波等。

对于电流源逆变器来说，同一个电路既可工作在逆变状态，也可以工作在整流状态，它的输入侧需要一个恒定的电流，即理想的情况是具有无穷大的戴维南阻抗，这与电压源的情况正好相反。

如果电源电流不够恒定，可以在输入侧接入一个大的用来储能的电感器。

可以看出，电流源逆变器其实是电压源逆变器的对偶电路。

电压源逆变器和电流源逆变器存在着一些概念上和理论上的局限性和障碍在许多应用场合会造成电力电子装置造价高，效率低。

图2.3.2a传统的电压型逆变器电路结构

图2.3.2a示出了传统的三相电压型逆变器原理的电路结构。

于DC/AC逆变器，一个直流电压源向逆变器主电路三相逆变桥供电，将直流电能变换为交流电能，供给交流负载。

电压源逆变器应用十分广泛，但是存在下列概念上和理论上的不足和局限性：

（1）电压源逆变器交流负载只能是电感性或串联电抗器，以保证电压源逆变器能够正常工作。

（2）电压源逆变器是一种降压式逆变器，其交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此对于直流电压较低，同时又需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换应用场合，则必须加一个额外的DC/DC变换器，如升压电路或者升压变压器等，这就增加了系统的成本、体积和控制复杂性，降低了变换效率。

（3）每个桥臂上、下器件不允许直通，否则会损坏器件，引起系统崩溃。

因此它的抗电磁干扰能力较差，容易由于干扰而产生开关管误开通误关断而影响系统可靠性。

图2.3.2b传统的电流型逆变器电路结构

图2.3.2b是一个传统的三相电流源变流器原理的电路结构。

对于DC/AC逆变器，一个直流电流源为逆变器主电路——三相逆变桥供电，通过其将直流电能转换为交流电能向交流负载供电。

这里的直流电流源通常是一个电感量相对较大的电抗器，由电池、燃料电池堆、二极管整流器或晶闸管整流器等电压源供电。

同电压源逆变器一样，电流源逆变器存在下列概念上和理论上的局限性和不足：

（1）传统的电流型逆变器电路其交流负载不得不为电容性或必需并联电容，以保证电流源逆变器能够正常工作。

（2）其交流输出电压只能高于为直流电感供电的直流电压，因此电流源逆变器是一个升压型逆变器。

因此对于需要宽电压范围的应用场合，需要一个额外的DC/DC降压式变换器。

如降压电路或者降压变压器，这个额外的功率变换级增加了系统成本，降低了变换效率。

（3）电流型逆变器的逆变桥不能开路，否则会损坏器件，引起系统崩溃。

由此它的抗电磁干扰的能力较差，影响了它们的可靠性。

综上所述，电压源逆变器和电流源逆变器存在下述共同的缺陷：

（1）它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于、或高于输入电压，使得它们的应用场合受到限制。

（2）它们的抗电磁干扰能力较差，影响了它们的可靠性。

新型Z源逆变器的提出为功率变换提供了一种新的逆变器拓扑和理论，可以克服