光伏发电并网系统软硬件设计毕业设计论文说明书.docx
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光伏发电并网系统软硬件设计毕业设计论文说明书
毕业设计（论文）
光伏发电并网系统软硬件设计
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
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2、不保密囗。
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作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
武汉理工大学本科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名专业班级
指导教师工作单位
设计（论文）题目：
光伏发电并网系统软硬件设计
设计（论文）主要内容：
1）了解光伏电池的工作原理和工艺特点；
2）了解发电并网的相关应用与技术要求；
3）掌握光伏发电并网的工作原理与关键技术；
4）理解光伏逆变的工作原理与控制方法；
5）搭建相关的硬件系统，完成相应软件的编写；
要求完成的主要任务:
1）查阅相关文献，了解光伏发电并网的相关设计方法；
2）完成相关资料的英文翻译，翻译成汉字后不少于5000个；
3）完成系统的硬件电路部分设计，设计图纸不少于3张；
4）选择合适微控制器设计光伏发电并网系统，要求能并入AC50Hz220V电网；
5）设计出基于C语言的控制程序，要求能对能量进行存储，对电压、电流、频率、相位等信息进行显示；
6）进行软硬件的调试；
7）按格式要求完成毕业设计说明书的编写工作。
必读参考资料：
太阳能光伏并网发电及其逆变控制/机械工业出版社张兴2011
太阳能光伏发电应用原理化学工业出版社，黄汉云2009
指导教师签名系主任签名
院长签名（章）_____________
武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）
地球表面每年接受太阳辐射能量高达5.4*1024J，若能将其中的十万分之一转化为电能，就可以满足目前全世界的能耗需求，因此，太阳能发电对缓解日益严重的环境和能源危机具有特别重要的意义，太阳能发电主要指光伏发电。
据统计资料显示，目前光伏发电系统中，接近99%的安装容量为并网应用，这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势，并网式光伏发电系统式当今发展方向，全世界并网式光伏系统年增长率约为25~30%。
并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。
并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。
但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。
SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。
全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。
目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。
目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。
2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的光伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。
从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。
2、基本内容和技术方案
基本内容：
1）查阅相关文献，了解光伏发电并网的相关设计方法；
2）完成相关资料的英文翻译，翻译成汉字后不少于5000个；
3）完成系统的硬件电路部分设计，设计图纸不少于3张；
4）选择合适微控制器设计光伏发电并网系统，要求能并入AC50Hz220V电网；
5）设计出基于C语言的控制程序，要求能对能量进行存储，对电压、电流、频率、相位等信息进行显示；
6）进行软硬件的调试；
技术方案：
光伏发电电池经过串联或并联之后，得到一定电压的直流电，直流电通过H桥逆变，逆变由微控制器输出SPWM进行控制，这样既可得到正弦波交流电。
微控制器对电网的电压、相位、频率进行测量，控制逆变器，使得逆变输出的交流电能够和电网有相同的频率、相位和电压，以便实现并网供电。
右图为逆变器主电路图，四个开关管通过SPWM波的控制，即可将直流电变换为正弦波交流电，微控制器对电网的电压、频率、相位进行测量，然后对输出的波形进行控制，即可实现两路交流电的并网。
本设计利用TMS320LF2407的事件管理器生成两路互补的SPWM信号，按照一定算法，实现对电网频率和相位的测量，并保证逆变器能够跟踪电网，让系统安全稳定运行。
3、进度安排
第一阶段：
毕业实习
1周：
去相关单位参观学习。
2周：
在图书馆查阅相关资料，书写熟悉报告和总结。
第二阶段：
资料搜集整理并学习相应知识及软件使用
3周：
搜集课题相关资料。
4周：
整理相关资料。
5周：
查阅相关资料，完成开题报告。
6周：
查阅相关资料，熟悉光伏发电并网系统的工作原理。
7周：
查阅相关资料，熟悉光伏发电并网系统的相关技术。
8周：
学习TMS320LF2407的应用及相关软件使用。
第三阶段：
系统设计
9周：
设计出系统各模块硬件电路。
10周:
设计完善系统总体电路。
11周：
完成系统各模块软件流程图的设计。
12周：
完成软件的具体编写。
13周：
对系统进行软硬件的调试。
14周：
完成毕业设计论文。
15周：
答辩。
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
摘要
目前能源供应日益紧张，世界各国都在大力开发新能源，太阳能作为一种取之不尽用之不竭且清洁安全的能源形式，尤其受到重视，具有广泛的应用前景，而光伏发电并入电网是其应用的主要趋势。
本文针对光伏发电并网装置的软硬件进行了理论分析和设计，对单相光伏发电并网的能量转换，最大功率跟踪，并网锁相，硬件设计进行了分析。
在本系统设计中，所选用电路拓扑无隔离变压器，系统体积小、结构简单且易于控制。
在分析常用的最大功率跟踪方式之后，采用了基于BOOST电路的电导增量法进行控制。
本系统软件以TMS320LF2407为核心，采用SPWM进行控制，实现对电网电压的锁相和锁频。
最后，设计了系统硬件，对各模块的硬件电路进行了详尽的设计。
关键词：
光伏发电并网最大功率跟踪电导增量法相位跟踪
Abstract
Theenergysupplyisbecomingmoreandmoretight,manycountriesintheworldaredevelopingnewenergyvigorously,astheonekindofinexhaustibleandcleanenergyform,solarenergyisbeingappreciatedespecially.ithasabroadprospectofapplication,andphotovoltaicenergymergeintopowergridisthemaintrendofitsapplication.Thisarticlehasanalysedtheoreticallyanddesignedthesystemaimatpowergriddevicehardwareandsoftwareofsingle-phasephotovoltaicpowergrid,energyconversion,themaximumpowerpointtracking,gridphaselock,hardwaredesignisanalyzed.
Inthedesignofthissystem,ichoosesthecircuittopologywithouttheisolatedtransformer.Itssizeissmall,thestructureofthesystemissimple,andeasytocontrol.IchoosetheconductanceincrementalapproachmethodbasedonBOOSTcircuitafteranalysedsomecommonmethodsofmaximumpowerpointtracking.ThesoftwareofthissystemusesTMS320LF2407asthecore,andustingtheSPWMcontrol,toachievethelockvoltagephaseandlockfrequency.Finally,idesignedthehardware,thehardwarecircuitofeachmodulemadedetaileddesign.
Keywords:
photovoltaicpower,grid-connectedsystem,MPPT,incrementalconductance,phase-locked
1绪论
1.1能源利用情况
自然界中能源以多种形式存在，如生物质能、矿物能源、太阳能、风能、
地热水能、海洋能等。
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，人们利用能源经历了材薪、煤炭、石油三个历史时期，
这类常规能源不仅枯竭有期，而且它将引起一系列局部的或全球的环保问题。
目
前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极
为严重的大气污染，如果不加控制，温室效应将对人类生活空间产生极大的威胁。
因而目前世界上许多国家都在采取措施，积极提高能源效率，改善能源结构，去
探索新能源和可再生能源的利用，并逐步使其取代常规能源，以减少环境污
染并合理利用资源。
世界上新能源和可再生能源现状和发展趋势如下:
（1）水力发电稳步增长。
水力发电虽然破坏土地和水生物栖息地，引起土壤侵蚀和河流淤积，但不排
放二氧化碳，。
在许多情况下，水力发电可与石油、煤炭发电竟争。
然而由于水力发电受电站地址选择，初期投资大，以及环境方面和社会方面等因素的影响，因此水力资源不可能被全部开发。
（2）风力发电机装机容量扩大。
风力发电装机容量地增长主要在欧洲。
近年来，丹麦、印度、中国、新西兰、
瑞士、加拿大等国家，都在实施风力发电项目。
风力发电主要受土地利用的矛盾、
风力对鸟类的伤害、大型风力发电与重要地区人口和工业中心相隔较远等因素的
限制。
（3）地热、生物质能、海洋能的发电有所增长，潜力巨大。
（4）太阳能发电兴起。
太阳能有以下特点：
a）太阳能是一种用之不竭的可再生能源，初始能源成本极低；
b）太阳能是一种既不产生环境有害气体，又不释放放射性物质的清洁能源；
c）太阳电池及其组件可串并联组合，电源或电站的功率可根据需要从几毫
瓦至几十兆瓦配置；
d）晶体硅太阳电池可使用20年以上，而且整个系统没有转动装置，系统寿
命长，可靠性高，使用方便。
人类之所以没有大规模利用太阳能资源，是因为开发利用的成本比较高。
目
前太阳能发电装置一般都采用非晶硅作为光电转换材料，这种材料比较昂贵，另
外它的光电转换效率只有25%左右，再者日光能量密度低，要放置太阳热能收集
器需要巨大的空间。
在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未
来能源，有无尽的潜力。
当前，世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研
究、开发的项目。
全球能源专家一直认定：
太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。
据欧
洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。
世界观察研究所的一项报告指出：
太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛起，“太
阳能经济”将成为未来全球能源的主流，实现以“太阳经济”为主的能源转移将创造新的产业，新的就业机会，就象石油帮助人类形成今天的社会一样，这种新的能源经济也将创造人类的未来。
太阳能的利用主要有光热利用、光化学利用和光伏利用三种形式。
热利用的
主要形式是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电。
太阳能热水器是太阳
能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。
太阳能热发电随着技术的
发展，成本逐渐降低，变得越来越可行。
光化学利用主要指:
太阳能光合作用、
太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，
其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技
术之一。
光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电和并网两种工作方式。
其中光伏发电技术近期在世界范围内得到了高速的发展。
光伏发电实质上是
利用太阳能级半导体电子器件即光电池有效地吸收太阳光的辐射能，将之直接转
换成电能的发电方式。
光伏电池单元是光电转换的最小单元，一般是边长为10~
15cm的硅板上形成的半导体的一种，本身产生的电压约低于0.5V。
将电池单元
进行串并联后并封装就成为光伏电池组件，功率一般在几瓦、几十瓦甚至数百瓦。
再将这样的光伏组件按需要进行串并联，就形成了光伏阵列，这样才能具有实用
的功率等级。
在此基础上，再加上电能变换装置就构成了具有实用功能的光伏发
电系统。
1.2光伏发电的技术的发展
法国科学家Edmondecquerel于1839年第一次发现了光伏效应现象。
他发
现某些材料在阳光照射下能够产生很小的电流，但在此后的几十年中，人们只是
对此感到好奇。
直到19世纪70年代，赫兹在固体硒材料上研究了光伏效应，制成的光伏电池的转换效率达到了1%-2%，很快这种光伏电池便被用作照相器材的测光装置。
1954年，贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池，光电转换效率达到了4%。
始于50年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一个主要应用对象，而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分，对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用。
今天，几乎所有的人造卫星都是靠光伏电池供电，包括通讯卫星、军事卫星和科学实验卫星。
计算机工业特别是半导体品体管技术的发展同样对光伏电池的发展起到了积极的推动作用。
制造光伏电池同制造晶体管所用的材料差不多，而且它们的工作原理也很相似。
以往晶体管技术的发展往往为光伏技术的发展提供新的思路，而现在半导体工业也时常采用光伏技术的研究成果。
尽管有了很大的发展，到70年代，对大多数地面应用来说，光伏发电技术的成本仍然太高。
70年代中期爆发的世界范围的能源危机使能源价格上升，引起人们对光伏发电技术新的兴趣。
从那以后，各国政府和工业界的研究机构投入了大量的资金和人力加强光伏发电技术的研究和开发。
太阳能光伏发电技术从此开始了其快速发展，太阳电池的研究在提高效率和降低成本两个方面都取得了较大进展。
晶体硅光伏电池的效率从70年代末的不到9%发展到90年代的14%以上，而同期的光伏电池的价格则由每峰瓦27美元下降到5美元以下。
在光伏电池的研究方面，各国科学家和研究人员不断的发展一些新材料和新技术，提出的工艺，使得新型太阳能电池层出不穷。
目前实验室条件下太阳能电池的最高转换效率己经超过30%。
太阳电池效率的提高和价格的降低极大的推动了太阳能光伏发电技术的应用，除了继续在空间电源中占据主导地位外，光伏电池的地面应用也越来越广泛。
由开始时的海上导航、牧区电围栏、交通信号灯等特殊应用，逐渐发展到微波通讯电源、石油管道阴极保护、村用电站甚至到太阳能屋顶和大型兆瓦级并网光伏电站。
1.3光伏发电并网的发展
过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电大多作为专用的独立运
行系统应用在如航天，边防海岛，或是边远地区的示范工程等。
但是近年来，新
型光伏材料的出现，产品价格的不断下降，转换效率的提高，电力电子器件的高
频化，高性价比微处理器的推出，先进控制策略的应用，使得光伏并网技术的研
究和推广日益受到重视。
光伏产业发生了巨大变化，已经开始向并网发电转变。
并网发电己经成为光伏发电的发展趋势。
并网发电开始于80年代初，但由于当时成本过高，且环境效益还不是很明
显，使得电力公司难以接受。
为缓解能源危机，大力利用太阳能，推动光伏发电
的迅速发展，西方一些发达国家纷纷出台有关政策、法规来扶持光伏并网产业。
1999年以来在世界各国，尤其是美国、日本、德国等发达国家先后发起的
大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世界光伏产业以每
年30%以上的增长率保持着高速发展，是一个比IT发展还快的产业。
作为一种
可再生的清洁能源，光伏发电将在21世纪前半期超过核电成为最重要的基础能
源之一。
如德国“可再生能源电力供应法”中规定2000年开始执行光伏发电上
网电价0.99马克/kWh的优惠政策。
美国于1997年提出“百万太阳能屋顶计划”，规划到2010年为100万个家庭安装太阳能屋顶，每个光伏屋顶将有3-5千瓦光伏并网发电系统。
英国“可再生能源法”于2002年初生效，该法强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供3%以上的电力，2010年可再生能源电力要达到10.4。
意大利2001年开始实施光伏屋顶计划，政府配套2800万美元资金，补贴达75%等等。
在我国，国家科技部己作出相应规划，有步骤地推进相关的科技创新研究、
示范及其产业化进程。
上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了“十万屋顶光伏发电计划”，拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕。
随即，由尚德太阳能电力有限公司承建的无锡市政府40千瓦屋顶光伏并网发电系统也吹响了江苏“一千个屋顶光伏发电工程”的号角。
这些工程的启动实施，将在一定程度上代表国际上最先进的用能方式，并将直接影响到我国未来能源利用的发展方向。
上海、江苏等地区推行“太阳能屋顶工程”；近日，国内首度引进总投资60亿的第二代太阳能光伏技术落户山东；2008年北京绿色奥运部分用电也由太阳能发电提供，中国普及光伏并网发电系统已拉开序幕。
在整个长三角地区，光伏电池产业都正在形成一个发展高峰。
2006年5月，
国内最大的硅片加工企业河北晶龙集团在上海投资20亿元建设太阳能科技产业
园，其中包括4条25兆瓦的太阳能电池片生产线；2006年底，一个总投资3000
万美元的太阳能电池生产基地在南京试产成功，之前，江苏已有无锡尚德、林洋
新能源、苏州阿特斯、常州天合4家光伏企业在美国上市，其中无锡尚德早已跻
身世界光伏行业前十强，占了全国太阳能电池总产能的60%；同时，江苏大全、
温州正泰等企业也纷纷高调进入光伏电池产业。
光伏电池产业一时成为新能
源产业阵营新的发展方向。
在2009年全国人大会议上，为更好的发展和利用太阳能，缓解和解决当今及今后我国的资源和能源紧张问题，全国人大代表提交了《关于修改（可再生能源法）以促进太阳能应用的议案》。
一个非常活跃的新能源产业以及与此相关的产业链正在形成一个巨大的新能源经济。
常规能源经济最终将让位于新能源经济。
新能源不仅能解决常规能源的污染、不可持续的问题，还能带动产生一种全新的经济模式，成为新的经济增长点。
1.4分布式发电并网标准
随着分布式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分布式并网发电系统制定出了一系列的技
术尺度和并网要求。
2003年6月，由标准制定委员会21（StandardsCoordinating
Committee21，SCC21）发布的IEEEStd1547-2003是第一个规范燃料电池、光
伏系统、分布式发电装置、能量储存设备这类分布式电源系统并网的标准。
该标
准考虑的是容量不超过l0MVA，工作频率为60Hz的分布式发电系统。
所以针对中国的50Hz市电研究，将根据该标准按比例修改后作为参考。
1.5本课题的主要内容
目前对光伏并网系统的研究，大多是针对大中型光伏并网电站或是对小区成
套光伏屋顶，一般以单相光伏发电并网系统为研究对象。
此光伏并网系统，也就
是本文所称的单相光伏并网系统。
这种系统应该是小功率，小体积，低噪声，性
能可靠。
研发这种系统的目的，也就是为了推广光伏技术的产品进入千家万户。
随着太阳能技术的发展，光伏电池的价格下降到适中位置，太阳能产品将以其节
能环保的优势，成为一种广为普及的太阳能利用方式。
本文的主要任务正是基于
上述目的。
（1）研究了单相光伏电路拓扑型式，对单相能量变换进行分析研究。
对特
定的研究对象—单相光伏发电并网系统，对其DC/DC级及DC/AC级主电路
结构进行了详细分析。
（2）对现有的最大功率点跟踪方法进行分析研究，采用既满足快速性又有
相当精度的电导增量算法实现太阳能电池的最大功率点跟踪。
理论上证明光伏电
池阵列的后级DC/DC升压电路中，可以通过占空比的调节，改变光伏阵列输出
功率，从而跟踪光伏电池最大输出功率。
（3）建立了逆变输出级控制模型，采用电流型并网控制方案。
对单电流环控制方式存在的不足，采用了双环控制的改进方案，其仿真结果验证了该方案的有效性和可行性。
对电网电压作为并网系统的扰动量采用了前馈补偿。
（4）对光伏并网系统的电网电压可靠快速地实现同步锁相。
本文分析了软
件锁相环算法，给出基于DSP的锁相方案及程序流程图。
2单相光伏发电并网装置的分析
2.1单相光伏发电井网系统的主电路结构
光伏并网系统的主电路结构主要有三种，如下图2-1。
工频变压器绝缘方式采用PWM逆变器产生工频交流，再利用工频变压器进行绝缘和电压变换。
因为采用工频，故变压器比较笨重。
高频变压器绝缘方式虽小而且重量轻，但是线路及控制方式复杂。
无变压器方式小巧，重量轻，成本低，可靠性高，但是与电网没有绝缘。
（a）工频变压器绝缘方式
（b）高频变压器绝缘
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