模拟太阳能电源并网电路与控制部分毕业设计.docx

1、模拟太阳能电源并网电路与控制部分毕业设计模拟太阳能电源并网电路与控制部分硬件设计摘 要 太阳能作为一种高效无污染的新能源，一种未来世纪常规能源的替代品。目前，太阳能并网发电是太阳能光伏的重要应用之一，其系统包括光伏电池、变换器、蓄电池、控制器四大部分。该设计从实验的角度，对光伏并网发电系统进行模拟，主要由DCAC变换电路、控制电路、驱动保护电路、采样电路、工频变换电路等五部分组成。基本思路是在单片机C8051F020控制作用下采用正弦波脉宽调制技术（SPWM）对系统进行控制，主电路采用MOSFET为主要元器件的单相桥式逆变电路，经滤波电路滤波后变压进行输出。基于此，本设计采用单片机本身的PCA

2、模块，定时器模块，完成相应的控制功能，使光伏发电频率紧跟模拟电网频率，同时实现光伏最大功率跟踪，系统具有欠压保护、过流保护以及频率和相位跟踪等功能，并在欠压、过流故障排除或能自动恢复正常状态。该系统性能相对稳定，能够满足本次设计的需要。关键词：光伏并网 DCAC逆变电路 SPWM 最大功率点跟踪The Hardware Design Of Solar Power Combined To The Grid And ControledAbstractSolar energy as the one kind of efficient pollution-free new energy, a futu

3、re century of conventional energy sources substitutes. At present, the solar energy grid generation is one of the important application of solar photovoltaic battery, the system includes, converter, batteries, controller four most. This design, from the point of view of experiment of photovoltaic (p

4、v) grid power system is simulated by DC-AC conversion - main circuit, controlling circuit, drive protection circuit, sampling circuit, industrial frequency transform circuit composed to five parts. The basic idea is C8051F020 SCM control action in the sine pulse-width modulation technology (SPWM) th

5、e system is controlled, main circuit adopts MOSFET as the main components of single-phase bridge type inverter circuits, the filter circuit for output variable pressure filtered. Based on this, this design USES the microcontroller itself, timer modules of PCA module, completing the corresponding con

6、trol function, make photovoltaic power frequency follows grid frequency, but also achieve simulated photovoltaic maximum power tracking, system has low voltage protection, over-current protection and frequency and phase tracking, etc., and in less pressure, flow troubleshooting or can automatically

7、resume normal state. This system performance relative stability, can satisfy the need of this design. Keywords: photovoltaic (pv) grid DC - AC inverter circuits SPWM maximum power point tracking1 绪论1.1前言21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。在有限资源和保护环境的双重制约下能源问题将更加突出，这主要体现在：能源短缺；环境污染；温室效应。因此，人类在解决能源问题，实现可持续发展

8、时，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、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，成为理想的替代能源。文中阐述将太阳能电池板产生的直流电直接转换为220V/50Hz的工频正弦交流电输出至电网。 1.2课题研究的意义当今世界，传统化石能源正走向枯竭，且环境污染问题也日益严重，新能源和可再生能源的利用已经成为世界各国未来能源战略的重要组成部分。开发利用新能源和可再生能源，增加能源供给，促进节能降耗，保障能源安全，减少温室气体排放，发展低碳经济是实现经济和社会可持续发展的需要。太阳能作为新型环保能源，具有地域分布广阔、资源丰富、清洁

9、无污染等特点，成为解决电能匮乏的新途径。太阳能作为一种巨量的可再生资源，每年到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，光伏发电将占到全球发电量的1%，2040年将占到全球发电量的21%，2050年，太阳能将成为全球主要替代能源之一。我国有十分丰富的太阳能资源。据估算，陆地表面每年接收的太阳辐射能约为51022焦耳，约相当于17000亿吨标准煤。太阳能发电技术的开发和利用主要是光伏发电，其用户分布在工业和商业利用、边远地区供电和城市照明电源等。2005年我国光伏发电装机容量达到7万千瓦以上，主要为边远地区的居民供电。其中边远地区居民供电站50%

10、以上，每年的增长速度在20%以上。除了在边远无电地区得到应用外，十五期间也开展了并网屋顶光伏发电的示范，取得了一定的技术和工程经验。光伏发电在工业和商业利用领域也有稳定的市场，城市照明灯具的年生产量超过了10兆瓦，占世界市场的70%。2005年我国光伏电池的制造能力已超过10万千瓦，生产企业有10多家，近两年，国际市场，尤其是在德国和日本极为优惠的经济政策的激励下，光伏市场需求强劲，我国的光伏产品也大量出口，刺激了国内产业建设的热潮，目前还有几条万千瓦级的组件生产线正在建设之中。与其他发电方式相比，目前的光伏发电的成本还是很高，因此，考虑到经济成本和支持我国光伏产业持续发展的需要，我国的光伏发

11、电应采取稳步发展的原则和策略。十一五期间，我国的光伏发电系统的应用一方面以采用用户发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，建设了光伏发电20万千瓦，为200万户偏远地区农牧民提供了最基本的生活用电。另一方面，借鉴发达国家发展屋顶系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用光伏电源，到2010年已经建设总容量5万千瓦的屋顶光伏发电项目。此外，还将开展大型并网光伏系统的示范，为在光伏成本下降到一定水平时开展大型并网光伏系统的大规模应用作准备。十一五末期，光伏系统的这三个方面的应用总量

12、达到约40万千瓦。2010年是中国太阳能光伏发电产业处在结构调整、产业升级阶段；也是中国太阳能光伏发电产业步入“十二五”规划承上启下的关键一年。2010年，中国光伏电池产量达到8000兆瓦，约占全球总产量一半，居世界首位;光伏发电市场装机量预计达380兆瓦，占全球总装机的3%。 “十二五”是我国能源发展的关键时期，在我国战略性新兴产业政策的激励下，我国光伏市场前景广阔。在一系列国家政策的支持和引导下，我国光伏市场将迎来新一轮增长期。综上所述，我国光伏并网发电取得了一定的成绩，主要体现在光伏产品生产方面。但总体来看，尚处于起步阶段，还出来光伏发电成本高、发电不连续的特点，与世界发达国家的利用规模

13、和技术水平相比，还有很大的差距。因此，国内对光伏发电技术和设备制造的研发对提高我国光伏发电水平具有重要意义。1.3国内外研究现状1.3.1光伏发电系统分类1. 独立发电系统 光伏独立发电系统主要解决偏远的无电地区和特殊领域的供电问题，且以用户及村庄用的中小系统居多。随着电力电子及控制技术的发展，光伏独立发电系统从早期单一的直流供电输出发展到现在的交、直流并存输出。光伏独立发电系统由光伏电池阵列、充电控制器、蓄电池组、正弦波逆变器等组成，其工作原理为：光伏电池将接收到得太阳辐射能量直接转换成电能供给直流负载或通过正弦波逆变器变换为交流电供给交流负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能形式存储在

14、蓄电池中，在日照不足时，存储在蓄电池中的能量经变换后供给负载。2. 并网发电系统 光伏并网发电系统可分为两种，一种为不含蓄电池储能环节的“不可调度式光伏并网发电系统”，另一种为含蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”。不可调度式光伏并网发电系统中，当电网正常时，并网逆变器将光伏电池产生的直流电能直接转化成与电网电压同步的交流电馈入电网，当主电网断电或无光照时，系统自动停止向电网馈电。可调度式光伏并网发电系统一般由充电控制器和并网逆变器构成，在有光照的情况下，充电控制器将光伏电池采集的电能存储在蓄电池中；无光照时，充电控制器停止工作，同时并网逆变器根据需要，决定是否将存储在蓄电池组中的电能馈入电

15、网。可调度式并网系统在功能上虽然优于不可调度式并网系统，但是由于增加了蓄电池储能环节，带来了若干严重的缺点：蓄电池组有寿命问题、价格较贵、体积笨重。正是由于上述缺点的存在，使得可调度式并网系统的应用规模难以与不可调度式并网系统相比，目前大部分光伏并网发电系统能采用不可调度式并网结构。1.3.2光伏并网发电系统研究现状 光伏并网发电系统的核心是并网逆变器，可以分为电流型和电压型两大类。电流型的特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特征。光伏并网系统从结构上还可以分为高频和工频两种。工频并网逆变器首先通过DC/AC变换器将光伏电池输出的直流电能转换为交流电能，然后通过工频

16、变压器和电网相连，完成电压匹配以及与电网的隔离，实现并网发电。（本课题研究的就是此种形式。）工频并网逆变器由于带有工频变压器，存在体积大、效率低、成本高等缺点。高频并网逆变器首先通过DC/DC变换器将光伏电池输出的直流电压进行电压等级变化及稳压，然后通过DC/AC逆变器直接和电网相连，将能量馈入电网。有高频变压器隔离并升压。其优点是省去了体积庞大的工频逆变器。主要缺点：采用了两级拓扑效率有所降低，特别是DC/AC环节包括高频逆变以及高频整流两个环节，多级管压降使得效率进一步降低。并网逆变器作为光伏发电系统和电网的接口设备，其控制目标是实现正弦电流输出，使其工作在单位功率因数并网模式。并网逆变器

17、输出电流波形直接影响到光伏发电系统的供电质量，因此，并网逆变器输出电流控制策略成为光伏发电系统研究热点之一。现有的控制方法有PI控制、滞环电流控制、空间矢量控制（SVPWM）、无差拍控制、重复控制、比例谐振控制等。PI控制具有算法简单、可靠性高、开关频率固定、易于设计等特点，是目前最常有的控制方法之一。但是常规的PI控制在开关频率不够高的情况下，电流动态响应相对较慢，相对于正弦参考电流存在一定偏差，并且在输出功率变化或电网电压波动时难以快速跟踪参考电流，从而造成并网电能质量下降。采用电网电压前馈和电流跟踪控制技术，利用前馈补偿有效抑制电网波动，提高系统的抗扰动性，取得了良好的效果。滞环电流控制

18、根据瞬时值电流偏差来决定功率器件的开关状态，虽然存在开关频率不固定的缺点，但是具有峰值自动限制能力、电流跟踪精度高、动态响应快、不依赖于负载参数以及稳定性高等优点。空间矢量控制方法同坐坐标变换，将三相电流变换到与基波频率同步旋转的两相坐标系，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而PI调节器对直流信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现电流的无差跟踪控制，因此该方案可以获得高功率因数低谐波的三相并网电流，已广泛用于三相并网系统。无差拍控制是一种基于被控对象精确数学模型的数字控制方法，具有动态性能好，控制过程无过调等优点。但控制方法也存在着 要求脉宽必须当拍计算当拍输出，存在算法复杂

19、，采样频率高等缺点。重复控制是一种基于内模原理的控制方法，把作用于系统外部的信号模型植入系统控制器内部以构成高精度反馈控制。重复控制能在较低采样频率下提供高质量的稳态波形，消除周期性干扰产生的稳态无差，其缺点是动态性能较差。光伏并网发电系统在一般情况下只提供电网有功电能，并保证其具有较高的功率因数，而负载的无功电能一般由电网提高或由专用的无功补偿设备提供。当日照强度很低甚至夜晚时，光伏电池实际上丧失了输出能力。这样一来，不仅在系统关闭时整套设备处于闲置状态，而且频繁的并网与解列动作造成系统控制困难，部分设备损耗增加且使用寿命变短。针对上述问题，一些学者提供了光伏并网发电与无功补偿的统一控制方法

20、，当光伏电池输出能量时，并网逆变器将直流电变换成交流输送到电网上，同时有选择地对电网进行无功补偿：当光伏电池停止输出时，并网逆变器单独对电网进行无功补偿。这样可以实现一套装置的过功能使用，既改善了电网的电能质量，又提高了整个系统的利用率，可以有效提高电网末梢供电质量。1.3.3最大功率点跟踪研究现状 要想提高光伏系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点跟踪（aximum Power Point Tracking,MPPT）。目前，光伏发电系统的应用日渐增多，但系统造价仍居高不下，转换效率也很低，因此，通过控制光伏电池的输

21、出功率，使光伏电池按MPPT工作，提高系统效率，从某种意义上说相对地降低了系统成本，从而可以促进光伏产业的发展。下面针对目前较常见的MPPT控制方法进行详细介绍。1. 扰动观察法（Perturb and observe） 扰动观察法也称之为爬上法，是目前最常用的MPPT控制方法，它给变换器叠加一个扰动量，通过检测并计算光伏电池输出功率的变化情况进行最大功率点跟踪。扰动观测法具有算法简单，实现方便，可以实现最大功率点的动态跟踪。但是扰动观测法在跟踪稳定时，只是在最大功率点附近振荡运行，从而降低了系统效率。2. 增量电导法（Incremental Conductance） 由光伏电池输出特性可知，

22、在光伏电池最大功率点处得电导为零，左侧电导为正，右侧为负，其表达式如下： MPP处 MPP左侧 （1.1） MPP右侧通过简单的数学推导可得： （1.2）将式（1.2）代人（1.1）得： MPP处 MPP左侧 （1.3） MPP右侧因此，以式（1.3）作为判断光伏电池是否工作在最大功率点的依据并对系统进行相应的控制，则可以实现最大功率跟踪。增量电导法具有控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平稳地追踪其变化，并且与光伏电池组件的特性及参数无关。但是，增量电导法存在控制算法较复杂，对控制系统采样精度要求较高，控制电压初始化参数对系统启动过程中的跟踪性有较大影响等缺点。3. 开路电压法（Open

23、-Circuit Voltage） 开路电压法是一种最简单的最大功率点跟踪法，在变化的日照强度和温度下，光伏电池的最大功率点电压和开路电压成近似线性关系，即： （1.4）式中为比例常数。由于依赖于光伏电池本身的特性，通过事先凭经验通过测试不同的日照强度和温度条件下的和计算得到，一般在0.71到0.78之间。因此，开路电压法根据事先确定的，周期性切断变换器并测量当前，通过计算获得。开路电压法相隔一定周期需要切断变换器以进行开路电压测量，势必造成光伏电池暂时的功率损耗，同时该方法仅仅是对光伏电池最大功率点的一个估算，并不是真正意义上的MPPT控制技术。但是由于开路电压法不需要任何控制器就可以实现，

24、大大降低了成本，因此在某些应用场合，这种方法基本上能满足最大功率点跟踪的要求。4.短路电流法（Short-Circuit Current） 短路电流法和开环电压法相似，在气候变化条件的情况下，光伏电池最大功率点电流和短路电流近似线性变化，即：=* （1.5）其中同样由光伏电池特性决定，通常在0.78到0.92之间。在工作过程中，为了测量，需要一个额外的开关管加入到变换器中，用于周期性地短路光伏电池，这无疑增加了开关管的数目和成本，造成功率损耗。除了上述几种较常见的MPPT控制方法外，还有模糊逻辑控制法（Fuzzy Logic Control）、神经网络法（Neural Network）、直流电

25、容下降控制法、负载电流或负载电压最大法、dP/dV或dP/dI反馈控制法、滑模控制法、状态空间模型法等。1.3.4 EDA技术电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）技术是在电子计算机辅助设计技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动化设计。EDA技术是现代信息技术飞速发展的关键性技术之一，在经济建设、科技工程进步以及国防现代化建设中起着根本性的推动作用。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。目前，国内常

26、用的EDA软件主要有Multisim、PSPICE、ORCAD、Protel等，本课题设计主要用到的是Protel软件。Protel Protel是PROTEL公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，有些高校的电路专业还专门开设Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、

27、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。在EDA软件中，Protel软件功能强大、界面友好、使用方便，得到了广泛的应用。1.4课题的主要研究内容本课题要求用太阳能电池板模拟光伏发电；uREF 为模拟电网电压的正弦参考信号；T为工频隔离变压器，将 uF 作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL。其结构框图如图1.1所示图1.1其设计的主要内容包括：DC-AC逆变电路的设计与驱动控制

28、；控制回路的设计，主要包括最大功率跟踪（MPPT）方案的设计、同频控制方案设计、同相控制方案设计；滤波电路、工频变换电路以及故障排除后系统的自恢复功能设计等。1.5课题研究的重难点1.5.1课题研究的重点最大功率点跟踪的实现、DC-AC逆变、由单片机C8051F020产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能。1.5.2 课题研究的难点1.跟踪最大功率点。2.逆变及频率相位跟踪功能。1.6论文的结构安排本论文的组织结构如下：第一章：绪论，介绍关于太阳能并网发电的开发背景、开发意义、开发者的主要工作以及课题研究的重难点。第二章：通过对其原理的分析，对设计方案进行论证以及确定合适的方案； 第三章：建立

29、总体设计思路，对设计所用芯片介绍；第四章：系统硬件设计，说明了系统硬件电路的具体设计方案第五章：总结设计，得出结论，总结设计收获和体会，同时指出整个设计工作的不足之处和需要改进的地方。2 设计方案进行论证2.1设计思路本课题是通过设计最终输出电压为220V频率为50HZ的交流电；用太阳能电池板模拟光伏发电；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号；uF作为输出电流的反馈信号；要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能。2.2 DC-AC变换器方案一 推挽式逆变电路：结构如图2.2.1所示。假定输出电流是连续的，在开关元件VT1闭合(VT2断开)期间，io为正时，VT1导通，io

30、为负时，VD1导通。因此，无论io的方向如何，均有uoUDn，其中n为变压器原边一半绕组与副边绕组的匝数比。同样，在VT2闭合(VT1断开)期间，uo- UDn。、图2.2.1 推挽式逆变电路方案二 半桥逆变电路：结构如图2.2.2所示。当一对功率开关管均截止时，若电容器C01和C02的容量相等而且电路对称，则电容中点4的电压为输入电压的一半，即VC01VC02E2。当VT1被基极驱动电路以脉冲方式激励导通时，电容C01将通过VT1和中频变压器T1的一次绕组N1放电，同时，电容C02则通过输入电源、V1和T1的一次绕组N1充电，中点A的电位在充放电过程中将按指数规律下降，在VT1导通终了时，V

31、A将下降至E2-E；接着是一对晶体管都截止的时期，此时V CE1V C01，V CE2V C02，它们都接近输入电源电压的一半，当VT2被激励导通时，电容C01将被充电，电容C02将放电，中点的电位在VT1导通终了时将增至E2+E，亦即中点A的电位在电路开关过程中将在E2的电位上以土E的幅度作指数变化。图2.2.2 半桥逆变电路方案三 全桥逆变电路：结构如图2.2.3所示。四只MOSFET 管VT1VT4分别组成两个桥臂,形成主开关桥路，RL为负载。在PWM 驱动信号的控制下,VT1、VT3与VT2 、VT4 交替通断,其通断流程如下:(1) VT1、VT3处于on(VT2、VT4 off),

32、 U+ =Ud, U-=0; UO=Ud;(2) VT2、VT4处于on(VT1、VT3 off), U+ =0, U-= Ud; UO=-Ud;(3) VT1、VT2处于on(VT3、VT4 off), U+ =Ud, U-= Ud; UO=0;(4) VT3、VT4处于on(VT1、VT2 off), U+ =0, U-=0; UO=0。全桥逆变电路在相同的直流输入电压时，其最大输出电压是半桥逆变电路的两倍。这说明在输出功率相同时，全桥逆变电路的输出电流和开关元件电流均是半桥逆变电路的一半，在负载需大功率时，这是一个显著的优点。图2.2.3 全桥逆变电路综合比较，基于对电路结构和效率的考虑,我们选择方案三。2.3控制方法及实现方案方案一 用PWM专用芯片产生PWM控制信号。可采用恒频脉宽调制控制器TL494，工作频率为1300kHz，输出电压