小型独立光伏发电系统控制电路的设计【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 1 选题的背景、意义 随着科学技术日新月异的飞速发展，对能源的需求在不断增长。然而供应常规电力所用的室友燃料的储量是有限的，即使储量最丰富的煤炭最多也只能维持二三百年。就连近代发展起来的核能发电的原料铀也是有限的，而且还存在安全和污染的难题。因此，研究新一代取之不尽而又没有公害的新能源势在必行。 太阳能是人类最早认识并加以利用的能源之一。早在 3000年前人们就懂得聚焦太阳能来取火。在二十一世纪的今天，在经历建立在化石能源 基础之上的工业革命之后，随着世界经济的发展进入 21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。众多不可再

2、生能源的消耗殆尽和环境污染问题的日益严重，已成为制约人类社会可持续发展的两个关键性因素。人类开始将目光转向可再生能源的发展。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大 ,是最理想的可再生能源 1 。经济界权威人士在综合分析了科学技术的发展和突破、全球环境的制约，以及经济和政治等诸方面的因素后指出：如果说 20世界是石油实际， 21世界已将进去新能源世界。我国有着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 KJ191058 ，约相当于 1700亿 t标准煤的热值。全国各地年太阳辐射总量达 3340-8400MJ/ 2m a,全国年平均光照小时数为 2200

3、h、平均太阳能电力为 1700TW h。我国西北地区、西南地区、南方的广东省、海南省及沿海岛屿等广大地区的太阳辐射总量很大，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越资源条件。 太阳能作为一种可再生的新能源， 越来越引起人们的关注，尤其是可再生能源法正式颁布和环保政策的出台，显示了国家对可再生能源发展的重视，为太阳能光伏发电的发展提供了政策保证。 太阳能电池发电，又称光伏发电，光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式 2 。它具有使用寿命长、安全可靠、操作简单、维护简单、不易损坏、适合无人管理等特点，是一种理想的替代能源。在边远无电农村的少量供电

4、，并网太阳能电站等都有很大的应用范围。国内在这方面相对还比较落后。随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境 的恶化，人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源，其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势成为最主要能源之一 3 5。因此，太阳能的利用，特别是太阳能光伏发电，越来越受到重视。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦。这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电

5、池组件进行进一步的串并 联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出 6。 2 相关研究的最新成果及动态 太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成。其中控制系统一般由控制电路来完成的 7。它主要实现以下功能： (1) 转换采样电路的模拟信号，计算出太阳能电池阵列的输出电压、输出电流以及输出功率，再将数据输出给显示电路； 2) 根据太阳能电池阵列的输出电压调整太阳能电池阵列的工作状态使其稳定工作在最大功率点； (3) 根据采样到的蓄电池的电压和充电电流 ,对其实现恒压限流充电以及 过充过放保护； (4) 根据系统工作状态实现系统工作状态的切换。即当

6、有日照时，太阳能电池阵列向负载供电，多余的电能传输给蓄电池，将能量储存起来；当太阳能电池阵列不足以向负载供电时，蓄电池和太阳能电池阵列同时向负载供电。完美的控制系统可以延长整个光伏系统的使用寿命，提高光能的利用率跟转换率，节省维护开资，优化资源的利用 8。 美国推出了“太阳能路灯计划”，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电 800kWh。日本也正在实施太阳能“ 7万套工程计划”，准备普及太阳能住宅发电系统， 主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭剩余的电量还可以卖给电力公司。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了“ 10

7、万套工程计划”。日本韩国以及欧洲地区总共 8个国家最近决定携手合作，在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站，他们的目标是将占全球陆地面积约 1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为 30万用户提供 100万 kW的电能。目前，美国拥有世界上最大的光复发电厂，其功率为 7MW；日本也简称了发电功率达 1MW的光伏发电厂。全世界总共有 23万座光伏发电设 备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。 2009年全球新装置的太阳能发电容量为 7.2GW，其中欧盟就占了 5.8GW。至于德国，由于第 4季需求大增，全年新增的 太阳能发电容量有 3.8GW，约占全球的 1/2。

8、中国也不甘落后， 2009年相继提出了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策， 2020年的光伏发电目标从原先的 1.6GW提高到现在的 20GW，一系列的政策支持和长远规划让中国的光伏发电发展之路更加宽广。 2008年中国光伏安装总量是 40MW，累计安装总量只有 140MW，而 2009年全年安装量就有160MW，是上一年的 4倍，比以往累计安装总量还要多，足见中国光伏呈现飞速发展的趋势。 2010年 7月下旬美国通过的千万太阳能屋顶计划将引发全球光伏市场激增。随着发电成本下降和补贴政策出台，美国光伏发电安装量不断攀升，正逐步追赶传统的欧洲市

9、场，预计北美市场将在未来几年成为全球光伏发电应用的主要新兴市场。而随着成本的持续降低，光伏发电应用最 终将向中国和世界其他地区转移。 然而光伏系统中的控制系统根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态分为两种运行模式 :充电工作模式和放电工作模式，根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态控制系统自动切换运行模式 9。图 2为一个基本的充放电控制器原理图。由光伏组件、蓄电池、控制电路、逆变器、负载组成基本的光伏发电系统 10。开关器件 K1、 K2 分别为充电开关和放电开关，是控制电路的一个重要部分。 K1、 K2 的断开闭合由控制电路根据检测到的系统状态发出的相应控制命令来决定。 K1

10、闭合时由光伏组件 给蓄电池充电， 当系统检测到蓄电池出现过充时， K1就能接收命令及时切断充电回路，使光伏组件停止对蓄电池充电；相反， K1 还能按照预定的保护模式恢复对蓄电池的充电。 K2 闭合时，由蓄电池对外部放电，通过逆变器得到需要的电压向负载供电，当检测电路发现蓄电池过放电时， K2 就会接收命令及时切断放电电路，蓄电池停止向外部供电。当蓄电池达到预定的恢复充电点时， K2 又能根据命令自动恢复向外供电。 K1、K2 起到开关作用，而实际应用中由各种开关元件构成，灵敏度更高，能量损失更少，这也决定了一个光伏发电系统的高效性 11。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究

11、难点及预期达到的目标 拟采取的技术路线 （ 1）旁路型充放电控制 旁路型充放电控制的原理如图 1所示。该回路的开关元件 T1 在太阳能组件的输出端。当蓄电池电压大于预定的过充电压时， T1 导通， VD1（防反充二极管）截止，则太阳能组件输出的电流直接通过 T1 旁路泄放， 实现对蓄电池的充电关闭，起到过充保护作用。 VD1还能起到防反充作用。开关元件 T2 为蓄电池的放电开关，在正常放电时 T2 导通，当突然出现负载电流大于额定电流出现过载或者出现短路时， T2 断开 ，起到输出过载保护和短路保护。同时当蓄电池电压小于过放电压，此时 T2 断开，这就是过放保护。 VD2为防反接二极管，如果蓄

12、电池接反就会使 VD2导通， 由于短路放电很快产生大的电流，使保险丝烧断保护了整个系统，起到蓄电池防反接保护的作用。 图 1 旁路型充放电控制原理图 （ 2）串联型充放电控制 串联型充放电控制与旁路型充放电控制在电路的实现上只有一点不同， 即串联型充放电控制的开关元件 T1 是接在充电回路中。在功能上有一点与旁路充放电控制不同，当蓄电池电压大于过充电压时， T1 断开， 太阳能组件停止对蓄电池充 电， 起到过充保护作用且太阳能组件继续向负载供电，相对来说对太阳的利用率更高 12。 （ 3）多路充放电控制 当蓄电池电压大于过充电压时，控制电路将开关元件从 S1 至 Sn 顺序断开，当 S1 路断

13、开太阳能组件 P1 后，如果蓄电池的电压低于设定值，则控制电路等待，直到蓄电池的电压再次高于过充电压，再断开开关 S2 路的 P2，再进行等待，看是否继续断开后面的太阳能组件，如果蓄电池的电压不再上升到设定值，则其他支路保持接通充电状态。 VD1VDn为防反充二极管， A1、 A2 分别为充电电流表和放电电流表， V 为蓄电池电 压表 13。 （ 3） PWM充放电控制 PWM 充电控制以脉冲方式作为开关元件的输入，当蓄电池趋向充满时，随着端电压的升高，脉冲的频率或者占空比发生变化，使导通时间缩短，充电电流逐渐趋近零，反之充电电流就会增大 14。采用这种电路的优点是既能保护蓄电池，又能充分利用

14、能量，另外 PWM控制器还可以实现光伏系统的最大功率跟踪功能，因此可用于大型光伏系统 15。 研究难点 1 以功率 MOSFET为电子器件，设计升降压 DC/DC变换器； 2 以 PWM方式控制功率 MOSFET导通与关断； 3 使用软开关技术来提高变 换器的转换效率； 4 以单片机为控制单元，实现 PWM控制； 预期达到的目标 设计一个小型独立光伏发电系统的控制电路，能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的

15、直流电。 设计内容有： 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 交付的设计文件： 小型独立光伏发电系统控制电路的 设计计算说明书，有关的设计图纸，样品，学校要求的 其它文件。 4 研究工作详细进度和安排 2010年 11月查阅相关文献，认真阅读完成文献综述初稿。 2010年 12月完成开题报告初稿，完成外文翻译。 2011年 1月 10日之前，完成文献综述 假期：考虑设计的初步方案。 第 1周：完成开题报告定稿。指导教师与学生讨论确定题目的基本方案。学生进行综合课程设计。 第 4-6周：学生进行毕业实习，完成后提交实习报告，备查。 第 7-8周：总体方案设计。 第 9-11周：分单元设计。 第 1

16、2周：完成毕业设计（论文）初稿。 第 13周：完成毕业设计（论文）定稿，准备答辩。 第 14 周： 答辨 5 主要参考文献 1 张雅欣 .电视概论 M . 北京 :中国广播电视出版社 ,1997. 8. 2 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 M . 北京 :北京工业大学出版社， 2001. 3 Gonzalez R， Lopez J， Sanchis P， et a1 Transformerless inverter for single-phase photovoltaie systemsJ IEEE Transactions on Power Electronics， 2007，22（

17、2）： 693-697 4 Koutroulis E， Kalaistzakis K Novel battery charging regulation system for photovoltaie applications J 1EE Pro-Electr Power Appl， 2004， 151（ 2）： 191-197 5 陈维，沈辉，邓幼俊，等，光伏发电系统中逆变器技术应用及展望 J.电力电子技术， 2006， 40（ 4）： 130-133 6 王长贵 ,王斯成 . 太阳能光伏发电实用技术 M . 北京 :化学工业出版社 , 2005. 7 冯垛生 .太阳能发电原理与应用 M.北

18、京：人民邮电出版社， 2007.（ 7） 8 李安定 .太阳能光伏发电系统工程 M.北京：北京工业大学出版社， 2001 9 许洪华 .中国光伏发电技术发展研究（英文），电网技术 .2007，（ 20）： 77-81. 10 沈辉，曾祖勤 .太阳能光伏发电技术 M.北京：化学工业出版社， 2005. 11 王超 .独立运行光伏发电系统控制器的研究与设计 D.杭州 ,浙江大学 ,2004. 12 Park J H， Ahn J Y， Cho B H， et a1 Dual-module-based maximumpower point tracking control of photovoltaic systemsJ IEEE Trans Industrial Electronics， 2006，53（ 4）： 1036-1047 13 陈海，晁勤，戴训江 .独立光伏发电系统充放电控制策略 J.可再生能源，2009（ 03） . 14 李媛，朱景全 .基于串联式 PWM光伏控制器的设计 J.节能， 2010（ 07） . 15 王菊芬，李宣富 .光伏发电系统充放电控制研究 A.电工理论与新技术 2004年学术研讨会文集 C,2004.