1、摘 要由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域光伏发电系统，尤其是小功率光伏离网发电系统，设计实现了基于 DSP 控制的光伏离网逆变器逆变电路部分的硬件电路。论文首先介绍了太阳能光伏发电的国内外发展现状，阐述了利用 DSP 控制光伏离网系统的基本原理。然后提出了以逆变器 DC/AC 变换技术为核心的光伏离网逆变器的硬件电路设计方案，并在 Matlab 软件上进行了仿真测试。关键词：光伏离网；逆变器；DSP；Ma
2、tlab 仿真AbstractIn recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting,
3、never failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention.In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low power photovoltaic off grid power generation system, design and achieve the hardware cir
4、cuit of inverter circuit in photovoltaic off grid inverter based on DSP control.The paper firstly described the development of photovoltaic power generation in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic off grid system.Then objective of toff grid inverter with the c
5、ore of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Key words: off grid photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation目录摘 要 .1Abstract .21 引论 .41.1 太阳能应用的背景 .41.2 光伏发电应用现状和意义 .41.2.1 国内光伏发电应用现状 .41.2.2 国外光伏发电发展现状 .6
6、1.3 太阳能光伏发电的概述 .71.4 本课题的内容和设计要求 .72 光伏发电系统 .82.1 光 伏发电系统的组成 .82.2 光伏发电系统的分类 .93 光伏电池 .113.1 光伏电池的工作原理 .113.2 光伏电池的分类 .114 主电路拓扑及电路主要参数设计 .134.1 主电路拓扑 .134.2 DC-DC 部分的电路拓扑 .134.3 功率开光管的缓冲电路的设计 .165 系统的软件构架 .175.1 系统的控制方式 .175.3 SPWM 波的生成 .186 采样电路 .206.1 直流电压电流采样电路 .206.2 交流电压与频率的采样 .211 引论1.1 太阳能应用
7、的背景伴随着传统的能源资源不断枯竭，环境污染造成全球变暖的最严重的问题，制约着社会的可持续发展。对于全世界的能源需求的增长使能源资源已经成为了世界上最重要的战略物资。因此，发展可再生能源是全球未来的能源发展的必由之路。在中国水电和风力发电已成为商业发电，但他们的资源是有限的，他们不可能即使利用所有的资源满足未来的需求。光伏发电，是一种取之不尽的无限量的能源，可以直接将太阳光转化为电能。光伏发电系统是一种重要的解决问题，如能源危机和环境保护。技术相关的并网光伏发电系统已经通过了世界广泛的研究并已经取得了很大进展。尽管中国的光伏并网发电系统的研究开始不久，但中国有丰富的太阳能资源。通过上述分析，在
8、能源需求急剧增加而其他能源日益紧张的背景下，太阳能作为一种取之不尽的、无污染的可再生能源已经成为当今最热门的能源开发应用的课程之一，它必将是 21 世纪最重要的能源之一。因此对光伏发电设计具有巨大应用价值和现实意义。因此，将来光伏发电系统的发展前景会很乐观。同时对于目前的一些能源问题，光伏并网发电系统都可以很好的解决，这将会对我们社会所面临的能源问题做出相当大的贡献。1.2 光伏发电应用现状和意义1.2.1 国内光伏发电应用现状中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即 90%的原材料依赖进口，而 90%的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对
9、落后。1958 年开始对太阳能光伏电池进行研究，并于 1971 年将光伏电池成功应用于东方红 2 号卫星；1973 年开始太阳能光伏电池的地面应用研究；从 20 世纪 70 年代初到 80 年代末，由于成本高，太阳电池在地面的应用非常有限。20 世纪 90 年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大。国家和地方政府开始制订光伏计划。2002 年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从 2001 年的 235 MW 迅速增长到 2002 年的 45 MW，至 2003 年达到 55 MW。20032
10、005 年，受德国市场的巨大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。2005 年，电池产量约 150 MW，组件产量约 284 MW，国内安装量约 5 MW，累计安装量 70 MW。近年来，随着环境问题日益突出，绿色发展理念逐渐深入人心，全球经济的发展方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。我国太阳能光伏电
11、池的年产量约为 3MW 生产能力约为 5-8MW，累计用量约为 15MW，同国外相比有很大差距!光伏发电产业生产规模小，水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其总体水平落后国外约 15 年。我国 “十二五”规划纲要提出，要大力发展节能环保、新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点发展太阳能热利用和光伏光热发电、生物质能等，解决 600 万人(即无电人口的 10%)的用电问题等目标!这给光伏发电产业提供了前所未有的市场和发展机会2。我国光伏发电的重点项目：(1)我国“光明工程”计划由国家发展计划委员会牵头制定的“中国光明工程”计划，筹集 l00 亿元，计划到 2010 年利用风力发电和光伏发电技术解决
12、 2300 万边远地区人口的生活、边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站等用电问题。使他们达到人均拥有发电容量 100 瓦的水平。(2)深圳园博园 光伏并网发电系统，该项目总投资 750 万美元，这是国内第一座 MW 级太阳能发电站。是目前中国乃至亚洲最大的太阳能并网发电系统，发电能力约为 100 万千瓦。该电站采用与市电并网形式。投入使用以来共发电200 多万度。(3)京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统2008 年 4 月。北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。这是2008 北京奥运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电。这套光伏发电系统总投资约 1000 万
13、元，总装机容量为 100 千瓦。该太阳能光伏系统使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术。可以就地安装、维护费用低。该太阳能光伏发电系统安装在位于国家体育场鸟巢周围的 5 个安检棚顶部，每个安检棚为一个并网发电单元。通过光伏并网逆变器与公共电网并接，实现了与公共电网的互联、互通和互补。该系统发电除满足鸟巢检票系统的自身用电外，多余电力将并人国家体育场的电力供应系统。按平均每天 5 小时光照时间计算。这套光伏发电系统每天可为鸟巢提供 520 度绿色电力。该系统将稳定运行 25 年，累计可生产约 475 万度绿色电力，可减排 2500 多吨废气替代 1500 吨标准煤。(4)上海
14、十万个太阳能屋顶计划上海十万个太阳能屋顶计划研究，是在世界自然基金会和上海市经委的支持下。由上海交通大学太阳能研究所承担的太阳能应用项目课题，总投资近百亿元。上海计划利用十年的时间，将现有 2 亿平方米平屋顶的 15，约 300 万平方米，即十万个屋顶用作太阳能发电。相当于新建一个 30 万千瓦的电站，而且是峰值发电。在 1000 瓦，平方米标准日照条件下安装太阳能屋顶，可发电 130180 千瓦时，平方米。按上海地区标准日照时间 11001300 小时年计算。每年最低发电量可达 143 千瓦时，平方米每年至少发电 33 亿度。(5)其他建设项目西部 7 省无电乡村通信工程项目、无锡国家工业设
15、计园 300 千瓦屋顶并网光伏系统、上海崇明岛生态公园 85 千瓦屋顶光伏系统、香港湾仔政府大楼屋顶光伏系统、广州十万个光伏屋顶计划、乌拉特后期 1MW 沙漠太阳能光伏并网电站，该电站将是目前国内最大的沙漠太阳能光伏电站。1.2.2 国外光伏发电发展现状太阳能是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的 50 以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品
16、市场，出口额占世界贸易额的 80 以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的 3 000 MW 增加到 2020 年的 70 GW。(w 为峰瓦)，光伏发电将解决非洲 30 GW 、经济合作与发展组织(OECD)国家 10 GW 的电力需求。当 2010 年欧洲风力发电达到约 40 GW、光伏发电 3GW 和太阳能集热器 100 Mm 时，总计可提供 154 167 万个就业机会。20 世纪 80 年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、物力 开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和利用工作。并制定相应的光伏发电系统的发展计划。1990 年德国政府率先推出“一
17、千屋顶计划“。1998 年进一步提出 10 万套屋顶计划。日本政府 1994 年开始实施“朝日七年计划” ，总容量 185WMp，1997 年又宣布实施“七万屋顶计划” ，总容量 280MWp。意大利 1998 年实行“全国太阳能屋顶计划” ，总容量 50MWp，在这类系统中，规模最大的是 1997 年 6 月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划” ，到 2010 年将安装 1014 万套光电系统，总安装量 3025MWp。表所示为20002004 年五年内世界光伏器件的年产量数据11。从中可以看到近五年光伏产品需求的强劲上升势头，年平均增长率超过50。充分说明了该产业的迅猛发展态势。美国能源部预测
18、，在今后十年内世界太阳电池销售量将以年均30的速度增长，到2010年将达到4.6GWp，累计容量将达到20GWp。近几年国际上光伏发电快速发展，2007 年全球太阳能新装容量达 2826mwp，其中德国约占 47%，西班牙约占 23%，日本约占 8%，美国约占 8%。2007 年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。除此之外，太阳能光电企业在 2007 年间的贷款融资金额增长了近 100 亿美元，使得该产业规模不断扩大。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府 2008 年 11 月发布了“太阳能发电普
19、及行动计划” ，确定太阳能发电量到 2030 年的发展目标是要达到 2005 年的 40倍，并在 3-5 年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2009 年还专门安排 30 亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。2008 年月16 日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策（itc）续延 2-6 年。1.3 太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电” 。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形
20、成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4 本课题的内容和设计要求本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，设计一个小型光伏离网发电系统的逆变电路。要求：输入直流电压250V-300V,逆变电压波形为正弦信号,有效值220V10%,50Hz,输出功率=100W，效率80%。根据设计要求，从以下几个方面进行研究设计:(1) 介绍光伏发电的的基本状况和前景，理解光伏发电系统的组成和分类，明确离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。(2) 阐述光伏发电的原理
21、。(3) 逆变器中逆变电路硬件电路的设计，包括：直流升压斩波电路结构、逆变器电路、LC 输出滤波、DSP 控制电路、采样硬件电路。(4) 通过建立离网逆变器的仿真模型,并采用直流电源供电,实现逆变电路的MATLAB 仿真并进行分析。2光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。主要是由光伏电池阵列、变换部分、逆变器及储能部分组成。（1）光伏电池阵列：光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小，最大输出功率不超过 5Wp，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串并联后统一封装
22、构成光伏模块(Photovoltaic ModulePV)，这是目前光伏器件的主要存在及应用方式。因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中 200Wp 以上的光伏模块更受欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列(PV Array)为系统提供更高的输出功率和输出电压。（2）直流变换部分（DC-DC)：直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和逆变器要求的电压等级。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟(Maximum Po
23、wer Point TrackingMPPT)问题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对 DC-DC 变换和 DC-AC 变换所需的基本控制外，还需在 DCDC 变换环节中增加 MPPT控制，以实现光伏阵列的最大功率输出。（3）逆变部分（DC-AC）:光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在内的许多用电场合需要交流电，所以(DC-AC)逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制系统控制，从而将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国外
24、处于同一水平，但在大功率逆变器上有较大的差距。（4）储能部分：光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚上，所以蓄电池可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可作为交流电网断电时的不间断电源为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏发电系统” 。还有一种不含蓄电池的发电系统，这种系统称为“不可调度式光伏发电系统” 。2.2 光伏发电系统的分类光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运行模式三种。独立光伏发电系
25、统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图 2-1 所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。光伏电池组件控制器D C / A C 变换 器D C / D C 变换 器直 流 负 载交 流 负 载蓄 电 池图2-1 独立光伏发电系统并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公
26、共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压、消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。图 2-2 所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、DC/AC 逆变器、 DC/DC 变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要，在 DC/DC 变换器输出端连接蓄电池组。交 流 负 载蓄 电 池控制器光伏电池组件D C / D C 变换 器直 流 负 载D C / A C 变换 器电 网图2-2 并网光伏发电系统混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图2-3 所示。
