1、1毕业设计开题报告电气工程及其自动化光伏逆变并网模拟装置一、选题的背景与意义选题背景随着全球工业化过程的逐步开展，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭，石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机，同时，大量使用化石能源对生态环境造成了严重的破坏，全球只有解决了这个难题，才能实现经济和社会的可持续发展，造福人类。人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模的开采利用可再生能源，包括太阳能在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类社会基础能源的重点。太阳能具有独特的优势，全球能源专家一致认定太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能发电分为光热
2、发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而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可形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。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就
3、是“光生伏特效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负2载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是A自放电率低；B使用寿命长；C深放电能力强；D充电效率高；E少维护或免维护；F工作温度范围宽；G价格低廉。充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。逆
4、变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。以上设备中，逆变器是本设计的核心。逆变器的类型（一）按应用范围分类（1）普通型逆变器直流12V或24V输入，交流220V、50HZ输出，功率从75W到5000
5、W,有些型号具有交、直流转换即UPS功能。（2）逆变/充电一体机在此类逆变器中，用户可以使用各种形式的电源为交流负载供电有交流电时，通过逆变器使用交流电为负载供电，或为蓄电池充电；无交流电时，用蓄电池为交流负载供电。它可与各种电源结合使用如蓄电池、发电机、太阳能电池板和风力发电机等。（3）邮电通信专用逆变器为邮电、通信提供高品质的48V逆变器，其产品质量好、可靠性高、模块式（模块为1KW）逆变器，并具有N1冗余功能、可扩充（功率从2KW到20KW）。（4）航空、军队专用逆变器此类逆变器为28VDC输入，可提供下列交流输出26VAC、115VAC、230VAC，3其输出频率可为50HZ、60HZ
6、及400HZ,输出功率从30VA到3500VA不等。还有供航空专用的DCDC转换器及变频器。（二）按输出波形分类（1）方波逆变器方波逆变器输出的交流电压波形为方波。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是线路简单、价格便宜、维修方便。缺点是由于方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁心电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通讯设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点。（2）阶梯波逆变器此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，逆变器实现阶梯波
7、输出也有多种不同线路，输出波形的阶梯数目差别很大。阶梯波逆变器的优点是，输出波形比方波有明显改善，高次谐波含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波。当采用无变压器输出时，整机效率很高。缺点是，阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多，其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。这给太阳电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。此外，阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有一些高频干扰。（3）正弦波逆变器正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波。正弦波逆变器的优点是，输出波形好，失真度很低，对收音机及通讯设备干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全，整机效率高。缺点是线路相对复杂，对维修技术要
8、求高，价格较贵。上述三种类型逆变器的分类，有利于光伏系统和风力发电系统设计人员和用户对逆变器进行识别和选型。实际上，波形相同的逆变器在线路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大区别。主要性能参数描述逆变器性能的参量和技术条件很多，这里仅就评价逆变器时常用的技术参数做一扼要说明。A使用环境条件4逆变器正常使用条件海拔高度不超过1000M，空气温度040。B直流输入电源条件输入直流电压波动范围蓄电池组额定电压值的15。C额定输出电压在规定的输入电源条件下，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。电压波动范围单相220V5，三相3805。D额定输出电流在规定的输出频率和负载功率因数下，逆变器应输
9、出的额定电流值。E额定输出频率在规定的条件下，固定频率逆变器的额定输出频率为50HZ频率波动范围50HZ2。F最大谐波含量正弦波逆变器，在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量应10。G过载能力在规定的条件下，在较短时间内，逆变器输出超过额定电流值的能力。逆变器的过载能力应在规定的负载功率因数下，满足一定的要求。H效率在额定输出电压、输出，扼流和规定的负载功率因数下，逆变器输出有功功率与输入有功功率或直流功率之比。I负载功率因数逆变器负载功率因数的允许变化范围，推荐值0710。J负载的非对称性在10的非对称负载下，固定频率的三相逆变器输出电压的非对称性应10。K输出电压的不对称度在正常工作条件下，
10、各相负载对称，输出电压的不对称度应5。L起动特性在正常工作条件下，逆变器在满载负载和空载运行条件下，应能连续5次正常起动。5M保护功能逆变器应设置短路保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护及缺相保护。N干扰与抗干扰逆变器应在规定的正常工作条件下，能承受一般环境下的电磁干扰。逆变器的抗干扰性能和电磁兼容性应符合有关标准的规定。O噪声不经常操作、监视和维护的逆变器，应95DB；经常操作、监视和维护的逆变器，应80DB。P显示逆变器应设有交流输出电压、输出电流和输出频率等参数的数据显示，并有输入带电、通电和故障状态的信号显示。研究意义太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国
11、的实际利用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。充分利用这些无电地区的太阳能资源，有计划、有步骤地推广光伏技术，解决缺电地区的用电问题，促进这些地区的经济文化发展，提高人口素质，对于全国的平衡协调发展，缩小地区间差距，均具有战略与现实意义。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本设计基于电压桥式逆变及光伏并网原理，以单片机最小系统为控制模块，用直流稳压电源和电阻模拟光伏电池，实现了模拟光伏发电并网系统的设计。系统由模拟光伏电池，DCAC逆变电路，LC滤波电路，控制电路，取样测量电路等模块构成。在60V直流电源的供电下，系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能；当模拟电网频率及幅值改变时，系统能
12、够跟踪模拟电网电压的频率及相位；当“光伏电池”内阻等于负载电阻时，DCAC变换器的效率80，输出电压失真度THD1。而且系统具有欠压，过压及过流保护，当故障排除后，装置能够自动恢复到正常工作状态；单片机能够实时显示输出电压，电流及功率的大小。本设计重点和难点1最大功率点跟踪；62频率和相位跟踪；3转换器效率80；4故障自动恢复功能三、研究的方法与技术路线本课题的设计主要包括两个部分硬件设计和软件设计。根据设计要求，确定系统的结构框图如下光伏电池DCAC逆变滤波器变压器负载UD采样SPWM波发生保护电路电压电流取样电路控制电路SPWM信号MPPT电网信号保护信号反馈控制信号UFI最大功率点跟踪最
13、大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项关键技术，它是指控制改变太阳能电池阵列输出电压或电流的方法，使阵列始终工作在最大功率点上，本设计中采用恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低。DCAC变换器逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。根据直流侧电源性质的不同，逆变器可以分为两种直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。光电电池性质类似于电压源，所以采用电压型逆变电路。SPWM发生模块采用软件和硬件结合的方式。该方案采用DDS技术及
14、产生的正弦波和三角波。然后，利用硬件电路实现波形滤波，电压比较，进而得到SPWM波。取样测量模块采用模拟电路检测峰值，将峰值保持后，送入单片机AD转换，得到的数据就是峰值。软件设计本设计中，软件的的主要作用是控制系统电路运行。控制电路主要由单片机最小7系统完成，控制电路需要完成逆变器电压采集、欠压保护、过流过压保护，并且需要计算电路功率、显示功率、电压、电流等功能。四、研究的总体安排与进度2010年11月20日11月30日，开题，完成开题报告，任务书，文献翻译等工作。2010年12月1日12月15日，初步确定总体控制方案。2010年12月16日12月31日，器件选型与硬件电路设计。2011年1
15、月1日2月15日，硬件电路与软件设计。2011年1月16日3月15日，系统调试。2011年3月16日5月10日，完成毕业设计论文制作。2011年5月11日5月31日，准备毕业答辩。五、主要参考文献1俞杨威等基于PWM逆变器的LC滤波器浙江杭州浙江大学电力电子研究所2周克宁等基于DDS的高准确度可调占空比方波发生器浙江杭州浙江科技学院电气工程学院3崔开涌等基于电流直接控制的光伏电池最大功率点跟踪策略上海上海大学自动化系4INTERNATIONALRECTIFIERIR2104DATASHEET5INTERNATIONALRECTIFIERIRF3710DATASHEET6李进兵等分布式电源并网系
16、统孤岛检测方法综合比较河北秦皇岛燕山大学电气工程学院7张超等无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用浙江杭州浙江大学电力电子研究所8周润景等编基于QUARTUS的FPGA/CPLD数字系统设计实例北京电子工业出版社，200789雷元超等光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究上海电工电能信技术200423（3）上海大学机电工程与自动化学院10TKAWAMURA,KHARADAANALYSISOFMPPTCHARACTERISTICSINPHOTOVOLTAICPOWERSYSTEMSOLARENERGYMATERIALSANDSOLARCELLSVOLUME47,ISSUES14,OCTOBER8199
17、7,PAGES15516511CHUA,JLINANONLINEMPPTALGORITHMFORRAPIDLYCHANGINGILLUMINATIONSOFSOLARARRAYSRENEWABLEENERGY,VOLUME28,ISSUE7,JUNE2003,PAGES1129114212陈桂兰等光伏发电系统最大功率点跟踪控制北京电子技术应用北京中科院电工研究所1童诗白，华成英模拟电子技术基础M第三版北京高等教育出版，200644044313黄俊，王兆安电力电子交流技术M（第三版）西安西安交通大学出版社，2004年14邱关源电路M（第四版）北京高等教育出版社，20052012089毕业设计文献
18、综述电气工程及其自动化光伏逆变并网模拟装置一材料来源随着全球工业化过程的迅速开展，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭，石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机；同时，大量使用化石能源对生态环境造成了严重的破坏，全球只有解决了这个难题，才能实现经济和社会的可持续发展，造福人类。人类要解决能源问题，只能依靠科技进步，大规模的开采利用包括太阳能在内的可再生能源。太阳能具有独特的优势，丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价且人类能够自由利用的新型能源。据统计，太阳每年送到地球上的能量相当于燃烧一百三十万亿吨标准煤，其中百分之三十立即被反射回太空，其余部分则
19、留在地球各处发挥巨大作用，有部分被转化成绿色能源、水能等地球能源；大部分又悄悄地弥散到太空之中。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面01的太阳能转为电能，转变率5，每年发电量可达561012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。利用太阳能发电可分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而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可形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。与常用的发电系统相比，光伏发电有以下的优点无枯
20、竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；能源质量高；10二研究历史和研究现状太阳能光伏发电有着悠久的研究历史1839年，法国科学家贝克雷尔第一次发现了光伏效应。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。二十世纪七十年代后，由于石油危机的影响，世界各主要国家都加大了对光伏产业研究的投入欧盟1999年欧盟启动“可再生能源起飞运动”，其中在太阳能领域计划投资100亿欧元。具体内容为在欧盟内部市场安装65万个
21、光电系统，在发展中国家安装35万个光电系统；2005年安装太阳能集热器达到1500万平方米，重点是生产家用热水、集体太阳能大系统、采暖、城市采暖、空调和工业采暖等五个方面。德国1999年德国新可再生能源法实施之后，大大推动了太阳能产业的发展。2004年德国新装置了10万台新的太阳能设备并首次超过日本，居世界第一位。德国2004年太阳能产业的总产值达到20亿欧元，比前年增长60。日本90年代初以来，日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，通过推行可再生能源配额法和实行强补贴等政策，日本已经成为世界光伏发电的先导。近五年来日本居民光伏屋顶系统年增长率为967，成为目前世界上光伏发电最大的市场。美
22、国1973年美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了234；1997年美国宣布“百万屋顶光伏计划”，到2010年将安装10003000兆瓦太阳电池。印度从20世纪80年代起，印度政府就为可再生能源开发计划提供资金，最初的工作重点是太阳能和风能的生产与商品化，同时对一些可能的未来能源展开研究。我国对光伏发电的研究始于1958年，并在1971年成功地首次将其应用于中国发射的第二颗卫星上，1973年开始地面应用。1979年开始用半导体工业的11次品硅生产单晶硅太阳电池
23、，使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用的市场。在19731987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使中国太阳电池的生产能力从1984年以前的200千瓦跃到1988年的45兆瓦。近20年来，中国光伏产业长期维持在全球市场1左右的份额。2003、2004年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长，2003年达12万千瓦，约占世界份额的22，2004年达35万千瓦，约占3。总的来说，世界太阳能光伏发电产业处于初级阶段，是世界上发展最快高新技术之一，但是我们对其研究尚未深入，还有远大的研究前景。三发展动向和趋势结合现有的研究经验，目前研究的重点方向主要有1采用先进技术，提高
24、太阳能电池与组件的寿命和功率；2继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；有效提高太阳能电池的光电转换效率和使用寿命是降低太阳能成本的重要途径之一。为此“高效率晶体硅太阳能电池器制备技术研究”项目相继将新技术引入到制造太阳能电池的各个环节，以提高太阳能电池的寿命和效率。3研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪；4研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化组合；5研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击；6探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合，实现建筑物绿色发电与自我供电；光伏与建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”
25、的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电，可谓两全其美，而且可以降低BIPV系统造价。近年来，国外推行的光伏与建筑相结合，极大地推动了光伏并网系统的发展。参考文献1俞杨威等基于PWM逆变器的LC滤波器浙江杭州浙江大学电力电子研究所122周克宁等基于DDS的高准确度可调占空比方波发生器浙江杭州浙江科技学院电气工程学院3崔开涌等基于电流直接控制的光伏电池最大功率点跟踪策略上海上海
26、大学自动化系4INTERNATIONALRECTIFIERIR2104DATASHEET5INTERNATIONALRECTIFIERIRF3710DATASHEET6李进兵等分布式电源并网系统孤岛检测方法综合比较河北秦皇岛燕山大学电气工程学院7张超等无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用浙江杭州浙江大学电力电子研究所8周润景等编基于QUARTUS的FPGA/CPLD数字系统设计实例北京电子工业出版社，200789雷元超等光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究上海电工电能信技术200423（3）上海大学机电工程与自动化学院10TKAWAMURA,KHARADAANALYSISOFMPPTCHARAC
27、TERISTICSINPHOTOVOLTAICPOWERSYSTEMSOLARENERGYMATERIALSANDSOLARCELLSVOLUME47,ISSUES14,OCTOBER1997,PAGES15516511CHUA,JLINANONLINEMPPTALGORITHMFORRAPIDLYCHANGINGILLUMINATIONSOFSOLARARRAYSRENEWABLEENERGY,VOLUME28,ISSUE7,JUNE2003,PAGES1129114212陈桂兰等光伏发电系统最大功率点跟踪控制北京电子技术应用北京中科院电工研究所1童诗白，华成英模拟电子技术基础M第三版北京高
28、等教育出版，200644044313黄俊，王兆安电力电子交流技术M（第三版）西安西安交通大学出版社，2004年14邱关源电路M（第四版）北京高等教育出版社，200520120813本科毕业设计（20届）光伏逆变并网模拟装置14摘要【摘要】本设计基于电压桥式逆变及光伏并网原理，以单片机最小系统为控制模块，用直流稳压电源和电阻模拟光伏电池，实现了光伏发电并网模拟系统的设计。系统由模拟光伏电池，DCAC逆变电路，LC滤波电路，控制电路，取样测量电路等模块构成。在60V直流电源的供电下，系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能；当模拟电网频率及幅值改变时，系统能够跟踪模拟电网电压的频率及相位；当“光伏电
29、池”内阻等于负载电阻时，DCAC变换器的效率80，输出电压失真度THD1。而且系统具有欠压，过压及过流保护，当故障排除后，装置能够自动恢复到正常工作状态；单片机最小系统配合ZLG7289显示模块能够实时显示输出电压，电流及功率的大小。【关键词】光伏；电压桥式逆变；MPPT；并网15ABSTRACT【ABSTRACT】THISDESIGNISBASEDONVOLTAGEBRIDGEINVERTERANDGRIDCONNECTEDSOLARPRINCIPLE,THESMALLESTSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMFORTHECONTROLMODULE,WITHTHEDCP
30、OWERSUPPLYANDRESISTORSIMULATIONPHOTOVOLTAICCELLSTOACHIEVEASIMULATIONGRIDPVSYSTEMDESIGNSYSTEMCONSISTSOFSIMULATIONOFPHOTOVOLTAICCELLS,DCACINVERTERCIRCUIT,LCFILTERCIRCUIT,CONTROLCIRCUIT,SAMPLING,MEASURINGCIRCUITMODULEINTHE60VDCPOWERSUPPLY,THESYSTEMHASAMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTFUNCTIONWHENTHESIMULAT
31、IONGRIDFREQUENCYANDAMPLITUDECHANGES,THESYSTEMCANTRACKTHEANALOGLINEVOLTAGEFREQUENCYANDPHASEAS“PHOTOVOLTAICCELL“RESISTANCEISEQUALTOTHELOADRESISTOR,DCACCONVERTEREFFICIENCYOF80,THEOUTPUTVOLTAGEDISTORTIONTHD1ANDTHESYSTEMHASUNDERVOLTAGE,OVERVOLTAGEANDOVERCURRENTPROTECTION,WHENTROUBLESHOOTING,THEDEVICECANA
32、UTOMATICALLYRETURNTONORMALWORKINGCONDITIONMICROCONTROLLERSWITHZLG7289CANREALTIMEDISPLAYOUTPUTVOLTAGE,CURRENTANDPOWERSIZE【KEYWORDS】PHOTOVOLTAICVOLTAGEBRIDGEINVERTERMPPTGRID16目录摘要14ABSTRACT151前言1811选题背景1812光伏发电系统的组成1813逆变器的分类1914逆变器的性能指标1915研究历史与研究现状2016发展动向和趋势2117研究意义2118本课题研究的基本内容和拟解决的问题212方案论证2321硬
33、件电路方案论证23211控制电路的选择23212最大功率点跟踪（MPPT）模块的设计24213DCAC变换器方案论证25214SPWM波发生模块论证25215电流电压的取样方案2622理论分析与计算28221MPPT的控制方法和参数计算28222同频同相的控制方法和参数计算28223滤波参数的计算293系统硬件设计3131控制电路设计3132逆变电压（UD）采样电路3233SPWM波形发生电路3234反馈检测电路设计33341电压峰值检测电路33342电流电压转换电路33343过流信号产生电路34344电压信号整形电路34345逆变主电路和驱动电路3535FPGA内部电路设计36351频率测量
34、模块的实现36352频率跟踪模块的实现384系统软件设计401741系统总体软件流程图4042MPPT调节算法4043保护程序控制算法415测试方案与测试结果4251测试方案4252测试仪器4253测试数据42531最大功率点跟踪测试42532频率跟踪功能测试43533相位跟踪功能测试43534转换器效率测试43535失真度测试44536欠压过流保护测试4454误差分析446结束语45参考文献46181前言11选题背景随着新兴国家工业化过程的迅速开展，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭，石油，天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将面临能源危机；同时，使用化石能源对生态环境造成了严重破坏，全球只有
35、解决这个难题，才能实现社会和经济的可持续发展，造福人类。人类要想解决能源问题，只能依靠科技进步，大规模的开采，利用包括太阳能在内的可再生能源。太阳能具有独一无二的优势，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价，而且人类能自由利用的新型能源。据统计，每年太阳送到地球上的能量相当于烧一百三十万亿吨标准煤，其中30立即被反射回太空，其余的部分则留在地球各处发挥作用有的被转化成绿色能源、水能等地球能源；但大部分又悄悄地弥散到太空之中。太阳每秒钟送到达地面的能量高达80万千瓦，如果把地球表面01的太阳能转为电能，转变率5，每年的发电量可达561012千瓦小时，这相当于目前世界上能耗的40倍1。利用太阳能发电可
36、分为光伏发电和光热发电。常规意义上的太阳能发电，指的是太阳能光伏发电。与常用的发电系统相比，光伏发电有以下的优点1无枯竭危险；2安全可靠，无噪声，无污染排放，干净（无公害）；3不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；4无需消耗燃料，架设输电线路即可就地发电供电；5能源质量高；12光伏发电系统的组成并网光伏发电系统是与电网相连，并且向电网输送电力的发电系统。光伏发电系统由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，太阳跟踪控制系统，逆变器，交流配电柜等设备组成。其部分设备的主要作用是太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它任何发光体产生的光照）情况下，电池表面吸收光能，产生光生电压，这就
37、是“光生伏特效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端会产生电动势，将光能转换成电能。蓄电池组作用是贮存电能并向负载供电。光伏逆变并网装置对所用蓄电池组的要求有1使用寿命长；2充电效率高；3少维护或免维护；4价格低廉；5工作温度范围宽。19充放电控制器能自动防止蓄电池过充电和过放电的控制设备。蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必须的设备。逆变器将直流电转换成交流电的设备。太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载，所以，逆变器是必不可少的2。以上设备中，逆变器是本设计的核心。13逆变器的分类逆变器的类型按应用
38、范围分类（1）普通型逆变器直流12V或24V输入，交流220V、50HZ输出，功率从75W到5000W不等。（2）逆变和充电一体机在此类逆变器中，用户可使用各种形式的电源为交流负载供电在有交流电时，通过逆变器使用交流电为负载供电，或为蓄电池充电；在无交流电时，用蓄电池为交流负载供电。按输出波形分类（1）方波逆变器方波逆变器输出的电压波形为方波。特点是线路简单，使用的功率开关管数量少。方波逆变器的优点是线路简单、维修方便、价格便宜。缺点是方波电压中含有大量的高次谐波。（2）正弦波逆变器正弦波逆变器输出的电压波形为正弦波。优点有，输出波形好，失真度很低，对通讯设备干扰小，噪声低。缺点有线路相对复杂
39、，价格较贵。14逆变器的性能指标描述逆变器性能指标很多，常见的有直流输入电源条件输入直流电压的波动范围蓄电池组额定电压值的15。额定输出电压电压波动范围单相220V5，三相3805。额定输出电流在规定的输出频率和负载功率因数下，逆变器应输出的额定电流值。额定输出频率20在规定的条件下，固定频率逆变器的额定输出频率为50HZ左右频率波动范围50HZ2。过载能力在规定条件下和较短时间内，逆变器输出超过额定电流的能力。逆变器的过载能力应在规定的负载功率因数下，满足一定的要求测量。效率在额定输出电压、电流，扼流和规定的负载功率因数下，逆变器输出有功功率与输入有功功率或直流功率之比。保护功能逆变器应设置
40、短路保护、过流保护、过压保护、欠压保护及缺相保护。15研究历史与研究现状太阳能光伏发电有悠久的研究历史1839年，法国科学家贝克雷尔，第一次发现了光伏效应。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松，在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。二十世纪七十年代，由于石油危机的影响，世界各主要国家都加大了对光伏产业研究和投入1999欧盟启动了“可再生能源起飞运动”，其中计划在太阳能领域计划投资100亿欧元。其中重点是生产家用热水、太阳能大系统、城市采暖、空调和工业采暖等五个方面。1999年德国新可再生能源法实施，大大推动了太阳能产业的发展。90年代初，
41、日本推行可再生能源配额法和实行补贴等政策，日本已经成为世界光伏发电的先导。1973年美国制定了“政府级阳光发电计划”；从20世纪80年代，印度为可再生能源的开发计划提供资金，最初的工作重点是太阳能和风能的生产，商品化，同时对一些可能的未来能源进行研究。我国对光伏发电的研究始于1958年，在1971年成功地首次将其应用于中国发射的卫星上，1973年开始地面应用。1979年，用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池组，使太阳能电池成本明显下降，打开了地面应用的市场可能。在19731987年短短的十几年内先后从美国、加拿大引进了几条太阳电池生产线，使中国的太阳电池的生产能力从1984年以前的200千瓦
42、升到1988年的45兆瓦。近20年来，中国光伏产业长期占据全球市场121左右的份额。2003、2004年中国太阳电池组件生产量有了大幅度增长，2003年达了12万千瓦，约占世界份额的22，2004年达到了35万千瓦，约占33。总的来说，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，是世界上发展最快高新技术，但我们对其研究尚未深入，还有很大的研究前景。16发展动向和趋势目前研究的重点方向有1提高太阳能电池的功率和寿命；2研制太阳能电池的新材料，提高电池的光电转化效率；3研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法；4研究软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击；5探索太阳能光伏发电与建筑物建设相结合技术，实现建筑物绿
43、色发电与自我供电。17研究意义太阳能作为绿色能源，是以光伏技术与电力电子技术为依托的，结合我国的实际利用它，为人类服务，是能源工作者的重要任务。充分利用太阳能资源，有计划、有步骤地推广光伏技术，解决缺电地区的用电问题，对于全国的平衡协调发展，缩小地区间的差距，均具有战略与现实的意义。18本课题研究的基本内容和拟解决的问题本设计基于电压桥式逆变及光伏并网原理，以单片机最小系统为控制模块，用直流稳压电源和电阻模拟光伏电池，实现了模拟光伏发电并网系统的设计。系统由模拟光伏电池，DCAC逆变电路，LC滤波电路，控制电路，取样测量电路等模块构成。在60V直流电源的供电下，系统具有最大功率点跟踪（MPPT
44、）功能；当模拟电网频率及幅值改变时，系统能够跟踪模拟电网电压的频率及相位；当“光伏电池”内阻等于负载电阻时，DCAC变换器的效率80，输出电压失真度THD1。而且系统具有欠压，过压及过流保护，当故障排除后，装置能够自动恢复到正常工作状态；单片机能够实时显示输出电压，电流及功率的大小。本设计重点和难点1最大功率点跟踪；2频率和相位跟踪；3转换器效率80；224故障自动恢复功能。232方案论证21硬件电路方案论证根据设计要求，确定系统的结构框图如下光伏电池DCAC逆变滤波器变压器负载UD采样SPWM波发生保护电路电压电流取样电路控制电路SPWM信号MPPT电网信号保护信号反馈控制信号UFI图21系
45、统结构框图主要模块方案的描述和论证如下211控制电路的选择系统需要一个强大的控制电路来协调各个模块的可靠工作，控制电路的主要功能有同频同相控制，中断保护，MPPT调节和自动恢复等功能。常见的控制电路组成有以下几种方案一采用51单片机构成控制电路。51单片机是对目前所有兼容INTEL8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是INTEL的8031单片机，图228051单片机引脚图后来随着FLASHROM技术的发展，8031单片机取得长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。方案二采用FPGA构成的控制电路。FP
46、GA（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它24是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA具有运算速度快，并行处理数据，编程灵活方便等特点。方案三采用增强型51单片机。美国SILABS公司C8051F020，是完全集成的混合信号片上系统型MCU。它具有丰富的模拟和数字外设，适合于构建较为复杂的控制系统。C8051F020的结构框图如下图23增强型51单片机内部结构图本设计中，最宜采用方案三。方案
47、一中，51单片机功能过于简单，而且编程复杂，无法胜任复杂的控制功能。方案二中FPGA虽然处理速度快，但不适合做复杂的算法控制。所以采用方案三，方案三中C8051F020单片机丰富的外设和简便的编程，完全能胜任本设计的要求。212最大功率点跟踪（MPPT）模块的设计最大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项关键技术，它是指控制改变太阳能电池阵列输出电压或电流的方法，使阵列始终工作在最大功率点上。当光伏阵列输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流变化很小，光伏阵列类似为一个恒流源；当电压超过一定的临界值继续上升时，电流急剧下降，此时的光伏阵列类似为一个恒压源。光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升
48、高有一个输出功率最大点。最大功率跟踪器的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里，通过改变光伏阵列所带的等效负载，调节光伏阵列的工作点，使光伏阵列工作在输出功率最大点。根据太阳能电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种25方案一恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低。方案二爬山法，通过周期性的不断的给太阳电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境。方案三导纳微分法，如果太阳能电池阵列工作在的最大功率点处，输出功率对输出电压的一阶
49、倒数等于零。因此在环境光强发生改变时，根据DI/DV的计算结果是否等于I/V，决定是否继续调整输出电压，即可实现最大功率点的跟踪。该方法相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性4。上述三种方案各有特点，对于小型光伏并网发电装置，成本低和易实现更为重要，故本设计中采用方案一实现最大功率跟踪。213DCAC变换器方案论证逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。根据直流侧电源性质的不同，逆变器可以分为两种直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点1直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2由于直流电压源的钳制作用，交流侧输出的电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路的特点1直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流侧回路呈现高阻抗。2电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出
