光伏发电系统三相逆变器设计.doc

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1、 继续教育学院毕业论文（设计）山东大学继续教育学院毕业论文(设计)题 目 光伏发电系统三相逆变器设计 姓 名 学 号 年 级 专 业 学习中心 指导教师 填表日期 山东大学继续教育学院制2目 录第一章 绪论- 1 -1.1太阳能及其光伏产业- 1 -1.2太阳能光伏发电的发展史- 1 -1.3光伏发电并网逆变器研究的意义- 2 -第二章 逆变器硬件电路的设计- 3 -2.1直流侧欠电压检测电路- 4 -2.2直流侧过电压检测电路- 4 -2.3直流侧过电压检测电路- 5 -第三章 系统软件设计- 6 -3.1 软件设计的目的- 6 -3.2 基于AT89C51的系统软件设计- 6 -3.3 系

2、统的主程序流程图- 6 -3.4 市电检测和光伏发电系统投切程序设计- 7 -3.5 逆变电路控制程序设计- 8 -3.6 中断与键盘子程序的设计- 9 -4结论- 11 -5参考文献- 12 -光伏发电系统三相逆变器设计摘 要 恶化的环境和世界传统能源的枯竭，促进了新能源的研究和发展。太阳能资源具有可持续发展的特点受到了很多国家的重视，为了发挥太阳能的作用，刺激太阳能产业的发展，许多国家出台了新能源法。其中，太阳能发电有深刻的理论意义和现实意义，仅在过去五年，数千兆瓦的太阳能并网电站得以安装。光伏并网逆变器、光伏阵列和太阳能电池是整个光伏并网发电系统的核心。 本文根据光伏发电阵列和逆变器结构

3、特点，提出了依赖于DC-DC与DC-AC两级并网逆变器结构。由于DC-DC和DC-AC电路的相互具有独立的特性，分别分析了DC-DC和DC-AC，其中，重点分析的是DC-AC的工作原理。本文的重点是对并网逆变控制器进行设计，包括有逆变器的驱动电路设计、逆变器驱动电路的软件编程以及并网过程中直流侧欠电压、直流侧过电压、交流侧电流等硬件电路的设计。此外，该设计对主电路元件的参数的选择、系统的最大功率跟踪方法进行了详细的分析。关键词：光伏并网；逆变器；太阳能；最大功率点跟踪PV grid power inverter controller designAbstract Deteriorating w

4、orld environment and traditional energy depletion, prompted the development of new energy and development.Sustainable development of solar energy resources by the national attention, countries have introduced new energy law play a role in fueling the development of solar energy.Among them, grid-conn

5、ected PV has profound theoretical and practical significance, in the past five years alone, the photovoltaic power station installed total has reached thousands of MW. Connected PV array and grid photovoltaic grid-connected inverter is the key to the entire grid-connected PV system. Based on the inv

6、erter structure and array of photovoltaic power generation characteristics, based on the structure of the DC-DC and DC-AC two grid inverter.Based on the relative independence of the DC-DC and DC-AC circuits, respectively, on the DC-DC and DC-AC analysis, the focus of the working principle of the DC-

7、AC.The grid inverter controller design is the focus of this article, DC inverter driver circuit design, software programming of the inverter driver circuit and grid side under voltage DC side voltage AC side current hardware circuit design.The selection of the main circuit component parameters, the

8、systems maximum power point tracking method to do a detailed analysis. Keyword Photovoltaic grid；Inverter；Solar；Maximum Power Point Tracking- 3 -第一章 绪论1.1太阳能及其光伏产业 太阳能的能量是来自于太阳内部连续不断的核聚变。在地球表面上太阳光的辐射强度为1367km/。我们生活的这个地球的赤道周长为40000km,所以我们大概可以计算出，地球可以获得173000TW的能量。人类维持生存需要这些能量。太阳这个能源是久远的、巨大的、无穷无尽的。地球上

9、的风能、水能、海洋温差能、波浪能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使在地球上存在的化石原料，从本质上来说也是由远古时候的能量转化而来的，所以从广义来说，太阳能的定义范围比较广，太阳能从狭义的定义来说是指太阳辐射的光热、光电跟光化学之间的转换。 太阳能的一种重要利用形式就是太阳能光伏发电，我们利用太阳电池把能量从光能变为电能，伴随着现代科技的进步，光伏发电在我国以致于全世界内有很大的发展前途。太阳能电池工作的原理是利用半导体具有的光伏效应，就是在太阳光的照射下会产生光电压的现象。1954年美国的贝尔实验室首先发明出了以PN结为基本结构具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此以后太用电池在太空领域技术中就得

10、到了应用，现在在地面也逐渐得到推广应用。 1.2太阳能光伏发电的发展史 太阳光伏发电的发展史如表（1-1）所示。它的历史还要从1800年前说起，伯克莱氏发现对某种半导体在阳光的照射下，会改变其伏安特性。最后光伏效应被发现，并用这种半导体做成了太阳能电池。其后在此方面又有更突出的发现。年份成就18001876190419401954195519561958197219741976198419851991199219942003光伏效应的发现研究硒的光伏效应对铜和氧化铜光敏感性的研究研究PN结的理论发明了单晶硅太阳能电池发明CdS太阳能电池发明GaAs太阳能电池太阳能电池应用在先驱者1号通信卫星上

11、美国制定新能源开发计划日本制定太阳能发电发展的“阳光计划”发明了非晶硅太阳能电池美国建成了7MW太阳能发电站日本建成了1MW太阳能发电站制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国）制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）RPS法（新能源法案）（日本）1.3光伏发电并网逆变器研究的意义 对光伏并网发电系统的研究与探索是非常有意义的，不仅在技术上可以更上一个台阶，在工程上取得经验，而且另外还能确定它在经济方面是可行的。光伏发电要是想进军到建筑市场和电力市场，那就必须发展并网光伏发电，光伏发电应用的规模只有达到了电力的规模，才能对能源的紧张和环境污染的抑制起到理想

12、的作用。要想研究光伏并网发电系统，其重点应该落在并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术和工业部件上。 大力推广光伏并网发电不仅减少环境的污染和节约了能源，对壮大光伏工业还有一定的促进作用，可以实现能源的可持续发展，同时也创造了很多就业的岗位。 要想将并网光伏发电实现，关键的技术就是设计并网光伏逆变器。目前，独立光伏电站使用的逆变器应用比较广，技术也相对成熟。但是比较落后的技术出现在并网逆变器这里，要想从国外进口并网逆变器，它的价格却很高昂，所以在国内推广不是很现实。为了能够自主研发生产，国内有相关的企业和部分高校开始开展合作，共同研究光伏发电技术，但是还没有产业化的实现，几乎都是示范

13、系统。为更好将网光伏发电系统大众化，自主研发并网逆变器就具有丰富的现实意义。第二章 逆变器硬件电路的设计 逆变器硬件电路的设计主要介绍直流侧欠电压、过电压检测电路，交流侧的过电流检测电路。2.1直流侧欠电压检测电路图3-1 直流侧欠电压检测电路 直流侧欠电压检测电路如上图3-1所示，当太阳能电池板工作在正常状态时，输出的电压大约为96V，由分压电阻R10和R11分压，此时比较器的大约是2.4V，近似为1.8V，比较器的输出电压为12V，光耦合器会导通，发光二极管由于承受了正向电压会发光，输出为0；当太阳能电池板工作在欠压时，会小于1.8V，比较器会输出0，光耦合器不会导通会使灯息灭，输出为1。

14、2.2直流侧过电压检测电路 直流侧过电压检测电路如下图（3-2）所示，将Boost电路里电容C的两侧电压采集，通过电阻输入到比较器的负端。直流侧的电压值大约是240V，分到2管脚上的电压大概是2.5V，+5V的电压施加在的电阻上，通过,分压，落在1管脚上大约3.0V，在设计电路时使得，这样就使3管脚稳定在+12V，承受了正压而发光，输出为0。 当直流侧的电压过高时，2管脚的电压也会相应的升到比3.0V还有高，此时比较器3管脚输出为0V，会导通，导致发光二极管关断从而不发光，输出为1。 当直流侧的电压降至临界电压时，虽然2管脚的电压可下降到3.0V,但是因为1管脚已从3.0V降低到了2.5V，所

15、以3管脚仍是0V，因此只有当直流侧的电压继续降到某一定值的时候，2管脚才降到低于2.5V，3管脚才能上升至12V。这时会截止，1管脚将会上升至3.0V,从而准备进行下次的过电压检测。图3-2 直流侧过电压检测电路2.3直流侧过电压检测电路图3-3 交流侧过电流检测电路 如上图3-3是交流侧过电流检测电路。工作在正常的状态下，比较器的1管脚的电位比2管脚电位低，3管脚的输出0V，光耦合器不会导通，发光二极管将会截止，A相输出高电平“1”；负载电流过大时，1管脚的电位会上升，当电压比2管脚高时，3管脚的输出为+12V，光耦合器导通，使得发光二极管发光，这时A相输出低电平“0”。 虽负载是三相的，但

16、是由于对称性，我们只用对其中的两相电流进行检测，另一相电流就可以算出。为了增加单片机的管脚利用率，在检测电路内加上一个与门，检测到A和C相的电流都工作正常时才输出为1，要是存在任一相的负载过流，电路中的灯就会亮且为0，输出的即为“0”。第三章 系统软件设计3.1 软件设计的目的 要是在光伏发电系统中写入了有关计算机辅助设计，一方面大大缩短了设计系统所用的时间，将系统设计的效率提高，另外一方面能保证写出的方案拥实用性较好，而且可以最大程度的利用各种资源。3.2 基于AT89C51的系统软件设计 对整个控制系统来说，单片机可以当作这个系统的核心。在MCS-51系列中，各种型号芯片基本上引脚都是互相

17、兼容的。以HMOS为制作工艺的MCS-51单片机都是采用的方式为40只引脚的双列直插封装（DIP），目前以此类封装方式居多。制作工艺为CHMOS的80C51/80C52除了运用DIP封装的方式之外，另外还采用了方形的封装方式，其引脚为44只。按其功能的不同，我们可以将40只引脚进行三类的划分：（1）电源和时钟引脚：VCC，VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RST.。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3为4个8位的I/O口的外部引脚。3.3 系统的主程序流程图 主程序流程图如下（4-1）图所示，下面对整个系统的流程图作简单的介绍：当主程序开始之后，首先

18、应进行初始化设置，初始化的设置应该要包括单片机系统初始化和显示器初始化，其次判断是否按下开机键，若按下，将显示子程序调用，用来显示当前的逆变工作状态，若不正常，要使系统开始工作，就马上调用和发送PWM波子程序。最后检测判断P1.5是否为1，这是来检测负载会不会过流，如果出现过流，必须停止发送PWM波使逆变器停止工作，如果不会过流，那么程序再次返回至显示子程序循环执行下去。系统对电路的控制还可以使用键盘来实现，利用中断1产生中断信号来实现的；利用中断0来产生过流中断检测输出是否过流，同时会播出报警信号，利用单片机来控制逆变使整个系统安全工作。 开始单片机初始化调用显示子程序调用键盘子程序调用电网

19、检测子程序调用输入电压电流检测子程序图4-1 主程序流程图3.4 市电检测和光伏发电系统投切程序设计 开机之后第一步进行是检测市电电网，利用单片机对电路控制，在市电发生断电或是畸变的时候会停止光伏并网动作。若市电在正常供电，再检测太阳能电池的电压，判断电池的电压值能否满足进行并网发电最低的要求，若满足，进行下一步操作，若不满足，中止光伏并网发电动作。其流程图如下图（4-2）所示：开始光伏发电系统不并网返回直流侧欠电压P1.0=1？市电断电或是畸变P1.1=1？图4-2 市电检测和供电切换软件流程图3.5 逆变电路控制程序设计本设计采用SA4828芯片产生6路PWM脉冲。流程如下图（4-3）所示

20、。开始往R0R5写入初始化参数数据更新返回写R14完成数据传输往R0R5写入控制参数写寄存器R15传送控制数据图4-3 PWM脉冲生成程序流程图3.6 中断与键盘子程序的设计 要是逆变器的输出发生了短路或者过载，那么对整个系统会有巨大的危害。单片机对系统进行了过电流保护，保证系统运行的安全。单片机利用中断服务子程序执行此保护，产生了INT0中断，执行了中断的子程序，产生了控制信号制止逆变，并利用声光产生报警。单片机控制开关机是利用外接的独立式的键盘电路，利用手动控制进行开关的切换。单片机里的中断源INT0是利用外部检测信号和键盘输入信号进行连接，开机和关机的按钮是用S1和S2表示的，S3表示的

21、是报警信号复位的按钮，它们的实现方式均采用的是查询中断方式。中断程序如下图（4-4）所示，键盘子程序如下图（4-5）所示。 返回P1.7=0开始S1是否按下调用PWM产生子程序S2是否按下停止产生PWM脉冲S3是否按下P1.7=1?P1.4=1?P1.5=1恢复现场P2.2=1P1.5=1P1.6=1P1.3=1?P1.1=1?开始P1.2=1P1.0=1?保护现场返回 N Y Y N Y N N Y Y N Y N N Y Y N 图4-4 中断程序流程图图 4-5 键盘子程序流程图每个部分所对应的程序设计详见附录部分。4结论 伴随着科技的发展与人口的增加，人们所需要利用的能源越来越多，这就

22、会导致能源的危机。在这种前提下，寻找到一种可再生能源供我们使用是一个迫切的课题。而太阳能拥有众多特点，如储存量丰富、洁净、环保等众多优点，使它走进了人们的视野，受到人类的关注。研究光伏并网发电技术要包含很多内容，有逆变技术、最大功率点的跟踪技术、孤岛效应等许多方面。而本设计的重点是光伏并网逆变器的设计，主要由下面两个方面：(1)对光伏并网逆变器的控制策略以及工作原理进行相关的研究，分析其特点。设计出光伏发电并网系统总拓扑图，要从逆变器的结构要简单、要有较好的稳定性等方面去考虑。(2)在拥有比较成熟的理论基础下，首先设计出硬件电路。硬件电路包括直流侧欠电压、过电压检测电路，交流侧过电流检测电路。

23、然后再进行相关的软件的设计。 到目前为止，光伏发电可以说在全世界范围内都得到了应用和推广。光伏发电不仅是电力电子技术的运用，而且还同控制理论紧密相连，使之成为当今的热门课题。在外国的很多国家，光伏发电的研究做出了一定的规模，用作单级能量控制的并网逆变器已经实现了产品的商业化。但是在光伏发电这个领域仍然存在着很多技术难题，特别是在最大功率点的跟踪方面的技术还是有待发展的，尽量能够提高太阳能发电的效率。 虽然在光伏发电的技术层次与制作工艺水平上，我国与国外先进水平还存在着不小的差距。但我坚信在我国科技人员的不懈努力下，会很快的缩短技术上的问题，将高性能和高质量的光伏并网逆变器推向市场，实现自主产业

24、化。5参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第五版）M. 北京：机械工业出版社，2009.2 冯垛生，张淼，赵慧等.太阳能发电技术与应用M.北京：人民邮电出版社，2009.3 张亮 UPS的原理与应用J. 电气时代，2000：11-20.4 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制M.北京：机械工业出版社，2010.5 张毅刚，彭喜源，谭晓昀.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.6 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，1992.7 邱进，陈轩恕，刘飞. 基于IGBT的电压型逆变器辅助开关电源的设计J. 电工技术，2008：24-33.8 林忠岳.现代电力电力应用技术M.北京：科学出版社，2007.- 13 -