毕业论文：光伏并网发电系统-前篇.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.48M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

Abstract

绪论

课题的研究背景及意义

光伏并网发电在国内外的现状与发展

1. 系统总体方案设计

1.1 系统需求分析

1.1.1 硬件需求分析

1.1.2 软件需求分析

1.2 系统总体框架设计

2. 硬件设计

2.1 DC-DC升压电路设计

2.2 DC-AC逆变电路设计

2.3 DC-AC死区设计

3. 软件设计

3.1 软件设计方案

3.1.1 DC-DC设计方案

3.1.2 MPPT设计方案

3.1.3 DC-AC设计方案

3.1.4 并网设计方案

3.2 软件实现

3.2.1 DC-DC升压与MPPT程序设计

3.2.2 SPWM数据表的生成

3.2.3 SPWM程序设计

毕业论文（设计）题目：模拟光伏并网发电系统 Title ： Photovoltaic grid power system simulation 姓学专学名：号：业：自动化院：信息与电子工程学院指导教师：

xxxx 大学毕业设计（论文）摘要摘要介绍12V直流单相光伏并网发电系统的电路结构及其工作原理。本系统的电路结构主要有DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路两部分组成，采用单片机实现主电路的控制以及辅助电路（电压电流的采集、频率控制与相位控制）的实现。为解决最大功率点跟踪（MPPT），系统采用带AD采集功能的PIC16F73单片机实现DC-DC 升压，并采集电压进行跟踪；由C8051F120产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能、输出过流保护功能；为实现系统可靠高效运行和带不同负载的动态响应过程，在单相逆变器数字模型基础上，采用数字PID控制技术完成动态响应过程调节；实验结果表明上述方法在模拟光伏并网发电系统中运用的可行性、可靠性、高效性、易维护性。关键词：光伏并网发电；逆变器； SPWM； PID； MPPT I

xxxxxx 毕业设计（论文） Abstract Abstract The main circuit structure and principle of a twelve direct voltage single phase grid connected PV system is described. The system's main circuit DC-DC step-up circuit and DC-AC inverter circuit composed of two parts, with the main circuit Microprocessor control and auxiliary circuit (voltage and current collection, frequency control and phase control) implementation. To solve the maximum power point tracking MPPT system using, with the PIC16F73 microcontroller AD collection function realization DC - DC chopper, and collecting pressor tracking voltage, Produced by the one-chip computer C8051F120 signal, realize frequency phase SPWM tracking input voltage protection function, the function, the output over-current protection function, To realize efficient operation of the system reliability in single-phase inverter digital model based on PID control technology, the digital completed grid inverter no static difference adjustment, Experimental results show that the method used in photovoltaic (pv) grid power system reliability, efficiency and feasibility, easy maintenance. KeyWords：Grid-connected-PV； Inverter； SPWM； PID； MPPT II

xxxxxx 毕业设计（论文）目录目录 2.1 2.2 2.3 摘要.................................................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................................................ II 目录..............................................................................................................................................................III 绪论 ..................................................................................................................................................................1 课题的研究背景及意义............................................................................................................................1 光伏并网发电在国内外的现状与发展................................................................................................... 2 1. 系统总体方案设计 ....................................................................................................................................3 1.1 系统需求分析 ..................................................................................................................................3 1.1.1 硬件需求分析 ..................................................................................................................... 3 1.1.2 软件需求分析 ..................................................................................................................... 3 1.2 系统总体框架设计..........................................................................................................................3 2. 硬件设计....................................................................................................................................................4 DC-DC 升压电路设计 ...................................................................................................................... 4 DC-AC 逆变电路设计 ...................................................................................................................... 4 DC-AC 死区设计 ...............................................................................................................................4 3. 软件设计....................................................................................................................................................5 3.1 软件设计方案 ..................................................................................................................................5 DC-DC 设计方案.................................................................................................................. 5 3.1.1 MPPT 设计方案.................................................................................................................... 6 3.1.2 DC-AC 设计方案.................................................................................................................. 7 3.1.3 3.1.4 并网设计方案 ..................................................................................................................... 8 3.2 软件实现..........................................................................................................................................8 DC-DC 升压与 MPPT 程序设计............................................................................................ 8 3.2.1 SPWM 数据表的生成 .......................................................................................................... 10 3.2.2 SPWM 程序设计...................................................................................................................11 3.2.3 PID 程序算法设计 ............................................................................错误！未定义书签。 3.2.4 3.2.5 并网实现算法 ................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.6 控制系统软件抗干扰措施 ...............................................................错误！未定义书签。 4. 系统联调................................................................................................................. 错误！未定义书签。 4.1 硬件问题....................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 软件问题....................................................................................................... 错误！未定义书签。 4.3 调试方法....................................................................................................... 错误！未定义书签。结论与展望..................................................................................................................... 错误！未定义书签。致谢..................................................................................................................................错误！未定义书签。参考文献..........................................................................................................................错误！未定义书签。附录..................................................................................................................................错误！未定义书签。 III

xxxxxx 毕业设计（论文）绪论绪论课题的研究背景及意义随着生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，太阳能必须完成从补充能源向替代能源的过渡。自1973年世界石油危机以来，常规能源频频告急。人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。地球表面每年接受太阳的辐射量达5.4×1024 J，相当于1.8×1014 t标准煤。若将其中的0.1% 按转换率5%转换为电能，每年发电量可达5600TW·h，相当于目前全世界能耗的40倍。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。光伏发电在众多的可再生能源利用中独树一帜是因为它具有以下优点：（1）资源可再生。太阳能取之不尽用之不绝，地球表面所接受的太阳能约为1.07 ×1014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。（2）环保清洁。光伏发电本身不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，是理想的清洁能源。（3）资源分布广泛。光伏发电不受地域的限制，在地球上绝大部分地方都可以方便地得到太阳能，所以理论上将可以得到太阳能的地方都可以安装光伏发电系统。（4）建造灵活方便。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地并、串联，达到所需功率，形成光伏阵列。（5）可共地域。现行电站一般都建在较偏地区，电能要通过长距离输变电后再进入用电地区。（6）光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成在一起是目前国际上研究发展的前沿，这种产品不光美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。（7）分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。光伏并网发电系统是太阳能利用的发展趋势。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能、节省投资、简化系统且易于维护，主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。在光伏并网发电系统中，并网逆变器是核心部分。目前并网型系统的研究主要集中于DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构。DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点（MPPT）；DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。因此DC-DC、DC-AC是系统的关键设计。 1

xxxxxx 毕业设计（论文）绪论光伏并网发电在国内外的现状与发展目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。我国正处于经济转轨和蓬勃发展时期，能源问题较为严峻，城市中由于大量使用化石能源，导致环境持续恶化。2000年世界卫生组织公布的世界上污染最严重的十个大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展太阳能并网发电发电将有助于尽早解决这一问题。我国国家科技部已经制定相应规划，有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。在2008年奥运提出“绿色奥运、人文奥运、科技奥运” 的指导思想。在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。目前对光伏并网系统的研究主要集中在主电路拓扑及控制方法、无功补偿及有源滤波、孤岛现象及保护等方面。各种新颖的变换器拓扑结构及其控制方法层出不穷：许多企业和研究机构，其中如美国的Trace、Solarex，荷兰的ECN和Mastervolt，日本的 Kyocera、Fuji，澳大利亚的AEG，德国的Siemens，意大利的Enel等，都成功推出了多种不同变换电路。采用的DC/DC变换器形式中，除了常见的Buck电路、Boost电路、Buck-Boost 电路、Cuk电路外，还有带电气隔离变换器的如单端反激式变换器、单端正激式变换器，这两种变换器都能方便地实现交流电网和直流侧光伏阵列的隔离，保持占空比在最佳范围的情况下，可通过改变高频变压器的原副边比来满足稳压的要求。光伏并网系统作无功补偿器及有源电力滤波器最初光伏并网的目的无非是将光伏阵列的直流电能变换成符合要求的交流电能送向电网，但是随着对光伏并网系统研究的日益深入，其功能也在不断地在拓展。在高性能的数字信号处理器应用到光伏并网系统的控制以后，原先由硬件电路完成的锁相功能可以用软件锁相环来完成，可以方便地对软件进行设定，来调整并网电流和电网电压之间的相位差，这样在有调度要求的情况下, 大功率三相光伏并网系统向电网注入有功功率的同时，可以实现对电网的无功补偿。 2

xxxxxx 毕业设计（论文）系统总体方案设计 1. 系统总体方案设计 1.1 系统需求分析 1.1.1 硬件需求分析 1、核心电路：DC-DC推挽升压电路、DC-AC逆变电路、驱动电路、并网电路； 2、信号采集电路：电压电流AD采集电路； 3、保护电路：信号隔离电路、MOSFET管保护电路、过压过流保护、故障信号保护； 4、基本系统电路：PIC16F73单片机、C8051F120单片机基本系统电路、辅助电源电路。 1.1.2 软件需求分析 1、核心控制： DC-DC推挽升压PWM、DC-AC逆变器数字脉宽调制SPWM； 2、信号采集： AD采集（电压电流采集）、外部中断处理、； 3、控制算法：扰动法MPPT跟踪法、动态响应PID算法、并网控制； 4、基本系统：系统时钟的配置、系统初始化的配置、IO口的配置； 1.2 系统总体框架设计光伏并网系统主要由前级的DC-DC变换器和后级的DC-AC逆变器组成。通过D-Clink将前级与后级相连，D-Clink的电压为350V-450V之间。则在系统设计中,DC-DC变换器采用推挽式升压电路,利用PIC16F73单片机产生PWM驱动推挽升压电路MOSFET管，实现DC-DC 升压;DC-AC部分采用单相全桥逆变器,采用C8051F120单片机产生SPWM驱动单相桥式 MOSFET管的开断，实现DC-AC的逆变。MPPT的实现是采集太阳能电池阵列电压电流实现闭环PWM控制，达到最大功率点跟踪；中间电压检测是保证母线电压在350V-450V之间，并加以软启动来保证器件的安全性，因为Dclink部分的滤波电容两端电压不能突变，并且过低的电压不能实现220V\50HZ电压的输出，由于器件的电气性能要求母线电压的上限，防止器件的烧坏。为实现逆变电源并网与不并网，需要在软件上加以控制与判断，因为并网需要采集滤波后的电流信号与电网的电流信号，实现电流同相；不并网需要采集电压信号，使输出电压维持于220V的幅值。图1.1-系统总体框架图 3

xxxxxx 毕业设计（论文）硬件设计 2. 硬件设计 2.1 DC-DC升压电路设计由于后级单相全桥式逆变器的输入电压需要保证350V-450V直流电压，才能逆变输出交流为220V/50Hz市电并保证元器件的电气特性。则需要设计一个DC-DC升压电路。常用DC-DC升压电路有两种方法：一种利用电感L、MOS管、二极管作为升压电路；另外一种利用高频变压器、MOS管、二极管作为升压电路。前者升压电路数值分析为Uo= d 1 d *Ui(d为PWM占空比，Ui为输入直流电压，Uo为输出电压)，后者输出电压为Uo=N* d 1 d *Ui(N为主次线圈的匝数比，d为PWM占空比，Ui为输入直流电压，Uo为输出电压)；假设占空比d相同，则后者输出的电压大，若输入电压与输出电压一定的情况下，后者的占空比d调节的范围大。从硬件上考虑，相同电压的输入且要实现相同的电压输出，假设要实现9倍电压的输出，利用第一种方法实现，则占空比要为90%（高低电平脉宽比为9：1），所以很容易实现电感L的磁饱和现象。因此采用高频变压器、MOS管、二极管作为升压电路。 2.2 DC-AC逆变电路设计本逆变器电源前级采用PIC16FT73单片机交替输出两路PWM信号控制开关管，经过高频变压器升压整流和LC滤波后产生400V电压。再通过C8051F120单片机编程产生等效正弦波的矩形脉冲波控制逆变桥开关管的导通和关断，使其工作在SPWM控制方式（如图 2.1-DC-AC逆变电路所示）。图2.1-DC-AC逆变电路中 Q1与Q3交替导通，此时Q2一直不导通、Q4一直导通；然后 Q2与Q4交替导通，此时Q1一直不导通、Q3一直导通；然后再经过滤波得到正弦波。 2.3 DC-AC死区设计图2.1-DC-AC逆变电路为防止Q1、Q3同时导通，造成MOSFET管Q1、Q2两管串联，然后并联于母线侧。这种情况是绝对不允许出现的，因此加入硬件死区时间控制是必要的。在硬件电路设计中，采用RC延时电路形成死区时间控制。通过电容的充电使得PWM输出为高电平要经过延时处理，而输出为低电平时不存在充电过程即没有延时作用。 4

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