1、编号： 毕业设计说明书题 目： 并网发电模拟装置设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 李 永 贵 学 号： 0600120316 指导教师： 郭 福 力 职 称： 工 程 师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010 年 5 月 25 日摘 要随着石化资源是日益枯竭和环境的持续恶化，人们把目光投向了可再生绿色能源。相对于风能、潮汐能、生物能、地热能等可再生绿色能源光伏发电具有独特的优势。其可以作为独立电源供电，也可以并网发电，具有很高的灵活性。从光伏产业背景调查可知，我国是世界最大的光伏电池生产国已占全球总产量的三分之一。而我国
2、 2009 年的太阳能电池的安装量只有 160MWp，仅占全国当年产量的 4%，仅占全球当年安装量的 2.4%。截止到 2009 年底，我国光伏发电累计装机容量也只有300MW。说明我国光伏发电还处于初始阶段，光伏并网发电技术研究开发极具意义和经济价值。本文同时也介绍了光伏并网发电的发展现状、关键技术和研究热点。讨论研究了功率变换电路的拓扑形式，并且根据实际情况，本文选择了带变压器的采用单级隔离式结构。对于控制技术的研究是本文的重点。通过对相位跟踪方法的研究，最终采用软件锁相环技术来进行并网相位跟踪控制；采用等面积算法实现 SPWM 控制；分析了多种最大功率点跟踪（MPPT）方法，着重分析了扰
3、动观察法的算法；同时,并应用数字采样实现逆变器欠压、过流保护。最后，根据以上的研究工作，设计制作了基于 AVR 单片机控制的光伏发并网电样机以验证上述理论的正确性，为进一步研究打下基础。关键字： SPWM 控制；逆变电路；MPPT 控制；锁相环；光伏发电AbstractWith the increasing depletion of fossil resources and the environment continued to deteriorate, it sights on renewable green energy. Compared with tidal energy, biom
4、ass, geothermal and other renewable energy photovoltaic Green has unique advantages. It can be used as an independent power supply and power generation can have high flexibility.Background checks from the PV industry ,it can see that, China is the worlds largest producer of photovoltaic cells accoun
5、ted for one third of global production, while China to install solar cells is only 160MWp, only 4% of the national output of the year, only the worlds current installed capacity of 2.4% in 2009. As of the end of 2009, Chinas total installed capacity of photovoltaic power generation is only 300MW. Sh
6、ows that China is still in the initial stages of photovoltaic power generation, photovoltaic power generation technology research and development of great significance and economic value. This peper is reviewed the development history of grid conneted photovoltaic power generation,the key technologi
7、es and the researchful focuses of grid connected photovoltaic generator.Then the topologiesof grid-connected inverter are studied,and the topology of single-stage withtransformer is chosen,based on the factual circs.The key point of this paper is the research on the control technology.Based on the s
8、tudy of the phase tracking method,the Soft-PLL technology is carry on thegrid-connect control;and the inverter SPWM control is based on equal-area algorithm;several methods of MPPT(Maximum Power Point Tracking) is analyzed,the desirably observe method is researched and adopted to solve MPPT; Its ver
9、y important part that the techniques of maximum power point tracking andislanding protecting,but also the technique for inverter to connected with grid are discussed at emphasis.The undervoltage and over-current protectiont of inerter is based on the application of digital sampling.Finally,a sample
10、grid-connected photovoltaic generator is designed,which is controlled by Atmage16.The experimental result proves the feasibility andreliability of the system,and lay the foundation for further study.Keywords: SPWM control; inverter circuit; MPPT control; PLL; PV目 录引 言 .11 绪 论 .21.1 课题的背景及意义 .21.2 光伏
11、发电并网技术 .31.2.1 光伏电池的模型.31.2.2 光伏发电并网功率变换技术.31.2.3 光伏发电并网控制技术.51.3 本文的主要任务 .62 方案设计 .72.1 本次设计的具体要求 .72.2 方案的提出 .72.3 方案控制策略 .93 硬件设计 .103.1 主控芯片介绍 .103.2 逆变主电路的设计 .143.2.1 电压型逆变电路.143.2.2 电流型逆变电路.153.2.3 主逆变电路设计分析.173.3 SPWM 发生电路 .183.3.1 SPWM 调制方式 .183.3.2 关于 SPWM 的开关频率 .203.3.3 SPWM 发生电路 .203.4 SP
12、WM 驱动电路 .203.5 过零检测 电路 .223.6 AD 采样电路 .234 软件设计 .254.1 主程序 .254.2 锁相环控制算法的 实现 .264.2.1 锁相环控制原理.264.2.2 锁相环的实现.284.3 MPPT 控制实现 .294.3.1 MPPT 跟踪方法 .294.3.2 扰动观察算法法的实现.334.4 SPWM 的算法实现 .344.4.1 SPWM 算法 .344.4.2 SPWM 等面积法算法的实现 .364.5 AD 采样及过流、过压保护 .375 系统制作及调试 .395.1 硬件调试 .395.2 软件调试 .396 结论 .41谢 辞 .42参
13、考文献： .43附 录 .44附录 A.44附录 B.45附录 C.46第 1 页 共 50 页引 言低压直流并网发电技术是针对光伏并网发电而进行研究的的技术。相对于其他能源而言太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，是代替化石能源的理想选择。以前由于技术和成本的原因，光伏并网发电并没有的大规模的应用。随着国家加大对光伏产业的扶持力度，光伏产业得到了飞速发展，使光伏发电的成本进一步的降低，达到了可规模应用的范围（如上海崇明前卫村太阳能光伏电站） 。但是，现在国内光伏电站的并网逆变器绝大多数从德国采购，而其产品价格高于德国企业在本国的售价。因此，研究低压直流并网发电技术仍然非常必要。如果结合飞速发展
14、的单片机技术，可以研究出低成本的光伏并网发电控制器，适合小容量的光伏发电厂的应用。同时，对独立光伏发电也是适用的。这样就可以可以灵活应用再各种场合。第 2 页 共 50 页1 绪 论1.1 课题的背景及意义随着经济的发展和社会的进步，人类对能源的需求越来越大，面临着严峻的的能源危机和环境危机。目前所利用的的能源主要是化石能源，而石油、煤炭等化石资源是重要的不可再生的化工原料，不该作为燃料耗尽；另外，正由于化石燃料的利用，释放了大量的 SO2 和 CO2，SO2 会引起酸雨，影响农作物，侵蚀建筑物；大量的 CO2加剧了全球的温室效应，使得全球温度升高，破坏生态系统，恶化人类生活环境。为此，我国在
15、哥本哈根世界气候大会提出了到 2010 年实现单位国内生产总值能源消耗比2005 年降低 20%左右、到 2010 年努力实现森林覆盖率达到 20%、2020 年可再生能源在能源结构中的比例争取达到 16%等一系列目标。可再生能源有，比如太阳能、风能、燃料电池、潮汐能、生物能、地热能等等。相对于其他可再生能源能源，太阳能在发电利用方面除了具一些独特的优势：(1) 机动灵活：发电系统可以按能量需要决定模块大小，扩容方便；(2) 通用性：发出的电能并入市电，通过市电网络传输，利用；(3) 可存储性：太阳能系统可以加入蓄电池储存电能；(4) 分布式电源：不但大幅节省远程输变电设备的费用以及线路损耗，
16、而且可以提高整个电力系统的安全可靠性，尤其在抵御自然灾害和战备时；(5) 光伏建筑集成：节约土地占用以及投入成本，这是太阳能发电最独特的地方，也是目前研究的热点方向。光伏发电的成本在逐年下降。据统计，2006 年全球光伏发电的平均成本是 0.25 美元/千瓦时，到 2010 年，平均成本将下降到 0.14 美元 /千瓦时。当然，这个数据不包括企业的贷款利息以及税收等费用。至于光伏发电成本何时能降到与常规能源发电成本相当，各国给出的预期有所不同。美国在 2006 年作出的预测是大约在 2015 年将实现平价上网，而德国则在 2007 年预测实现平价上网的时间点在 2017 年到 2018 年之间
17、。总之，随着光伏发电成本的下降，实现平价上网已经为期不远了。就 2009 年，全球太阳能电池安装量为 6.6GWp，比上年增长 20%。其中，欧洲市场约占 79%，北美和亚洲市场分别占 8.7%和 8.1%。其中，德国以 3.2GWp 的安装量仍稳居世界各国首位。截止到 2009 年年底，全球太阳能电池累计安装量已达到 24.5GWp。而我国 2009 年的太阳能电池的安装量只有 160MWp，仅占全国当年产量的 4%，仅占全球当年安装量的2.4%。截止到 2009 年底，我国光伏发电累计装机容量也只有 300MW。就我国的现状而言，光伏发电应用还出于初始阶段，离大规模应用还有相当长的路路要走
18、。因此，研究光伏发电并网技术具有广阔的前景和实际的经济价值。第 3 页 共 50 页1.2 光伏发电并网技术1.2.1 光伏电池的模型光伏电池相当于具有与受光面平行的极薄 PN 结的大面积等效二极管 因此可以假设光伏电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路 但由于材料本身具有一定的电阻率 基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻，流经负载的电流经过它们时 必然引起损耗 在等效电路中 可将它们的总效果用一个串联电阻 和并联电阻 以sRshR及 PN 结电容 来表示 如图 1.1 所示jC图 1.1 光伏电池等效电路在恒定光照下 对于一个处于工作状态的太阳能电池 其光电流 不随工作状态而LI
19、变化，在等效电路中可将其看作是恒流源。通常情况下 对 的影响很小可忽略 则单jC元太阳能电池的 I-V 方程为：shcsoL RIUAkTIRUqII 1)(exp(1-1)其中， 为二极管的反向饱和电流， 为太阳能电池的温度；A 为二极管因子。OI理想光伏电池的 很大，可近似为无穷大。因此在一般性的分析中 ， shRsIU/)(项可以忽略。则方程可简化为：1)(expcsoLAkTIRUqII(1-2)这样我们就得到了光伏电池的基本模型。1.2.2 光伏发电并网功率变换技术太阳能功率变换器，电路拓扑的选择相当重要，因为电路拓扑主要关系着效率、成本、安全以及可靠性。常用的电路结构按有无变压器分
20、为变压器隔离型与无变压器第 4 页 共 50 页隔离型两类；按功率变换器的级数又可分为单级式与多级式两类，基本的电路如图 1.2所示： 图 1.2 电路的拓扑结构在图 2 电路结构基础上发展出如图 1.3(a)所示的多方阵组合式和图 1.3(b)所示的多方阵协作式拓扑，下面对其做一个简略的介绍。(a)多方阵组合式 （b）多方阵协作式图 1.3 新型拓扑结构多方阵组合式拓扑：由若干个太阳能电池方阵经过各自的 DC-DC 环节输出到同一条直流母线上，作为同一个逆变器的输入。这种拓扑，因为只用一个逆变器，所以在一定程度上降低了变换器的成本，更大的优点在于各个太阳能方阵可以有各自的最大功率跟踪，提高了
21、系统效率，也可以使得由安置在不同倾斜面的或由多种型号的子光伏方阵组成一个较大的光伏系统并网发电成为可能。多方阵协作式也称作主仆式，此拓扑由若干多个太阳能电池方阵，并要求光伏方阵安装于同一倾斜面，要求每个子方阵具有相同的功率和电压的组件串并联，多个逆变器并联运行。当早晨阳光由弱变强时，群控器随机先选中一台逆变器投入运行，当第 5 页 共 50 页第一台逆变器接近满载时再投入一台逆变器，同时群控器通过指令将逆变器负载均分。当日落时，群控器发出命令，逐台退出逆变器。逆变器的投入和退出完全由群控器依据光伏方阵的总功率进行分配，就像是“主人”支配着“仆人” 。这样可最大限度地降低逆变器低负载时的损耗；同
22、时由于逆变器轮流投入，不需要时不投运，从而大大延长了逆变器的使用寿命。当网络中某台并网逆变器出现故障时，群控器使其和交直流母线断开，实现整个系统的冗余运行。从而大大增加系统的运行可靠性。群控器同时还可提供友好的人机界面，用户可以直接通过 LCD 液晶屏和按键实现运行参数察看、发电量查询、故障查询、参数设定功能。光伏发电变换器主要用于长期发电，因此效率也是一个相当重要的性能指光伏发电变换器不可能像一般电源系统那样把最高效率点设计工作在某一个工作点，于是定义了“欧洲效率”来评估光伏发电变换器转换器的效率：=0.03 +0.06 +0.13 +0.1 +0.48 +0.2 (1.3)euro5102
23、0305010其中 为在额定功率的 xy时变换器的效率。xy由于最高效率的提升已经没有多大的空间，所以现在更加关注的是如何提高在低功率时变换器的效率。多级式变换器必然带来多次的能量损耗，变压器的存在也加大的损耗，在低功率时对效率的影响更大，于是电路拓扑朝着单级无隔离式发展。无隔离式的变换器提高了效率、降低了成本，但这使得太阳能电池将直接与电网相连，这会在太阳能电池与地之间产生波动电压，不但使得在太阳能电池周围产生一个电磁场，而且在太阳能电池表面形成一个电容，波动电流给此电容充电，如果有人碰到太阳能电池时，就有触电的隐患。对于这两个影响的严重性，学术界争论一直没停止过，介于此危害的可能性，欧洲一
24、些国家（如英国和意大利）明确禁用无变压器隔离的光伏并网发电系统，然而一些研究表明无变压器隔离而引起的影响是可以忽略不计的也不会导致危险，不过还是推荐：电容电流不要超过“危险电流”(大约 10mA)。1.2.3 光伏发电并网控制技术关于光伏并网发电技术的讲究，在国内外做了大量的研究。其中主要集中在最大功率点跟踪（MPPT） 、并网控制技术、并网功率因数矫正、市电并联控制、孤岛效应侦测与保护技术等。难点主要集中在 MPPT 控制、孤岛效应侦测和并网逆变效率上。虽然，目前已经有产品应用到实际，但是还有许多问题有待完善。由于光伏发电与传统发电方式不一样，它的功率是随着着光照而改变的，在短时间内的变化也是不定的，同时存在功率的突变的问题（即需要孤岛效应侦测的原因） 。因此 MPPT 控制对并网发电的效率影响很大。概括来说控制技术的关键是：（1）MPPT 控制：保证输出功率始终是最大（2）光伏逆变并网控制：保证输出的交流电流为高质量的正弦波，同时保证与公
