离网型太阳能光伏发电系统设计论文.doc

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1、. .毕业设计论文离网型太阳能光伏发电系统设计目录设计总说明IIntroductionII1 绪论11.1 太阳能光伏发电的研究背景11.2 太阳能光伏发电发展历程与现状11.3本文主要研究内容和任务22 光伏系统简介及光伏发电效率分析42.1 太阳能光伏系统简介42.1.1 光伏系统的基本组成42.1.2 光伏系统的分类42.2光伏电池特性分析62.2.1太阳能电池原理及分类72.2.2太阳能电池输出特性92.2.3太阳能电池工程用数学模型92.3铅酸蓄电池10铅酸蓄电池充电控制方法112.4 影响太阳能光伏发电效率的因素122.5提高太阳能光伏发电效率需进一步解决的问题143 最大功率点跟

2、踪(MPPT)的研究153.1 最大功率点跟踪的概念153.2 MPPT原理153.3 光伏系统最大功率点跟踪控制方法研究163.3.1 定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)163.3.2 扰动观察法(P&O，Perturbation and observation method)173.3.3 导纳增量法193.3.4基于梯度变步长的导纳增量法214DC-DC变换器的设计21. .word. .4.1太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点214.1.1 BUCK电路原理224.1.2 B00ST电路原理234.1.3双向BUCK-B00ST变

3、换器运行原理245逆变电路245.1常用逆变电路的简介245.2本系统逆变电路特点276 控制系统的硬件设计286.1系统各部分功能介绍286.2控制系统方案286.3 TMS320F28035介绍296.4 驱动电路336.5 检测电路设计346.5.1 太阳能板输出电压电流检测356.5.2 蓄电池充电电压电流检测366.5.3 温度检测检测376.6 短路保护电路387 MPPT控制算法与软件设计397.1 编程要求397.2 AD接口397.3 MPPT的Boost电路控制原理417.4 数字PID及算法427.4.1 PID调节算法427.4.2 PID调节算法447.4.3 PID

4、参数整定457.4.4 PID算法程序设计467.5 PWM波输出487.6 主程序流程图518 结论52参考文献55附录A56附录B57致 63. .word. .离网型太阳能光伏发电系统设计设计总说明能源就是能够用于工作和驱动机器的能量。所有的生物（包括人类）都是依靠阳光作为能量的来源。煤、石油和天然气都是可以利用的能源，这些能源都是过去的生物体在太阳光能源的作用下生成复杂的存储这些能源有机分子结构经过长时间的压缩集中后生成的。大量的能源已经被使用，如煤炭、石油、天然气、地热资源、核聚变能源、核裂变能源、太阳能和氢气等。然而，在这种情况下，由于许多能够产生能量的资源是不可再生的，大量的使用

5、这些能源可能会引起能源危机。目前，人类的能源消耗主要体现在燃料资源的消耗上。现在的固体状能源主要是煤炭，目前已知的加上潜藏的煤炭储量最多可使用一到两个世纪，而且煤炭的开采和使用会破坏环境并且产生大量的二氧化碳与二氧化硫。当煤炭资源用尽前这些影响将会越来越恶劣。煤炭在能源的利用方面的比例已经越来越低，而石油和天然气正在被大量的使用着。作为能源，石油比煤炭有更大的优势。其开采地比煤炭更为集中因此对环境的破坏要少，其燃烧产生的污染物要比煤炭少，而且石油可以很容易的通过管道进行运输。同时这些优势使石油成为理想的汽车燃料。自从1859年第一个商业油田的建成以来，美国已经生产了超过100万桶石油，其中大部

6、分是在最近几年生产的。1990年全世界约消耗了65万桶石油。石油与天然气资源在迅速的消耗着，阿拉斯加出产的石油只能暂时缓解石油的供应危机。世界石油的生产将在几年之内达到最高值。自从19731974年的第一次“能源危机”以来，已经出现了一些具体的措施。然而，自1973年以来，原油的价格已经提高了若干倍。美国和其他工业化国家一直受到通货膨胀、经济衰退、大批的失业和工业设备的过时的困扰。一些石油不足的发展中国家由于能源价格的关系其经济已经遭到破坏。在能源危机的同时，世界X围内还有一些食品和矿产资源的短缺，其次一些物品的生产则出现过剩，如小麦和铜的生产过剩，一些铜生产国将铜以铜币的形式出口。众所周知，

7、能源的供应和成本已经成为当今社会的一个主要的话题。很显然，解决“能源危机”是非常有意义的。目前已经有许多节约能源和发展新能源的计划被提出来。在任何领域节约能源都是可行的。因而，能源工程师这个职业产生并迅速发展起来。能. .word. .源工程师的第一个提议是想办法减少能源的消耗同时保证产量不变甚至有所提高，第二个提议是寻找降低能源成本的方法。传统的工程技术被用来评估能源利用的技术。周期成本与用于节省资金的方法与经济利益同等重要。评价的重点是整个大局中的重要性和减少浪费和使用的资金的方法。同时，寻找更为理想的能源是非常重要的。解决能源危机的一种理想的能源的要求应该是无限的供应、能够被广泛的使用、

8、价格低廉、而且其使用后不会添加地球的总热量的负担或者不会产生化学空气和水污染物的排放。太阳能满足这些标准，其产生的多余的热量会从地球辐射出去。而且利用照射到地球的一小部分太阳能就能够提供地球所需的能源。太阳能的供应是无限的，但是由于技术和条件的限制，其开发和利用是有限的。太阳能的利用需要大量的土地，还有经济和环境方面的要求，而且这一部分土地上太阳能的收集也只能达到一小部分。当然，亚利桑那州的许多居民可不喜欢国家大力发展太阳能的收集，而且一些环保组织也因为太阳能的收集对响尾蛇的生活习性等产生的影响而抗议太阳能收集装置的实行。太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能，而且已经广泛应用于空间飞行器能源的

9、提供。然而，以目前的技术水平如果应用于大规模发电其代价于昂贵。因此，目前大多数太阳能发电方式仍旧是首先将太阳能转化为热能，然后再将热能转化为电能。这种方式目前最简单的设计是蒸汽发电装置，收集到的太阳能通过管道中的载热气体进行输送。这种管道使用涂层能够使运输过程中的入射能量只有很少部分的流失。关键词：光伏发电 ；最大功率点跟踪；DSP；占空比. .word. .Introduction Energy means the power which does work and drives machines. All living things (including humans) rely on t

10、he sun as a source of energy. Coal， petroleum， and natural gas are energy sources available today because organisms in the past captured sunlight energy and stored it in the plex organic molecules that made up their bodies， which were then pressed and concentrated. With the development of society， a

11、 large of energy sources have been used，such as coal， petroleum， natural gas，geothermal energy， nuclear fission power， nuclear fusion power， solar energy， and Hydrogen gas. however， under the circumstances， the quantity of energy source is limited. unlimited usage of energy source results in energy

12、crisis. At present， most of the energy consumed by humans is produced from fossil fuels. The greatest recoverable fossil is in the form of coal and lignite. Although world coal resources are enormous and potentially can fill energy needs for a century or two， their utilization is limited by environm

13、ental disruption from mining and emissions of carbon dioxide and sulfur dioxide. These would bee intolerable long before coal resources were exhausted. Only a small percentage of coal and lignite has been utilized to date， whereas much of the recoverable petroleum and natural gas has already been co

14、nsumed. Petroleum has several characteristics that make it superior to coal as a source of energy. Its extraction causes less environmental damage than does coal mining. It is a more concentrated source of energy than coal， and it burns with less pollution， and it can be moved easily through pipes.

15、These characteristics make it an ideal fuel for automobiles. Since first mercial oil well in 1859， somewhat more than 100 million barrels of oil have been produced in the United States， most of it in recent years. In 1990 world petroleum consumption was at a rate of about 65 million barrels per day.

16、 Projected use of petroleum and natural gas indicates rapid . .word. .depletion. Alaskan oil can help the petroleum supply only temporarily. Peak world petroleum resources production will be reached within a few years. Since the first energy crisis of 1973-1974， some concrete actions have even taken

17、 place. However， the several-fold increase in crude oil prices since 1973 has exacted a toll. In the U.S. and other industrialized nations， the economy has been plagued by inflation， recession， unemployment， and obsolescence of industrial equipment. The economies of some petroleum-deficient developi

18、ng countries have been devastated by energy prices. Energy crisis was acpanied by worldwide shortages of some foods and minerals， followed in some cases by surpluses， such as the surplus wheat resulting from increased planting and a copper surplus resulting from the efforts of copper-producing natio

19、ns to acquire foreign currency by copper export. As known to all，the availability and cost of energy has bee dominant factors in society today. Obviously， solving the energy crisis makes good sense. Many schemes has been proposed for conserving present energy resources and for developing new ones. I

20、t is always possible to use less energy in any process. Therefore， energy engineer is created and developed. The first goal of energy engineer is to determine the methods by which energy utilization is reduced but the output remains the same， or even increases.The second goal is to determine which m

21、ethods of using less energy are cost effective. Conventional engineering techniques are used to evaluated the mechanisms of energy use. Economic considerations are of equal importance and life cycle cost and saving techniques are used to determine cost-effective measures. The evaluation focuses on t

22、hose uses which are significant in the overall picture and attempts to determine those technical measures that can reduce usage and save money. Meanwhile， looking for ideal energy sources is also very important to solve energy crisis. The recipe for an ideal energy source calls for one that is unlim

23、ited in supply， widely available， and inexpensive； it should not add . .word. .to the earths total heat burden or produce chemical air and water pollutants. Solar energy fulfills all of these criteria. Solar energy does not add excess heat to that which must be radiated from the earth. On a global b

24、asis， utilization of only a small fraction of solar energy reaching the earth could provide for all energy needs. Solar energy is unlimited in supply， but its exploitation and utilization are limited owing to the limitation of technology and conditions. Solar energy utilization needs an enormous amo

25、unt of land， and there are economic and environmental problems related to the use of even a fraction of this amount of land for solar energy collection. Certainly， many residents of Arizona would not be pleased at having so much of the state devoted to solar collectors， and some environmental groups

26、 would protest the resultant shading of rattlesnake habitat. Solar power cells for the direct conversion of sunlight to electricity have been developed and are widely used for energy in space vehicles. With present technology， however， they remain too expensive for large-scale generation of electric

27、ity. Therefore， most schemes for the utilization of solar power depend upon the collection of thermal energy， followed by conversion to electrical energy. The simplest such approach involves focusing sunlight on a steam-generating biller. Parabolic effectors can be used to focus sunlight on pipes co

28、ntaining heat-transporting fluids. Selective coatings on these pipes can be used so that only a small percentage of incident energy is reradiated from the pipes. Keywords: PV， the maximum power point tracking， DSP， the duty cycle. .word. .1 绪论1.1 太阳能光伏发电的研究背景随着人类文明的发展，燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还

29、有20亿人得不到正常的能源供应。人们对能源需求日益增加以及传统能源日益枯竭成了不可逆转趋势。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变现在的能源结构，维持长远的可持续发展，解决人类的能源问题。与风能等其他可再生能源相比，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。电能是人类社会最广泛最成熟的能源利用模式，将太阳能转换成满足人类各种需求的电能是利用太阳能的有效途径，是解决当前能源问题的最佳对策。由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发

30、达国家激烈竞争的主要热点。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，欧洲各国对太阳能的热情也日益高涨。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了再生能源法，该法已于2006年1月1日起实施，中华人民XX国节约能源法，已由中华人民XX国第十届全国人民代表大会常务委员会第三十次会议于2007年10月28日修订通过，现将修订后的中华人民XX国节约能源法公布，自2008年4月1日起

31、施行。2009年12月26日，十一届全国人大常委会第十二次会议表决通过了中华人民XX国可再生能源法修正案 ，修正案自2010年4月1日起施行。这对于我国可再生能源具有十分重要的意义。我国也是如此。根据可再生能源中长期发展规划，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。1.2 太阳能光伏发电发展历程与现状目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存

32、在，但以目前人类的科技发展水平还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且太阳能电池的原料硅的储量十分丰富。太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。但是现在光伏电源

33、能量转换效率比较低，单位发电成本较高，在一定程度上制约了光伏发电系统的发展。提高转换效率，降低发电成本成了光伏产业的发展趋势。利用科技的力量，力争使太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都能促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。1.3本文主要研究内容和任务本文主要研究太阳能独立光伏发电系统，本文研究的独立光伏发电系统结构框图如图1.3所示。该系统主要包括几个部分:太阳能电池阵列、BOOST变换器、负载、双向BUCK-BOOST变换器、蓄电池以及控制电路。该系统运行原理如下:(l)当日照较强，太阳能电池阵列输出功率大于负载功率时，太阳能电池阵列输出的电能经BO

34、OST变换器给负载供电，多余的电能通过双向BUCK-BOOST变换器传输给蓄电池将能量储存起来。(2)当日照较弱，太阳能电池阵列输出功率小于负载功率时，由太阳能电池阵列和蓄电池共同给负载供电，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，不足的电能由蓄电池通过双向BUCK-BOOST变换器给负载供电。 （3）当无日照，光伏阵列输出功率为零时，由蓄电池单独给负载供电。(4)当有日照，太阳能电池阵列输出功率大于零且负载断开时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器后给蓄电池充电以将能量储存起来。另外，如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充

35、电压时，双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄电池的使用寿命。独立光伏发电系统所有控制功能的实现均由控制电路完成，控制电路采用数字信号处理器TMS320F28035，由数字信号处理器TMS320F28035采样所需要的电流电压信号并对信号进行处理，输出PWM波控制主电路功率开关管的通断。该系统框图如下图1-1。图1.1独立光伏发电系统框图本文主要研究工作包括以下部分:1） 完成离网型太阳能光伏发电系统主电路设计；2） 完成逆变电路的电压、电流测量并采集；3） 根据实际交流负载对电路所需器件参数进行计算并选型；4） 完成整个系统的电路原理图和PCB图；5） 研究不同DC/DC拓

36、扑结构时太阳能光伏电源系统的优缺点，完成本论文系统的电路拓扑的设计与器件选型；6） 基于DSP研究控制系统的实现方法以及完成控制系统的设计。2 光伏系统简介及光伏发电效率分析2.1 太阳能光伏系统简介光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。2.1.1 光伏系统的基本组成一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、电压变换器和蓄电池(组)构成。太阳能电池板：太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、

37、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，光伏电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。电压变换器：逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电斩波成更高的电压或逆变成交流电，供给交流负载使用。蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将光伏阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。光伏发电系

38、统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。2.1.2 光伏系统的分类光伏发电系统接与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统(Stand-Alone PV System)和并网光伏发电系统(Grid-Connected PV System)。1、独立光伏发电系统(Stand-Alone PV System)图2-1 独立光伏发电系统结构框图整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接

39、转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。2、并网光伏发电系统(Grid-Connected PV System)图2-2 并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏电池所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送人电力系统。控制器一般由单片机

40、或数字信号处理芯片作为核心器件构成，用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成，以脉宽调制方式形成所需电量形式向电网送电。容量可以视为无穷大的公共电网在这里扮演着储能环节的角色。因此并网系统不需要额外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电稳定性。光伏并网系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理发展方向。光伏并网技术中目前主要研究重点为：光伏并网电路拓扑。能量管理及经济运行策略。系统显示和远程监控。2.2光伏电池特性分析讨论光伏并网系统的控

41、制策略，就必须首先要清楚光伏阵列的V-I，P-V特性，进而提出合理的控制解决方案。为了更好的理解光伏电池的特性，根据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温相同情况下的光伏电池I-V、P-V特性曲线，如图2-3所示。a 当T = 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的I-U曲线b 当T= 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的P-U曲线c 当T = 25 ，光照为0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1时的P-I曲线图2-3 光照强度不同情况下IV、PV特性曲线从图中可以得出以下结论:光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系；光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大；光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势；到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；如图2-3 a所示：在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%；