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1、光伏并网发电模拟系统（软件部分）学 生： 学 号： 指导老师： 讲师 专 业： 通信工程 完成年月： 20 年6月 目录摘要4ABSTRACT5第一章 绪论61.1 课题背景61.2 并网发电的现状与发展趋势61.3 光伏并网发电系统简介71.4 本课题的主要研究内容71.5 本课题设计的基本要求8第二章 光伏并网发电系统的设计92.1 设计方案分析与选择92.1.1 系统控制模块的选择92.1.2 系统整体框架设计92.2 系统硬件电路原理102.2.1 控制模块102.2.2 逆变电路132.2.3 滤波器142.2.4 反馈采样电路14第三章 系统软件设计163.1 软件总框架163.1
2、.1 系统控制总流程163.1.2 系统初始化流程173.1.2 控制模块信号流介绍183.2 SPWM信号203.2.1 SPWM信号功能介绍213.2.2 基于FPGA的SPWM信号的优势213.2.3 基于DDS的基础SPWM波形产生原理213.2.4 完整SPWM波形的产生233.3 MPPT功能253.3.1 MPPT功能简介263.3.2 PID调节技术简介263.3.3 MPPT程序设计273.4 频率、相位跟踪功能283.4.1 锁频、锁相基本框图293.4.2 相、频控制子模块介绍293.5 软件滤波器313.5.1 基于单脉冲生成模块的滤波功能313.5.2 基于AD采样的
3、平滑滤波算法323.5.3 偶然误差滤除算法333.6 系统保护策略353.6.1 欠压保护功能353.6.2 过流保护功能363.6.3 参考信号异常保护功能373.7 显示与键盘编程373.7.1 LCD编程373.7.2 键盘编程383.7.3 显示数据的封装393.8 函数库列表40第四章 调试过程与测试结果434.1 系统调试过程434.1.1 调试流程434.1.2 调试中遇到的问题444.2 系统测试结果454.2.1 测试结果454.2.2 结果分析474.3 系统实际效果图48第五章 总结与展望495.1 总结495.2 展望49致谢50参考文献51附录（原文）52附录（译文
4、）56摘要太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，已成为最有潜力的电力能源之一。而光伏发电作为一种将太阳能转换为电能的新兴技术，有着非常广泛的发展前景。 本文阐述了一套光伏并网发电模拟系统的设计原理和调试过程。该系统以新华龙C8051F120单片机和LatticeXP2- 5E-5TN144C型FPGA为控制核心，采用正弦脉宽调制技术，以全桥DC-AC逆变电路为功率变换主回路，同时具有最大功率点跟踪、频率跟踪和相位跟踪功能。该系统采用数字式闭环反馈控制，保证输出信号与参考信号之间同频同相。DC-AC逆变器功率变换部分效率达到85.9%，具有输入欠压保护、输出过流保护以及故障后的自动恢复功
5、能。此外，通过液晶显示还可对电路中各电参数进行检测和显示，较好的达到了课题的各项指标。文章着重于软件部分，对其进行了详尽的介绍和分析。关键词：光伏并网发电系统，单片机，FPGA，正弦脉宽调制，最大功率点跟踪ABSTRACTSolar energy, as an inexhaustible renewable energy, has become the most promising power energy sources. And the photovoltaic (PV) is an emerging technology to convert solar energy into elec
6、trical energy, which has a very broad prospects for development.This paper describes the design principles and the debugging process of a grid-connected PV simulation system. The system control core is formed by a MCU of Silicon C8051F120 and a FPGA with the type of LatticeXP2 -5E-5TN144C. The main
7、technologies include the control for sinusoidal pulse width modulation (SPWM), the full-bridge DC-AC inverter for the main power transform circuit, the maximum power point tracking (MPPT) and the function of frequency tracking and phase tracking. The system uses digital closed-loop feedback control
8、to ensure the output signal and the reference signal in phase with frequency. The DC-AC inverter efficiency reached to 85.9%. It has many functions, such as input low-voltage protection, output over-current protection and automatic fault recovery. In addition, the electrical parameters on the circui
9、t can be detected and displayed through the liquid crystal. The system meets the requirements absolutely of the target.The paper focuses on the software part and it carried out a detailed description and analysis.Key words: grid-connected PV system, MCU, FPGA, SPWM, MPPT第一章 绪论1.1 课题背景随着工业化发展的不断进步，世界
10、性的环境污染和传统能源短缺问题已变得越来越不容忽视，这迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。现在得到广泛使用的新能源包括风能，潮汐能，地热能，太阳能等，而光伏发电就是利用太阳能来产生电能的一种技术。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、不受地域限制、建设周期短等优点。21世纪以来，光伏发电产业迅猛发展，最近10年来，世界光伏产业平均每年增长42.3%， 2008年世界太阳电池的产量约为6850 MWp，在硅材料严重短缺的情况下，比2007年仍增长了71.25%，这一数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。1.2 并网发电的现状与发展趋势自20世纪50年代，随着对可再生
11、能源开发和利用的兴起，世界范围内的再生能源利用技术已经走过了半个世纪的历史，特别是上世纪70年代，爆发的世界性的石油危机有力的促进可再生能源的开发利用。作为最主要的可再生能源之一，太阳能的利用技术在这几十年间也得到了迅猛的发展，尤其到20世纪90年代后，光伏发电技术逐渐成熟，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。当前国际上对光伏发电的研究主要有两个方向：一个是光伏电池的研究，通过研究不同材料电池板的发电效率，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池板材料；另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变系统方面。在世界各国的优惠政策的推
12、动下，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。但是就国内而言，光伏并网发电的关键技术和设备还主要依靠进口，自主研发的技术更是刚刚起步，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，很大程度上制约了并网型光伏发电的普及。而且，目前系统在国内的发展和推广主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究既稳定、又高效的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。随着对这些技术的研究不断深入，国内的光伏并网发电正不断走向成熟，相信在不远的将来，我国也将成为在光伏发电方面的技术强国。1.3 光伏并网发电系统简介光伏
13、并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列产生的电能逆变成与电网同频同相的正弦波电流。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。光伏并网发电系统按照系统的设计要求不同可以分为两种:一种是不可调度式光伏并网发电系统，这种系统不含储能环节;另一种是可调度式光伏并网发电系统，这种系统含有储能环节。在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电直接转化为和电网电压
14、同频同相的交流电，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和并网的功率大小。它的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元。当日照强烈时，光伏并网发电系统将发出的多余电能回馈电网，当需要电能时可以由电网输出电能。可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节，系统首先对储能环节进行充电，然后根据需要将光伏并网发电系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统的工作时间和并网功率的大小可人为设定。当电网发生断电或者其它故障时，逆变器自动切除和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用于对本地负载继续供电。本文介绍的是不可调式的光伏并网发电系统。1.4 本课题的主要研究内容本文介绍了一套模
15、拟的光伏并网发电设备的原理、结构、控制方法和调试过程，其中，着重对控制模块的软件设计思路以及设备调试过程作了详尽的介绍和分析。第1章绪论，简要介绍了光伏并网发电的现状，通过对光伏并网发电系统的介绍，对光伏并网发电系统有了初步认识。第2章，对所设计的光伏并网模拟发电设备的设计方案进行分析，并对所完成设备的各个硬件模块作了简要介绍。第3章，是本文的核心内容。对整个系统控制模块作了详尽的介绍，对系统各功能的实现原理进行了深入的分析。第4章，对系统在制作和调试过程作了简单的介绍，并着重分析了调试过程中碰到的几个较为突出的问题，最后记录和分析了系统最终的测试结果。第5章总结与展望，对全文做出总结，指出系统需要进一步改进的地方。1.5 本课题设计的基本要求本课题所要求设计的光伏并网发电模拟系统结构框图如图1-1所示。直流稳压电源US和电阻RS模拟太阳能电池，其中US额定为60 V；UREF为模拟电网电压的正弦参考信号，由信号发生器提供，其峰峰值为2 V，频率fREF为45 Hz55 Hz可调；变压器T为三级隔
