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1、太阳能光伏发电系统摘 要本系统采用C8051F020为控制核心，实现了模拟太阳能光伏发电系统的功能。该系统主要通过太阳能储蓄电能，通过正弦波脉宽调制技术（SPWM）控制全桥逆变将直流电变为交流电，再经过变压器将电压变为所需的电压。该系统具有最大功率追踪（MPPT），输出电压与给定参考电压频率、相位同步，欠压、过流保护，欠压保护的自动恢复等功能，且具有LCD屏幕显示功能。关键词： C8051F020 SPWM MPPT 欠压过流保护 AbstractThis system uses C8051F020 simulation of solar photovoltaic power generati
2、on system to control the core functions. The system is mainly electricity through the solar savings by sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control full-bridge inverter direct current into alternating current, and then through the transformer voltage into the required voltage. The system has the
3、 maximum power point tracking (MPPT), output voltage with a given reference voltage frequency and phase synchronization, undervoltage, overcurrent protection, undervoltage protection, automatic recovery, and the LCD screen displayKeywords： C8051F020 SPWM MPPT Under-voltage over-current protection目 录
4、前 言1第1章总体设计方案31.1 DCAC 逆变驱动方案31.2 显示模块的选择41.3 MPPT控制方案61.4 输入电压采集模块61.5 模数转换芯片AD的选择7第2章 硬件系统的设计82.1 系统整体原理框图82.2 系统各模块的设计及参数计算82.2.1 控制器82.2.2 MPPT的控制方法与参数计算102.2.3 同频、同相的控制方法与参数计算112.2.4 提高效率的方法112.2.5 滤波参数计算122.2.6 全桥逆变电路122.2.7 开关管驱动电路132.2.8 电压信号调理电路142.2.9 电流信号调理电路152.2.10 显示电路16第3章 系统软件设计193.1
5、 ADC0的使用213.1.1 ADC0使用出现的问题213.1.2 ADC0使用注意事项213.1.3 ADC0通道输入保护223.1.4 ADC0使用总结22第4章 系统测试234.1 测试方案与测试结果234.2 测试仪器24结束语25谢 辞26参考文献27青岛大学本科生毕业论文（设计）前 言尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物
6、能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白 皮书、美国光伏计划等推算，2010年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW(1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%)，至2030年全 球光伏发电装机容量将达到300GW(届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元)，至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。按此计 划推算，2010-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上（参看资料
7、：15）。其中并网应用会有较大的发展，从而形成并网发电(约46%)、 离网供电(约27%)和通讯机站(约21%) 3个主要应用领域（参看资料：16）。太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。并不象有些文章中所说的那样巨大。例如，当我们在 在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。除建筑物和荒漠外，在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。这不仅仅是因为成本巨 大的原因，问题是显而易见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。总之，节能降耗是 人类的一个永恒话题。从
8、某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。出国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-30年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面：1. 时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳
9、时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。2. 地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。3. 气象条件局限。气候对光伏发电影响。采用光伏并网发电无蓄电池方案时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动；当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。4. 容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题
10、后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁 系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1，2，3的局限性将大大增加单位千瓦 的输送成本。下面将会讨论这个问题。5. 光能转换效率偏低。和传统能源（矿物能源，石油，水能，原子能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规
11、能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：1. 充分的清洁性。 （如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理）2. 绝对的安全性。 （并网电压一般在220V以下）3. 相对的广泛性。4. 确实的长寿命和免维护性。5. 初步的实用性。6. 资源的充足性及潜在的经济性等。第1章 总体设计方案系统包括模拟光伏电池、DC-AC变换电路、驱动电路、欠压过流保护、电压电流采样电路、系统状态显示等几个主要部分。全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量
12、导纳法逐步调节SPWM波的调制比实现MPPT控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实自动恢复正常工作状态的功能。模拟并网输出模拟光伏电池DC-AC逆变器输出电压电感电流采样SPWM波驱动信号输入电压采样欠压过流保护 Uref频率相位采样前处理系统状态显示C80051F020控制单元 图1 光伏并网模拟装置结构框图系统主要涉及以下几部分器件的选择：（1）DCAC 逆变驱动方案（2）显示模块的选择（3）MPPT控制方案比较（4）输入电压采集模块（5） 模数转换芯片AD的选择1
13、.1 DCAC 逆变驱动方案 方案一：用DSP或FPGA产生SPWM信号驱动半桥或全桥式DC-AC变换器，经输出LC滤波后得到逆变信号。此方案的缺点在于SPWM控制为开环，在功率电源和负载变化时难以保重波形的失真度满足题目要求。 方案二：采用硬件技术，分别产生三角波和正弦波，用以产生SPWM波形。此方案设计思路简单，实现的SPWM波形占空比从0到100%可调，但是该方案实现复杂。方案三：使用8位单片机C8051F020它是Silicon Laboratories生产得一种完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，（C8051F020）是一种增强型得51单片机系列。它具有高速
14、、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS），高速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真正12 位（C8051F020）100ksps的8通道ADC，并且片内的ADC可以实现单端输入或者是差分方式，这样就可以很方便的采集到电压差。带PGA和模拟多路开关，真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关，两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式，64K字节可在系统编程的FLASH 存储器，4352（4096+256）字节的片内RAM，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART 串行接口，5个通用的16位定时
15、器，具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器，具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3 是真正能独立工作的片上系统。综上所述：C8051F020能产生所需的SPWM波形驱动所需的电路而且本系统就是利用C8051F020作为控制器，故选用方案三。 1.2 显示模块的选择图形点阵液晶显示模块具有信息丰富(可显示汉字、字符、曲线、图形) 、功耗低、体积小、质量轻、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点，因而是单片机系统理想的显示器件。而我们采用的OCM4X8C是12864点阵的中文图文液晶显示器模块。该模块的内部由于含有国标一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，该模块的硬件接口与单片机的硬件接口电路教为简单。OCM4X8C主要特点及引脚定
