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1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：光伏发电家用逆变器设计指导教师: 2015 年 3月25日开题报告填写要求1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献一般应不少于10篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参
2、考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1光伏发电的意义在当今的世界能源结构中，人类所用的能源主要是石油、天然气和煤炭等常规化石能源。但常规化石燃料的无节
3、制的使用和20世纪70年代发生的两次石油危机，使得人类越来越清醒的认识到：化石燃料资源迟早会枯竭耗尽。80年代人们进一步认识到，化石燃料资源对环境的污染严重所导致的生态破坏，地球温室效应等日趋严重的威胁着人类的生存。能源短缺，环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。中国能源生产和消费均居世界前列，属能耗大国，根据我现已探明可开采的化石能源的统计和使用这些能源的速度，一份报告指出，煤炭可以用的时间约为54-81年，石油为12-20年，天然气为28-58年，核燃料的使用时间不会超过100年。面对迫在眉睫的能源危机，我们必须在常规能源枯竭之前找到替代品新能源，使人类得以继续生存
4、。太阳能是一种巨大的，无污染的自然能源，地球每年从太阳获得的能量高达61017千瓦，比目前人类年消耗的全部能量还多几万倍，是取之不尽，用之不竭的新能源。因其清洁环保，永不衰竭的特点，受到了世界各国能源专家的青睐。充分开发利用太阳能，对于节约常规能源，保护自然环境，促进经济发展都具有极为重要的意义！1.2光伏发电的系统家用光伏发电系统属于分布式发电系统。其特点是功率相对较小，利用存在于用户附近的各种能源形式就近发电，可以有效的利用当地的资源，这样发电和消耗的过程都是在当地发生。此外，由电压等级的变换，输电线路的电力分配系统造成的损耗也相对较少，系统的整体效率就会相应的增加，改善当地的经济状况，达
5、到可持续发展的要求。太阳能发电是将太阳的光能直接转换电能的转换方式，包括光伏发电，光化学发电，光感应发电等。太阳能光伏发电是利用太阳能电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式。光伏能源系统是将太阳能转换成电能以使用的一种能源系统。根据光伏系统是否与电网连接，可将光伏系统分为独立系统，并网系统和混合系统三大类。家用光伏发电系统多采用前两种，本设计将着重讲述独立系统家用逆变器的设计。1.2.1独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指太阳能电池控制系统与公共电网不直接连接的太阳能光伏发电系统，其典型特征是需要储能单元来储存能量以备夜晚电能供应，主要应用在偏远地区，解决无电问题。其总结构图如图1-1
6、. 图1-1独立运行光伏发电系统框图1.3光伏逆变器由以上光伏发电系统框架图可知，太阳能光伏并网逆变器是连接光伏阵列和交流负载的关键部件。其结构包括DC/AC主电路及其DC/DC转换电路，变压器，检测单元和控制器等外围铺助装置。它需完成控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向负载馈入正弦电流两大主要任务，同时为了保证光伏发电的稳定性和高效性，光伏逆变器还具有电压，频率和相位调制，防孤岛和低电压穿越等功能。光伏逆变器的种类多种多样。根据逆变器的输出波形可分为方波逆变器，阶梯逆变器和正弦波逆变器；根据逆变控制方式可分为调频式(PFM)逆变器和调脉宽式（PWM）逆变器；根据逆变器输出相数可分为单相逆变器
7、和三相逆变器；根据光伏并网逆变器按照应用的方式和领域可分为面向大型电站级的集中式逆变器，面向组件级的支路式逆变器和光组件集成的交流模块等。逆变器完成DC/AC转换连接到交流负载，并找出最大功率跟踪点以优化光伏系统的效率。随着技术日趋成熟不不断发展，光伏发电系统逆变器的存在问题逐渐引起了关注。1） 可靠性：逆变器是整个光伏发电系统中的关键环节也是薄弱环节，单台逆变器的故障可能导致整个系统的崩溃，装置维护期间光伏阵列产生的能量便被浪费。2） MPPT跟踪效率：虽然大多数集中光伏逆变器生产厂商宣称跟踪效率可以达到99%，事实上，由于其MPPT跟踪针对的是整个光伏阵列，无法兼顾到每块光伏组件。由于模块
8、匹配，局部阴影等因素，实际光伏阵列输出呈现多峰值特性。在光照功率不均时，进行统一的最大功率跟踪，很可能使阵列工作在局部最优点，集中式系统中通常每块光伏电池组件均接有旁路二极管，用以将处于阴影情况下的光伏电池旁路。3） 系统的可扩展性：集中式并网系统的连接方式决定了其系统可扩展性较差。 因此为了最大效率的利用太阳能，向电网和用户提供连续，安全，高质量的电能，必须向光伏逆变器提出要求： 1.太阳能逆变器要求具有较高的效率。为了最大限度地利用太阳能电池板，提高系统的使用效率，就必须设法提高逆变器的转化效率。 2.太阳能逆变器要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维
9、护，这就要求逆变器具有合理完善的电路结构，材质优良的元器件，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。这些都是逆变器所必须具备的。3.太阳能逆变器要求直流输入电压有较宽的适用范围，太阳能电池的端电压是随负载和日照强度变化而变化，蓄电池的电压也是随蓄电池剩余电量和内阻的变化而变化，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围更大。由此就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流电压输出的稳定。4.太阳能逆变器在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。 因而掌握光伏逆变器在系统中的运行特点，并研究其对电能质量
10、的影响对于光伏并网问题，保障系统稳定运行，向用户提供持续清洁能源具有重要意义。1.3.1光伏逆变器的研究现状（1） 丁凯，皱云屏，张闲等将两个电平电压型逆变器串联起来，组成一个功率模块，通过这种串联使得通过功率器件的电力应力有显著的减少。（2） 明正峰，倪光正，钟彦儒在原有无源性控制器和滑模控制器基础上设计了一种新无源滑块控制器，保留了两种控制器的优点，通过添加在线辨识负载观测器，进一步提高了系统对负荷的鲁棒性。（3） 为提高太阳辐射能量的利用率，降低光伏发电的成本，高效率的光伏逆变器拓补成为研究的热点，中点钳位型（NPC）三电平电路拓补具有开关损耗少，电磁干扰少，光伏阵列对地杂散电容上无共模
11、漏电流，所需滤波电感小等优点，非常适用单相光伏逆变器。（4） 吴卫民，汤天浩，彭清松等提出一种新型组合式正弦高频链逆变器，与传统高频链或Boost升压环节的DC/AC逆变器相比，在成本不增加的前提下，提高了效率。（5） 汪江其，王群京等从提高光伏并网逆变器效率角度出发，分别采用SPWM调制技术和SVPWM调制技术，分析逆变器损耗的计算方法，比较这两种调制策略，利用Matlab对逆变器的输出效率进行仿真，结果表明：采用SVPWM调制策略，逆变器输出的功率更大，效率更高。（6） 贺凡波，赵争鸣，袁立强建立并验证了单台逆变器和共直流母线并联光伏逆变器的效率模型，推导了使并联逆变器总效率最高的分配方式
12、，测试了并联逆变器在不同工况下的效率。（7） 虚拟阻抗的应用改变了逆变器的输出阻抗的特性，有效的抑制了线路参数差异对功率分配造成的影响，提高了并联逆变器的输出功率分精度。（8） 郁琰提出采用PID与数字锁相环相结合的频率跟踪控制策略，对串联式谐振逆变器的工作频率进行实时控制，使之能自动的跟踪上负载的谐振频率。结果表明：采用基于PID与数字锁相环相结合的频率跟踪控制具有更好的频率调节特性。 毕 业 设 计 开 题 报 告研究方案：2.1研究内容 独立光伏发电系统一般由太阳能电池板、升降压变换电路，光伏逆变器，控制器等部分组成，其中光伏逆变器是将直流电转换成交流电的核心设备。按运行方式，逆变器可分
13、为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，独立的向负载供电。本课题拟在熟悉光伏独立运行逆变器的基础上，设计出一种效率较高、控制策略较新的光伏独立运行逆变器。使之具有的技术参数为：额定输出功率：500W；最大输出功率：600W；峰值功率：1000W；输入电压：12V；输出电压：220V/AC；频率：50Hz；效率（满载）：87%；空载电流： 8A；实现输出电压与电网用户同电压同频率，达到家用户用电的要求。2.2研究思路本课题的设计思路是由整体到局部逐步细化的方式来完成设计，首先确定出总体的设计方案，完成系统拓扑结构图的绘制。然后设计出光伏独立运行逆变器的主电路部分
14、，其主电路部分主要由Boost升压变换电路，单相全桥逆变电路，滤波和隔离变压器所组成。接着，设计出逆变器的检测和控制电路，其检测电路主要由输入电压电流检测电路，输出电流检测电路。最后，根据光伏独立发电系统的组成结构，设计出各个部分的软件流程图，编程实现。本设计的重点是放在光伏独立运行逆变器的硬件设计和软件编程上。在设计中我们采用了电压型单相全桥逆变电路，对其开关器件的控制，采用SPWM输出芯片SG3525。但由于其控制信号是TTL电平不能直接驱动IGBT，需在中间增加一个驱动电路TIP250，通过SG3525发4路PWM脉冲给TLP250，控制单相桥式逆变电路的核心器件IGBT的开通和关断。本
15、设计中所有检测和控制电路均由一个AT89C51单片机进行控制，它是采用中断的方式来响应硬件的中断请求，在主程序执行的过程中，无论何时，只要单片机检测到有外部中断产生，就会立即响应外部中断，将程序跳转到中断子程序处去执行相应的中断程序，中断处理完成后，再返回到断点处继续执行未执行完的程序。（1） 系统拓扑结构图的绘制，如图21图2-1 独立运行光伏发电系统框图其中设计中部分构想如下：(1)单相电压型逆变电路采用单相全桥逆变电路，其结构如图2-2，图2-2 电压型单相全桥逆变电路其工作原理：T1T4与D1-D4组成了桥式电路的4个桥臂，当T1、T4接通，T2、T3阻断时，负载电压为正；当T2、T3接通，T1、T4阻断时，负载电压为负。这样就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。(2)Boost升压斩波电路如图2-3所示图2-3 Boost升压斩波电路其工作原理：假设电路中的电感L,电容C值很大。当V处于通态时，电源向电感L充电，充电电流基本恒定为，同时电容C上的电压向负载R供电，因为C值很大，基本保持输出电压恒定。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积累的能量为。当V处于断态时和L共同向电容C充电，并向负载
