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1、本科毕业论文光伏发电并网逆变控器制系统的设计THE RESERCH ON PHOTO VOLTAIC GRII-CONNECTED INVERTER题 目 光伏发电并网逆变控制器系统的设计 学生姓名 学 号 200814240119 系 别 物 电 系 专 业 电气工程及其自动化 届 别 2011 指导教师 职 称 讲师 摘要3第一章 绪论41.1光伏发电并网逆变器的研究背景及现状41.2光伏发电并网逆变器研究的目的5第二章 光伏发电并网逆变控制系统的理论分析.7 2.1太阳能发电并网系统总拓扑图72.2逆变器的电路原理82.2.1 逆变器的电路原理82.2.2 逆变器的逆变传统技术8 2.2
2、.3 逆变器的SPWM控制技术.102.3 并网逆变112.3.1 电路结构112.3.2 系统的总体方案11 2.3.3 前级boost电路的工作原理112.3.4主电路参数的选取13 2.2.5光伏系统最大功率跟踪的方法152.3.6逆变器驱动电路17第三章 硬件电路19第四章 系统软件设计214.1 基于AT89C51的系统软件设计214.2 系统的主程序流程图244.3逆变控制程序设计244.4中断和键盘子程序设计27参考文献31摘要世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭，促使了对新能源的开发和发展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到推波
3、助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。本文根据逆变器结构以及光伏发电阵列特点，提出了基于DC-DC和DC-AC两级并网逆变器的结构。基于DC-DC和DC-AC电路的相对独立性，分别对DC-DC和DC-AC进行了分析，重点分析了DC-AC的工作原理。并网逆变控制器设计是本文的重点，包括逆变器驱动电路的设计、逆变器驱动电路的软件编程以及并网过程中直流侧欠电压、直流侧过电压、交流侧电流等硬件电路的设计。另外对主电路中各元件参数的选取、系统最大功率跟踪方法做了详细
4、的分析。为类似结构的光伏并网逆变器提供了设计参考。关键词 太阳能；光伏并网；逆变器；最大功率点跟踪 第一章 绪论光伏发电并网逆变器的研究背景及现状太阳能的转换利用方式有光-热转换、光-电转换和光-化学转换三种形式。光伏发电是将太阳的光能转换为电能的一种发电形式。利用光生伏打效应制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转、转换成为电能。 表1-2为光伏发电历史现状。年份 事 件1839法国物理学家A.E.贝克勒尔发现“光生伏打效应”（photovoltaic effect）1880Charles Frits 开发出以硒为基础的光伏电池1954贝尔实验室做出了光电转换效率为5%的单晶硅光伏电池1961
5、硅光伏电池技术研究重点为提高抗辐射能力和降低城北方面1972研制出用于空间的单晶硅光伏电池1976诺贝尔奖获得者莫特教授提出了非光品硅光伏电池1980世界光伏技术产业迅速发展起来1883美国建成1MW光伏电站1986美国建成6.5MW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶安装3-5KW光伏电池；日本提出“新阳光计划”，到2010年将生产43亿兆瓦光伏电池1995高效聚光砷化镓电池效率达到32%1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，并计划在2020年完成；多晶硅光伏电池总产量第一次超过单晶硅光伏电池1999日本太阳能电池总产量第一次超过美国居世界首位，其中8
6、5%用于太阳能光伏构建集成2000世界光伏电池总产量达到287MW；欧洲计划到2010年生产60亿W光伏电池；日本三洋公司研制的太阳能效率超过212005近5年的世界光伏电池产量年均增长速度超过40%，晶体硅太阳能电池产量占世界太阳能电池产量的90%以上国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA、Fronius、Sputnik、Sun Power和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及日本在并网逆变器方面也都已经产品化。目前国外光伏并网你变气产品的研发主要集中在最大功
7、率跟踪和逆变环节集成的单机能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注意系统的安全性、可靠性和扩展性，具备有各种完善的保护电路。国内对并网逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪额逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板，光伏并网发电系统在我国还没有真正投入商业化运行的应用，目前所建广发并网系统均为示范工程。作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究。在众多分布式发电功能技术中，太阳能产业是全世界公认的最有前途的能源产业，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。美国政府最早制定光伏发电的发展规划，能源部和有关州政
8、府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装是已达到3000兆瓦以上，连续三年光伏产业均以高于30%的年增长率上升；新任总统奥巴马更是把发展大规模分布式太阳能光伏发电作为其新能源的重要组成提上议程。日本也早在1974年就开始执行“阳光计划”，1992年电力公司收购光伏发电系统与电力制度开始实施，1994年提出“朝日七年计划”，到2000年已完成16.2万套太阳能光伏屋顶计划，1997年又宣布7万光伏屋顶计划，到2010年安装7600兆瓦太阳能电池。德国1990年提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。到2007年5月为止，全球已建成容量超过5兆瓦的光伏电站10座，容量在2兆
9、瓦以上的瓜葛菲电站超过了50座，目前已经运行的容量最大的太阳能并网电站为2008年安装与西班牙的olmedilla,装机容量为60兆瓦。1.2光伏发电并网逆变器研究的目的 我国正处在经济转轨和蓬勃发张时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织（WHO）公布世界上污染最严峻的十大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏并网发电将有助于今早解决这一问题。国家有关领导部门已经开始给予足够重视，首先是国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。“八五”和“九五”期间把“光伏屋顶并网发电系统”列入了“国家科技公关计划”，在
10、深圳和北京分别建成了一些光伏屋顶并网发电系统的示范工程。到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，但面对如此巨大的国内需要，脚踏踏实实地发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的事情。在光伏并网发电系统中，其具体目的表现为：（1）实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成220V、50Hz的单相、正弦波，其电流和电压的畸变率均小；（2）实现系统的安全保护要求，如输出过载保护输出短路保护、输入接反保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛”保护及装置。1.3 光伏发电并网逆变器研究的意义随着全球环境污染与能源紧缺问题的日益严重，
11、寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。进行光伏发电并网逆变器控制系统的研究对于解决全球日益面临的能源危机有深远的意义，不但可以在技术上进一步取得完善，取得工程经验，而且可以确定其经济的可行性，光伏发电只有进入电力规模的应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，光伏发电并网逆变器控制系统研究的重点应该放到并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术上。光伏并网发电的大规模推广除了节约能源与减少环境污染外，还能够刺激光伏工业的迅速壮大，达到能源可持续性发展的目的，同时还可以提供大量的就业机会。要实现光伏并网发电，光伏并网逆变器是关键。目前，独立光伏电站所用的逆变器相对较成熟，并
12、已大规模应用，但并网逆变器技术相对落后，国外的并网逆变器价格高昂，在国内推广应用十分困难。为了实现自主研发生产，国内一些企业与高校正开始做相关方面的研究，且均为示范系统，还没有实现产业化，为推动光伏并网发电系统的普及应用，自主研发光伏并网逆变器控制系是我们长期致力于研究的课题面对今天日益严重的环境危机，为了人类的生存和发展迫切需要我们去寻找新的替代能源，而太阳能便是我们理想的发展方向，它为我们提供干净、来源广泛可靠、无污染的清洁能源，为解决全球面对的诸多环境问题带了十分理想的解决方式。光伏发电并网逆变器的研究就是如何将光转换为电能，本课题着重研究其新的发展方向，更为方便的利用太阳能解决发电问题
13、是我们今后长期发展的课题，也是世界今后大体走向。太阳能光伏并网发电工程的实际效果看出，采用太阳能光伏发电技术，对太阳能并网发电的推广应用在技术是可行的，经济上是可取的，对社会环保和人类可持续发展更是具有深远的影响和重要意义。第二章 光伏发电并网逆变控器制系统的理论分析2.1太阳能发电并网系统总拓扑图图2-1系统总拓扑图由总拓扑图可以看到，PV板产生的直流电压经过DC/DC变换器升压，MPPT追踪最大功率点控制后，经过逆变器变成三相交流电，通过单片机控制下的电压检测，负载过电流检测，在辅助电源和SA4828驱动的作用下，使得电能最终送到电网。2.2逆变器的电路原理2.2.1 逆变器的电路原理 为
14、了设计并网逆变器控制系统，必须先介绍逆变器的电路原理以图2-2的单相桥式逆变电路为例说明最基本的逆变工作原理。图中SI-一 S4是桥式电路的四个臂，S1S4为开关管。当开关Sl、S4闭合，S2、S3断开，负载电压Uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，“o为负，其波形如图 2-3所示。这样，就把直流电变成了交流电，而改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。 图2-2 单相桥式逆变电路 图2-3 单相桥式逆变电路的输出电压波形2.2.2 逆变器的逆变传统技术在三相逆变电路中，应用最多的是三相桥式逆变电路。电压型三相桥式逆变电路如图2-4所示 三相电压型逆变电路传统的多数采用的工作方
