畢業(yè)論文 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制器系統(tǒng)的設(shè)計

1、本科畢業(yè)論文 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控器制系統(tǒng)的設(shè)計THE RESERCH ON PHOTO VOLTAIC GRII-CONNECTED INVERTER題 目 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控制器系統(tǒng)的設(shè)計 學生姓名 學 號 系 別 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 屆 別 2012 指導教師 職 稱 摘要3第一章 緒論41.1光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究背景及現(xiàn)狀41.2光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器研究的目的5第二章 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的理論分析.7 2.1太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)總拓撲圖72.2逆變器的電路原理82.2.1 逆變器的電路原理82.2.2 逆變器的逆變傳統(tǒng)技術(shù)8 2.2.3 逆變器的SPWM控制技術(shù).102.3

2、 并網(wǎng)逆變112.3.1 電路結(jié)構(gòu)112.3.2 系統(tǒng)的總體方案11 2.3.3 前級boost電路的工作原理112.3.4主電路參數(shù)的選取13 光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤的方法15逆變器驅(qū)動電路17第三章 硬件電路19第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1 基于AT89C51的系統(tǒng)軟件設(shè)計214.2 系統(tǒng)的主程序流程圖244.3逆變控制程序設(shè)計244.4中斷和鍵盤子程序設(shè)計27參考文獻31摘要世界環(huán)境的日益惡化和傳統(tǒng)能源的日漸枯竭，促使了對新能源的開發(fā)和發(fā)展。具有可持續(xù)發(fā)展的太陽能資源受到了各國的重視，各國相繼出臺的新能源法對太陽能發(fā)展起到推波助瀾的作用。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電具有深遠的理論價值和現(xiàn)實意義，僅

3、在過去五年，光伏并網(wǎng)電站安裝總量已達到數(shù)千兆瓦。而連接光伏陣列和電網(wǎng)的光伏并網(wǎng)逆變器便是整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文根據(jù)逆變器結(jié)構(gòu)以及光伏發(fā)電陣列特點，提出了基于DC-DC和DC-AC兩級并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)?；贒C-DC和DC-AC電路的相對獨立性，分別對DC-DC和DC-AC進行了分析，重點分析了DC-AC的工作原理。并網(wǎng)逆變控制器設(shè)計是本文的重點，包括逆變器驅(qū)動電路的設(shè)計、逆變器驅(qū)動電路的軟件編程以及并網(wǎng)過程中直流側(cè)欠電壓、直流側(cè)過電壓、交流側(cè)電流等硬件電路的設(shè)計。另外對主電路中各元件參數(shù)的選取、系統(tǒng)最大功率跟蹤方法做了詳細的分析。為類似結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器提供了設(shè)計參考。關(guān)鍵詞 太陽

4、能；光伏并網(wǎng)；逆變器；最大功率點跟蹤第一章 緒論光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究背景及現(xiàn)狀太陽能的轉(zhuǎn)換利用方式有光-熱轉(zhuǎn)換、光-電轉(zhuǎn)換和光-化學轉(zhuǎn)換三種形式。光伏發(fā)電是將太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。利用光生伏打效應制成的太陽能電池，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換成為電能。 表1-2為光伏發(fā)電歷史現(xiàn)狀。年份 事 件1839法國物理學家A.E.貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”（photovoltaic effect）1880Charles Frits 開發(fā)出以硒為基礎(chǔ)的光伏電池1954貝爾實驗室做出了光電轉(zhuǎn)換效率為5%的單晶硅光伏電池1961硅光伏電池技術(shù)研究重點為提高抗輻射能力和降低城北方面1972研制

5、出用于空間的單晶硅光伏電池1976諾貝爾獎獲得者莫特教授提出了非光品硅光伏電池1980世界光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來1883美國建成1MW光伏電站1986美國建成6.5MW光伏電站1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂安裝3-5KW光伏電池；日本提出“新陽光計劃”，到2010年將生產(chǎn)43億兆瓦光伏電池1995高效聚光砷化鎵電池效率達到32%1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”，并計劃在2020年完成；多晶硅光伏電池總產(chǎn)量第一次超過單晶硅光伏電池1999日本太陽能電池總產(chǎn)量第一次超過美國居世界首位，其中85%用于太陽能光伏構(gòu)建集成2000世界光伏電池總產(chǎn)量達到287M

6、W；歐洲計劃到2010年生產(chǎn)60億W光伏電池；日本三洋公司研制的太陽能效率超過212005近5年的世界光伏電池產(chǎn)量年均增長速度超過40%，晶體硅太陽能電池產(chǎn)量占世界太陽能電池產(chǎn)量的90%以上國外并網(wǎng)型逆變器已經(jīng)是一種比較成熟的市場產(chǎn)品，例如在歐洲光伏專用逆變器市場中就有SMA、Fronius、Sputnik、Sun Power和西門子等眾多的公司具有市場化的產(chǎn)品，其中SMA在歐洲市場中占有的50%的份額。除歐洲外，美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭以及日本在并網(wǎng)逆變器方面也都已經(jīng)產(chǎn)品化。目前國外光伏并網(wǎng)你變氣產(chǎn)品的研發(fā)主要集中在最大功率跟蹤和逆變環(huán)節(jié)集成的單機能量變換上，功率主要為幾百瓦到五千瓦的

7、范圍，控制電路主要采用數(shù)字控制，注意系統(tǒng)的安全性、可靠性和擴展性，具備有各種完善的保護電路。國內(nèi)對并網(wǎng)逆變器的研究比較多的采用最大功率跟蹤額逆變部分相分離的兩級能量變換結(jié)構(gòu)，而且市場產(chǎn)品的種類還相對單一，系統(tǒng)構(gòu)建死板，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在我國還沒有真正投入商業(yè)化運行的應用，目前所建廣發(fā)并網(wǎng)系統(tǒng)均為示范工程。作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)核心環(huán)節(jié)的并網(wǎng)型逆變器還主要依賴進口或者合作研究。在眾多分布式發(fā)電功能技術(shù)中，太陽能產(chǎn)業(yè)是全世界公認的最有前途的能源產(chǎn)業(yè)，世界各國都將光伏發(fā)電作為發(fā)展的重點。美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財政補貼政策，總光伏安裝是已達到3000兆瓦以

8、上，連續(xù)三年光伏產(chǎn)業(yè)均以高于30%的年增長率上升；新任總統(tǒng)奧巴馬更是把發(fā)展大規(guī)模分布式太陽能光伏發(fā)電作為其新能源的重要組成提上議程。日本也早在1974年就開始執(zhí)行“陽光計劃”，1992年電力公司收購光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力制度開始實施，1994年提出“朝日七年計劃”，到2000年已完成16.2萬套太陽能光伏屋頂計劃，1997年又宣布7萬光伏屋頂計劃，到2010年安裝7600兆瓦太陽能電池。德國1990年提出1000屋頂發(fā)電計劃，1998年進一步提出10萬屋頂計劃。到2007年5月為止，全球已建成容量超過5兆瓦的光伏電站10座，容量在2兆瓦以上的瓜葛菲電站超過了50座，目前已經(jīng)運行的容量最大的太陽能并

9、網(wǎng)電站為2008年安裝與西班牙的olmedilla,裝機容量為60兆瓦。1.2光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器研究的目的 我國正處在經(jīng)濟轉(zhuǎn)軌和蓬勃發(fā)張時期，但能源問題嚴峻，城市中由于大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。2000年世界衛(wèi)生組織（WHO）公布世界上污染最嚴峻的十大城市中，中國占了八個，其中北京居于第七位。大力發(fā)展光伏并網(wǎng)發(fā)電將有助于今早解決這一問題。國家有關(guān)領(lǐng)導部門已經(jīng)開始給予足夠重視，首先是國家科技部已規(guī)劃有步驟地推進相關(guān)的科技創(chuàng)新研究、示范及其產(chǎn)業(yè)化進程?！鞍宋濉焙汀熬盼濉逼陂g把“光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”列入了“國家科技公關(guān)計劃”，在深圳和北京分別建成了一些光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的示范工程。到目前為

10、止，我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備仍主要來自進口，但面對如此巨大的國內(nèi)需要，腳踏踏實實地發(fā)展具有自我知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)高技術(shù)，進而實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，已是刻不容緩的事情。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，其具體目的表現(xiàn)為：（1）實現(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換，將太陽能光電轉(zhuǎn)換組件陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成220V、50Hz的單相、正弦波，其電流和電壓的畸變率均?。唬?）實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護要求，如輸出過載保護輸出短路保護、輸入接反保護、直流過壓保護、交流過壓和欠壓保護、“孤島”保護及裝置。1.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器研究的意義隨著全球環(huán)境污染與能源緊缺問題的日益嚴重，尋找新能源已經(jīng)是各國不得不面臨的現(xiàn)實。進行光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制

11、系統(tǒng)的研究對于解決全球日益面臨的能源危機有深遠的意義，不但可以在技術(shù)上進一步取得完善，取得工程經(jīng)驗，而且可以確定其經(jīng)濟的可行性，光伏發(fā)電只有進入電力規(guī)模的應用，才能真正對于緩解能源緊張和抑制環(huán)境污染起到積極作用，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)研究的重點應該放到并網(wǎng)發(fā)電的經(jīng)濟政策研究和具有商業(yè)化前景的實用技術(shù)上。光伏并網(wǎng)發(fā)電的大規(guī)模推廣除了節(jié)約能源與減少環(huán)境污染外，還能夠刺激光伏工業(yè)的迅速壯大，達到能源可持續(xù)性發(fā)展的目的，同時還可以提供大量的就業(yè)機會。要實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，光伏并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵。目前，獨立光伏電站所用的逆變器相對較成熟，并已大規(guī)模應用，但并網(wǎng)逆變器技術(shù)相對落后，國外的并網(wǎng)逆變器價格高昂

12、，在國內(nèi)推廣應用十分困難。為了實現(xiàn)自主研發(fā)生產(chǎn)，國內(nèi)一些企業(yè)與高校正開始做相關(guān)方面的研究，且均為示范系統(tǒng)，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為推動光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的普及應用，自主研發(fā)光伏并網(wǎng)逆變器控制系是我們長期致力于研究的課題面對今天日益嚴重的環(huán)境危機，為了人類的生存和發(fā)展迫切需要我們?nèi)ふ倚碌奶娲茉?，而太陽能便是我們理想的發(fā)展方向，它為我們提供干凈、來源廣泛可靠、無污染的清潔能源，為解決全球面對的諸多環(huán)境問題帶了十分理想的解決方式。光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究就是如何將光轉(zhuǎn)換為電能，本課題著重研究其新的發(fā)展方向，更為方便的利用太陽能解決發(fā)電問題是我們今后長期發(fā)展的課題，也是世界今后大體走向。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)

13、電工程的實際效果看出，采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，對太陽能并網(wǎng)發(fā)電的推廣應用在技術(shù)是可行的，經(jīng)濟上是可取的，對社會環(huán)保和人類可持續(xù)發(fā)展更是具有深遠的影響和重要意義。第二章 光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控器制系統(tǒng)的理論分析2.1太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)總拓撲圖圖2-1系統(tǒng)總拓撲圖由總拓撲圖可以看到，PV板產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過DC/DC變換器升壓，MPPT追蹤最大功率點控制后，經(jīng)過逆變器變成三相交流電，通過單片機控制下的電壓檢測，負載過電流檢測，在輔助電源和SA4828驅(qū)動的作用下，使得電能最終送到電網(wǎng)。2.2逆變器的電路原理2.2.1 逆變器的電路原理 為了設(shè)計并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，必須先介紹逆變器的電路原理以圖2-2的

14、單相橋式逆變電路為例說明最基本的逆變工作原理。圖中SI-一 S4是橋式電路的四個臂，S1S4為開關(guān)管。當開關(guān)Sl、S4閉合，S2、S3斷開，負載電壓Uo為正；當開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，“o為負，其波形如圖 2-3所示。這樣，就把直流電變成了交流電，而改變兩組開關(guān)的切換頻率，就可以改變輸出交流電的頻率。 圖2-2 單相橋式逆變電路 圖2-3 單相橋式逆變電路的輸出電壓波形2.2.2 逆變器的逆變傳統(tǒng)技術(shù)在三相逆變電路中，應用最多的是三相橋式逆變電路。電壓型三相橋式逆變電路如圖2-4所示 三相電壓型逆變電路傳統(tǒng)的多數(shù)采用的工作方式如下：逆變電路基本工作方式是180度導電方式，即每個橋

15、臂的導電角度為180度，同一相上下兩個臂交替導電，每相開始導電的時間依次相差120度，如此每一瞬間，將有三個橋臂同時導通。對于U相，當V1導電時，UUN ' '=Ud/2，當V4導電時，UuN '，=-Ud /2。UuN '的波形是幅度為±Ud/2的矩形波。V相和W相的情況和U相相似，只是相位依次差120度。UuN '、UvN '、UwN '的波形如圖2-5所示 圖2-4電壓型三相橋式逆變電路 圖2-5 UuN '、UvN '、UwN '的波形 設(shè)負載中性點N和直流電源假想中性點之間的電壓為UNN 

16、9; ，則負載各相的相電壓可以由下式求出： 整理可得： UNN '=1/3( UNN ' +UVN ' +UWN ' )-1/3（UUN+UVN+UWN）設(shè)負載三相對稱，即UUN+UVN+UWN=0，則： UNN '=1/3( UNN ' +UVN ' +UWN ' ) （2-2） 圖2-5的e)給出了UNN '的波形，它是幅度為±Ud/2，頻率為UNN '頻率三倍的矩形波。由式(2-1)和式(2-2)可以作出UUN的波形如圖25的f所示，UVN和UWN的波形形狀一樣，只是相位相差1200、2400。 由

17、圖可見，負載相電壓的波形為六拍階梯波，通過傅立葉分析可知，此種波形含有很大的諧波分量，對負載(尤其是交流電動機負載)的工作性能帶來很不利的影響。 圖2-6UNN '和UNN的波形圖 2.2.3 逆變器的SPWM控制技術(shù) PWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即沖量(面積)相等而形狀不同的窄脈 沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果(環(huán)節(jié)的輸出響應波形)基本相同。例如：如圖27所示,有三個窄脈沖，(a)為矩形脈沖,(b)為三角形脈沖，(c)為正弦半 波脈沖，它們形狀不同，但它們的面積(沖量)都等于1。當它們分別作為圖2 -8(a)具有慣性環(huán)節(jié)的R-L電路的輸入時，設(shè)其電流f(D為電路的輸出，圖2

18、8(b)給出了不同窄脈沖時i(t)的響應波形。由圖中波形可知，在i(t)的上升段，脈沖波形不同i(t)略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄則其輸出響應波形差異也越小。如果是周期性的施加上述脈沖，則其響應波形也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后可以看出，各f(n在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同。 圖2-7波形不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖2-8沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 本文的SPWM信號由單片機控制的SA4828產(chǎn)生，下文將作詳細介紹。2.3 并網(wǎng)逆變 2.3.1電路結(jié)構(gòu) 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，該電路結(jié)構(gòu)由工頻或者高頻逆變器、工頻變壓器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。2.3

19、.2 系統(tǒng)的總體方案經(jīng)過方案的比較論證，本設(shè)計決定采用無變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，前級DC-DC變換器和后級的DC-AC逆變器，兩部分通過DClink相連。前級DC-DC變換器，可選擇的型式有半橋式、全橋式、推挽式和Boost式，考慮到輸入電壓較低，如采用半橋式則開關(guān)管電流變大，輸出電壓太低；而采用全橋式則控制復雜，開關(guān)管功耗增大，因此這里采用結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的Boost升壓電路，它根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小使在不同天氣條件下的輸入電壓達到一個合適的水平，同時在低壓情況下實行最大功率點的跟蹤，增大光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。后級的DC-AC逆變器，采用單相逆變?nèi)珮?，作用是將DClink直流電轉(zhuǎn)換成220V-50Hz

20、正弦交流電，實現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。DClink的作用除了連接DC-DC變換器和DC-AC逆變器，還實現(xiàn)了功率的傳遞。控制電路的核心芯片是TI公司的TMS320F2407。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻同相。系統(tǒng)主電路的拓撲電路如圖2-1所示：2.3.3 前級Boost電路的工作原理電路原理圖：Boost電路由開關(guān)管v，二極管VD，電感L，電容C組成，完成將太陽能電池輸出的直流電壓場v升壓到Vdc，其原理圖如圖29所示。ab2-9升壓斬波電路的工作原理圖升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖2-9所示。該電路中也是使用一個全控型器件。分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設(shè)電路中

21、電感L值很大，電容C值也很大，當可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1同時電容C上的電壓向負載R供電。因此C值很大，基本保持輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量(U0-E)I1toff。當電路工作與穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即 (2-3)化簡得 (2-4)式中，T/Toff1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路式（2-4）中T/Toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓U0的大小，調(diào)節(jié)的方法與3.1.1中介紹的改變占空

22、比的方法類似。將升壓比的倒數(shù)記作，即。則和占空比有如下關(guān)系 (2-5)因此式（2-4）可表示為 (2-6)升壓斬波電路之所以能是輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個因素：一是電感L儲存的能量之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間的電容C的作用使得輸出電壓U0不變，但實際上C值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，U0必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于式（2-4）所得結(jié)果。不過在電容C值足夠大時，誤差很小，可以忽略不計。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 (2-7) 該式表明，與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變

23、壓器根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合（3-23）得出電流的平均值I0為 (2-8)由式（3-24）即可得出電流I1為 (2-9) 2.3.4主電路參數(shù)的選取(1)濾波電感的選取在全橋逆變器中，輸出濾波電感是一個關(guān)鍵性的元件，并網(wǎng)系統(tǒng)要求在逆變器的輸出側(cè)實現(xiàn)功率因數(shù)為1，波形為正弦波，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。因而，電感值選取的合適與否直接影響電路的工作性能。對于電感值的選取，可以從以下兩個方面來考慮：a)電流的紋波系數(shù)輸出濾波電感的值直接影響著輸出紋波電流的大小。由電感的基本伏安關(guān)系綜上，濾波電感的取值范圍為8.3mHL37.4mH。在實際設(shè)計過程中，由于電感的體積、成本等因素的影響，一般只需考慮電感的下

24、限值，即取稍微大于下限值即可。另外需要特別指出的是，以上的計算是建立在額定輸出電壓，即VN=220V的基礎(chǔ)上，考慮到實際情況下網(wǎng)壓的波動范圍，在設(shè)計電感時最終可選取電感值Lf=9mH.(2)開關(guān)管的選取逆變電源的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達林頓功率晶體管(BJT)，功率場效應管(MOSFET)，絕緣柵極晶體管(IGBT)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因為MOSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，這是因為MOSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有

25、較大的優(yōu)勢，而在特大容量(100kVA以上)系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。隨著針對于光伏系統(tǒng)的功率模塊的發(fā)展，主電路元器件選擇功率模塊也是一個比較有前景的。因此針對本電路的特點，在此選用IGBT作為開關(guān)元件。2.3.5光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤的方法日照強度和溫度對太陽能電池陣列的開路電壓和短路電流有很大的影響，當前光伏電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率在實驗室條件下最高不超過百分三十，為了最大限度的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，使其功率輸出最大化，需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤。根據(jù)前面的太陽能電池陣列的輸出特性功率一電壓曲線，可知當陣列工作電壓小于最大功率點電壓時，陣列輸出功率隨太陽能電池端電壓上

26、升而增加：當陣列工作電壓大于最大功率點電壓U時，陣列輸出功率隨輸出電壓上升而減少。因此最大功率點跟蹤的實現(xiàn)實質(zhì)是一個自尋優(yōu)過程，即通過控制陣列端電壓，使陣列能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能的輸出最大功率。圖2-10最大功率跟蹤原理框圖從直流側(cè)采集電壓U和電流I，通過MPPT算法并與三角波比較，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過驅(qū)動來控制V（IGBT）的開關(guān)，從而達到最大功率點的控制。（1）固定電壓法在日照強度較高時，各曲線的最大功率點所對應的太陽能電池工作點電壓變化不大。這說明陣列的最大功率輸出點大致對應于某個恒定電壓，這就大大簡化了系統(tǒng)MPPT的控制設(shè)計，即僅需從生產(chǎn)廠商處獲得U數(shù)據(jù)，并使陣列的輸出電壓鉗

27、位于U值即可。實質(zhì)是把MPPT控制簡化為穩(wěn)壓控制。采用固定電壓式的MPPT控制比不采用MPPT控制的太陽能系統(tǒng)獲多至20的電能。固定電壓法優(yōu)點是控制簡單，易實現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性。但忽略了溫度對陣列最大功率點電壓的影響，控制精度差，特別是對于早晚和四季溫差變化劇烈的地區(qū)；必須人工干預才能良好運行，更難以預料風、沙等的缺點。（2） 擾動觀察法擾動觀察法算法簡單，易實現(xiàn)等特點廣泛用于最大功率點的跟蹤上。擾動觀察法的主要思想是通過周期性的給太陽能電池的輸出電壓U加擾動U，比較其輸出功率P（k）與前一周期的輸出功率P(k-1)的大小，如果功率增加則在下一個周期以同樣方向加擾動

28、，否則U改變擾動的方向。其具體的控制算法如圖3-4所示。寄存器存放每一周期礬肋調(diào)整值。首先計算太陽能電池的輸出功率P(k)，并與上一周期的輸出功率P(k-1)=L較。若只P(k)>P(k-1)，則按照相同的方向進行電壓調(diào)整，從而調(diào)整輸出電壓Uref(k)的大小。反之亦然。在實際應用中，也可以通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓，使系統(tǒng)有最大功率點輸出。圖3-4擾動法的控制流程圖采用擾動控制方法實現(xiàn)MPPT，雖然可以動態(tài)的跟蹤光伏系統(tǒng)的最大功率點輸出，較固定電壓法有更好的光伏系統(tǒng)利用率，但是卻存在一定的缺點。1) 即使電池的工作點已經(jīng)在Pm它也會一直振蕩，而無法穩(wěn)定工作在最大功率點上

29、。在這過程中就造成了部分功率損失。如圖2-12，Um是對應于Pm的工作電壓。假設(shè)參考電壓調(diào)整步長U>O，系統(tǒng)當前工作點在Um左側(cè)附近的U1點。根據(jù)擾動法原理，系統(tǒng)將增大電壓：U2=UI+U。調(diào)整后系統(tǒng)工作點位于Um右側(cè)，若經(jīng)檢測，計算得到的P2<P1(大于的情況也可類似討論)，則改變原先的調(diào)整方向，變?yōu)椋篣3=U2-U，使得U3=Ul。于是回到這種情形：P3=P1>P2(假設(shè)環(huán)境暫時不發(fā)生改變)，將導致電壓繼續(xù)減小到U4，使得P4< P3，系統(tǒng)才改變調(diào)整方向。這樣系統(tǒng)就在點P4-P3(Pl)-P2之間循環(huán)振蕩，直至外部條件發(fā)生變化。每個周期由于振蕩造成的功率損失為圖2-

30、12擾動法在最大功率點附近來回振蕩的情形。2) 當有云經(jīng)過時，日照強度發(fā)生快速變化，參考電壓調(diào)整方向發(fā)生錯誤造成系統(tǒng)誤判。假設(shè)日照強度為1000Wm2時，系統(tǒng)工作點U1在U2左邊，對應功率為P1<Pm，系統(tǒng)判斷電壓應增加擾動量U2=U1+U，就在這時云層經(jīng)過，光 圖2-11擾動法的控制流程圖強急劇減少為200Wm2。而在該條件下，U2對應的輸出功率P1*>P2*。這就變成系統(tǒng)在向功率減少的方向調(diào)整，系統(tǒng)出現(xiàn)誤判。 圖2-12擾動法在最大功率點附近來回振蕩的情形圖2-13擾動法誤判斷的情形2.3.6 逆變器驅(qū)動電路 如圖2-14所示，逆變器驅(qū)動電路是采用AT89C51單片機控制SA4

31、828產(chǎn)生SPWM調(diào)制信號，其中SA4828是產(chǎn)生三相SPWM信號的專用芯片。驅(qū)動電路的主要作用是：當電壓不正常時，自動產(chǎn)生50HZ兩路矩形脈沖電壓，這兩路矩形脈沖電壓相位相差1800,分別驅(qū)動兩個IGBT。脈寬調(diào)制和驅(qū)動電路逆變時的電路如圖所示，通過改變驅(qū)動信號的頻率、占空比，就可以改變控制逆變電路的工作情況，實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當電壓不正常時，此時AT89C51單片機也發(fā)控制信號，使得SA4828開始工作，發(fā)六路脈沖信號控制IGBT的開通和關(guān)斷，同一時刻有三個管子導通，而同一橋臂的上下兩個管子輪流導通1800，根據(jù)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變器將輸出頻率為50HZ的交流電。2-14 逆變器驅(qū)動

32、電路 2-13逆變器驅(qū)動信號產(chǎn)生電路第三章 硬件電路 3-1欠電壓檢測電路當太陽能電池板正常工作時，輸出電壓為96V，加在分壓電阻R10，R11上，比較器“+”端電壓U+近似為2.4V，“”端電壓近似為1.8V，比較器輸出+12V電壓，光耦合器u2導通，發(fā)光二極管Z2承受正向電壓，發(fā)綠光，輸出P1.1=0；當太陽能電池板欠壓時，U+<1.8V，比較器輸出為0，光耦合器u2不通，燈滅，輸出P1.1=1。3-2直流側(cè)過電壓檢測采集Boost電路中電容C兩側(cè)的電壓值，經(jīng)電阻接入比較器的“-”端。直流側(cè)電壓約為240V，加在管腳2上的電壓約為2.5V，而+5V電壓加在電阻R06上上，經(jīng)R04,R

33、05分壓后，加在管腳1上的電壓約3.0V，電路設(shè)計時，使U1>U2，這樣管腳3便維持在+12V，Z1承受正壓，發(fā)光，輸出P1.0=0。當直流側(cè)過壓時，管腳2電壓也相應的過高，其值比3.0V還有高，此時，管腳3輸出電壓為0V，D00導通，發(fā)光二極管Z2關(guān)斷，不發(fā)光，輸出P1.0=1。當直流側(cè)電壓從過壓值降到臨界電壓時，雖然管腳2電壓可降到3.0V,但由于管腳1已由3.0V變成了2.5V，因此管腳3仍為0V，只有當交流電壓繼續(xù)下降到一定值的時候，管腳2才降到2.5V以下，3管腳才能從0V上升到12V，此時，D00截止，1管腳上升到3.0V,準備下一次的過電壓檢測。3-3交流側(cè)過電流檢測電路如

34、圖3-3為交流側(cè)過電流檢測電路。正常工作狀態(tài)下，比較器的管腳1點位低于管腳2的點位，輸出0V，光耦合器U3不導通，發(fā)光二極管Z3截止，A相輸出為“1”的高電平；負載過流時，管腳1電位上升，當高于管腳2的電位，使得“3”端輸出+12V電壓，光耦合器導通，發(fā)光二極管Z6發(fā)紅光，此時A相輸出“0”的低電平。 雖然負載是三相電壓供電，但由于對稱性原理，我們只需要檢測其中的兩相電流，另外一相電流就很容易獲得。為了提高單片機管腳的利用率，檢測電路中加入一個與門，所檢測的A相和C相電流只有在兩者都正常工作是才輸出P1.5=1，只要有任何一相負載過流，電路中就會亮紅燈且P1.5=0，輸出“0”。第四章 系統(tǒng)軟

35、件設(shè)計4.1 基于AT89C51的系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機是整個系統(tǒng)控制的核心 ，MCS-51系列中各種型號芯片的引腳是相互兼容的。制造工藝為HMOS的MCS-51單片機都采用了40只引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，目前大多數(shù)為此類封裝方式。制造工藝為CHMOS的80C51/80C52除采用DIP封裝方式外，還采用方形封裝方式，為44只引腳。40只引腳按其功能來分，可分為三類：（1）電源及時鐘引腳：VCC，VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：PSEN、ALE、EA、RST.。（3）I/O口引腳：PO、P1、P2、P3為4個8位I/O口的外部引腳。MM 4-1 系統(tǒng)軟件圖4.2 系統(tǒng)的主

36、程序流程圖下面簡要介紹整個系統(tǒng)流程圖的工作原理：主程序開始后，首先要進行初始設(shè)置，這里的初始化要包括顯示器初始化、單片機系統(tǒng)初始化以及開中斷，然后判斷開機鍵是否按下，若按下，則調(diào)用顯示子程序，顯示當前逆變的工作狀態(tài)，如果不正常，隨即調(diào)用發(fā)送PWM波子程序使系統(tǒng)開始工作。最后再檢測P1.5是否等于1，來檢測負載是否過流，如果過流，那么就必須停止發(fā)PWM停止逆變器的工作，如果不過流，那么程序又返回到顯示子程序繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行。系統(tǒng)還可以用鍵盤對切換電路進行控制，此項操作時通過中斷1來產(chǎn)生中斷來實現(xiàn)的；輸出過流檢測則是通過中斷0產(chǎn)生過流中斷，同時發(fā)出報警信號，通過單片機控制逆變保護整個系統(tǒng)的安全。其控制

37、程序如下：ORG 0000HSJMP MAINORG 0003HSJMP INT0ORG 0013HSJMP INT1MAIN MOV SP, #60HINIT: CLR P1.1CLR P1.6CLR P1.0SETB EASETB EX0SETB EX1圖4-2 主程序流程圖LOOP: JNB P1.1, ELEC1SETB P1.6ELEC1: ACALL T_PWMJNB P1.3, ELEC2CLR P1.5LCALL ALARM2ELEC2: JNB P1.4, ELEC2LCALL ALARM2LCALL STOPSETB P1.5ELEC3: JNB P1.4, ELEC4LC

38、ALL ALARM1SETB P1.6ELEC4: SJMP LOOPRET4.2 市電檢測及光伏發(fā)電系統(tǒng)投切程序設(shè)計市電電網(wǎng)檢測和光伏發(fā)電系統(tǒng)投切程序軟件流程如圖4-3所示。圖4-3 市電檢測和供電切換軟件流程圖開機后首先進行的是對市電電網(wǎng)的檢測，利用單片機控制電路，在市電斷電或不正常時中止光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)動作。如果市電供電正常，再對太陽能電池進行電壓檢測，判斷其電壓值是否滿足并網(wǎng)發(fā)電的最低要求，如果滿足，則繼續(xù)下一步操作，如果不滿足，中止光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)動作。4.3 逆變電路控制程序設(shè)計本設(shè)計采用的PWM脈沖發(fā)生芯片SA4828產(chǎn)生6路脈沖。SA4828和AT89C51的接口電路在第二章已經(jīng)

39、詳細介紹，在這里不再贅述，單片機控制SA4828產(chǎn)生PWM脈沖的軟件流程如圖5-3所示。圖4-4 PWM脈沖生成程序流程圖其控制程序如下：T_PWM: CLR P2.7SETB P2.6CLR P2.5MOV R0, #45HMOV R1, #0D5HLCALL SEND_INITMOV R0, #50HMOV R1, #5AHLCALL SEND_INIT MOV R0, #2FHMOV R1, #0F0HMOV R3, #20HMOV R4, #00HMOV R5, #30HLCALL SEND_INIT 向SA4828 寫控制參數(shù)，這樣便可直接產(chǎn)生脈沖MOV R0, #0FHMOV R1

40、, #0FFHLCALL SEND_CONTROLMOV R0, #0FFHMOV R1, #031HLCALL SEND_CONTROLMOV R0, #0EHMOV R3, #0FFHMOV R4, #0CCHMOV R5, #99H MOV R1, #0CCHLCALL SEND_CONTROLSA4828初始化參數(shù)發(fā)送子程序SEND_INIT: CLR P2.6SETB P2.5MOV P0, #0FCHNOPCLR P2.5NOPCLR P2.4NOPNOPSETB P2.4 NOPSETB P2.6SETB P2.7RET向SA4828寫控制參數(shù)子程序，這樣便可直接產(chǎn)生PWM脈沖S

41、END_CONTROL CLR P2.6SETB P2.5MOV P0, #0FBHNOPCLR P2.5NOPCLR P2.4NOPNOPSETB P2.6SETB P2.7RET 4.4 中斷和鍵盤子程序設(shè)計逆變器輸出過載或者短路對整個系統(tǒng)的危害巨大。利用單片機控制對系統(tǒng)的過流保護保證了系統(tǒng)能安全運行。該保護是在單片機中斷服務(wù)子程序中執(zhí)行，產(chǎn)生INT0中斷，執(zhí)行中斷子程序，發(fā)出控制信號停止逆變，并聲光報警。單片機外接的獨立式鍵盤電路可以控制開關(guān)機，手動控制切換開關(guān)。外部檢測信號及鍵盤輸入信號連接到單片機的中斷源INT0，S1、S2表示開機及關(guān)機按鈕，而S3則表示報警信號的復位按鈕，它們均采

42、用查詢中斷方式實現(xiàn)中斷控制。中斷程序如圖4-5所示。圖4-5 中斷程序流程圖圖4-6 鍵盤子程序流程圖其控制程序如下：IN1T0: PUSH PSWPUSH ACCANL P2, #0FHRJCX: JNB P1.7, NEXT1LCALL INIT00NEXT1: JNB P1.0, NEXT2 ACALL INT01 NEXT2: JNB P1.1, NEXT3ACALL INT02 NEXT3: JNB P1.2, NEXT4 ACALL INT03 NEXT4: JNB P1.3, NEXT5ACALL INT04 NEXT5: JNB P1.4, NEXT6 ACALL INT05

43、NEXT6: POP ACCPOP PSW INT00: CLR P1.7LCALL ACARM2 LCALL STOPRETINT01: SETB P1.6RETINT02: SETB P1.6RETINT03: SETB P1.6RETINT04: SETB P1.5RETINT05: SETB P1.5RETINIT1: PUSH PSWPUSH ACCANL P2 #0EHNOPKEY: JNB P2.1, K11SJMP KEYK11: LCALL DELAYJNB P2.1, K12SJMP KEYK12: JB P2.1, K13SJMP KEYK13: JNB P2.1, NE

44、XT1LCALL INIT11NEXT7: JNB P2.2, K22SJMP KEYK21: LCALL DELAYJNB P2.2, K22SJMP KEYK22: JB P2.2, K22SJMP K22K23: JNB P2.2, NEXT8LCALL INIT12NEXT8: POP ACCPOP PSWRETIINIT11: LCALL STOPRET INIT12: RE 參考文獻1 黃友銳. 單片機原理及應用M. 合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2006.2 張乃國. UPS供電系統(tǒng)應用手冊M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.3 孫哲. 一種實用在線式UPS的設(shè)計D. 大連：大連連

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