1、毕业论文光伏发电系统设计中南大学本科生毕业论文（设计）题 目 基于TMS320F2812的光伏发电系统设计与实现学生姓名 指导教师 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 完成时间 2012-5-20 摘要英文摘要第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义1.2 光伏发电在国内外的研究现状1.2.1 国内光伏发电的现状及前景1.2.2 国外光伏发电的现状及前景1.3 本文所做的主要工作第二章 光伏并网发电系统的结构和基本原理2.1 光伏并网发电系统的组成2.1.1 光伏列阵2.1.2 光伏并网逆变器2.2 光伏并网发电系统MPPT控制策略2.2.1 光伏列阵输出特性2.2.2 MPPT控制方法2.
2、3 逆变器的控制策略研究2.3.1 电流跟踪控制策略2.3.2 电压跟踪控制策略2.3.3 双环控制策略第四章 两级式单相光伏并网系统的设计及工作原理3.1 系统的总体方案3.2 光伏并网发电系统的工作原理3.2.1 前级（DC/DC）电路的工作原理3.2.2 后级（DC/AC）电路的工作原理3.3 主电路的设计3.4 控制电路的设计3.4.1 TMS320F2812的介绍3.4.2 数字PI调节器的设计第三章 光伏并网发电系统仿真建模4.1 光伏列阵模块仿真4.2 MPPT模块仿真4.3 PWM波形成模块仿真4.4 逆变器控制模块仿真4.5 逆变器跟踪电网控制模块仿真第五章 总结与展望5.1
3、 总结5.2 展望参考文献摘要光伏并网发电系统是可以将太阳能转换成电能并输送到电网上的系统。近些年来，随着能源紧缺与环境污染问题的日益严重，光伏并网发电系统成为各国研究和发展的热点。本文的目的就是要设计一套基于TMS320F2812的光伏并网发电系统。本文首先分析了国内外光伏发电现状与发展。然后以单相并网光伏发电系统为研究对象，对光伏并网发电系统进行了全面的理论分析研究，包括对系统的拓扑结构、控制策略、参数的选择、最大功率点跟踪以及孤岛效应问题等方面作了详细的分析和研究。设计出系统的主电路和基于TMS320F2812的控制电路。本文对所设计的电路运用Matlab_Simulink进行系统仿真，
4、仿真结果证明本设计是合理的。关键词：太阳能 光伏并网 最大功率点跟踪 孤岛效应 DSP MatlabABSTRACTGrid-connected photovoltaic system is a set of system which can converts solar energy into electrical energy . Recently years,according to the problems of environmental pollution and exhaustion of energy sources become worse , the grid-connec
5、ted photovoltaic system has been a hot spot that most countries research and develop . The purpose of this paper is to design a set of grid-connected photovoltaic system based on TMS320F2812.This paper first analyzes the status and development of photovoltaic power generation at home and abroad.Then
6、 the paper focuses on single-phase grid-connected system . The topology , control strategy , parameter selection of grid-connected photovoltaic system , Maximum power point tracking and island effect and analyzed and studied in detail . The paper designs main circuit and control circuit which based
7、on TMS320F2812 .At the end of this paper the design of system simulation using Matlab_Simulink circuit, and the simulation result shows that this design is reasonable.Keyword:solar energy;Photovolataic Grid-connected;Maximum power point tracking;Islanding effect;DSP;Matlab第一章绪论1.1课题的研究背景及意义能源是人类社会存在
8、与发展的重要物质基础。目前的世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源，大量耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量的污染物排放，破坏生态与环境。为保证人类稳定、持久的能源供应和保护地球的生态环境，必须优化能源结构，减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源。20世纪中叶以来，世界各国都在纷纷采取措施提高能源效率和改善能源结构，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题，称之为能源效率革命和清洁能源革命1。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环
9、境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。在现代社会所有的动力资源中，电能使用最方便，使用范围最广泛。电能的生产一般伴随二氧化碳、二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应气体，后者是酸雨的成因，两者对环境危害都很大。目前各种发电方式的碳排放率（g碳/（kWh）：煤发电为275，油发电为204，天然气发电为181，太阳能热发电为92，太阳能光伏发电为55，波浪发电为41，海洋温差发电为36，潮流发电为35，风力发电
10、为20，地热发电为11，核能发电为8，水力发电为61。由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社会可持续发展的必经之路。光伏并网发电即将太阳能转化为电能馈送给电网，具有无枯竭危险；清洁、安全、无噪声：应用范围广，不受资源分布地域的限制；易安装，易运输，建设周期短：供电系统工作可靠等优点，其在缓解能源危机以及保护环境等方面都具有重大意义。目前，欧洲、美国、日本大规模推广光伏并网发电的“屋顶计划”，一方面以逐步取代终将枯竭的常规化石能源；另一方面避免人类的生存环境继续恶化2。我国也
11、正在进行西部太阳能发电工程，以改善西部生存条件和投资环境，促进西部经济发展。1.2光伏发电在国内外的研究现状1.2.1 国内光伏发电的现状及前景中国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段。光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏
12、发电和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700多个无电乡的用电问题，光伏用量达到15.5MWp。该项目大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWp（2002年当年产量20MWp）。为了促进我国太阳能光伏发电产业的发展，实现可再生能源中长期规划提出的发展目标，2007年国家发改委启动了“大型并网光伏示范电站建设计划”，加快解决日照资源丰富的西部八省（内蒙古、云南、西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西）无电乡用电问题，明确要求并网光伏示范电站建设规模应不小于5兆瓦，同时明确了大型并网光伏电站的上网电价通过招标确定。
13、图1-1 中国太阳电池年产量和年装机自2002至2008年，中国大陆的太阳能电池组件的产能以每年3位数(即年增长率超过100%)的速度不断增长。值得注意的是，中国2007年太阳能电池/组件生产能力达到2900MWp，太阳能电池年产量达到1088MWp，超过日本和德国，已跃居世界第一大光伏电池生产国。2008年中国太阳能电池生产能力已达到5GWp，太阳能电池年产量达到2000MWp。但是生产的太阳电池98%以上用于出口。图1和表3给出自1990年以来中国光伏市场的发展进程。表1 中国太阳电池年产量和年装机比较（MWp）年度199019952000200220042005200620072008年
14、产量0.51.553.3105020037010882000年装机0.51.553.320.3105102040截止到2008年底，2008年中国太阳能电池生产能力已达到5000MWp，中国太阳电池的累计装机已经达到140MWp。2008年全国电力装机800GW，而光伏累计装机只有0.14GW(140MW)，仅占全国全年装机量的0.0175%。图2和表4给出了自1990年以来中国光伏年装机和累计装机的现状。中国2008年当年光伏发电装机量仅占全球当年装机容量的0.7，与光伏电池生产大国的身份极不相符。图1-2 中国的光伏年装机和累计装机表2 中国光伏年装机和累计装机统计（MWp）年度19901
15、9952000200220042005200620072008年装机0.51.553.320.3105102040累计安装1.786.6319456570801001401.2.2 国外光伏发电的现状及前景自1839年发现 “光生伏打效应” 和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林
16、顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。 2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%60%以上的速度增长，2002年全球光伏电池产量为560MW/a，到2003年已高达750MW/a,增长了34%。2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004年世界光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达1818MW，增长率仍有45%（图1-3），2006年
17、，美国加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。正是由于欧洲、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光伏发电的前景无限光明。图 1-3 世界太阳能电池历年产量 世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面： （1）光伏电池产量持续增长 多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，19992005年间，光伏电池产量以年均增长率超过40%的速度高速发展，太阳电池的产量从1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增长了9倍。（
18、2）生产规模不断扩大 光伏产业的领头企业电池产量早已突破100MW，且有越来越多的企业已经提出了建设年产1000MW电池生产线的目标。（3）光伏市场飞速膨胀 不断有新的国家出台激励光伏发展的政策。2004年德国补贴法修订后，仅用了一年，即在2005年，德国市场年装机容量便达到了837MW，占全球市场的57%，政府政策对光伏的激励可想而知。而2006年，美国加州正式出台3000MW光伏安装计划，带动美国其它各州也纷纷仿效。美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。（4）新技术不断出现，电池效率不断提高 随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅16%18%，多晶硅15%
19、17%）向更高水平（单晶硅18%20%，多晶硅16%18）发展。 邓州市鑫园光伏电力开发有限公司与中科院联手，最新研制成功利用宇宙光能发电，光能发电采用最先进的生产工艺，每天可利用光能发电17小时。（市场现有的单晶硅、多晶硅太阳能电池只可利用8小时，且对环境存有污染）。 光能发电是当今世界的尖端科技，将为全人类彻底解决“能源危机”“环境污染”和“可持续发展”等三大世界难题，将做出历史性、跨世代的伟大贡献，将为人类利用新能源、新技术方面进入一个崭新的时代，引发一场世界科技革命，让全人类过着健康、幸福、和谐的生活。1.3本文所做的主要工作本文的目的是要设计一套基于TMS320F2812的单相光伏并
20、网发电系统。系统输出的并网电压为220V，系统输出功率为0.2KW。本文对光伏并网系统的系统组成结构、工作原理、控制策略等方面进行了详细的分析和研究。本文的主要工作重点总结如下：1.分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。分析了不同主电路拓扑结构的优缺点。2.研究了最大功率点跟踪控制（MPPT）的原理和方法，分析了目前常用的几种MPPT方法的优缺点，文中采用扰动法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。3.在分析了逆变器不同控制策略的优缺点的基础上，采用了电压电流双环控制的策略，对控制系统进行了数学建模。4.设计了基于DSP芯片TMS320F2812的光伏并网发电系统的电路，包括系统的主电路、
21、控制电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算。5. 运用Matlab/Simulink对系统的实现方案进行仿真，包括光伏列阵、最大功率点跟踪(MPPT)控制、PWM波形的产生、数字PI调节器的设计、电压电路双闭环控制。第二章光伏并网发电系统的结构和基本原理2.1光伏并网发电系统的组成及分类2.1.1 光伏并网发电系统的组成光伏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。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能
22、直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。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。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。2.1.2 光伏并网发电系统的分类光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏并网发电系统。单级式光伏并网发电系统中，并网逆变器要同时
23、完成MPPT和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相；两级式光伏并网发电系统中，并网逆变器只需进行逆变控制，光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）由前级DC/DC变换器完成，并网逆变器通过控制DC/DC变换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致。2.2光伏阵列模块工作点（MPPT）跟踪控制2.2.1 光伏阵列输出特性太阳能电池是利用半导体光伏效应制成, 它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。（Iph ：光生电流, 正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度; ID：暗电流
24、; Rsh ：旁路电阻; Rs：串联电阻; RL：电池的外负载电阻; Uoc ：电池的开路电压。）图 2-1 太阳能电池电路模型输出负载RL上电压电流关系式中 q k：电子电荷量及波尔兹曼常数；A：太阳能板的理想因数, A=1.5；T：太阳能板的温度；Iso ：太阳能板的逆向饱和电流，与T有关。由光伏电池数学模型分析可知, 太阳能电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下，即光照1 kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能板的输出开路电压和输出短路电流的值由生产厂家给出3。由图2-2光伏电池输出特性曲线可知, 光伏电池在输出电压较低时, 其
25、输出电流几乎不变，可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电压变化而变化，在变化过程中存在一个最大值。图 2-2 太阳能电池典型输出曲线2.2.2 MPPT控制方法观察光伏电池输出功率特性P-U曲线可知, 太阳能电池有一个最优工作点, 叫做最大功率点(MPPT), 它取决于电池板温度和光照大小, 不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率点。即使在同一温度和光照条件下, 由于太阳能电池的工作电压不同, 也会使太阳能电池输出功率不同。要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点, 需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制。最常用的最大功率点跟踪方法有：恒
26、定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法4等。1、恒定电压跟踪法通过观察光伏系统P-V关系曲线图，发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得数据，并使阵列的输出电压钳位于值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，特别是在环境温度变化比较大的场合，会产生较大的偏
27、差，从而浪费较大的电能。CVT控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。图 2-3 采用CVT控制的控制流程图2、扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动” ；然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测
28、到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。当扰动达到稳态后，光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附近的一个小范围内来回振荡，从而导致部分功率损失；其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大，太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失。由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点：优点：跟踪方法简单，被测参数少，传感器精度要求不高，从而易于实现；缺点：太阳能电池阵列只能在最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损失；跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾；在外部环境突然变化时会出现误判现象。所以，扰动观察法适
29、合于日照强度变化比较缓慢场合。图 2-4 扰动观察法控制流程图3、电导增量法由光伏电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处的斜率为零。通过简单的数学推导后如下：求功率对电压的导数：达到最大功率点时有下式成立最大功率点右边时有下式成立最大功率点左边时有下式成立上面推导表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是:输出电导的变化量等于输出电导的负值。若不相等，则要判断大于零还是小于零，判断其处于最大功率的左边还是右边，然后决定下一步扰动的方向。电导增量法的优点是：在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是:太阳能电池
30、阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点，如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的。电导增量法适合用于光强变化快速和缓慢的各种场合，但是它对于控制器硬件要求相对较高，从而导致控制器的成本增加，因而并不适用小功率的光伏发电场合。图 2-5 电导增量法控制流程图2.3光伏逆变器的并网控制策略研究光伏逆变器实现并网运行必须满足：其输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（功率因数为1），而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网逆变器的控制一般分为2个环节：第1个环节得到系统功率点，即光伏阵列
31、工作点；第2个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。2.3.1 并网逆变器的结构并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心部分。光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器17，结构如图2-6所示。(a) 电流型逆变器(b) 电压型逆变器图 2-6 电流型、电压型并网逆变器结构图市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行，这种情况下要保证光伏并网发电系统稳
