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光伏并网发电设计毕业设计资料
摘要
光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术。
其系统包括光伏电池、变换器、蓄电池、控制器四大部分。
本文从实验的角度,对光伏并网发电系统进行模拟。
基本思路是在单片机C8051F020控制作用下采用正弦波脉宽调制技术(SPWM)对系统进行控制,主电路采用MOSFET为主要元器件的单相桥式逆变电路,经滤波电路滤波后变压进行输出。
基于此,本设计采用单片机本身的PGA模块,定时器模块,完成相应的控制功能,使光伏发电频率紧跟模拟电网频率,绝对误差小于1%,同时实现光伏最大功率跟踪,在负载变化范围内DC-AC变换效率可达70%以上,该系统性能相对稳定,能够满足本次设计的需要。
关键词:
C8051F020SPWM最大功率点跟踪光伏并网发电
Abstract
Photovoltaicpowergenerationisadirectsolarradiationistransformedintoelectricitywillbethenewpowergenerationtechnology.Thesystemincludespvbatteries,converter,batteries,controllerfourmost.Thispaper,fromthepointofviewofexperimentofphotovoltaic(pv)gridpowersystemsimulation.ThebasicideaisC8051F020SCMcontrolactioninthesinepulse-widthmodulationtechnology(SPWM)thesystemiscontrolled,maincircuitadoptsMOSFETasthemaincomponentsofsingle-phasebridgetypeinvertercircuits,thefiltercircuitforoutputvariablepressurefiltered.Basedonthis,thisdesignUSESthemicrocontrolleritself,timermodulesofPCAmodule,completingthecorrespondingcontrolfunction,makephotovoltaicpowerfrequencyfollowssimulationgridfrequency,theabsoluteerrorlessthan1%,butalsoachievethemostpowertracing,inphotovoltaicloadchangesrangeDC-ACconversionefficiencymayreach70%above,thissystemperformancerelativestability,cansatisfytheneedofthisdesign
Keywords:
C8051F020SPWMThemaximumpowerpointtrackingPhotovoltaic(pv)gridgeneration
目录
第一章光伏并网系统国内外发展现状-1-
§1-1国外光伏并网系统的发展和趋势-1-
§1-2我国光伏并网发电的发展-1-
第二章与电网并网的光伏发电系统-2-
第三章光伏并网发电模拟装置系统总体设计方案-4-
§3-1系统基本工作原理-4-
§3-2系统总体设计框图-4-
第四章系统的硬件设计-4-
§4-1单片机的方案选择-4-
§4-2DC-AC变换电路设计-5-
§4-3驱动电路方案设计-5-
§4-4显示模块的方案选择-6-
§4-4滤波模块的设计-7-
§4-5欠电压保护和过电流保护电路-7-
第五章理论分析与计算-7-
§5-1MPPT的控制方法与参数计算-7-
§5-2同频、同相的控制方法与参数计算-8-
§5-3滤波参数计算-8-
第六章软件设计-9-
§6-1主控程序流程图-9-
§6-2SPWM波的实现-9-
§6-3频率测量程序流程图-10-
§6-4欠电压过电流程序流程图-11-
第七章特殊器件介绍-12-
§7-1C8051F020-12-
§7-2集成电路IR2113-14-
§7-3运算放大器LF356-15-
第八章调试及性能分析-16-
§8-1测试仪器说明-16-
§8-2测试方案-16-
§8-3测试数据分析-17-
总结-17-
参考文献-18-
致谢-19-
附录A主程序清单-19-
第一章光伏并网系统国内外发展现状
§1-1国外光伏并网系统的发展和趋势
太阳能光伏发电技术的开发始于20世纪50年代。
光伏发电系统可以分为并网系统、离网系统和混合系统,其中光伏并网发电系统是家庭和商业最受欢迎的光伏系统。
逆变器将光伏阵列发出的直流电转换为交流电并与地方电网连接,使得发出的富余电量都可出售给电网,夜晚则可从电网买电。
随着全球能源形势趋紧,太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式于近年得到迅速发展,并首先在太阳能资源丰富的国家,如德国和日本得到了大面积的推广和应用。
当前,世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研究、开发的目前国际上对太阳能资源已经十分重视。
20世纪70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。
利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合,上至航天器,下至儿童玩具,光伏电源无处不在。
过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,光伏发电大多作为专用的独立运行系统应用在如航天,边防海岛,或是边远地区的示范工程等。
但是近年来,新型光伏材料的出现,产品价格的不断下降,转换效率的提高,电力电子器件的高频化,高性价比微处理器的推出,先进控制策略的应用,使得光伏并网技术的研究和推广日益受到重视。
光伏产业发生了巨大变化,己经开始向并网发电转变。
并网发电己经成为光伏发电的发展趋势。
并网发电开始于80年代初,但由于当时成本过高,且环境效益还不是很明显,使得电力公司难以接受。
为缓解能源危机,大力利用太阳能,推动光伏发电的迅速发展,西方一些发达国家纷纷出台有关政策、法规来扶持光伏并网产业。
1999年以来在世界各国,尤其是美国、日本、德国等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下,世界光伏产业以每年30%以上的增长率保持着高速发展。
作为一种可再生的清洁能源,光伏发电将在21世纪前半期超过核电成为最重要的基础能源之一。
如德国“可再生能源电力供应法”中规定2000年开始执行光伏发电上网电价0.99马克/KWh的优惠政策。
日本早在1994年就开始实施“新阳光计划”,目前己安装近7万个太阳能屋顶,预计到2010年要安装100万个太阳能屋顶,美国于1997年提出“百万太阳能屋顶计划”,规划到2010年为100万个家庭安装太阳能屋顶,每个光伏屋顶将有3到5千瓦光伏并网发电系统。
英国“可再生能源法”于2002年初生效,该法强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供3%以上的电力,2010年可再生能源电力要达到10.4%。
近30年来,太阳能利用在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界范围内快速、稳定发展的新兴产业之一。
包括太阳能在内的可再生能源在21世纪将会以前所未有的速度发展,并将逐步成为人类的基础能源之一。
§1-2我国光伏并网发电的发展
我国于1958年开始研究太阳电池,并于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。
80年代以后,国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持,使得我国十分弱小的太阳电池工业得到巩固和发展并在许多有用领域建立了示范。
我国光伏发电的研究开发工作,经过几十年的努力,取得了不小的成就,在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、微波中继站,阴极保护光伏电源系统,家用光伏电源系统,风光互补发电系统等的系统技术方面,也取得了不少的研究成果和工程经验。
在国家实施西部大开发发展战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下,2002年国家计委启动了西部地区送电到乡的项目,耗资近20亿人民币,有力地推进了我国光伏产业的发展通过国家“七五”、“八五”、“九五”以及“十五”计划,我国己经在户用系统、通信电源、光伏水泵、光伏并网方面取得了一些技术成果。
在大型光伏电站方面,中科院电工研究所于2004年在深圳世博园成功地实施了IMwp容量的大型光伏并网电站,该电站成为国内首座大型的兆瓦级并网光伏电站。
国家科技部己做出相应规划,有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。
上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了“十万屋顶光伏发电计划”,拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕。
随即,由尚德太阳能电力有限公司承建的无锡市政府40KW屋顶光伏并网发电系统也吹响了江苏“一千个屋顶光伏发电工程”的号角。
这些工程的启动实施,将在一定程度上代表国际上最先进的用能方式,并将直接影响到我国未来能源利用的发展方向。
上海、江苏等地区推行“太阳能屋顶工程”。
2005年8月31日,中国第一座直接与高压并网的100Kwp光伏发站在西藏羊八井建成并一次并网成功,顺利投入运行;2008年北京绿色奥运部分用电也将由太阳能发电提供,中国普及光伏并网发电系统已拉开序幕。
我国的光伏产业虽然在近年取得了一定的发展,但相比于蓬勃发展的世界光伏工业,中国光伏工业还处于起步阶段,光伏产量和安装容量仅为世界1%左右。
由于政策、资金等因素的制约,总体上我国的太阳能光伏技术仍于初级阶段,规模小、技术落后、应用面窄、产品单一,一些关键的技术和材料仍不能实现国产化。
面对如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景,要实现光伏产业的快速发展和光伏并网系统的产业化,必须发展具有自主知识产权的光伏并网技术,增加技术积累和鼓励技术创新。
第二章与电网并网的光伏发电系统
光伏发电系统直接与电网连接,其中逆变器起很重要的作用,要求具有与电网连接的功能。
目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式,其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统(图2-1),由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关,使得系统具有不间断电源的作用,这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义;此外,该系统还可以充当功率调节器的作用,稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。
不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统(图2-2),在此系统中,并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能,当主电网断电时,系统自动停止向电网供电。
当有日照照射,光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时,多余的部分将送往电网;夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时,电网自动向负载补充电能。
图2-1可调度式光伏发电系统
图2-2不可调度式光伏发电系统
第三章光伏并网发电模拟装置系统总体设计方案
§3-1系统基本工作原理
该系统主要由最小单片机系统C8051F020,由SPWM信号控制,DC-AC变换电路,滤波电路,检测保护电路构成。
其中以C8051F020为处理器来控制逆变器完成最大功率跟踪下的光伏发电输出。
模拟电网电压输入,频率45-55HZ并由LCD实时显示电压,电流,频率从而实现光伏并网发电。
§3-2系统总体设计框图
光伏并网发电模拟装置系统总体设计框图如图3-1所示:
图3-1总体设计框图
第四章系统的硬件设计
§4-1单片机的方案选择
方案一:
采用AT89C51单片机进行控制。
51单片机外接A/D和D/A比较简单,操作方便,但是由于本题的功耗要求特别严格,对效率的提高不利。
方案二:
采用低功耗单片机C8051F020,这是一个完全集成的混合信号系统级MCU芯片。
内部集成12的A/D和D/A芯片,且这个单片机管脚丰富,操作完全与51单片机兼容。
采用JTAG方式,可通过USB口在线下载调试,使用十分方便,并且低功耗便于整体效率的提高。
考虑到效率的要求采用方案二。
§4-2DC-AC变换电路设计
方案一:
采用单相半桥逆变电路,它有单个桥臂,每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成,在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,两个电容的连接点便成为直流电源的中点,该电路简单,使用器件少。
方案二:
采用单相全桥逆变电路,它有四个桥臂,可以看成两个半桥电路组合而成成对的两个桥臂同时道通,两对交替各导通180度,与半桥电路相比,输出波形相同,但其幅值高出一倍,且直流侧无需两个串联电容器来进行电压均衡,适用于移相调压方式,全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。
其性能好,输出稳定,符合本次设计需要。
综上分析考虑,采用方案二作为本次设计的系统方案。
DC-AC变换电路设计如图4-1所示:
图4-1单相桥式逆变电路
本设计中采用单相全桥式逆变电路,4个MOSFET管组成逆变电路的桥臂,桥中各臂在控制信号作用下轮流导通,它的基本工作方式为180度导电方式,为了使IGBT可靠触发导通,,触发脉冲电压应高于管子的开启电压,并且驱动电路要满足快速转换和高峰值电流的要求,并能提供适当的保护功能,在设计中采用2个IR2113做为驱动电路。
§4-3驱动电路方案设计
方案一:
利用脉冲变压器直接驱动MOSFET,来自控制脉冲形成单元的脉冲信号经高频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压器上,由脉冲变压器隔离耦合,稳压管限幅后来驱动MOSFET,其优点是电路简单,应用廉价的脉冲变压器实现了被驱动MOSFET与控制脉冲形成部分的隔离。
方案二:
采用栅极驱动控制专用集成电路IR2113.该芯片可驱动同桥臂的两个MOSFET,内部自举工作,允许在600V电压下直接工作,栅极驱动电压范围宽(10V-20V),施密特
逻辑输入,输入电平与TTL及CMOS电平兼容,死区时间内置,输出输入同相,最高工作频率可达40KHZ。
比较以上两种方案,方案一的不足表现在:
高平脉冲变压器因漏感及肌肤效应的存在较难绕制且容易产生振荡。
方案二芯片性能好,体积小,满足题目要求,故采用方案二。
在驱动回路中,我们采用IR2113实现驱动,如图4-2所示。
驱动器的选择:
专用集成电路芯片IR2113,该芯片为8脚封装,允许600V电压下直接工作栅极驱动电压范围10-20V,死区时间内置,最高工作频率可达40KHZ。
图4-2驱动电路
§4-4显示模块的方案选择
方案一:
采用LCD液晶显示器显示。
采用128×64点阵LCD液晶显示,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强,调用方便简单,而且可以节省了软件中断资源。
其缺点在于显示内容需要存储字模信息,需要一定存储空间,并且点阵型液晶功耗比较大,不适合本设计。
方案二:
采用LED显示器。
LED显示器是由LED发光二极管发展过来的一种显示器件,它具有高亮度。
宽视角反应速度快,可靠性高,反应速度快等特点。
本设计中只显示电压,电流,频率值,且显示数据的精度不需要很高,无需显示繁琐的文字,字母等。
考虑到效率的要求采用方案二。
§4-4滤波模块的设计
滤波电路如图4-3所示:
图4-3滤波电路
§4-5欠电压保护和过电流保护电路
欠电压保护电路:
对DC-AC变换器的输入电压进行电阻分压,鉴于单片机耐压值较小,按一定比例取入电压,通过单片机自带的AD转换模块采集输入电压,控制器与低压限值进行比较,若欠压则停止DC-AC变换。
过电流保护电路:
对DC-AC变换器的输出电压进行降压,通过单片机自带的AD转换模块采集输入电压,控制器与高压限值进行比较,若过流则停止DC-AC变换。
第五章理论分析与计算
§5-1MPPT的控制方法与参数计算
光伏系统中,在一定的光照强度和环境温度下,电池阵列可以工作在不同的输出电压下,但是只有在某一输出电压时阵列的输出功率才能达到最大值,即在该工作点能得到当前温度和日照条件下的最大输出功率。
此点被称为最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP)。
因此,如何实时调整光伏阵列的工作点以使其能始终工作在最大功率点,这一直是光伏发电系统研究的重要方向。
这个过程的实现就叫做最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。
功率的计算公式可以作如下的变换:
P=U×I
(1)
dP/dU=I+UdI/dU
(2)
若能使
(2)式等于零,即
dI/dU=-I/U(3)
当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,系统处于最大功率点。
这样就可以根据(3)式中dI/dU与I/U的关系来调整工作点电压来实现MPPT。
图3是电导增量法的流程图。
采用电导增量法,对工作电压的调整不再是盲目的,而是通过每次的测量和比较,预估出最大功率点的大致位置,再根据结果进行调整,因此可以动态地实现最大功率点的追踪,能够适应于日照强度和环境温度快速变化的地方。
§5-2同频、同相的控制方法与参数计算
频率检测既检测模拟电网频率,又检测光伏发电频率,这是完成并网运行的关键,设模拟电网电压频率在赫兹范围内变化,经过零比较器送单片机确定其大小为f0,检测输出侧电压频率f1,通过单片机的定时器模块进行计时,若系统时钟为f,计得时钟个数为n,则相应频率为n倍的时钟频率,单片机对两个频率进行比较,完成对DC-AC变换电路的调整。
提高效率的方法,效率的分析:
输入功率计算公式:
输出功率计算公式:
由于DC-AC变换器(控制器)完成光伏发电,要求在不同光照情况下以最大效率输出,且在实际应用中需要在户外利用,这就要求单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低,这也是此次设计的核心问题。
为此,在设计本系统时单片机采用低功耗单片机C8051F020,
该系统集成了8路12位A/D。
减少了外加A/D的损耗。
提高效率主要是要降低变换器的损耗,变换器的损耗主要有MOSFET导通损耗,开关损耗,驱动损耗,回路电阻的损耗,和控制部分的损耗,这些损耗可以通过降低开关频率,选择低功耗的电阻,合理匹配输出电阻等方法来降低。
影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗,单片机及外围电路供电电路的效率和DC—AC变换器的效率。
而提高DC-AC变换器效率可以实质性的提高
效率。
DC-AC变换器效率
。
§5-3滤波参数计算
已知模拟电网的输入频率相对较低,则可选取二阶低通滤波器。
根据题目通过频率在45HZ-55HZ之间,确定电容大小560pF,有频率与电阻之间的关系,可以导出R的取值为470K。
第六章软件设计
§6-1主控程序流程图
主控程序首先对系统进行初始化的处理,然后检测基准输入电压频率,根据检测到的不同输入频率,对逆变电路进行控制,使其输出相应频率电压,并完成相应显示。
流程图如图6-1所示:
图6-1主控程序流程图
§6-2SPWM波的实现
目前逆变电路大部分均采用PWM控制技术。
PWM技术是指对脉冲的宽度进行调制的技
术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的各种波形。
在控制理论
中,存在一个重要结论,即面积等效原理:
冲量相等而形状不同的脉冲,加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
这里所说的效果相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
为得到脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的PWM波形所采用的控制技术称为SPWM调制技术。
SPWM即在进行脉宽调制时,使脉冲系列的占空比按正弦规律来变化。
当正弦值为最大值时,脉冲的宽度也最大,而脉冲间的间隔最小,反之,当正弦值较小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔较大,这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小,称为正弦波脉宽调制,SPWM的产生主要有两种方法,既自然采样法和规则采样法。
根据采样控制理论中的冲量等效原理,大小波形不相同的窄脉冲作用于惯性系统时,只要他们的冲量相等,则作用效果基本相同。
将一个正弦波K等分,其中每一等分所包含的面积均用一个与之面积相等的,等幅而不等宽的的矩形脉冲代替,使每个矩形脉冲的中心线和等分点的中心线重合,这就是SPWM控制理论依据,由此得到的矩形脉冲序列称为SPWM波形。
该功能主要由C8051F020自身所带的PCA模块产生。
§6-3频率测量程序流程图
C8051F020自身所带的定时器模块具有捕捉和自动重装功能,频率检测是基于单片机定时器模块的捕捉功能而实现的,定时器捕捉两次跳变之间的时间,从而得到待检测的频率值,流程图如图6-2所示:
图6-2频率测量流程图
§6-4欠电压过电流程序流程图
C8051F020自身所带的AD转换器定时采集电压值,并判断是否超限,从而采取相应的保护。
图6-4欠电压过电流程序流程图
第七章特殊器件介绍
§7-1C8051F020
一、C8051F020单片机简介
C8051F020的结构图如图7-1所示:
图7-1C8051F020的结构图
二、C8051F020的主要特性
C8051F020/1/2/3器件是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(C8051F020/2)或32个数字I/O引脚(C8051F021/3)。
其主要特性如下:
1.高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)
2.全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)
3.真正12位(C8051F020/1)或10位(C8051F022/3)100ksps的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关
4.真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关
5.两个12位DAC,具有可编程数据更新方式
6.64K字节可在系统编程的FLASH存储器
7.4352(4096+256)字节的片内RAM
8.可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口
9.硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口
10.5个通用的16位定时器
11.具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
12.片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
13.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。
三、C8051F020内部资源
1.片内存储器
CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
C8051F单片机内部有256B数据RAM,256BSFR,它们的地址都相互重叠在一块。
内部256BRAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问,高128字节用于间接寻址。
前32个字节为4组通用寄存器区,接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
C8051F02x中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4kB的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。
这个片内的4kBRAM块可以在整个64kB外部数据存储器地址空间中被寻址(以4kB为边界重叠)。
外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到
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