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：C8051F020 SPWM 最大功率点跟踪 光伏并网发电
Abstract
Photovoltaic power generation is a direct solar radiation is transformed into electricity will be the new power generation technology. The system includes pv batteries, converter, batteries, controller four most. This paper, from the point of view of experiment of photovoltaic (pv) grid power system simulation. The basic idea is C8051F020 SCM control action in the sinep ulse-width modulation technology (SPWM) the system is controlled, main circuit adopts MOSFET as the main components of single-phase bridge type inverter circuits, the filter circuit for output variable pressure filtered. Based on this, this design USES the microcontroller itself, timer modules of PCA module, completing the corresponding control function, make photovoltaic power frequency follows simulation grid frequency, the absolute error less than 1%, but also achieve the most power tracing, in photovoltaic load changes range DC - AC conversion efficiency may reach 70% above, this system performance relative stability, can satisfy the need of this design
Keywords: C8051F020 SPWM The maximum power point tracking Photovoltaic (pv) grid generation
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 - §4-2 DC-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 ........................................................................................................................................ - 6 - §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 - §5-1 MPPT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 - §6-2 SPWM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 - §7-1 C8051F020 ............................................................................................................................................... - 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 ............................................................................................................................................ 错误！未定义书签。 附录A 主程序清单............................................................................................................................................... - 19 -
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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
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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。
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电网 太阳能电池板 DC/AC 逆变器 交流负载 蓄电池 控制器 图2-1 可调度式光伏发电系统
电网 电网 太阳能电池板 DC/AC 逆变器 交流负载 控制器 图2-2 不可调度式光伏发电系统
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