太阳能电池逆变电路毕业设计

2015 届毕业设计说明书太阳能电池的逆变电路设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘 应 指导教师： 龙卓珉 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1105 完成时间： 2015 年 6 月 4 日 摘 要太阳能作为大多数能源最开始的一种形态，在几千万甚至上亿年的积累下为人类的发展提供了的煤炭和石油等不可再生资源。这些资源需要相当长的时间才能完成太阳能对化学能的一个转变，而大部分不可再生资源在支撑社会高速发展的同时，也会在不久的将来使用殆尽。这使得人们不得不把眼光投注在其他能源上。其中，太阳能是迄今为止人们发现的储存量最大的能源。对于太阳能，我们早期只是利用了它的光来照明，热来取暖。而随着光电效应的发现，继而太阳能电池的发明，对太阳能的利用提供了广阔的发展前景。可以预见，太阳能必然也会成为将来社会发展所需能源主要来源之一。太阳能作为一种新型的能源，在现代社会的应用范围越来越广泛。其中，以混合式光纤电流互感器举例，它的关键技术之一就是高压侧电子电路供电电源的问题。但是因为互感器需要的是交流电源，而太阳能电池只能提供直流电，通过太阳能电池逆变电路把太阳能电池产生的直流电逆变成交流电就可以很好地解决这个问题。太阳能逆变电路的设计将以混合式光纤电流互感器作为太阳能电池逆变电路的负载来说明太阳能电池逆变电路数字稳压控制系统的硬件实现方法。该设计设计了一个能够对主逆变电路输出的交流电进行采样分析，然后再经过闭环反馈控制对逆变主电路输出进行调节的数字控制电路，这个数字控制电路可以实现太阳能逆变电路稳压控制。在经过仿真之后，证明太阳能逆变电路实现了稳压控制。关键词： 太阳能电池逆变电路；太阳能电池；混合式光纤电流互感器3AbstractAs the first form of most energies, solar energy under tens of millions or even billions years of accumulation provides coal, oil and other non-renewable resources for the survival and development of human beings. These resources will take a long time to complete a transition of solar energy to chemical energy, and most non-renewable resources will also be depleted in the near future while supporting the rapid development of the society, which forces people to bet on other energies. Among them, solar energy is the energy with the largest storage which has been found. For solar energy, we just use it for lightening and heating in the early days. The discovery of the photoelectric effect and the invention of the solar cell provide broad development prospects for use of solar energy. And it can be predicted that solar energy will inevitably become a major source of energy needed for social development in the future. Solar energy as a new source of energy is more and more widely in modern society. Among them, with the hybrid fiber current transformer as an example, one of its key technologies is power supply of the electronic circuit at the high voltage side. Because the transformer needs alternating current, and the solar cell can only provide direct current, inverting the direct current generated by the solar cell into alternating current through the solar inverter circuit can solve this problem. Design of solar inverter circuit will use the hybrid fiber current transformer as the load of the solar cell inverter circuit, which illustrates the implementation of the hardware of the digital voltage stability control system of the solar cell inverter. A digital control circuit which can sample and analyze the alternating current output by the main inverter circuit and adjust the main inverter circuit output through closed-loop feedback control is designed, which can achieve the voltage stability control of the solar inverter circuit. Simulation shows that the solar inverter circuit can realize voltage stability control.Keywords Solar Inverter; solar batteries; hybrid fiber current transformer4目 录1 绪论 .11.1 本课题研究的目的和意义 .11.2 太阳能电池逆变电路的主要应用 .11.3 太阳能电池的选择 .41.4 本课题主要研究的内容 .42 整体研究方案 .52.1 系统设计方案 .52.2 系统总体设计方案的确定 .53 逆变电路硬件设计 .73.1 逆变电路的整体结构和工作原理 .73.2 逆变电源主电路设计 .83.3 逆变控制系统的硬件架构 .93.4 逆变电路的抗干扰设计 .154 逆变电路软件实现 .164.1 DSP 系统软件设计 .164.2 系统软件设计流程图 .174.3 SPWM 信号的产生 .184.4 A/D 采样部分 .204.5 PI 调节部分 .215 逆变电源的 MATLAB 仿真 .235.1 系统仿真模型的建立 .235.2 仿真结果 .25结束语 .28致谢 .29参考文献 .30附录 .3211 绪论1.1 本课题研究的目的和意义在我国，我们通过高压输电的方式来输送电能，这使得大功率可控整流装置、非线性负荷及电力电子器件的使用不断增加。而这必然会让公用电网的波形发生较大的改变。而这对于一些对敏感度要求较高的用户来说，这对他们的安全生产会带来的较大的影响。这就需要用户能够实时掌握电力系统的各方面状态以便在影响生产生活之前做出应变。要实时掌握电力系统的各方面的状态，必然是需要对电力系统下各个环节进行检测和监控。一般采用的方法使用电流互感器来对电路的电流采样，通过采样电流来确定电路是否正常。而随着科技的发展，一般的电流互感器已经不能满足要求，人们需要更小，更轻，更简单，更方便，更强的抗干扰性的产品，而现在光纤通信技术的慢慢成熟正好可以满足人们的需要，光纤电流互感器也就应运而生。拥有诸多优点的光纤电流互感器必然会成为电网监测的主要手段。光纤电流互感器有两种。一种是全光纤型，它的双折射效应会引文环境因素变化而产生变化，从而对整个系统精度都会产生影响 。另外一种是混合型1光纤电流互感器，混合型因为要把电压信号转换成数字信号再转为光信号，所以需要电源。但是因为它并不需要附带的一些特殊光纤和光学元件。使得混合型电流互感器的实用程度超过了全光型。而如何解决混合型互感器高压侧的供电问题便成为了制约其发展的关键问题之一。而太阳能电池逆变电路就可以很好的解决混合型电流互感器需要有源的电子线路来提供电源的问题。1.2 太阳能电池逆变电路的主要应用根据现有资料来看，太阳能电池逆变电路主要应用于为光电式电流互感器提供能量方面，因而太阳能电池逆变电路的设计中的太阳能电池逆变电路也就主要以混合式光纤电流互感器作为其负载来进行分析和研究。下面就对混合式光纤电流互感器进行简单的介绍。1.2.1 混合式光纤电流互感器的原理混合式光纤电流互感器是通过线圈对检测对象的电流信号进行采样，然后把采样到的电流信号通过光纤传送到数据处理系统 。因为空心线圈相对于铁1心线圈来说，不存在磁饱和的问题，这样测量的范围几乎就不会受到限制，而且在实际应用中，使用空心线圈能让传感器的精确度达到 0.1%。所以普遍采用空心线圈作为电流信号采样的传感器。2图 1 空心线圈如图 1 所示，这是 Rogowski 空心线圈结构图。 它的结构很简单，在一个非磁性材料的圆环上均匀地绕满线圈，这些截面积为 A 的线圈就组成了有 N 匝的空心线圈。被测电流从线圈中穿过，通过电磁感应就会在空心线圈两端产生电压 e，再在空心线圈两端连接一个回路，回路中就会产生电流。由公式（1）可见感应电动势和导体中流过电流的变化率成正比。(1) dtiHE式中 H 为线圈的灵敏度, 。NA如图 2 所示， Rogowski 线圈在被测电流通过会感应出电动势e。Rogowski 线圈两端与积分器相连，所感应出的电动势 e 会作为信号传送给积分器，图 2 混合式光纤电流互感器原理图3积分器把电压信号传输到发射电路，发射电路接收电压信号后处理成接收电路能够识别的频率，通过 LED 把这个频率信号发送给接收电路，再通过低压侧处理电路还原成所测量的电流信号。1.2.2 混合式光纤电流互感器高压侧电源的解决方法从前面对混合式光纤电流互感器原理的简要介绍中可以知道，这种互感器因为需要在高压侧提供有源的电子线路，而为电子线路提供一个可靠的电源就成了制约其发展的一个关键问题。下面我们对现在普遍采用的三种方式进行分析比较（1）采用悬浮互感器的供电方式这种方法跟普通电流互感器是一个原理，使用普通铁磁式互感器通过电磁感应在高压母线上感应出交流电压，然后把感应产生的交流电压通过整流电路、滤波电路和稳压电路处理后为高压侧电路供电。该方法的缺点是母线电流会随着电力系统负荷的变化而变化。因此虽然其价格低廉，结构简单，但因为其存在死区，并且电力系统存在不稳定因素会增加供电系统的复杂性。（2）采用高压电容分压器的供电方式这种方法是通过高压电容分压器连接在高压母线与地之间，从而直接在高压母线上获取电能，经过整流电路、滤波电路和稳压电路处理后为高压侧电路供电。这种方案就地解决解决了电源供应的问题。但是缺点是当电力系统出现异常情况的时候，线路电压可能会出现很大的波动导致不能供电，该方案就必须考虑备用电源( 电池) ，显然为了保证电源的稳定供电必然会加大系统的复杂性。（3）在高压侧利用电池解决电源问题现在可以采用蓄电池和太阳能电池这两种电池来解决这个问题。蓄电池因为本身寿命问题，加上蓄电池又不能长期连续工作。在单独作为高压侧供电电源时还是有较大缺陷。太阳能电池需要太阳能来提供能量，而太阳能在一天中会因为光强、环境温度等外界条件的变化而变化，使得太阳能电池并不能持续稳定的输出。而结合太阳能电池和二次充电电池，通过太阳能电池给二次充电电池充电，二次充电电池就能持续的提供稳定的电源输出。该方案的优点就是能够提供稳定的电源，并且结构简单，易于实现。综合以上的情况，我们选择使用太阳能电池结合二次充电电池进行供电。1.2.3 混合式光纤电流互感器的关键技术问题混合式光纤电流互感器主要由高压侧供电电源系统、信号采样系统、信号传输系统、信号处理和测量控制系统四大部分组成 ，有以下几个关键技术问1题需要解决：高压侧供电电源系统的设计，要求在提供系统所需的电源的同时4也要不管在线路有什么状况的情况下都能稳定可靠的供电输出；要保证装置能够安全的运行，这涉及到了高压绝缘技术和保护技术；信号传输所需要的光纤通信技术，要求在传输采样信号的同时也要能传输同步时钟信号。1.3 太阳能电池的选择通过光电效应把光能转化为电能的一种半导体薄膜叫太阳能电池或者光电池，只要被光照到就会内部形成一个电场，从而产生输出电压。太阳能电池有很多种，其中发展最为成熟是硅太阳能电池，在实际应用中使用比较多的也是硅太阳能电池。而硅太阳能电池又根据太阳能电池中所用的硅不同分为三种：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜。其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为 24.7%，规模生产时的效率为 15% 。在大规模应用和工业生产中2仍占据主导地位，太阳能电池逆变电路的设计主要研究的是太阳能电池逆变电路的稳压控制方法，所以我们选择技术最为成熟的单晶硅太阳能电池。1.4 本课题主要研究的内容太阳能电池逆变电路的主要用途是为混合式光纤互感器提供高压侧的有源电子线路的工作电压，但混合式光纤互感器和电子器件工作电压都是一定的，能否提供稳定的电压就成为了衡量太阳能电池逆变电路性能的关键问题。现在一般的稳压方式有两种：数字法和模拟法。模拟法是通过模拟的电路来达到系统的要求，但是模拟电路有设计复杂，抗干扰性差，适应用性差等问题，而且一种条件就需要一个模拟电路，这些缺点就大大限制了模拟法的应用。而现在集成电子技术的以及电子计算机技术的不断成熟，在实际的系统应用中数字法的使用越来越多。数字电路相比于模拟电路来说，设计更加简单，抗干扰性能也有大大的提高。通过程序进行控制的数字电路，不仅可以很方便的实现模拟电路的功能也能大多数达到模拟控制的效果。而且数字法适应性更强，对于不同的工业条件不需要改变电路结构，要达到不同的效果只需要改变相应的参数值就行。本课题主要研究的是将太阳能电池逆变电路所输出的电压值转化为数字化的数字量之后通过光纤传输回控制室，在控制室通过数字控制来实现太阳能电池逆变电路的稳压控制，使得在工业检测中太阳能电池逆变电路可以有更好的应用前景。52 整体研究方案和硬件设计本章针对太阳能电池逆变电路所需要达到的目标，以混合式光纤互感器在实际工作中所需要的环境为准则，通过数字控制的方法设计出一个操作性强、稳定性强的逆变电路。不同的逆变电路对相关性能的要求也不尽相同，通过查阅相关的技术资料，进行汇总分析，设计出以下太阳能电池逆变电路的设计方案。2.1 系统设计方案太阳能电池逆变电路的主要用途是为混合式光纤互感器提供高压侧的有源电子线路的工作电压，我们将以混合式光纤电流互感器作为太阳能电池逆变电路的负载来说明光电转换电源数字稳压控制系统的硬件实现方法。太阳能电池逆变电路的设计将设计以下功能，来满足太阳能电池逆变电路给混合式光纤电路互感器提供提供的稳定的供电电源的要求。（1）具有对太阳能电池逆变电路输出电压的实时检测功能；（2）具有对整个电路起保护作用的过流保护和过压保护功能；（3）具有对数字信号逻辑运算和操作的功能；（4）具有对整体电路数据实时显示的功能；（5）具有对电流、电压采样的功能；（6）具有对参数，数据等传输的同步通讯功能。2.2 元器件的选择为了太阳能电池逆变电路的输出电压能够实现稳压控制，必然需要一个控制系统。而控制系统的核心就是单片机。太阳能逆变电路的设计将在使用比较普遍的 80C51 单片机和 DSP 芯片 TMS320LF2407 作出选择。 80C51 单片机是大学学习中接触比较多的一类单片机，它的基本组成是 CPU系统，时钟系统，总线控制单元，外围单元有程序存储器和数据存储器，输入/输出口（I/O 口， ）特殊功能寄存器。80C51 的工作电压 4V5.5V，拥有 8K 字节 FLASH ROM, 4 个 8 位并行输入口，两个 16 位定时器。单片机有着体积小，重量轻，价格低，耗电少等优点。TMS320LF2407 采用的是