单相独立光伏发电系统设计

广西大学学士学位论文PAGEPAGE39中文摘要随着世界经济的高速发展、人口的增长和科技的进步，传统能源的消耗量越来越大，这就带来了一系列能源的耗尽和环境污染问题。为了应对能源逐渐短缺的严重局面，必须逐步改变能源消费结构，大力开发可再生能源，在能源供应领域走可持续发展道路，才能保证经济的繁荣发展和人类社会的不断进步。在绿色可再生能源当中，太阳能凭借其存量无限、清洁安全以及易于获取等独特优点而受到了世界各国科研领域的普遍关注。在光伏发电的研究方面，人们将不断发现新原理、新材料、新工艺，将太阳能光伏发电系统向高效、低价方向发展。为了进一步提高系统的性能，实现系统的优化及可靠运行，本文研究独立运行光伏发电系统的结构、工作原理和控制策略。相对并网系统，这对于国家正大力发展的西部太阳能资源开发来说是具有现实意义的。本文详细介绍了光伏发电的国内外研究背景，光伏电池的种类、发电原理及输出特性，并介绍了独立运行光伏发电系统的组成、运行原理和应用，在此基础上论述了光伏系统常用的DC/DC变换电路，负载最大功率跟踪(MPPT)的方法，太阳自动跟踪系统等人们普遍关注的问题。融合了上述原理技术，设计一个功率为25W的独立运行光伏发电系统。关键词：光伏发电;独立光伏系统;逆变器;自动跟踪系统ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofworldeconomy,populationgrowthandtechnologicaladvances,increasingconsumptionoftraditionalenergysources,whichbringsaseriesofenergydepletionandenvironmentalpollutionproblems.Inresponsetotheseriousenergyshortagesituationgradually,mustgraduallychangetheenergyconsumptionstructure,vigorouslydeveloprenewableenergysources,energysuppliesinpathofsustainabledevelopment,toensureeconomicprosperityandsocialprogressofmankind.

Amongthegreenrenewableenergy,solarenergy,withitsstockofunlimited,clean,safeandeasyaccesstootheruniqueadvantagesandfieldofscientificresearchbytheworld'sattention.Photovoltaicpowergenerationinresearch,itwillcontinuetodiscovernewprinciples,newmaterials,newtechnology,solarphotovoltaicpowergenerationsystemtotheefficient,low-costdirection.

Tofurtherimprovetheperformanceofthesystemtoachieveoptimalandreliableoperationofthesystem,thisstand-alonephotovoltaicpowergenerationsystemofthestructure,workingprincipleandcontrolstrategy.Relativetothegridsystem,whichforthewesterncountriesaretodevelopsolarenergyresourcedevelopmentisofpracticalsignificance.

ThispaperdescribesthedomesticPVresearchbackground,typeofphotovoltaiccells,powergenerationprincipleandoutputcharacteristics,anddescribesthestand-alonephotovoltaicpowersystemcomponents,operatingprinciplesandapplicationsarediscussedonthisbasis,PVsystemcommonlyusedinDC/DCconversioncircuit,theloadmaximumpowerpointtracking(MPPT)method,thesuntrackingsystemandotherissuesofgeneralinterest.Combinestheprinciplesoftechnology,designa100Wpowerstandalonephotovoltaicsystems.

KEYWORDS:PV;stand-alonephotovoltaicsystem;inverter;auto-trackingsystem目录第一章绪论 51.1本课题研究的背景及意义 51.2国内外光伏发电的现状及发展趋势 71.3.光伏发电系统概述 81.3.1光伏发电系统的分类 81.3.2光伏发电系统的主要形式 91.3.3光伏发电系统设备 9第二章独立光伏发电系统的组成及太阳能电池概述 102.1独立光伏发电系统的组成 102.2太阳能电池组件和太阳能电池阵列 112.2.1太阳能电池的等效电路 122.2.2太阳能电池伏安特性曲线 132.2.3太阳能电池阵列 142.3蓄电池工作原理及充电方法 142.3.1铅酸蓄电池基本构造及工作原理 142.3.2铅酸蓄电池充电方法 15第三章系统控制电路的分析与设计 163.1蓄电池的充放电控制器 163.1.1控制器的基本原理 163.1.2控制器电路设计 173.1.3控制电路各部分的具体要求 173.2硬件电路的设计 203.2.1BOOST电路参数的选择 213.2.2电感的选择 223.2.3滤波电容的选择 233.2.4二极管的选择 233.2.5功率开关管的选择 23第四章逆变技术设计 244.1逆变电源的控制技术 264.1.1SPWM调制技术 264.1.2单相桥式逆变器供电设计 284.2驱动电路的设计 294.3检测电路设计 314.3.1电压检测电路 314.3.2电流检测电路 324.4逆变器的保护 334.4.1过压保护 334.4.2过流保护 33第五章太阳自动跟踪系统 345.1自动跟踪系统工作原理 345.2传感器 355.3步进电机 365.3.1步进电机主要参数 365.3.2步进电机驱动电路 375.4软件设计 38参考文献 40致谢 42第一章绪论1.1本课题研究的背景及意义能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、科技的发展、人口的增长等等，对能源的需求也在不断增长，当今世界己经面临着能源需求量成倍增长的挑战，全球范围内的能源危机也日益突出。现在的能源结构中，人类所利用的煤、石油和天然气等化石能源，由于近百年来基本趋于稳定增长态势的消耗，总有一天将达到极限而面临枯竭。根据目前已探明的储量与年开采量计算，我国与世界一次能源的可使用年限见图1.1。不仅如此，化石能源的大量使用还造成了全球的环境恶化。气候异常，臭氧层空洞扩大，酸雨频发，等等恶果。由化石能源的消耗所产生的大量二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿吨计，如果不加以控制，气温持续走高，两极冰山融化，海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。因此，开发利用可再生的绿色能源以逐步减少和替代化石能源，保护好人类赖以生存的地球环境与生态，己经成为一个引起世界各国普遍关注的热点问题，对各种可再生绿色能源发电技术的研究正在迅速发展。在目前所研究的替代能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭且无任何污染的独特优势，成为国际上公认的理想替代能源，太阳能光伏发电技术也成为目前各国都在研究的重大课题。目前对太阳能利用的研究主要集中在光热利用和光伏发电两种形式上。光热利用技术主要应用于建筑采暖节能领域，可作为低成本、高效率的就地使用能源，但传输困难，输出能量形式不具备通用性。而光伏发电是将太阳能转换为通用且传输方便的电能，这是热利用不可比拟的优势。同时，光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点：①太阳能取之不尽，用之不竭。太阳传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天所消耗的能源，而且按目前功率辐射能量计算，其时间约可持续100亿年。②太阳能随处可得，基本上不受地域限制，只是地区间有丰富与欠丰富之别。③作为一种分布式电力系统，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路上的电能损失，而且能提高整个能源系统的安全性和可靠。④光伏发电不产生任何废弃物，是真正无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。⑤太阳能不用燃料，运行成本很小。而且发电部件不易损坏，维护简单。⑥系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。由于太阳能光伏发电存在上述这些显著的优势，对此领域的研究和利用己经成为关系着人类社会持续发展的重大课题。这项集光电子半导体、电力电子、电化学、现代电力系统和现代控制理论等多门学科知识于一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境保护领域都将发挥关键性的作用，对该技术展开深入研究必将为开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术提供更多的理论和现实依据。1.2国内外光伏发电的现状及发展趋势光伏发电是太阳能发电的一种，是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。世界光伏组件在1990年——2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%～13%提高到13%～15%，生产规模从1～5兆瓦/年发展到5～25兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。1.3.光伏发电系统概述1.3.1光伏发电系统的分类光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。如下图所示，独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。1.3.2光伏发电系统的主要形式系统主要有两种形式。一种为独立光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器、交流负载组成独立的供电系统；另一种为并网光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、并网逆变器组成并网发电系统，将电能直接输入公共电网。这两种系统中，并网光伏系统是太阳能光伏应用的主要形式。1.3.3光伏发电系统设备光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是：①太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。②蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。③充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。④逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。第二章独立光伏发电系统的组成及太阳能电池概述2.1独立光伏发电系统的组成本文主要研究独立光伏发电系统。独立光伏发电系统组成如下图2.1所示，其主要包括太阳能电池板、充电器、蓄电池、控制器、直流升压电路、逆变器和太阳自动跟踪器等。由图可知独立型系统即是没有与电力公司的配电线并网的系统，这种系统要把使用的电量限制在PV系统的发电量以下，考虑到阴天、夜间和雨天PV系统不能发电此时则需要由蓄电池供给电力，蓄电池必须预先充电。独立型系统有小到给计算器供电的不到1W功率的系统和大到如向道路信息显示板供电的数W至数KW的多种多样的实用型系统。2.2太阳能电池组件和太阳能电池阵列太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光能通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程是通过“光生伏打效应”实现的，所谓光生伏打效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生出这种效应，但在半导体中，光能转换为电能的效率是最高的。因此又被称为“光伏电池”。光伏电池是光伏发电系统的最基本组成单元，是系统进行能量转换的起始端。如上图所示，当太阳光照射到太阳能电池表面时，太阳能电池内部的N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，当光子能量大于禁带宽度Eg能量时，电子就脱离共价健的束缚从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，这样内部就产生很多处于非平衡状态的电子一空穴对。这些被光激发的电子的运动是不定向的，如果电子重新返回价带与空穴复合，把吸收的能量释放掉，恢复到了平衡状态，对外不呈现导电作用。所以希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到P-N结区，通过P结对少数载流子的牵引作用漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外围电路，电流就从后电极流向前电极。如果要想得到更大的输出功率，就得把很多个这样小的太阳能电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成太阳能电池组件。同时，上图也显示了照射在太阳能电池表面的太阳光线的各种作用情况:日光I是太阳能电池表面反射回去的一部分光线，对光伏发电不起任何作用，所以一般太阳能电池都有防反射层;日光11是透射过太阳能电池的少部分光线，由于没有被价电子吸收，这部分光线对光伏发电也不起任何作用;日光111和日光IV是在P-N结附近被吸收生成电子一空穴对的那部分光线，这些非平衡状态下的少数载流子在P-N结漂移作用下产生光生电动势，是光伏发电的有用光线。为了提高太阳能电池的光电转换效率，就应该尽可能地增加光伏发电的有用光线的比例数量。2.2.1太阳能电池的等效电路太阳能电池理想等效电路如图2.3所示。由恒流发生器、二极管和负载电阻组成。IPh是太阳能电池受光辐射而产生的光电流，它的值正比于太阳能电池的面积和入射光的辐射强度。ID为暗电流，是太阳能电池在无光照情况下，通过P-N结的电流。IL是太阳能电池输出负载电流，Uoc则是太阳能电池输出开路时测得的电压值。考虑到太阳能电池内阻，太阳能电池实际等效电路图如图2.4所示。Rs为串联电阻，一般小于IQ，主要由电极导体电阻、扩散层横向电阻、基体材料电阻和前后电极与基体材料的接触电阻等组成。Rsh为旁路电阻，一般为几千欧姆，主要包括P-N结内漏电阻、电池边缘漏电阻以及P型区和N型区各种导电膜的电阻等。另外，等效电路还应包括由P一结形成的结电容和其它分布电容，但由于太阳能电池是直流设备，没有高频交流分量，因此这些电容可以忽略不计。通过以上定义，可以列出太阳能电池等效电路中各变量的方程式如下:(2.1)

(2.2)(2.3）(2.4)其中，Io为太阳能电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流；Isc为太阳能电池的短路电流；U0为二极管的端电压；q为电子电荷，C;k为波尔兹曼常数，；T为绝对温度;A为P-N结的曲线常数。2.2.2太阳能电池伏安特性曲线根据2.1式至2.4式，可以得到太阳能电池的电压一电流关系曲线，如图2.5所示。在没有光照时，太阳能电池起着二极管的作用，外加电压和电流之间的关系曲线叫做光电池的暗特性曲线。在有光照时，可以得到输出电压和通过负载的工作电流的关系曲线，叫做太阳能电池的伏安特性曲线。这两条曲线在第四象限所包围的区域就是太阳能电池的输出功率区域，可见Pmax这一点就是太阳能电池最大输出功率点。2.2.3太阳能电池阵列太阳能电池单体是光电转换的最小单元，它的工作电压约为0.45-0.5V，工作电流约为20-25mA/cm2，光电转换的效率是，晶硅太阳能电池为12%-15%，多晶硅太阳能电池为10%-13%，非晶硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池为6%-9%。在实际使用中，一般将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件。独立光伏系统一般用蓄电池做储能装置，所以可将太阳电池组件适当地串、并联，使得方阵的工作电压满足蓄电池充电电压的需要。2.3蓄电池工作原理及充电方法太阳辐射强度受气候、昼夜和季节等因素影响较大，白天太阳辐射强，太阳能电池输出功率大，而在阴雨天或夜间，基本没有太阳能辐射，太阳能电池输出功率就极小。在独立光伏发电系统中，希望在光照强时能把太阳能电池多余的输出能量储存起来，以保证系统在光照弱时也能正常使用，这时就需要配备储能装置。因此要求蓄电池的循环寿命长，自放电要小，能耐过充放，受温度影响小，而且充电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便，维护简单等因素。目前光伏发电系统中常用的储能装置有铅酸蓄电池等。2.3.1铅酸蓄电池基本构造及工作原理铅酸蓄电池是在19世纪中期发明的，进过一百多年的发展，技术不断更新，它由正、负极板，隔板，壳体，电解液和接线桩头等组成，其中正极活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极活性物质是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(Hzso4)，正常充放电化学方程式为：铅酸蓄电池在充电时，正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅(PbOZ)后将电能转化为化学能储存在正极板中;负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状铅(Pb)后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅(PbOZ)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电;负极由海绵状铅(Pb)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电。阀控式铅酸蓄电池与传统的铅酸蓄电池不同的是它在充电时正极板上产生的氧气，再通过化合反应在负极板上还原成水，使用时在规定浮充寿命期内不必加水维护，所以又称为免维护铅酸蓄电池。2.3.2铅酸蓄电池充电方法铅酸蓄电池充电方法有很多，目前较为常用的是以下几种:(1)恒流充电恒流充电是指以恒定的电流给蓄电池充电，在蓄电池允许最大电流情况下，充电电流越大，充电时间就越短。(2)恒压充电恒压充电是指以恒定的电压给蓄电池充电。恒压充电较容易实现，但初始电流很大，严重时可能损坏蓄电池，但随着蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。(3)阶段充电为了克服恒流与恒压充电各自的缺点，提出了阶段充电。阶段充电包括两阶段充电和三阶段充电。两阶段充电是采用恒流和恒压相结合的快速充电方法，先以恒流充电至预定的电压值再改为恒压充电。三阶段充电则是在两阶段充电的基础上，再加上浮充充电阶段。蓄电池在浮充工作方式下，充放电循环次数减少，浮充电流除了维持自放电外，还维持蓄电池内部的氧循环，这样就大大延长了蓄电池的寿命。(4)脉冲充电脉冲充电是指以周期性脉冲电流给蓄电池充电。这样在充电期间会有一段停止充电时间，使得蓄电池内的电解液均匀扩散，提高了电能转化为化学能的效率。第三章系统控制电路的分析与设计独立光伏（PV）发电系统中涉及的电力电子与控制技术包括：DC-DC及DC-AC变换技术、计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术。其中，DC-DC变换技术主要用于蓄电池的充放电控制；DC-AC变换技术，及逆变器技术，用于独立型的交流电站；计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术是结合计算机、自动控制原理、自动检测、远程通讯及电子技术等学科为一体的高新技术。通过应用这些技术所制作的能量转换及控制设备，把光伏组件、储能装置、负载或电网等连接起来构成一个光伏电站系统，为负载提供电力。3.1蓄电池的充放电控制器充放电控制器是独立光伏系统中最基本的控制电路，也是必不可少的，不论系统大小，如：小到一个太阳能手电筒，达到一个几千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到它。3.1.1控制器的基本原理充放电控制器的基本原理如下图所示，在该电路原理图中，由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，其开合由控制电路根据系统的充放电状态来决定：当蓄电池充满是断开充电开关K1，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。3.1.2控制器电路设计本系统采用单片机组成的最大功率点控制（MPPT）充放电控制器，由下图所示：它由自带的A/D转换功能的单片机（MCU）、电压采集电路、电流采集电路、DC/DC变换电路等组成。3.1.3控制电路各部分的具体要求DC/DC变换电路降压（BUCK）型电路：BUCK电路输入端电流工作在断续状态，如果直接将BUCK电路接在太阳能电池阵列上将造成太阳能电池阵列输出电流不连续，太阳能电池阵列不能工作于最佳工作状态，因此需要在太阳能电池阵列输出端并联储能电容以保证太阳能电池阵列输出电流的连续，如下图a中的Ci。当功率器件关断时，太阳能电池阵列对储能电容充电，使太阳能电池阵列始终处于发电状态。通过调节BUCK电路的占空比D实现调节太阳能电池阵列输出平均功率的目的，从而实现对太阳能电池阵列的MPPT功能。使用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪的优点是结构简单，控制易于实现，功率开关管输入电流小，线路损耗小，使得BUCK电路装置转化效率较高。使用BUCK电路实现太阳能光伏电池阵列最大功率点跟踪时，具有以下几个缺点:由于在BUCK电路输入端并联了储能电容，在大功率情况下，储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利;由于储能电容通常为电解电容，使BUCK电路无法工作在较高的频率下，使得BUCK电路装置的体积和重量增加;BUCK电路只能用于降压变换，故光伏阵列的输出电压需要比较高，从而光伏阵列在同等功率条件卜，光伏电池串联数较多，容易造成局部热斑现象，减低光伏电池的使用寿命。下图是应用于光伏发电系统的BUCK基本电路、三电平电路和软开关电路图。图中，a是BUCK基本电路，只有一个开关管，其正常耐压值和输入电压相等;3.lb是BUCK三电平斩波电路，它具有两个开关管，其电压应力为基本电路的一半，降低了开关管的选择难度;储能电感和电容容量可以大大减小，减小了电路的体积，功率密度较高。3.Ic是BUCKZVT斩波电路具有以下优点:电路实现主开关管况开通、关断的ZVS，辅助开关管又开通实现ZCS且实现ZVS，zCS的输入电压、负载变化范围较宽;谐振元件不在功率传输的主回路中，开关S1、S2的电压电流应力小。但是此电路的缺陷在于：S2的加入增加了控制难度;且没有实现关断时的软开关。升压(BOOST)型电路：B00ST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的。与BUCK电路相比，BOOST电路的电感在电路的输入端，因此只要输入电感足够大，BOOST电路可以始终工作于输入电流连续的状态下，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，因此在光伏发电系统应用中，只需在BOOST电路并联容量较小的无感电容甚至可以不加电容，这样就可避免加电容带来的种种弊端。同时BOOST结构也非常简单，并且功率开关管一端接地，使得开关管驱动电路设计更为简单。BOOST电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下，输入电流较大，因而电路损耗比BUCK电路大，因而BOOST电路转化效率略低一些;而且BOOST电路只能进行升压变换。下图是应用于光伏发电系统的BOOST基本电路、三电平电路和软开关电路图：图中a是BOOST基本电路，只有一个开关管，其正常耐压值和输入电压相等;b是BOOST三电平斩波电路，它具有两个开关管，其电压应力为基本电路的一半，降低了开关管的选择难度;储能电感和电容容量可以大大减小，减小了电路的体积，功率密度较高。C是BOOSTZVT斩波电路,具有以下优点:电路实现主开关管S1开通、关断的ZVS，辅助开关管S2开通实现ZCS且实现ZVS，ZCS的输入电压、负载变化范围较宽;谐振元件不在功率传输的主回路中，开关管S1，S2的电压电流应力小。但是此电路的缺陷在于:S2的加入增加了控制难度;S2没有实现关断时的软开关测量电路：主要是DC/DC变换电路的输入侧电压和电流值、输出侧的电压值，另外还有温度等测量电路。单片机及监控软件：要实现MPPT(负载最大功率跟踪)功能，常用的算法有：恒定电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法等。3.2硬件电路的设计一般控制系统是由控制电路、驱动电路、检测电路以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。本系统电路的由检测电路的结果输入到控制部分，通过控制部分驱动MOSFET，从而调节了主电路的占空比，达到设计需要的输出。此外，由于主电路中往往有电压和电流的过大，而一些单片机和电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中需要附加一些保护电路以保证电力电子器件和整个系统的王常可靠运行。系统控制电路的总体结构如下图所示：由上述几章的论述，光伏电池板的选择本系统采用国内某公司的电池板，其标准条件下(S=1000W/㎡，T=25℃)的参数如下表:由于制作太阳能电池阵列费用很高，太阳能发电效率又比较低，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个非常重要的问题。一般情况下，在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的情况下得到的。由下表可以看出电池板上很小的阴影面积就会导致电流电压变得很小，特别有建筑物或者树荫的遮挡时太阳能的利用效率将大大降低;纸屑，树叶等掉在电池板上的遮挡物也会影响电池板的利用效率，长时间还会导致电池板的烧坏，所以不仅电池板不仅要避开建筑物和树荫等，还要定期进行清理。3.2.1BOOST电路参数的选择采用改变开关占空比的的方法来跟踪太阳能的最大功率点，选择开关频率要考虑系统效率，造价和重量等因素，开关管的开关频率高时，所选电感量就小，但开关管上的损耗会增加:当开关频率低时，所选电感量就大，增加了系统的体积与重量，但开关管上的损耗会减少。因此对于开关频率的选取须考虑到上述因素进行适当的折中。由于输出电感必须在直流磁化占主要的情况下工作，在电感磁芯需加入气隙以防止电感的磁芯饱和。对于电感的绕制须考虑到气隙、绕组匝数与电感量之间的关系:气隙过小，电感量会增加，但电感中所允许通过的直流电流就减小，磁芯在很小的安匝下就会饱和，使得匝数不能多绕;若气隙过大，可通过较大的直流分量，但电感量又较小。由此可见，输出电感的气隙，要在电感量、匝数、电流之间找出一个最佳值。转换器是最大功率跟踪器最重要的组成部分之一，转换器设计的合理与否将直接影响跟踪器的转换效率。光伏电源能量通过转换器供给负载，任何元件的功率损失都将影响整个系统的跟踪效率，因此选择适当的元件也是这部分设计工作的主要任务。下图为Boost电路图：3.2.2电感的选择假设电感的能量的转换效率为100%，Boost电路处于连续工作状态下，当电池工作于最大工作点(Pmax=25w)时候的电流为:(3.1)电感的纹波电流一般为其平均电流的10%到20%。本文选纹波电流为平均电流的20%，即为(3.2)转换电路的控制信号工作频率为20kHz(Ts=10uS)，当系统工作于光伏最大容量状态时，因为(3.3)此时的PWM控制信号的占空比d为(3.4)由公式可得(3.5)所以电感流过的电流至少要有1.042A，电感值至少为229.61uH，考虑到盈余，所以选择电感为300uH。3.2.3滤波电容的选择输出端的电容的大小决定输出电压的纹波，要求输出电压的纹波值不超过输出电压的l%，即(3.6)由公式知(3.7)即输出的电容值最小为84uF，设计中选择C1的值为380uF，C2选择220uF。3.2.4二极管的选择二极管选择主要参数是正向压降，反向压降以及开关速度等的综合考虑。正向压降越高功率损耗越大，另外二极管的关断时间太长将影响转换电路的转换效率以及可能产生瞬间的高压，损坏元器件。最后要求二极管必须具有较高的反向电压，综合考虑选择MBR830可以满足设计要求，其反向电压为30V，最大工作电流为8A，正向压降为0.7V。3.2.5功率开关管的选择本系统设计的Boost电路选择的开关管为n沟道增强型的MOSFET功率管为IRF3205。IRF3205导通阻抗仅为0.008Ω，功率损耗小，并且适用于高频电路，高频下的最小电压和最大电流分别可达55V，110A。第四章逆变技术设计由于光伏系统发出的是直流电，如果要为交流负载供电，必须配备逆变器。逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变成交流电能供给负载使用的一种转换装置，是整流器的逆向变换功能器件。逆变器的基本电路由以下各个模块电路组成：主电路，控制及驱动电路，检测及保护电路，显示、通信电路，人机界面（如下图所示）。逆变主电路如下图所示，它包括一个H桥电路、RC缓冲电路、LC滤波电路、电流互感器电路和电压互感器电路。33Ov高压直流电经过MSPWM变换，输出MSPWM波形经LC滤波输出50HZ/220V交流电。电压互感器与电流互感器将输出电压和电流信号反馈给单片机，构成一个闭环控制系统。开关管的C极与E极并上RC缓冲电路是为了减少开关损耗的，而在每一个桥臂上并上一个luF无感电容是为了消除直流母线上分布电阻与电感引起的电压尖峰，从而起到保护开关管的作用。4.1逆变电源的控制技术4.1.1SPWM调制技术SPWM调制技术是指用正弦波为调制波(ModulatingWave)，而以N倍于调制波频率的三角波为载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度按正弦规律变化的矩形脉冲序列来等效正弦波，用开关量取代了模拟量，并通过对开关管的通断控制，就可以得到交流的SPWM波形。下图是单相桥式PWM逆变电路，根据调制脉冲的极性，可分单极性SPWM和双极性的SPWM。①单极性SPWM如下图所示，调制波ur为正弦波，载波uc为三角波，uc在ur的正半周期为正极性的三角波，在ur的负半周期为负极性的三角波。在正半周期时，QZ和Q3截止，Q4一直导通，当U>uc时，Ql导通，负载上所加的电压为直流电源电压Ud;当ur<uc时，Ql关断，负载中一般有电感滤波，电流不能突变，负载电流通过二极管DZ续流，负载上所加的电压接近ov。在负半周期时，Ql和Q4截止，QZ一直导通，当ur<uc时，Q3导通，负载上所加的电压为一ud;当ur>uc时，Q3关断，负载电流通过二极管D4续流，负载上所加的电压接近OV。这样就得到了SPWM波形u0，u0有三种电平:士Ud和0，图中虚线uol表示uo中的基波分量。②双极性SPWM与单极性SPWM相对应的是双极性SPWM，如下图所示，在ur的正、负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当ur>uc时，Ql和Q4导通，QZ和Q3截止，输出电压uo=ud;当ur<uc时，QZ和Q3导通，Ql和Q4截止，输出电压uo=-ud这样得到的SPWM波形uo只有两种电平:士Ud。图中虚线uol表示uo中的基波分量。单极性SPWM波的谐波幅值比双极性SPWM波的谐波幅值要小，所以单极性SPWM波具有更好的消除谐波的能力。而且在单极性SPWM调制方法中，开关管的开关次数明显比双极性SPWM调制方法中的开关管的开关次数要少得多，也就是开关损耗减小了，输出效率自然就提高了。因此，在逆变这一环节，单极性SPWM调制技术明显优于双极性SPWM调制技术。4.1.2单相桥式逆变器供电设计本系统选用桥式整流器作为直流电源的单相桥式逆变器，如下图所示，为了提高逆变器效率，防止逆变开关管的击穿损坏，故要在桥式整流器的输出端并接一个吸收反馈能量的电解电容Cd。电解电容除了滤波之外更重要的作用是吸收负载电感的反馈能量，起无功功率存储交换的作用，Cd不仅增加了逆变器的效率，而且还保证了逆变器的可靠运行。Cd的值与负载参数、逆变器工作频率及Cd上允许的升高的电压ΔUc有关。在满足精度的要求下，由于ΔUc的值也不是很大，所以可以忽略掉由于电解电容上电压的升高而引起的负载电流变化。对于感性负载，当V1和V4导通（或V2和V3导通）时，以下公式成立(假设Ud0=220V,RL=100Ω,f=50HZ，TL=0.01s)：(4.1)即(4.2)式中,a是幅角指数，a=-1/(6fTL)=1/(6×50×0.01)=-0.33。电流的幅值可以由上式当ωt=TL/2时求得：(4.3)电解电容上的电压脉动变化等于（4.4）其中积分上限（4.5）则根据（4.4）可得电容Cd的方程式为：（4.6）式中，Ku是电容上电压允许升高的特征系数，Ku=△Uc/Ud0。4.2驱动电路的设计逆变器的驱动方法有晶闸管驱动，脉冲变压器驱动、专用的集成电路驱动以及光耦驱动等。晶闸管驱动没有隔离功能，而脉冲变压器的驱动不仅存在漏感使输出脉冲的陡度收到限制，同时寄生电感和电容使脉冲前后沿出现震荡，并且此种驱动在传输过程中容易出现饱和，使其共模抑制比降低，而采用光耦可以消除这些缺陷。高性能的光耦原副边采用法拉第屏蔽进行去光耦，抗共模干扰能力强，可以有效抑制来自功率电路的干扰信号。但是一般光耦的驱动电流较小，不能满足本系统需要，因此选用M57962L作为脉冲隔离驱动电路。下面两个图分别为M57962L的内部结构图和外部引脚图。M57962L主要有以下优点:具有较高的输人输出间隔离度（Viso=2500）；采用双电源供电方式，以确保IGBT可靠通断；内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；输人端为TTL门电平，适于单片机控制。用M57962L驱动IGBT模块的实际应用电路如下图所示。当IGBT模块过载(过流、过压)时，以及其集电极电压上升大于15V时，隔离二极管Dl截止，1脚为15V高电平，则驱动器将5脚置低电平，使IGBT截止，同时8脚置低电平，使光耦工作，以驱动外接电路将输入端13脚置高电平，M57962L复位至初始状态。稳压二极管用于防止Dl击穿而损坏M57962L。R4为限流电阻，DZ，D3组成限幅器，以确保IGBT基极不被击穿。4.3检测电路设计为了准确的获得输出端的电流和电压值，以便完成对系统的控制和保护，所以要对系统的电流和电压等模拟量进行检测，对直流电流、电压的检测形式多种多样，但为了提高系统的可靠性，逆变器输出的电压和电流信号是交流的，先通过电压和电流互感器转换成低压交流信号，再通过有效值转换芯片将交流信号有效值转换成直流信号，最后通过单片机内部的A/D转换器转换成数字信号，这样单片机就可以对电压和电流实行闭环控制，使系统更加稳定可靠。本文采用霍尔元件检测电压和电流，它具有体积小、外围电路简单、频带宽、动态性能好、寿命长和电磁隔离等特点。4.3.1电压检测电路本系统采用宇波模块的CHV-25P/200A的闭环霍尔电压传感器对逆变器电压进行检测，其性能参数为:测量范围0~300V，额定输出电流为25mA，线性度0.1%，电源电压采用正负15v，反应时间为10us，频率范围为0~20KHZ。下图为霍尔电路连接图，其中由于原副边比值为2500:1000，而单片机的基准电压为5V，Rm为其测量电阻其取值在0-3500Ω之间，本文取值为100Ω，当原边为最大值1.72A，副边为4.73V，满足要求。D3和D4起到限幅作用，防止电压过大烧坏后面的电子元件。霍尔电压端子说明:+HT为输入电压正;-HT为输入电压负;+为电源正;-为电源负;M为输出端。4.3.2电流检测电路本系统采用宇波模块的CHB-25NP/SP8的闭环霍尔电流传感器，其性能参数为:测量范围0~3.6A，额定输出电流为25mA，线性度0.1%，电源电压采用正负15V，反应时间为10us，频率范围为O~100KHz。下图为霍尔电流电路连接图，检测输出信号输入到单片机之前，需要经过运放对信号进行保持放大，使得最后输入的电压信号在0~+5V的范围内。电流检测信号通过两级跟随放大电路输入控制芯片，同时，输出电路也接了一比较电路，实现过流保护，各参数按常规电路选择，原副边比值为1000:10，原边电阻选择200Ω，当最大输出1.7A左右时，电压不会超过最大耐压值。霍尔电流传感器端子说明:+HT为输入电流正;-HT为输入电流负;+为电源正;-为电源负;M为输出端。4.4逆变器的保护4.4.1过压保护逆变器在其输入端必须有过压保护电路，以保证逆变器的输入在可接受的范围内，并不会因为输入过高而导致逆变器损坏。4.4.2过流保护逆变器过流是指过载两种情况。过载是指负载从逆变器获取太大的电流，超出了逆变器的承受能力。常用的过流保护措施有：快速熔断器，直流快速断路器和过电流继电器。第五章太阳自动跟踪系统太阳每天早上从东方升起，晚上从西方落下，日复一日，而且它的运动轨迹又随着四季变化而变化，这样太阳高度角和方位角总是变化的。另外大风与云雾天气的影响，也会改变太阳辐射强度和与太阳能电池板的相对位置。而一般太阳能电池板的朝向是固定的，就无法保证太阳光始终垂直照射在太阳能电池板上，太阳光得不到充分利用，转换效率降低，所需太阳能电池板面积增大，成本增加。目前在太阳能电池的价格仍过高的情况下，研制具有实用价值的太阳自动跟踪装置是降低光伏发电系统成本的主要途径之一。一般双轴跟踪系统可提高发电量35%左右，单轴跟踪系统可提高20%左右。5.1自动跟踪系统工作原理太阳的位置是由太阳高度角与方位角决定的，太阳能电池板必需绕两条不同方向的轴线运动才能精确地跟踪太阳，这就是双轴跟踪系统。单轴跟踪系统是指太阳能电池板以南北方向为旋转轴跟随着太阳自东向西运动，由于太阳俯仰角以一年为周期，变化量很小，所以只要每过一个月的时间手动调节一次太阳能电池板与南北方向的倾斜角就可以满足使用要求。可见，双轴跟踪系统跟踪精度高，可大大提高发电量，但是结构复杂，成本较高。单轴跟踪系统结构简单，控制简单，可靠性高，在功率较低的光伏发电系统中具有很高的性价比，所以本系统采用单轴跟踪系统。自动跟踪系统结构如图5.1所示，传感器将太阳的光信号转换成电信号，单片机内部集成的A/D转换器上转换成数字信号，单片机经过分析与比较，通过驱动电路来控制步进电机的转动与转向，从而带动机械传动机构，使太阳光始终垂直照射在太阳能电池板上，提高了太阳光有效利用率。自动跟踪系统要实现的工作过程是：从早上时开始跟踪太阳位置的变化，使聚光器始终接收到最强的太阳辐射，当太阳落下或者天空光线极差时，聚光器自动回复到朝向东方的初始位置，再检测到太阳升起或天空光线变强时，继续跟踪最强的光照.5.2传感器光敏二极管被用来探测太阳光的，安装的位置如图5.2所示。为了更充分利用太阳能，太阳能电池板与南北方向有个倾斜的角a(a与太阳高度角有关)，并以X轴(南北方向)为旋转轴跟随太阳自东向西运动。两只光敏二极管的底板是安装在太阳能电池板上面的，并被黑色隔板对称隔开。若太阳光从左侧射入，由于部分光线被黑色隔板挡住，左侧光敏二极管接收到的太阳辐射强度明显比右侧的强，单片机会控制电机让太阳能电池板向左旋转，直到太阳光垂直照射在太阳能电池板上，这样两只光敏二极管接收到的太阳辐射强度就是一样的了;若太阳光从右侧射入，同理，单片机会控制电机让太阳能电池板向右旋转，直到太阳光垂直照射在太阳能电池板上。这样就能使太阳光无论任何时候都垂直照射在太阳能电池板上，提高了光伏发电系统的发电量。光敏二极管的电路如图5.3所示。光敏二极管将光信号转换成电流信号，电流经过电阻R变成电压信号，然后经过电压跟随器送到单片机的A/D转换器上。单片机就是通过检测电压信号的大小来得到光敏二极管所接收到的光照强度。5.3步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的控制电机。当步进电机驱动器每接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机转动一个固定的角度。所以控制脉冲的个数就可以控制步进电机的角位移量，改变脉冲相序和脉冲频率就可以调整步进电机的转向与转速。步进电机具有控制方便、运行稳定可靠、步距误差无长期累积现象等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表和绘图机等自动控制系统中得到广泛应用。5.3.1步进电机主要参数太阳自动跟踪系统中步进电机型号主要根据以下几种参数来确定:①步距角:步距角是指每给一个脉冲信号电机转子所转过的角度。步距角可由以下公式求出:(5.1)其中，为转子齿数，N为运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍。可见，步距角是由转子齿数和运行拍数决定的。两相混合式步进电机转子齿数一般为50，四拍运行时步距角为1.8°,八拍运行时步距角为0.9°，太阳能电池板定位的精度要求不高，而且还有减速器，最小分辨角度折算到电机轴上的角度必大于步距角，所以选取两相混合式步进电机就满足设计要求。②定位转矩:电机不通电时，由电机内部永磁磁场产生的转矩以及克服摩擦力所需要的转矩之和，通常远远小于最大静