基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器毕业设计论文.docx

学号： 11034020219 毕业设计说明书基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器Off-grid photovoltaic inverter based on DSP2812学院 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气11-2 学生 指导教师（职称） 设计时间 2015 年 1 月 1 日至 2015 年 6 月 7 日广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书本人郑重承诺： 基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在 熊建斌指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日专业负责人批准日期 毕 业 论 文 任 务 书院（系）： 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班 级： 11-2班 学生： 学号： 一、毕业论文课题 基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器 二、毕业论文工作自 2015 年 1 月 1 日起至 2015 年 6 月 7 日止三、毕业论文进行地点 广东石油化工学院 四、毕业论文的内容要求 本设计研制的基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统。它采用Boost升压电路，将直流输入电压48V升压，再通过IPM模块实现全桥逆变，输出220V/50Hz的交流电。采用TI公司的高速DSP TMS320F2812作为主控芯片，实现数字控制。通过CAN现场总线或RS485与上位机进行网络通信，实现真正的智能化。 指导教师 接受论文任务开始执行日期 年 月 日 学生签名 摘 要由于环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找一种无污染，储备量充足的新能源已经成为全世界各个国家所关心的问题了。太阳能作为一种巨量的可再生能源，已经得到了人类越来越广泛的应用了。太阳能肯定是未来能源结构的基础，不论是从可持续发展之路还是解决能源供应问题，开发和利用太阳能都具有重大的战略意义。本课题主要研究的是离网型逆变器硬件电路设计，包括功率逆变电路、主控电路、电源电路设计。在功率逆变电路中，使用IPM模块作为功率模块，采用高频逆变的方式,即采用Boost升压电路，将直流输入电压48V升压，再通过IPM模块实现全桥逆变，输出220V/50Hz的交流电。采用TI公司的高速DSP TMS320F2812作为主控芯片，实现数字控制。通过CAN现场总线或RS485与上位机进行网络通信，实现真正的智能化。首先，介绍了光伏发电在国内外的发展现状，光伏发电的相关理论和光伏电池的数学模型的搭建。其次，介绍了光伏发电系统的组成，光伏逆变器的主回路和二次回路的设计，包括各个模块的设计。最后，介绍了光伏逆变器的软件设计部分，包括每个程序的设计过程。关键词：DSP2812；太阳能发电；离网型光伏逆变器 AbstractAbstractBecause of the energy shortage and environmental pollution problems become more and more serious，looking for a clean, abundant new energy reserves has become an issue of concern to all countries of the world. Solar energy as a huge amount of renewable energy, it has been more widely used of mankind. Solar certainly is the basis for the future energy mix, whether from the road of sustainable development or solve the energy supply problem, development and use of solar energy are of great strategic significance.The main research topic is off-grid inverter hardware circuit design, including the power inverter circuit, control circuit, a power circuit, sampling conditioning circuit, communication interface circuit design. Using the power inverter circuit IPM as the power module, high frequency inverter approach, which uses Boost circuit, 48V DC input voltage boost, and then through IPM to achieve full-bridge inverter module output AC 220V / 50Hz in. Using TIs high-speed DSP TMS320F2812 as the master chip that to realize the digital control. Network communication via CAN fieldbus or RS485 with the host machine, to achieve real intelligentFirstly, the development status at home and abroad to build a photovoltaic power generation photovoltaic cell theory and mathematical models of photovoltaic power generation.Secondly, the design of PV system components, photovoltaic inverter main circuit and the secondary circuit, including the design of each module.Finally, the software design of PV inverters, including each programs design processKey words: DSP2812 ；solar power ；off-grid PV inverter1目 录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外现状11.2.2国内现状21.3 论文主要研究内容31.4 本章小结3第二章 光伏发电系统42.1 光伏发电系统的组成42.2 光伏发电系统的分类42.3 本章小结7第三章 光伏电池83.1 光伏电池的工作原理83.2 光伏电池的分类83.3 太阳能电池组件83.3.1 光伏阵列的基本组合93.3.2 光伏阵列的分类103.4 光伏电池的数学模型113.5 最大功率点跟踪143.5.1 经典MPPT算法的稳态特性分析153.5.2 几种常见的最大功率点算法173.6 本章小结19第四章 光伏逆变器的主电路设计204.1 离网型光伏逆变器的基本结构204.2 逆变器的主要指标204.3 Boost电路的设计214.4 输入滤波电路的设计224.5 单相全桥逆变电路224.6 正弦波脉宽调制波的产生方式244.7 LC输出滤波电路254.8 本章小结26第五章 光伏逆变器的二次回路设计275.1 辅助电源的设计275.2 系统检测和与保护电路设计285.2.1直流电压采样电路285.2.2 交流电压与频率的采样295.2.3 温度检测电路295.2.4 功率驱动模块（IGBT）305.2.5 保护电路设计325.3 本章小结33第六章 光伏逆变器的软件设计356.1 主程序设计流程356.2 SPWM程序的设计366.3 A/D中断程序的设计376.4 本章小结39结束语40参考文献41致谢42第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题背景及意义在当今社会中，能源与环境的关系已经成为了社会可持续发展所要解决的主要问题了。能源是社会发展所必不可少的，但我们所拥有的资源是有限的，总有一天会消耗殆尽，我们所拥有的能源远远不能满足社会可持续发展的需求。就像我们平时接触最多的石油、天然气来说，全球石油储量只能够我们用多十年，天然气也最多几十年而已，就算是煤炭资源也只能再维持二、三百年，更加别提其他的资源了1。另外传统能源所带来的环境问题是不可忽视，就比如说雾这一现象，已经严重影响到了人们的正常生活了，每年都会有数不清的有害物质排向天空，使整个空气环境受到了严重的污染，对我们的生活起居都带了了很多影响；有些严重的地方还会形成酸雨区，影响人类的健康和生态的平衡。同时，因为过度的使用煤炭资源，导致大量的CO2向空气中排放，导致了温室效应的产生，使全球天气恶化的趋势越来越快了。可再生能源的开发顺应社会发展的潮流，其中太阳能作为一种非常重要的可再生能源，越来越受到了世界各国的关注。太阳能是一种非常理想的清洁能源，特别是在我国太阳能比较丰富的地方，我觉得太阳能应该得到重视。太阳能光伏发电对能源结构的调制、生态环境的保护等方面都发挥着比较重要的作用。太阳能光伏发电是朝阳产业，它拥有不可估量的发展前景，就现在而言，世界各国都大力倡导太阳能产业的发展，就足以证明光伏发电产业的潜力是无穷的。通过开发可再生能源也能够有效地解决能源与环境的问题，贯彻社会经济可持续这个目标2。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外现状进入21世纪以来，太阳能光伏发电产业得到了长足的发展，在全世界各个国家都相应地制定了相关的太阳能光伏发电的政策。太阳能光伏发电市场也从最开始用于边远农村和特殊场合下使用，发展到并网发电这个方向发展，光伏发电产业的地位得到了改变，太阳能现在已经慢慢变成了替代能源而不再是补充能源了3。美国是经济大国，在发展光伏发电产业上也是一样的，在大家还没意识到能源的重要性的时候，美国已经制定了相关的发展规划了，并且政府还制定了相关的财政补贴的政策，让光伏发电产业得到了快速的发展，美国光伏发电产业能发展的这么迅猛很大一部分要归功于政府的支持。不说美国这种超级大国，就说说我们的邻居日本，日本也早在1974年开始了相关的光伏发电产业的计划，并投资了大量的资金进去，逐渐成为了光伏产业的领跑者。日本在完成计划之后并没有停止发展的脚步，反而是再接再厉，制定了新的计划。在光伏发电产业的发展这方面日本已经走在了我们的前面。欧洲各国也早早开始了光伏发电产业的发展4。如德国在1993年的时候就有政府支持发展光伏发电产业计划，而且他们的发展速度完全超出了政府的预期，德国政府只好在1999年的时候又制定了新的发展计划。1.2.2国内现状我国在太阳能光伏发电技术的研发上花费了很大的精力，相应地我国也取得了长足的进步，现在已经成为了高速、稳定的朝阳产业。并且在我国还专门颁布了相关的法律法规来支持可再生能源的发展。我国的光伏发电的历史可以追溯到几十年前，在那个时候我国正处于高速发展的时期，先后从国外引进了先进的技术和生产线，导致我国的太阳能电池生产的能力得到了质的飞跃，从原来的几百瓦提升到几兆瓦。引进这些先进设备的主要是来自政府或者大型企业，小型企业并没有得到很大的提升空间。在2000年后，太阳能光伏的产业在全世界得到了高速的发展，在整个环境的影响下，我国的光伏的产业也得到了显著的发展。进入21世纪以来，我国太阳能光伏发电产业已经进入到了一个飞速发展的阶段，同样的世界的光伏发电产业也在高速发展当中5。经过近三十年的艰辛探索，我国的光伏发电产业也形成了自己的规模，但在总体上和国外光伏发电产业发达的国家相比还是存在着比较明显的差距。我国的光伏发电产业的生产规模相对较小，技术水平也相对较低，在各个方面都存在明显的差距；而且我们有很多的材料仍要从国外进口，缺乏自主性。国外发展大多都有政府扶持，在我国这样的政策和措施都比较少。我国的太阳能资源十分充裕，适宜光伏发电的面积也很大，全国有三分之二以上的地方，年日照时间都在2000小时以上，所以说我们有很好的先天条件，只要我们利用好了，这将是一笔无价之宝。1.3 论文主要研究内容本设计研究的基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器的设计。它采用的是Boost升压电路，将直流输入电压48V升压，再通过IPM模块实现全桥逆变，输出220V/50Hz的交流电。采用TI公司的高速DSP TMS320F2812作为主控芯片，实现数字控制。通过CAN现场总线或RS485与上位机进行网络通信，实现真正的智能化.具体安排章节如下：第一章：主要介绍了本设计的选题背景和意义，以及光伏发电产业在国内外的发展现状；第二章：主要介绍了光伏发电系统的相关理论；第三章：主要介绍了光伏电池的相关理论以及数学模型的搭建；第四章：主要介绍了光伏逆变器主电路的设计；第五章：主要介绍了光伏逆变器二次回路的设计；第六章：主要介绍了系统软件设计的部分；结束语：对整个系统的设计进行总结和归纳，指出不足和需要改进的地方。1.4 本章小结这一章主要是介绍了本次毕业设计的选题背景和意义，同时还介绍了光伏发电产业在国内外的发展现状，并对光伏发电产业未来的发展前景做了分析。41广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器第二章 光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统（PV System）是一种将太阳能转化成电能的发电系统，它的工作原理是运用了光生伏特效应。白天，当日照强度达到一定程度的时候，太阳能电池阵列就会开始直接向负载提供能量，或者是将少部分电能直接输送到公共电网。晚上或者没有阳光的天气的时候，太阳能电池阵列输出的能量非常小并不足以支撑负载工作，这时候就要通过蓄电池向负载提供电能。负载可以是直流的，也可以是交流的。如果负载是直流的，则发电系统会直接对负载进行供电；如果是负载是交流的，则电池输出的直流电由直流/交流电路逆变，然后向负载提供能量。基本的光伏系统（PV System）是由太阳能电池阵列（Solar arrays）、控制器（Controller）、变换器（Converter）、逆变器（Inverter）和蓄电池（Battery）这几部分组成的6。光伏电池阵列毫无疑问是整个系统的核心，它的主要功能是将太阳能转换为电能，然后将电能储存起来或者直接供应给负载使用。 控制器的主要功能是控制整个光伏电池阵列的工作状态，保证光伏电池始终工作在最大功率点上面，同时它还能控制蓄电池的充放电过程，还能保护蓄电池和负载。变换器的作用就是将光伏电池提供的直流电压变换成适合负载使用的电压。逆变器是作用是将直流电压逆变成交流电压，然后再提供给负载使用。在白天光照充足的时候，光伏电池会产生大量的电能，一部分能量是直接提供给负载的，还有少部分的能力则会储存在蓄电池中，等到天气不好了或者光照不足的时候使用，这时候蓄电池就会提供能量给负载，系统的稳定性得到了保障。2.2 光伏发电系统的分类光伏发电系统根据系统自身的结构特点、系统所处的环境、输出容量和本地负载容量，可以把光伏发电系统分为离网型光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统7。并网光伏发电系统是指将光伏电能馈送给公共电网，与公共电网相连的光伏发电系统。在这个光伏发电高速发展的阶段，并网光伏发电系统逐渐成为了发电系统的核心部分，是太阳能光伏发电的未来发展的主要方向。并网光伏发电系统有两种类型，一种是有带蓄电池组，另一种是不带蓄电池组的。带蓄电池组的并网发电系统叫做可调度式的并网光伏发电系统，这种系统具有不间断工作电源的作用，还可以调节功率，控制电网电压，清除高次谐波分量，从而达到提高电能的质量的目的；不带蓄电池组的并网发电系统我们叫做不可调度式的并网光伏发电系统，该系统是将太阳能电池提供的直流电能逆变成和公共电网电压同频的、同相的交流电能再输送到公共电网；当太阳能电池阵列提供的电能不能满足负载的需求时，电网将自动向负载提供电能，以保证负载的正常运行。并网光伏发电系统是由光伏电池阵列、直流/交流变换器、直流/直流变换器、控制器和电网这五个部分组成的。从提供给负载和系统稳定的能量的条件出发，在直流/直流变换器输出端需要连接上蓄电池组。典型的并网光伏发电系统结构示意图如图2.1所示：图2.1 并网光伏发电系统离网型光伏发电系统是指那些不与公共电网相连接的系统，主要在一些远离公共电网的地区和一些比较特殊的场所使用的。比如一些比较偏僻的农村、偏远的山区，就是那些公共电网难以覆盖到的地区，离网型光伏发电系统可以为其提供照明、电视广播等所需的基本生活用电。另外像边防哨所、气象站、通信站等特殊场所也会使用离网型光伏发电系统8。离网型独立光伏发电系统主要包括光伏电池组件方阵、蓄电池组、控制器、直流/交流变换器和负载等部分。典型的离网型光伏发电系统的结构示意图如图2.2所示：图2.2 离网型光伏发电系统离网型光伏发电系统的应用范围非常广泛，再加上太阳能光伏发电系统具有操作方便，可靠性较高，维护起来比较简便等优点，常常用来为一些供电不稳定的场所供电。比如光纤通讯系统、微波中继站、卫星通讯、部队通讯系统、铁路信号系统、灯塔电源、海洋浮标电源、气象台站、水文观察、污染检测等灾害测报仪器电源等。混合型光伏发电系统是指在原有的基础上再增加一组发电系统，以保证系统的稳定性。增加一组发电系统可以解决光伏发电系统受环境变化而造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续和不稳定的问题。最常见的混合型光伏发电系统就是风光互补系统，系统结构框图如图2.3所示：图2.3 混合型光伏发电系统在一般情况下，白天日照较强，夜间风较多。在夏季日照较强，风较少；冬季日照强度小，风较多。风能发电和太阳能发电都各自具有特点，将两种方式联合起来，具有很好的互补性。我们利用太阳能、风能的互补特性，可以大大提高系统供电的稳定性和可靠性；在保证供电稳定的情况下，还可以大大减少蓄电池的容量；混合型光伏发电系统基本上都是由风-光系统供电，不需要另外准备备用电源和备用电机，短时间内可以获得较好的经济效益。但是，风-光互补联合系统还是存在一些比较明显的缺点的，如系统一次性投资的成本较大，而且还需要定期更换蓄电池等。2.3 本章小结这一章主要介绍了光伏发电系统的相关概念，还有光伏发电系统的分类，详细介绍了每一种光伏发电系统的构成和优势。广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器第三章 光伏电池3.1 光伏电池的工作原理在太阳能发电系统中，太阳能电池的作用是将太阳能转化成电能的，太阳能电池阵列是由多个特性相同的太阳能电池经过串并联后组成的，一般是都由半导体材料制造而成的，它的特性与二极管比较类似。太阳能电池实际上就是一个PN结，PN结在平衡状态的时候，中间处会有个耗散层，里面有着势垒电场，最终形成一个方向由N指向P的电场。当太阳光照射到PN结的时候，就会产生少量的电子和空穴对，N区就会有过剩的电子，这时候就会形成光生电动势，它的方向与势垒电场方向是相反的。光生电动势会使P区和N区分别带正电和负电，进而产生光生伏特效应。根据这个原理，我们如果用导线将两个电极相连接，就会产生“光生电流”，从而产生电能9。3.2 光伏电池的分类光伏电池大多数都是用半导体固体材料制作而成，还有一部分是用半导体加电解质的光电化学电池。经过这么多年的发展，光伏电池的种类已经非常多了，无论是采用哪一种材料生产太阳能电池，对于材料的要求大概是这样的：半导体材料的禁带不可以太宽；要有比较高的光电转换效率；材料本身不会对环境造成污染；材料要便于生产，而且性能要稳定，不易出现问题。按电池结构分类，太阳能光伏电池可以分为异质结太阳能光伏电池、同质结太阳能光伏电池、肖特基太阳能光伏电池、薄膜太阳能光伏电池、叠层太阳能光伏电池和湿式太阳能光伏电池。按电池材料分类，光伏电池可以分为硅太阳能电池、非硅半导体太阳能光伏电池、有机半导体太阳能光伏电池10。3.3 太阳能电池组件太阳能电池板采用的是高晶硅材料，并采用了强度高、透光性强的太阳能专用钢化玻璃和高性能、抗紫外线的专用密封材料层压制成的，可以在雨雪、温度聚变的恶劣环境下正常使用。太阳能电池最基本的形式是以模块的形式出现，单个模块的输出功率可以是几瓦到几百瓦，多种规格可任意搭配选用。在最近又出现了一种新型的太阳能电池AC模块，它的特点是内置逆变器，可以输出交流电能，有的甚至还具有控制器的功能，可以随着光照强度的变化保持很高的转换效率。这样虽然增加了逆变器的成本，但对提高发电量更有用处11。3.3.1 光伏阵列的基本组合单体光伏电池是太阳能光伏电池的最基本单元，它又可以叫做太阳能光伏电池片。在用光伏电池供电的系统中，太阳能光伏电池片容量比较小，输出电压也只有零点几伏、输出功率也只有一瓦左右。不能满足一般负载用电时的需求，也不方便安装和使用，所以不会单独使用光伏电池片。一般情况下我们都要将单体的太阳能电池进行串、并联构成组合体来满足负载的要求，组合体通过工艺流程将其封装在透明的盒子里，将正负极线引出，就可以单独发电使用了。太阳能光伏电池模块组件（module）指的是封装前的组合体，而太阳能电池组合板（简称光伏电池板）指的是封装后的组合体。光伏电池的最基本单元是工程上经常使用到的光伏电池板，它的输出电压一般比较低，在十几伏到几十伏之间。另外我们可以将若干个光伏电池板再串、并联组成大功率的供电装置，从而满足负载的要求，这种装置我们叫做光伏阵列。在构成光伏阵列的时候，我们需要考虑负荷的用电量、电流、电压、功率和光照强度等，来确定我们所需的太阳能光伏电池的串、并联的数量。当将光伏电池板串联起来使用的时候，单个太阳能电池组件工作电压之和就是总的输出电压，而总的输出电流等于该电池组件的电流。所以我们在选择的时候要选择工作电流相等或近似相等的太阳能电池组件串联使用，以免造成电流的白白浪费。将电池组件并联使用的时候，各个电池组件工作时的电压的平均值就是总的输出电压，而各个电池组件工作电流相加就是总的输出电流。确定光伏电池板串联数和光伏阵列总的输出电压的时候，首先要考虑的是负载电压的需求，然后需要考虑蓄电池的浮充电压、温度和控制回路的影响。如果总的输出电压低于所需要的电压，就可能会出现太阳能光伏电池只有电压输出没有电流输出的现象，所以我们在计算电池组件串联数量的时候，要给系统留一些余量，但也不能把串联级数定的太高了，会造成严重的浪费。最佳的方法就是让电池组件尽量工作在伏安特性曲线的最大工作点的位置。确定光伏电池板并联数和光伏阵列总的输出电流的时候，首先要考虑的是系统平均每天的耗电量、当地的天气情况，同时还需要考虑蓄电池组的充电效率、电池表面磨损程度和电池老化所带来的不良因数。一般情况下，光伏电池组件的蓄电池的充电电流就是光伏电池组件的并联数乘以每一支路的最佳工作电流。太阳能光伏阵列的主要性能指标如表3.1所示：表3.1 光伏阵列的主要性能指标名称单位定义输出功率PW光伏阵列一天内为负载提供的有效平均功率或峰值功率输出能量EWh光伏阵列在一天内所产生的能量，即为功率对时间的积分输出安培小时EAh能量的另一种表示方法，主要用于蓄电池提供的光伏阵列效率功率效率p%光伏阵列功率输出与太阳能输入之比能量效率e%光伏阵列能量输出与太阳能输入之比重量（质量）mkg表示该光伏阵列所含材料的多少成本元表示该光伏阵列的经济效应功率密度W/m2表示该光伏阵列单位面积的功率能量密度Wh /m2表示该光伏阵列单位面积的能量质量密度kg/m2表示该光伏阵列单位面积的质量单位成本元/W表示该光伏阵列单位功率的成本3.3.2 光伏阵列的分类光伏阵列的种类有很多，我们可以根据不同的分类标准对太阳能光伏阵列进行分类。按外形结构来分类的话，光伏阵列主要有平面式光伏阵列、曲面光伏阵列以及聚光太阳能光伏阵列；以安装形式来分类的话，可以分为固定安装光伏阵列、定向安装光伏阵列和加固太阳能光伏阵列；按使用场合来分类的话，则可以分为地面太阳能光伏阵列、高空光伏阵列、宇宙光伏阵列以及潜水光伏阵列。下面介绍几种常用的光伏阵列12：1) 平板光伏阵列，就是将多个电池单元按照平板结构组装在一起，并将所有的光伏电池都要朝同一个方向。这种光伏阵列是直接收集照射的太阳光的，光伏阵列可以固定安装，也可以安装成定向模式的。这种光伏阵列的组装的技术已经成熟，而且安装非常便捷、维护方便，所以在市场上应用是最为广泛的。2) 曲面光伏阵列，这种光伏阵列是直接将光伏电池片贴在场地上或物体上的。电池片可以贴在不规则的表面上，电池片可以贴在凸面，也可以是凹面。因为这种阵列的安装方式较为复杂，遮挡太阳的概率比较高，所以适用于高科技的场合，如飞行器、附加太阳跟踪装置等。3) 聚光式太阳能光伏阵列，这种光伏阵列就是通过反射镜或折射镜将太阳光聚集到光伏电池片上。它的特点是可以增强太阳光的强度，还可以用少量的电池得到大量的电能，但随之也会带来问题，如电池板的工作温度会升的很高，很容易使电池板烧坏。从光伏阵列的制作和安装成本来说，这种方式要比平板固定式价格上便宜一些；但因为它还要附加太阳跟踪装置，这些跟踪装置的维护和光伏阵列在高温下共组的可靠性都是不大不小的问题。4) 固定安装光伏阵列，是将光伏阵列固定安装在地面结构上或者飞行器上。它的特点是这种光伏阵列表面和太阳光之间的角度是连续不断变化的。5) 定向安装光伏阵列，这种光伏阵列是将光伏电池安装在特定的定向装置上，光伏电池表面是跟着太阳一直在旋转的，以此来获得最大的功率输出。这种定向装置又称为太阳能跟踪器，太阳能跟踪器可以分为单轴跟踪和双轴跟踪两种，跟踪运行可以是连续的，也可以是间歇的。3.4 光伏电池的数学模型1) 光伏电池的数学模型13：通过半导体电子学理论，我们可以知道光伏电池的等效电路如图3.1所示：图3.1光伏电池等效电路当光照强度一定的时候，可以把光伏电池看作是一个恒定电流源，二极管的正向电流和并联电阻电流ISR都是由光电流IL提供，剩余的光电流是通过串联电阻RS输出给负载的，并在负载端产生电压U。根据图中的电流电压的参考方向，光伏电池的I-U方程为： (3.1)式中：IL-光电流，单位（A）；I0-二极管反向饱和电流，单位(A)；q-电子电荷（C）；A-二极管因子；K-波尔兹曼常数（J/K）;T-太阳能电池输出电流，单位(A)；RS-串联电阻，单位()；RSR-并联电阻，单位()；I-太阳能电池输出电流，单位(A);U-太阳能电池输出电压，单位(V)。2) 光伏电池的简化分析模型：在现实的太阳能光伏电池中，因为期间的瞬时响应时间远远小于太阳能光伏系统的时间常数，所以我们在分析的时候通常是忽略结电容Cj；将电阻并联的时候阻值一般较大（兆欧级）；将电阻串联的时候阻值一般比较小（零点几欧）。所以根据具体情况，光伏电池的I-U方程可简化为： (3.2)或 (3.3)简化的模型结构分别如图3.2（a）和3.2（b）所示:（a）忽略串联电阻等效电阻 （b）忽略并联电阻等效电路图3.2 光伏电池简化模型（1）通过对光伏电池数学模型的分析可以得出一个结论，光伏电池的输出是一个复杂变量，它会随着光照条件和温度等因素而变化。在一定的温度和日照强度条件下，光伏电池所呈现的伏安特性就是光伏电池的输出特性，输出电压和输出电流之间的对应关系，我们通常简称为I-U特性曲线。因为电池温度、光照强度等因素都会对光伏电池的特性产生较大的影响，所以我们在测试光伏电池的性能的时候，需要制定出一个标准的测试条件。我国应用的标准测试条件为：日照强度1KW/m2,电池温度为25，太阳辐射光谱为AM1.5。 图3.3(a) 图3.3（b）图3.3(c)图3.3 光伏电池输出特性其中：图3.3（a）光伏电池典型输出特性曲线图3.3（b）温度一定，日照强度对输出特性的影响图3.3（c）日照强度一定时，温度对输出特性的影响。开路电压（UOC）：标准条件下所能输出的最大电压；最大功率点电压（Um）：标准条件下最大功率点的电压；短路电流（ISC）:标准条件下所能输出的最大电流；最大功率点电流（Im）：标准条件下最大功率点的电流；最大功率点功率（Pm）：标准条件下输出最大功率Pm=Um*Im。由上图我们可以看出：光伏电池即不是恒流源，也不是恒压源。但是，当光伏电池输出电压较小的时候，伴随着着电压的变化，输出电流的变化也会变得很小，光伏电池可以近似看成是一个恒流源；当光伏电池输出电压超出最大功率点电压的时候，输出电流也会随着急剧下降，光伏电池又可近似看成是一个恒压源。当光伏强度和电池温度一定的时候，系统将会有唯一最大输出功率点Pm（其左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段）。（2）日照强度和温度对太阳能光伏电池的输出特性的影响光伏电池的I-U特性曲线与日照强度和电池温度有关。图3.3（b）是当温度一定时，日照强度分别为200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2时太阳能光伏电池的输出特性曲线。从图中我们可以看出，当温度一定的时候，光伏电池短路电流ISC是随着日照强度的增加而增加的，与日照强度是成正比；开路电压是随着日照强度的增加而小幅增加，增加的幅度很小。图3.3（c）是当日照强度一定时，电池处于不同温度的时候，光伏电池的输出特性曲线。从中可以看出，随着电池温度的升高，光伏电池的短路电流ISC略微增加，而光伏电池开路电压Uoc降低。由上面的三条特性曲线我们可以得出结论，当日照强度一定时，温度的变化对电池的短路电流基本没有影响，但是随着温度的升高，光伏电池的开路电压Uoc的数值有显著的降低。另外我们还能知道可见光的光电转换效率受到温度的影响还是比较大的。3.5 最大功率点跟踪光伏阵列输出特性具有很多特征，其中一个就是其具有非线性特征，它的输出是受光照强度、环境温度等因素的影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以在不同的输出电压下工作，但是只有在一个点上太阳能光伏电池的输出功率才可以达到最大值，这点就是光伏电池输出功率电压曲线的最高点，我们称之为最大功率点（MPP）。所以，在光伏发电系统当中想要提高系统的效率，最有效的办法就是时刻调整光伏电池的工作点，让它始终工作在最大功率点附近，这种方法我们称之为最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）7。3.5.1 经典MPPT算法的稳态特性分析我们从光伏阵列在不同光照强度下的输出功率电压特性曲线图中可以看到，每条曲线都会有一个最大功率输出点的存在，并且这个最大功率点在光照强度是确定的条件下是唯一的。在实际应用中，我们所用的“上山法”就是利用了最大功率点dP/dU为零的这一特性。“上山法”的具体步骤是：先对太阳能光伏阵列进行采样，对它的输出电流和电压进行连续的采样，并且将每一次采样的一组数据相乘换算成成功率值，然后再减掉上一次采样得到的功率值，得到的就是功率差分值。当功率达到最大值时满足式（3.4），同时还可以推得式（3.5）。 (3.4) (3.5)令 (3.6) (3.7)则当U=I时，即可近似认为达到最大功率点，这样就构成了最经典的一阶算法。在实际的应用中，我们需要对太阳能光伏阵列的输出电压和电流进行连续采样。为了避免一些不可预测的干扰出现，将每次采样的电压和电流数值进行求平均值的操作得到一组电压电流数据，并且减掉上一次平均得到的电压和电流值，就可以得到电压和电流差分值，分别记作dI(k)和dU(k)即： (3.8) (3.9)然后按照上面的式(3.8)和式（3.9）分别计算和，它们具有功率的量纲，可以记做功率差分。 (3.10) (3.11)通过比较和的大小我们可以确定太阳能光伏阵列的工作区域。如果，太阳能光伏阵列的输出功率已经达到了最大功率点的首要条件了，我们可以大致地认为系统已经工作在最大功率点上了；如果，就说明太阳能光伏阵列输出功率增大的方向就是电压增大，电流减小的方向，即系统工作在恒定电流区域以内，这时候我们必须降低系统的有功输出，系统才能重新工作在最大功率点上；如果，则说明太阳能光伏阵列输出功率增加的方向是电流增加，电压减小的方向，即系统工作在恒定电压区域以内，这时候必须增加系统有功输出，系统才能重新工作在最大功率点上。上述具有一阶差分方法的最大功率的跟踪控制的“上山”算法框图如图3.4所示:图3.4 最大功率点控制算法框图在图3.4的算法框图中，Uref代表的是系统输出有功指令，C代表的是输出有功变化的步长。我们在对多点采样值进行平均值得计算的时候，通过比较和判断后再确定当前的工作频率，同时输出相应的控制指令作为一个控制循环。当电压功率差分值等于电流功率差分值的时候，可以认为外部状态没有改变，系统仍然工作在最大功率点；当电压功率差分值大于电流功率差分值的时候，说明当前的光照强度有所减弱导致光伏阵列的输出功率下降，这时候应该降低系统的输出有功，从而满足阵列最大功率输出的要求。当电流功率差分值大于电压功率差分值的时候，说明当前的光照强度有所增强，应该相应地增加系统输出有功使得光伏阵列总能以最大功率输出。3.5.2 几种常见的最大功率点算法下面介绍几种常用的最大功率点的算法14：1) 电压反馈法光伏阵列是一种非线性的电源。由恒电流区域与恒电压区域组成它的输出特性，这两个区域的交点就是系统的最大功率点。在不同的光照强度下，光伏阵列都会唯一存在一个最大的功率输出点。恒定电压跟踪法是一种稳压控制，此方法是通过调整太阳能光伏电池在某一照度及温度下的最大功率点的电压大小，让它的电压与测试的电压相符合，从而达到最大功率点跟踪的效果。不过，这种方法也存在很明显的缺点，最大的缺点是当气候大幅变化的时候，系统不能自动识别并跟踪到最大功率点，这样会造成大量的能源消耗。对于那些早期的太阳能光伏电池来说，因为外太空中的温度变化较小，所以电压反馈法是一个解决问题的好办法。但是，随着太阳能光伏电池的迅猛发展，另外大气环境也发生了很大的变化，使得最大功率点变化无常，这种方法便已经不符合我们现在的需求，所以电压反馈法已经很少用在了最大功率点跟踪上了。2) 电导增量法电导增量法（导纳微分）的基本理念是与功率反馈法时相同的，其出发点为dU/dI=0这个逻辑判断式，其中的功率（P）可由电压（U）与电流（I）表示。 (3.12) (3.13) (3.14)式中，dI表示增量前后测得到的电流差值；同理，dU表示增量前后测量到的电压差值。因此，通过测量增量值（dI/dU）与瞬间太阳能光伏电池的电导值（），我们可以决定下一次的扰动，当增量值和电导值符合式（3.14）要求的时候，表示系统已经达到最大功率点了，不用再进行下一次扰动，这就是电导增量法的基本工作原理。如图3.5所示：虽然电导增量法仍然是以改变太阳能是以改变太阳能光伏电池输出电压来达到最大功率点，但是通过修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象，可以使它更能适应多变的气候环境。就理论上而言，这种方法的理论推导是完美的，但是实际情况下，传感器往往无法达到我们所要求的精度，所以误差是没办法避免的。所以式（3.14）发生的机率是比较小的，这就意味着这种方法在实际情况中跟理想状态下还是存在很明显的差别，所以这种方法存在很大的误差。由此可见，扰动观察法与电导增量法是差不多的，这两种方法存在的误差都很大，差别只在于逻辑判断与测量参数的取舍。电导增量法是借着修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象，使其更能适应变化的日照强度和温度。这种控制算法实现起来相对复杂，而且检测精度和速度在一定程度上会影响跟踪精度和速度，同时，电导增量步长的选取也会影响跟踪误差的大小和速度。图3.5 电导增量法的控制流程图3) 扰动观察法扰动观察法也称爬山法（登山法），它的结构简单，且需要测量的参数较少，所以它被普遍地应用在太阳能光伏电池的最大功率点跟踪上。通过周期性的增加或减少负载的大小，以改变太阳能光伏电池的端电压及输出功率，并观察、比较负载变动前后的输出电压及功率的大小，以决定下一步的增、减负载动作。假设输出功率较变动前大，则负载继续朝同一方向变动：反之，若输出功率较变动前小的话，则表示我们需要在下一周期改变负载变动的方向。如此反复地扰动、观察及比较，让太阳能光伏电池到达它的最大功率点，这就是扰动和观察法的基本工作原理。但是，这种方法是通过不断改变太阳能光伏电池的输出电压，从而来跟踪最大功率点的，当达到最大功率点附近的时候，扰动是不会停止，会在最大功率点左右振荡，这样会造成能量的大量损失，同时会降低太阳能光伏电池的效率。尤其是在天气环境变化比较缓慢的时候，能量损耗的情况会更加严重，这是扰动与观察法的最大缺点和不足。虽然我们可以缩小每次扰动的幅度，不过当温度剧烈变化的时候，这种做法会使跟踪到新的最大功率点的速度变慢，这时候会有大量的能量被白白浪费掉，因此当我们采用扰动与观察法的时候，扰动幅度的大小就要让我们自己做出取舍。扰动观测法控制流程图如图3.6所示：图3.6 扰动观测法控制流程图3.6 本章小结这一章主要详细的介绍了光伏电池的相关概念，以及它的分类，同时还介绍了光伏电池的数学模型；介绍了最大功率跟踪点法和几种常见的最大功率点算法。广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器第四章 光伏逆变器的主电路设计4.1 离网型光伏逆变器的基本结构离网型光伏逆变器主要是由一次回路和二次回路两部分组成的，该设计采用了双电源供电的模式，其中主回路由输入滤波电路、单相全桥逆变电路和输出滤波电路等组成，辅助回路主要有TMS320F2407A控制电路、信号检测电路等组成。如图4.1所示：图4.1 离网型光伏逆变器的结构方框图主回路是通过输入滤波电路对输入的220V直流电进行滤波处理，采用全桥逆变进行逆变处理，输出SPWM波，经过工频变压器升压，输出260V的交流电再经过输出滤波器的滤波，输出50Hz220V的交流电。4.2 逆变器的主要指标太阳能光伏发电系统中逆变器在可靠性和转换效率上都有很严格的要求，按照这个要求本文设计的逆变