太阳能光伏发电毕业设计说明书

目录 1 前言 . 1 1.1太阳能发电应用的背景 . 1 1.2 光伏发电的现状及发展 . 1 1.2.1 国内光伏产业发展现状和趋势 . 1 1.2.2 世界光伏产业发展的现状和趋势 . 2 1.2.3 研究的意义 . 2 1.3本课题所研究的内容 . 3 2 太阳能光伏发电工作方式及系统组成 . 4 2.1 太阳能光伏发电系统的组成 . 4 2.2 光伏发电系统的工作方式 . 5 2.2.1 独立运行方式 . 5 2.2.2 并网运行方式 . 5 2.2.3 混合运行方式 . 6 2.3光伏阵列 MPPT 跟踪控制 . 6 2.3.1光伏阵列输出特性 . 6 2.3.2 MPPT 控制方法 . 8 2.4并网单独运行的检测与孤岛效应防止 . 10 2.5并网数字锁相 . 11 3 单元模块设计 . 12 3.1各单元模块功能介绍及电路设计 . 12 3.1.1 防反接电路 . 12 3.1.2辅助电源电路 . 13 3.1.3由 IR2101 进行驱动的 BUCK降压电路 . 14 3.1.4推挽升压整流电路 . 15 3.1.5 SG3525 驱动电路 . 16 3.1.6DC/AC 逆变电路 . 16 3.1.7TLP250 构成的隔离驱动电路 . 17 3.1.8直流电压电流取样电路 . 18 3.1.9交流电压取样电路 . 19 3.1.10电网电压同步信号采样电路 . 20 3.1.11最小系统电路 . 20 3.2电路参数的计算及元器件的选择 . 22 3.2.1蓄电池的选择 . 22 3.2.2光伏电池的选择 . 23 3.2.3主要功率开关管的选择 . 23 3.2.4直流电压传感器的选择 . 24 3.2.5直流电流传感器的选择 . 25 3.2.6交流电压传感器的选择 . 26 3.3特殊器件的介绍 . 26 3.3.1芯片 SG3525的介绍 . 26 3.3.2单片机 STC12C5A60S2的介绍 . 27 3.4高频变压器的设计 . 30 3.4.1磁芯几何尺寸的设计 . 30 3.4.2变压器线圈匝数的计算 . 32 3.5各单元模块的联接 . 34 4 软件设计 . 35 4.1软件设计原理及设计所用工具 . 35 4.2主要软件设计流程框图及说明 . 35 4.2.1系统总体软件流程图 . 35 4.2.2扰动观察法（ MPPT）软件流程图 . 36 4.2.3主动频率扰动法（ AFD）软件流程图 . 37 5 系统调试 . 39 6 结论 . 42 7 总结与体会 . 43 8 谢辞 . 44 9 参考文献 . 45 附录 1：系统总设计图 . 46 附录 2：系统相关程序 . 48 附录 3：外文资料翻译 . 55 第 1 页 1 前言 1.1 太阳能发电应用的背景 在突飞猛进的今天， 我们主要是以煤炭、石油和天然气 等化石能源 作为我们日常的主要能源 。然而经过人们几千年，特别是最近几百年的消耗，这些化石能源已经被消耗了相当大的比例，如果按照现在这个消耗速度发展下去的话，随着世界经济的快速发展以及人口的剧烈增加和生活水平的提高，有朝一日地球上的化石能源会被消耗殆尽。 由此可见， 对于能源匮乏的今天，我们必须清楚，以石油为主要能源的日子即将不复存在了 。因此，我们必须提前准备，未雨绸缪，找到一种新能源来替代化石能源。并且，以石油为主的化石能源的大量开发和使用用是造成我们生存环境日益恶劣的主要原因之一 ，例如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳气体和含硫氧化物是直接导致温室温室效应的发生以及酸雨的产生， 据有关统计全世界每天都会产生大约 1 亿吨的温室效应气体，如果我们不及时对温室气体采取相应的减排措施，科学家预计，全球的平均气温每隔 10 年将会提高 0.2，到了 2100 年全球的平均气温将会提高 13.5，这个数字对我们来说 很 恐怖，这无疑不将对我们的生存空间带来威胁。在 21 世纪，社会和国家面临着经济和文化的可持续发展双重挑战，在有限的资源和有关环保要求的制约下发展经济是当下的热点问题，这就在考验我们既要寻找到替代能源 并且该能源一定要是清洁的可再生能源。当煤炭、天然气和石油等不可再生能即将消耗殆尽之时，能源短缺问题就理所当然的成为了制约世界经济发展的主要原因，这就使得现在许多的国家开始实行“阳光计划”，开发和利用太阳能，努力寻找经济发展的新的推动力。太阳能作为一种新能源，引起了人们更多的关注。根据国际有关机构预测，到 21 世纪 50 年代，全球直接或间接利用太阳能的比例 只占到了一小部分，我们必须加大对太阳能的开发力度使之在能源结构中比例占到更高 。所以，太阳能将是现在大量应用的化石能源的这要替代能源。因此它对于光伏发电设计具有巨 大的实用价值和意义 。 1.2 光伏发电的现状及发展 1.2.1 国内光伏产业发展现状和趋势 1958 年 我国正式 开始 发展 太阳能电池， 并且在同一年里第一个具有实用意义的太阳能电池研制成功 。 并且令人很高兴的是 大约在 1970 年将太阳能电磁首次应用在了某些浮标灯上。 到了 20 世纪 80 年代后期，我国 的 光伏 电池的生产 越来越强大到后面的生产容量达到了大约是 4.5MP。到现在我国在一些乡镇上也安装有光伏电站，容量一般在 20 80 MWp,主要为当地的居民提供电力。从 1998 年以来，我国的光伏发电产业的年平均增长速度达到了 35.7%，特别是近 5 年来我国光伏产业的产量更是增加了 37%。我国 第 2 页 目前共有几百家光伏生产企业和销售企业，到 2004 年，我国光伏电池的产量为 36 MWp，光伏组件产量为 100 MWp 呈现出了我国光伏发电产业的一个良好的发展前景，如果按照现有的发展速度我国的光伏产量不出 20 年即可达到 10GWp 左右，每年可以创造数十亿的经济效益，这也将产生比较可观的环境效益和社会效益。 在这些年来中国的光伏发电产业还不是很成熟，目前该技术主要应用与农村，通信等简易的设备当中，对于这些产品，用于商业化的占到了大部分，政府支持占了另外一部分 。 并网发电目前对于我国来说还不是很成熟，主要是成本太高了。 1.2.2 世界光伏产业发展的现状和趋势 现在国际上 有 许多太阳能发电的研究与开发都 是 具有领先地位的主要是德国、美国、日本和澳大利亚等一些发达国家， 以澳大利亚为例 ， 其 在太阳能电池的 开发和 研究上占世界领先的地位， 并且后面提出了第三代光伏电池的概念，对于光伏产业来说又是一个里程碑式的进步，还有其他一些国家对光伏产业的开发也是很发达的 ， 具有代表性的就是 日本、美国、德国和西班牙。 自 从 20 世纪 80 年代以来，光伏发电产业 的发展速度令人难以置信，可以说是一年比一年 增加 ， 到了后期，它的发展更为迅速，已然让世界看到了能源的希望 ， 1997 年世界光伏电池组件的总产量达到了 200 MWp，其中，美国占 80.2 MWp，日本占 48 MWp，欧洲占 47.2 MWp，其他国家分别占了 19.2 MWp。世界上光伏发电工业在 1997 2001 年之间的平均年增长率达到了 35.5%。在最近 10 年之间 全球的 光伏 太阳能 电池产量达到 2400MWp。目前小型光伏发电主要应用与一些家庭用户，中大型光伏发电系统主要应用于一些电站，该类型发电系统主要结合并网进行使用，总之现在光伏发电量的比例逐年增加。 据 有关统计在 2007 年全球太阳能 发电 容量 已 达 2826 MWp，其中德国占 47%， 基本上占到了一半。 西班牙占 了 23%，日本占 有8%，美国占 有 8%。 另 外，太阳能光电企业的贷款融资 资 金增长了 大约 100 亿美元， 这就 使得该产业规模 能够迅速 扩大。虽然 当时 受金融危机 的一些 影响， 致使 西班牙 、 德国等一些国家 对光伏发电的 生产 力度有所 下 降，但 也有 其它 一些 国家的 光伏生产 力度却逐年 增 加。 比如日本在 该产业的发展是最为突出的 。 他们在 2009 年还专门安排 30 亿日元的 启动资 金， 专门用于光伏产业的开发研究 。 在 2008 年 9 月 16 日，美国 也 通过了一 系列的 减税 政策 ，其中 惹人注目的是 将光伏行业的减税政策 往后再延续 2-6 年。 所以光伏发电的时代正大步向我们走来！ 1.2.3 研究的意义 伴 随着世界经济的不断发展，太阳能发电越来越普遍，因为它属于清洁能源，既不会产生温室气体排放，也不污染环境，是取之不尽用之不绝的可再生能源。我做这个题目是在利用我们学的知识，在力所能及的范围内，努力为清洁能源事业做点微薄贡献，在做毕业设计的过程中，提高自己的专业技能和提升对清洁能源利用方式的认识，并通过和同学老师的交流，扩大利用清洁能源方面的科学宣传。 第 3 页 1.3 本课题所研究的内容 本课题是以输出功率为 200W的逆变系统进行设计，是属于小功率的光伏发电系统，根据所给的研究课题，我主要是针对逆变系统及其控制系统和蓄电池储能充电控制系统的简单设计。 第一部分：根据逆变系统输出功率为 200W 的大小来对太阳能板和蓄电池的容量进行选择，其中包括 MPPT 以及蓄电池充电控制。 第二部分：简单设计 DC/DC 和 DC/AC 主电路拓扑图。其中包括 MOSFET 功率驱动电路。 第三部分： 该系统控制部分是基于单片机进行控制。 第 4 页 2 太阳能光伏发电工作方式及系统组成 2.1 太阳能光伏发电系统的组成 1.太阳能光伏电池方阵 单个太阳能电池 的 输出 功率 比 较小， 目前在该行业中 最大 的 输出功率 都在 5Wp 一下更小 ，为 了 满足不同等级负载 的 供电需要， 我们一般把每个单体 太阳能电池进行串并联，就 成为了太阳能电池组件， 此时的功率比单个光伏电池的功率就要大很多了，但是目前应用最广的还是小功率的光伏模块，因为便于实现和安装等因数， 但是当应用的地方需要比较高的电压和电流而单个组件并不能满足其要求时，我们就 将同规格的光伏模块 并联或者 串联起来构成 太阳能电池方阵， 即可以提供更高的输出功率，有可以满足 人们对电压电流的需要。 2.防反充二极管 当光伏电池不发电等因素可能引起光伏蓄电池对光伏电池进行反充的时候 。 我们就需要 在它们之间接上一个反充二极管，起单向导通的作用。要求该二极管要能够承受较大的电流，并且正向导通压降要小，反向的饱和电流要小。一般我们选择较为合适的整流二极管就行了。 3.蓄电池组 太阳能 光伏发电系统 仅仅 只有在白天有阳光 的 时 候 才能发电，而 我们 一般用 电的 时间会 是 在晚上，所以 就会用到蓄电池，它的作用 又是用来储存能量的，当光伏电池发出多余的电能，我们就可以用蓄电池将它储存以备后面使用，但是对于蓄电池 的选择是有讲究的，需要考虑很多因素，比如放电深度等等 。目前应用于光伏发电的蓄电池主要是铅酸蓄电池。 4.控制 器 （ DC/DC ） DC/DC 变换部分 的 作用 主要有一个升压的作用，让光伏电池端电压升到逆变器要求的电压等级，并且有些 DC/DC 还有一个最大功率跟踪作用，因为光伏电池直接的转换效率很低 。如果 我们 不加以控制 而是 直接 提供 给负载， 那么太阳能光伏阵列的光电转换效率非常低 。 因 此，控制系统 不仅需要 对 DC-DC 变换和 DC-AC 变换基本控制外，还需 要 在 DC DC 变换中增加 MPPT 控制，以实现 太阳能 光伏阵列 输出 最大功率。 5.逆变器（ DC/AC） 对于逆变器，顾名思义，就是 起逆变的作用，能将直流电转化为交流电的装置， 对于逆变器的好坏，我们判断的 主要 参数 是变换的可靠性和转换效率要求较高 。 有些光伏发电系统 不含蓄电池 ，被人们称为 “不可调度式光伏发电系统” 这类系统的结构图 如图 2-1 所示： 第 5 页 图 2-1 不可调度式光伏发电系统 含有蓄电池的光伏系统 就是“可调度式”， 它的结构图 如图 2-2 所示： 图 2-2 可调度式光伏发电系统 本课题主要研究的是含有蓄电池的并网发电系统。 2.2 光伏发电系统的工作方式 光伏发电系统的工作方式主要有 独立运行模式、并网运行和混合运行三种 模式 。 它是根据系统的结构，输出功率、负载和交流电网等因素来判断该系统处于什么样的工作方式。 2.2.1 独立运行方式 独立运行 方式 顾名思义是可以单独运行的系统 ，它是 指 脱 离电网的光伏发电系统。它 可以 用 来 作 为一些 便携式设备的 供电 电源，向远离现有电网的 偏远无电 地区和设备供电 。如图 2-3 所示： 图 2-3 独立运行方式 2.2.2 并网运行方式 与孤立运行方式的太阳能光伏电站相比，并入电网可以将多余的电能回送给电网，光伏阵列 DC/DC DC/AC 交流负载 /电网 直流负载 光伏阵列 DC/DC DC/AC 蓄电池 交流负载 /电网 直流负载 光伏电池方阵 DC/DC DC/AC 交流负载 蓄电池 第 6 页 也不用考虑供电的稳定性和质量问题，大大的提高了太阳能发电系统的效率 ，当然该系统 所输出的交流电 必须 满足并网的条件 。如图 2-4 所示： 图 2-4 并网运行方式 我本次设计的就是该系统，我将在后面的章节做具体的阐述。 2.2.3 混合运行方式 目前比较常见的混合型系统是风一光互补系统 ， 混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上 再 增加 一些其它 发电 的 系统 以弥补 因 光伏发电系统受 一些 影响造成的发电不足等因素带来的供电不连续。 该 系统结构框图如图 2-5 所示 ： 图 2-5 混合运行方式 2.3 光伏阵列 MPPT 跟踪控制 2.3.1 光伏阵列输出特性 为了 比较 好地 讲清楚 光伏 阵列 的输出特性， 我们画出了 单个光伏电池的等效电路模型 如图 2-6 所示 。在该 电路 中， 可以看做是一个恒流源并联一个二极管，一个电阻再串联一个电阻 。 在做等效分析的时候我们尽可能的 让 RS 处于很 小 的值 ，而 RSH 就 可能的处于一个很大的值 。 Ip hIDRs hRsID图 2-6 光伏电池等效电路 光伏电池阵列 DC/DC 直流升压 DC/AC 交流负载 蓄电池 电网 DC/DC 蓄电池 直流负载 风力发电 整流 DC/AC 交流负载 光伏阵列 第 7 页 根据图 2-6 电池的 等效原理图， 我们可以列出 单个太阳能电池的 V-I 特性方程： I I p h I d I r （ 2-1） 其中： ()1000p h s c t r e fSI I C T T （ 2-2） () 1 q U I R sA K TdoI I e （ 2-3） 3q E gA K TdI o C T e （ 2-4） U I R sIrR s h（ 2-5） 将式（ 2-2）（ 2-3）（ 2-4）（ 2-5）带入（ 2-1）可得式（ 2-6） : ()3 +( ) 1 1000q E g q U I R sA K T A K Ts c r e f dS U I R sI I C t T T C T e e R s h （ 2-6 ） 式中： I 负载电流 U 一一电池端电压 IPH 一一光生电流 S 一一光 照强度 (W/m2) T 一一电池温度 (K) Id0 二极管反向电流 RS 一一串联电阻 (取 RS=0.0419 ) Rsh 一一分流电阻 (取 Rsh=2000 ) Ct 一一温度补偿系数 (1.6mA/K) Eg 一一禁带宽度电压 (1.13eV) K 玻尔兹曼常数 (1.38e 一 23 J/K) q 电子电量 (q=1 6x10-19C) Cd 一一温度系数 (Cd=10.O) A 一一 P N 结系数 (A=1.11) 第 8 页 S=1000W/m2 T=Tref 时电池 的 短路电流 (设 ISC=-3A) 从式（ 2-1）到式（ 2-4）可以 非 常 清楚地看到 ，光伏阵列 的输出电流与太阳 的 光照强度 S 和电池的温度 T 有关系， 因此光伏阵列 的输出功率 P 与 S、 T 同样 的存在着一定的 关系 ，它们之间 的这种关系 是非线性的 。 图 2-7 给出的是 光伏 电池在标准 的 测试条件下 得到的 最 典型 的 输出特性。 其中 太阳能板的输出开路电压 wU 和短路电流 scI 的 大小由生产厂家给出 。 由图 2-7 光伏 电池 的 输出特性曲线可知 , 当 输出电压 很 低时 , 它的输出电流是一条直线几乎不变 ， 此时我们就 可以 把它近视的看作是 一个直流恒流电源。 由图可知 光伏电池的 P-U 曲线 是外凸的曲线 ， 它是随着电压的变化而发生变化的，在这 变化之中必然存在一个最大功率 点，我们要跟踪的就是这个点。 图 2-7 太阳能电池典型输出曲线 2.3.2 MPPT 控制方法 对于最大功率跟踪，目前有许多的方法来进行控制，对于小功率系统来讲比较 常用的最大功率跟踪方法有：恒 电压跟踪法 (CVT)、扰动观察法。而对于大功率系统则一般用 电导增量法 等。 通过 P-V 曲线可以知道，最大功率点跟许多因素有关，比如温度、光照强度，它们之中任何一个因素改变都会引起输出功率，所以这就大大的降低了光伏电池的效率，为了提高光伏电池的转换效率，我们因此就尽量让光伏输出始终处于最大功率，所以这就要求我们对光伏最大功率的跟踪和控制。 1） 恒电压跟踪法（ CVT） 恒电压跟踪法顾名思义，就是让电压稳定的意思。对于温度和光照条件相对变化不大的情况下，根据 P-V 关系曲线可以知道，此时的最大功率点始终处于一个恒定电压的附近，这对于我们来说都可以大大的减少很多的工作量，因为我们只要让 光伏电池的端电压始终处于一个恒定值就可以使光伏电池工作在最大的功率输出，而且这个最大功率对应的恒定电压我们也可以从生产厂家那里知道， 但 是 这种控制方式 是没有考虑温度和 第 9 页 光照对光伏最大功率点的影响而设计的，对于那些温度变化较大的地 方不应用该方法去实现最大功率跟踪，否则将会损失很多的电能。 这种控制方法 的优点是： 可靠性 较 高 ， 控制 比较 简单， 容 易实现，稳定性 也比较好，系统不会出现振荡 ， 可以 非常 方便地通过硬件 来 实现。 而它的 缺点是：控制精度 较差 差，特别是 那些一年四季温度变化比较大的地方 ；必须 要有 人工 的操作 才能 才能很好的 运行和实现 。 2） 扰动观察法 扰动观察法也可以叫作功率比较法。其原理就是将控制器在每个控制周期用较小的该变量来改变光伏阵列的输出， 这个该变量既可以是电压也可以是电流，并 且与上一次检测的数据进行比较，当然这个较小的该 变量是恒定不变的， 跟上一次数据比较后，如果输出功率增大则继续向上一次的方向改变，如果输出功率减小则向上一方向相反的 方向进行干扰，这样光伏系统的工作点就可以接近最大功率点了，最后在这附近达到稳定。在这个过程中要选择比较适中的干扰量，太大精度相对较差，太小则跟踪速度慢，效率太低。 扰动观察法 的 优点 有 ： 模块化控制回路，对 测量工具的 精度要求不高，跟踪方法容易实现比较简答；而它的 缺点 有 ： 只能在光伏阵列的最大功率点附近运行，这其中必然导致一部分功率损失；跟踪步长 难以确定，因为这与响应速度是成反比的 ； 在一些其它比较特殊的情况下也会出现误 判的情况 。所以，扰动观察法 比较 适合于 一些光照 照强度变化 不大的地方。 3） 电导增量法 由光伏电池 的 P-V 曲线可知，最大功率点处 的 斜率为 0，通过数学推导后如下： 0dpdv （ 2-7） 所以： 0d P d v I d IIVd v d v d v （ 2-8） dI Idv v （ 2-9） 由 公式可 知， 当系统输出 的电导的变化量等于输出电导的负值的时候 ， 光伏电池 此时就是 工作在最大功率点 。 第 10 页 电导增量法的优点 有：当有光 照强度发生变化时， 光伏 阵列 的 输出电压 可以 以平 缓的方式随其变化， 对其影响不是很大， 而且稳态 时 的电压振荡 比较 小。 然而它 的缺点 有 :这种方法存在误判的现象 ， 意思就是 可能 让 系统 占时 稳定在一个 假象 的最大功率点， 这与上述的 扰动观察法 是一个道理 ， 而且该方 法的变化步长也是固定 不变 的。电导增量法适用于光 照 强 度 变化 比较大的地方 ，但是 这种方法 对于控制硬件 的 要求相对 来说比 较高， 这就务必导致设计 成本 的 增加， 所以不适合小功率的发电系统 。 综上所诉：上面的三种控制方式各有各的优缺点，对于功率大的光伏发电系统适合电导增量法控制，而对于一些中小型的光伏发电系统，我们更多的是选择恒电压跟踪法和扰动观察法。 在本设计中我采用的是 扰动观察 法，在后面章节中会讲到。 2.4 并网单独运行的检测与孤岛效应防止 有关它的概念 比较简单 。单独运行检测功能有被动式检测和主动式检测这两种方式。 被动式检测方式是通过对电网的电压频率相位等参数的实时监控，检 测出单独运行状态的方法。被动式检测方式有很多种，其中电压相位跳跃检测法比较常用，其检测原理如图 2-8 所示： 脱离 停止 电网 电压 运行 信号 图 2-7 被动式检测 其检测过程是： 实时的检测出交流电输出的周期即频率，当发现该频率于电网频率差别很大时，我们就认为此时已处于单独运行状态，应该及时的断开断路器或者是脱离电网运行 。 主动式检测方式是指由逆变器的输出端直接主动向系统发出电压等变化量的扰动信号，同时观察电网是否受到一定的影响，并根据参数变化来判断是否处于单独 的运行状态。主动式检测方式也有很多种，其中频率偏移方式比较常用。其工作原理如图 2-8所示： 太阳能电池方阵 逆变器 交流电网 电压相位跳跃检测 电压周期检测电路 第 11 页 脱离 频率 停止 电网 电压 变化 运行 信号 图 2-8 主动式检测 该方式是根据 系统 单独运行 时 的负荷 情况 ，使光伏 发电系统 输出的交流电 的 频率 始终 在 一个 允许的变化范围内变化， 在这个过程中 根据 光伏发电 系统是 不是能跟随其变化从而可以 判断 出 是否 其次是 处于单独 的 运行状态 。 目前，世界上许多国家都在致力于光伏并网发电的孤岛效应防止的研究，到现在也还没有一种有效的方法来解决孤岛效应。 2.5 并网数字锁相 本文 我采用的是数字锁相的方法 ：首先运用 2 路 单片机的 AD 输入口来 捕获计算电网电压和逆变器输出电流的频率和相位， 比较电网频率和逆变器输入频率之后通过单片机来相应的调节单片机输出的 SPWM 载波频率， 通过这样周而复始的检测与对比，我们就可以使逆变器输出与电网实现同步 。 太阳能电池方阵 逆变器 交流电网 频率 偏移 电压周期检测电路 第 12 页 3 单元模块设计 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 该系统各个模块控制电路如 图 3-1 所示： DC 输入 385V 采 采 样 样 直 直 流 流 电 电 压 流 采样交流 电压 采 压 样 及 电 相 网 位 电 图 3-1 系统模块控制框图 3.1.1 防反接电路 防止光伏电池反接电路如图 3-2所示： 当光伏电池正常接通时，此时二极管反向截止，这使得光伏电池能够向负载正常输出，但是当光伏电池正负极接反时，此时二极管处于正向导通状态，时光伏电池短路以至于不能向负载正常的输出，所以该二极管实现了防反接保护的作用。 辅助电源 Buck 降压 (MPPT) STC12C5A60S2 交流滤波器 TLP250 驱动 DC/AC 逆变器 推挽 升压 220V 电网 SG3525 输出 继电器 RS485 交流负载 显示屏 驱动 防反接电路 第 13 页 图 3-2 防反接电路 3.1.2 辅助电源电路 （ 1） .输入 为 +12V，输出为 +5V的电源如图 3-3所示： 该电路可以为单片机等一些元器件提供 +5V电压。 图 3-3 输出为 +5V 电源电路 在该电路中， 电容 C10的作用是改善纹波电压，电容 C11的作用是用来改善负载的瞬态效应。 （ 2） .输入为 +12V，输出为 +-15V的电源如图 3-4所示： 该电路 使用 直流变换芯片 MC34063与 LM7815组合得到 12 V 和 5 V 的直流电，为硬件电路的各模块提供所需电源。 第 14 页 图 3-4 输出为 +-15V 电源电路 3.1.3 由 IR2101 进行驱动的 BUCK 降压 电路 该电路主要是要跟踪 最大功率点来设计的，它 的 作用 是 通过改变 MOSFET 的 占空比 来实现光伏电池的最大功率跟踪控制的作用，并且 能够 对铅酸蓄电池进行充电。 该电路的设计主要是对功率开关管和输出滤波电感的选择。在后面章节元器件的选择中会有所介绍。 如图 3-5 所示： 图 3-5 BUCK 电路 BUCK 电路的原理我简单说一下： 第 15 页 如图 3-5 所示，当 MOSFET 也就是 Q1 的源极和栅极之间的电压大于 一定数值时驱动 Q1 导通，此时光伏电池向负载供电，负载电压大小等于光伏电压，负载的电流呈指数曲线上升。 当下一时刻控制 Q1 关断时，此时负载电流经二极管 D4 续流， 此时的负载电压近似等于零，而 负载电流 是 呈指数曲线下降。到一个周期结束时，再去驱动 Q1 导通，如此重复上一个周期的过程。当 BUCK 电路工作在稳态时， 此时 负载 上 电压的平均值为： o = o n o no n o f fttU E E Et t T （ 3-1） 上式中，ont为 Q1处于导通状态下的时间；oft为 Q1处于关断状态下的时间； T 为开关 的周期； 为导通占空比。 由上式（ 3-1）可知，负载上的电压oU的最大值为 E ， 当 减小占空比 时 ， 此时的oU也减小。因此 该 电路 是有一个降压作用的 降压斩波电路。 改变占空比的方式有很多种，其中包括脉冲宽度调制（ PWM）、频率调制和混合型调制三种方式，本设计采用的是脉冲宽 度调制（ PWM）方式。即 改变占空比也即是保持 Q1 的周期不变， 调节 Q1 的导通时间ont。 3.1.4 推挽 升压 整流 电路 推挽 升压整流电路如图 3-6 所示： 图 3-6 推挽 升压电路 此电路的主要作用在于升压，以达到后级逆变电路输入电压大小的要求，尽可能多的提高逆变效率。 在该电路中升压部分用的是一对 IRFP350，主变压器用的是 EE42， 前级推挽部分的供电采用对称平衡方式，这样做有二个好处， 保证不会出现单边发热现象 ，也 可以保证二个功率管的对称性，二是可以减少 PCB 反面堆锡层的电流密度，当然，也可以大 第 16 页 大减小因为电流不平衡引起的干扰。高压整流二极管，用的是 RHRP8120，这种管子可靠性很好 。高压滤波电容是 470uf/450V 的，在可能的情况下， 我们 尽可能用的容量大一些，对改善高压部分的负载特性和减少干扰都有 一定的 好处。 3.1.5 SG3525 驱动电路 SG3525 驱动电路如图 3-7 所示： 图 3-7 SG3525驱动电路 该电路的主要作用在于对 推挽 电路中功率管的驱动，并且对 推挽 升压整流之后的电压进行稳压的作用， 由 SG3525 输出两路的频率为 52KHz 的驱动信号， 经门极驱动电路加在 推挽 电路的两个功率开关管的门极上。而且为了保证输出电压的稳定，将输出电压与指令电压进行比较后来控制 SG3525 的输出驱动信号的占空比。以起到稳定输出电压的作用。 3.1.6DC/AC 逆变电路 众所周知 逆变电路有半桥和全桥电路之分，本设计我采用的是全桥逆变电路，该电路的作 用主要是将输入的高压直流电转换为 220V/50HZ 的工频正弦交流电 DC/AC 逆变电路如图 3-8 所示： 第 17 页 图 3-8 逆变电路 该 单相桥式逆变电路 中用了四组 MOSFET 功率管构成全桥结构的四个桥臂， 四个管运行 时 分别是 以对角线上的 MOSFET 管 进行 动作，当 其中的 一组对角线上的功率管导通 的 时 候 ，另一组对角线上的功率管则截止，并 相互变换 。 并且在该电路的 驱动信号设有 一定的 死区时间，所以 就 不会发生同一侧 的 MOSFET 管同时导通的 存在 。 图中当T5 和 T6 导通， T4 和 T7 截止时，形成输出电压的半个波形，当 T5 和 T6 截止而 T4 和T7 导通时，此时形成输出电压的另外半个波形。 但 是 此时 的 输出电压 并 不是 纯正的 正弦波， 必须 在 输出端 接 上 LC 滤波电路， 滤除输出的高频电压成分 ， 这样就可以 得到 相对 纯净的正弦电压。 3.1.7TLP250 构成的隔离驱动电路 因为四路 驱动信号是共地信号，而 四路 MOSFET 管却 只 有 三 个参考端，因此正弦波驱动信号与功率管之间必须采用隔离驱动电路。 隔离驱动电路由光耦 P2、 P3、 P4、 P5（均为 TLP250）以及周边元件组成， 隔离驱动电路如图 3-9 所示： 第 18 页 图 3-9 TLP250 驱动电路 在该电路中前面设计有死区时间，如上图所示，电阻 R 为 47K，电容 C 为 20pF，所以 RC 大约就为 1us，而 IRFP460 的开关时间是 75ns，所以这个四区时间能够保证让上下桥臂的 MOSFET 管不会同时导通。 3.1.8 直流电压电流取样电路 直流电压电流取样电 路如图 3-10 所示： 第 19 页 图 3-10 直流电压电流取样电路 图中 R10 和 R14 为采样电阻， R9 和 R13 为限流电阻，并且图中的四个二极管 D3、D4、 D5、 D6 都是起过载保护的作用，当输入电压高于 +5V+0.7V 左右时，此时 D3 和D5 导通，输入电压就被钳位在 +5V 左右的水平上；当输入电压低于 -0.7V 左右时， D4和 D6 此时就导通，输入电压就被钳位在 -0.7V 的水平上。 3.1.9 交流电压取样电路 交流电压取样电路如图 3-11 所示： 第 20 页 图 3-11 交流电压取样电路 从图 3-11 可以看出 图中前面有一个 射极跟随器， 其中 R3 和 C2 的 主要 作用 是抑制干扰，且 该电路的 时间常数 48h 3.2.2 光伏电池的选择 因为 该 课题为 输出最大为 200W 的光伏发电 设计，从题目中得出，要构成 200W 的