家用太阳能发电系统毕业设计.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：家用太阳能发电系统 学生姓名：xxx学 号：xxx 专 业：电气工程及其自动化 班 级：2班 指导教师：xxx 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）家用光伏发电系统的研究摘 要在众多的新能源中，太阳能是最原始的也是无穷无尽的。它是一种可以再生的能源，同时是没有经过转化的一次能源，太阳以光的形式把能量送到地球。太阳能对环境也没有污染，也不需要运输，载体只是光线。所以在众多新能源中，它是最理想的一种新能源之一。太阳能的利用方式也很多样，其中太阳能光伏发电是主流方式。今年来所随着科学技术的进步，和人们对太阳能发电的重视，太阳能光伏发电有了空前的发展。凭借着太阳能这些性质的优势，太阳能发电有足够的潜力成为未来人类社会最终要的能源之一。本设计把家用太阳能发电系统作为研究中心，首相对整个系统的各个环节做了详细的介绍，然后根据根据家庭的用电调查得到的数据，进行了主电路的选择和设计。最后设计了基于单片机的控制器，最终以北方地区包头为应用对象确定出一个符合实际的独立太阳能发电系统方案。 关键字: 太阳能发电 ；光伏发电 ；独立发电系统 ；控制器Household Solar power generation systemAbstractSince the industrial revolution, the rapid development of the industry have brought great convenience to human life, but at the same time the need of energy is getting more. It will let us face with a serious energy crisis. In fact, the use of oil and coal caused global climate get worse. So the new energy exploration and research has become a topic of common concern of all countries in the world. In many kinds of new energy, solar energy is the most primitive and inexhaustible. It is a kind of renewable energy, but also the primary energy. Solar energy is coming to the earth mainly as light and heat. Solar energy does not pollute the environment, does not need to transport, carry by light. So in a number of new energy, it is the cleanest. Among many ways of using solar energy, the solar photovoltaic power generation is the mainly way. Recently, with the progress of science and technology, people pay more attention to solar power; solar photovoltaic power generation has got unprecedented development. By virtue of these advantages of solar energy, solar energy has potential to become one of the human society. In this thesis, household solar power generation system as the research center. In this thesis, household solar power generation system as the research center, every link of the whole system is introduced with the analysis and choice. In the northern area of Baotou as the application object determine a practical independent photovoltaic power generation system.Key words: Solar power generation; photovoltaic power generation; independent power systems; controller目录摘 要1Abstract21.1 课题选题背景及研究意义61.1.1 课题选题背景61.1.2 我国的太阳能产业现状61.1.3 目前光伏发电在应用时面对的问题71.2 家用太阳能发电系统71.2.1 家用太阳能发电系统概述71.2.2 家用太阳能发电系统优点91.3 本章小结9第二章 独立光伏发电系统结构102.1 独立光伏发电系统结构102.2 光伏阵列102.2.1 光伏阵列的组成102.2.2 光伏电池的参数112.2.3 太阳能电池特性曲线112.3 DC/DC变换器132.3.1 变换器的分类132.3.2 常用变换器的特点142.3.3 光伏发电系统中变换器的作用152.4 蓄电池152.4.1 蓄电池的分类152.4.2 蓄电池的作用162.4.3 蓄电池充电方式介绍172.5 逆变器172.5.1 逆变器作用及原理172.5.2 逆变器分类182.5.3 小型离网光伏发电系统逆变器拓扑结构分类182.5.4家用太阳能发电系统逆变器要求192.6本章小结20第三章 家用太阳能发电系统各环节设计213.1 太阳能电池和蓄电池容量设计213.1 .1家庭用电量情况的调查213.1.2 太阳能电池组件的选择223.1.3蓄电池组容量设计233.2变换器和逆变器方案的确定243.2.1 DC-DC变换器的方案选择243.2.2 逆变器的方案选择273.2.3 IGBT的参数计算283.3信号采集电路的设计293.3.1电压检测电路设计293.3.2 电流采样电路303.3.3逆变器后220V输出电压检测313.4驱动电路设计323.4.1 驱动电路的介绍323.4.2 DC/DC变换器驱动电路323.4.3逆变器驱动电路343.5本章小结36第四章 控制器设计374.1 DC/DC升压模块控制374.1.1 PWM技术介绍374.1.2 PWM生成384.1.3 最大功率点跟踪控制394.2 蓄电池的充放电控制404.2.1蓄电池控制参数确定404.2.2充电控制中主程序流程图404.3逆变器的调制技术424.3.1 SPWM控制策略介绍424.3.2 51单片机的SPWM模块424.4 AD转换模块434.4.1 AD转换芯片434.4.2 主程序流程图444.5本章小结45参考文献46附录48致谢50第一章 绪 论1.1 课题选题背景及研究意义1.1.1 课题选题背景 从工业革命后，工业迅速发展，为人类的生活带来便利，但是与此同时人们对能源的使用也越来越巨大。这也导致我们将面临比以往更加严重的能源危机。石油、天然气和煤炭能源这些石化能源储存量减小，我们面临的将是异常严重的能源危机。缓解能源紧缺的压力，保护环境免受石化能源的破坏，已经成为国家和世界都共同关注的话题。再这样的背景下，我们只有紧紧的依靠着科学技术的力量，把中心放在新能源的开发利用上，才能找出一条解决当前严峻能源和环境危机的道路，实现人类的可持续发展。二十世纪开始对太阳能光伏发电的研究就已经展开，伴随着硅材料在太阳能发电中作用的体现，还有集成电子技术的发展。太阳能光伏发电的到了前所未有的发张。当前对太阳能发电的研究主要在两个方面1。第一是如何找到更好电池板，价格更低可以减少投入，实现容易，效率高可以节省数量和占地面积等。第二是研究效率更高，成本低廉的控制器，和控制方案。近几年，在技术比较先进的美国、德国、日本等国家在太阳能光伏发电研究的带领下，世界光伏发电系统有了巨大的发展。保持这每年30%的增长率增长。尤其到2012年，与2011年比，增长42.9%，2013年全球光伏新增装机量达36 GW，超过的风能发电，成为发展第一快的新能源。1.1.2 我国的太阳能产业现状我国对于太阳能的研究开始于一九五八年，是比一些发达国家晚的。但是随着国家对太阳能发电的重视和支持，我国太阳能光伏发电技术取得了巨大的进步。与先进国家的距离在一步步的缩小，光伏电池的转化太阳能的效率也不断提高。当前，我国批量生产的单晶硅电池板转换效率提高到14%。到2012年，光伏系统的应用总量达到了约16 GW，而最新的2013年数据显示，我国新增装机量达10 GW瓦，居全球首位。 因为我国地域辽阔，电网范围不可能覆盖到全部人民活动区域，很多偏远的农村地区还用不到电，生活水平低下，生活极不方便。在这种背景下，家用太阳能发电系统设计的重要性和实用性也体现了出来。我国政府对太阳能发电产业也给予了大力扶持，国家在太阳能光伏发电的相关方面先后制定了发展的策略，在党中央的带领下还在法律方面做出了规范，还有对它的一些补贴政策。这些对我国太阳能发电都能健康快速发展起了很大的推动作用。 所以我国有非常广阔的太阳能发电产业的应用空间。进入21世纪以来，我国在对新能源的重视程度空前的巨大，一项技术的发展离不开具有专业知识技能的人，为此我国在光伏发电发面开始培养一大批的科研人员，来从事新能源发展和推广，同时对太阳能光伏发电行业的产业进行了规范。这些对太阳能发电的发展有着巨大的意义。虽然上述内容来看太阳能发电发发展已经有了好多改善，但是与国外其他国家相比，事实上还是落后于他们的。在这项技术这方面研究中有很多受着国内一些技术的不成熟而有着一定的局限性。虽然发展的速度加快很多，但是由于当前市场上的太阳能发电相关产品种类繁多，质量也差距很大，有一些甚至存在设计上的缺陷2。这些都是阻碍光伏发电的重要因素。1.1.3 目前光伏发电在应用时面对的问题虽然上述内容来看太阳能发电发发展已经有了好多改善，但是与国外其他国家相比，事实上还有落后于他们的。在这项技术这方面研究中有很多受着国内一些技术的不成熟而有着一定的局限性。虽然发展的速度加快很多，但是由于当前市场上的太阳能发电相关产品种类繁多，质量也差距很大，有一些甚至存在设计上的缺陷。这些都是阻碍光伏发电的重要因素。所以对太阳能发电技术的研究还有很长的路要走，是一个未来人类社会发展中不可避免的重要话题。1.2 家用太阳能发电系统1.2.1 家用太阳能发电系统概述光伏发电系统是把阳光中的能量经过半导体材料做成的发电电池板转化成电能供人类生产生活使用的能源供应装置。它有两种形式，一种是独立发电，还有一种并网发电。本设计为独立光伏发电系统，它主要由光伏阵列，boost升压变换器，逆变器和存储器件构成。图1.1系统框图 控制器既可以把用不完电量贮存在蓄电池里，又当发电量不够用时，可以使用蓄电池里储存的能量。控制器的另一个功能是把经过处理后的电能直接供给负载，无论负载是直流型或是交流型的负载3。在蓄电池把电量送向负载时，不能使蓄电池完全没有电。这对蓄电池起到保护作用。蓄电池不光可以在白天使用，也可以在晚上或是阴天使用。（1） 太阳能电池板 太阳能电池板的性能直接影响整个系统，它是整个系统的核心。它的作用是太阳能直接转换成为可用的电能。它关系着整个系统的运行。所以在对电池板进行选型时，它的价格和性能影响整个系统。 （二）太阳能控制器 在系统运行时，控制器起着关键的作用。在蓄电池被过分使用时，起着保护作用。控制系统运行状态实现最大功率输出。在气温变化明显的区域，控制器与时控开关一类的元件一起使用时，在一定程度下还能起着对温度补偿的作用。（三）蓄电池 能量存储，为独立光伏发电系统不间断的供电大容量发电系统通常用的是铅酸类的电池，而锂电池等是小型发电系统的第一选择。它先贮存电能，后又释放电能。（四） 逆变器现在生产的逆变器分为220V和110V两种。但是太阳能送出的电一般都是直流12V或24V，再大点的如48V。为了能向逆变器安全供电，需要把直流变换为交流。因此DC-AC逆变器必不可少。1.2.2 家用太阳能发电系统优点（1）太阳能相比要环保很多，而且可以说是无穷无尽的。在响应国家号召的同时又能够与大自然完美融合。 （2）光伏电池的配件可以和周围的建筑融合起来，充满了科技感。在供应电能的同时也可以提升建筑的美观性。（3）分布式建设，发供电采用就近原则，因而不需要和大电网连接，不需要投入大量的资金和时间来建设输变电工程5。能够给缺少电能供应的地域供电。1.3 本章小结本章是本设计的开题章节，在进行一项技术的研究时首先要对这项技术的发展历程，当前的发展状况有一定得了解，撰写本章内容时，查阅一些最新的学术论文和期刊，然后还在solarzoom太阳能之家论坛看了一些文章，参考了若干关于太阳能发电行业的新闻。最终确定下在接下来的设计中要不系统的效率和控制器的设计上要重点投入。本章后半部分还对太阳能发电系统做了简单论述。第二章 独立光伏发电系统结构2.1 独立光伏发电系统结构 如下图，独立光伏发电系统主要包含如下几个部分：光伏阵列、控制电路、蓄电池组、升压电路、逆变电路。光伏阵列，通过斩波电路实现对功率的控制，蓄电池用来贮存白天产生的多余的电量，到夜间或阳光不充足的白天释放能量供负载使用，而对蓄电池和光伏组件输出的直流电进行处理使之能让负载使用的是逆变器的工作任务6。 图2.1 系统主回路电路图2.2 光伏阵列2.2.1 光伏阵列的组成阳光中的能量在光伏发电系统中是通过光生伏打效应转换成电能的。“光生伏打效应”产生有两种情况，一种是在半导体和金属相接触面上光电子的聚拢，还有就是在半导体不均匀的部分发生聚集。光电子的聚集产生电位差，这种光电子产生的电能是十分微小的，没有办法直接用的，所以为了使得到电量足够大可以具有使用价值，可以通过把这些单个的光伏电池经过串联或者并联使之电压和电流叠加。这样就构成一个太阳能电池片，然后依据负载对电量的要求选择一定数量的电池片连接成为光伏电池方正，作为系统的发电设备使用。2.2.2 光伏电池的参数光伏电池的参数有：短路电流、开路电压、填充因子、还有转换效率等。 1）短路电流：正常的工作状态下，使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流随着光强的变化而变化。在实际的电路中，影响光伏电池短路电流的因素有电池材料、制作工艺等。 2）开路电压Voc将太阳能电池的正负极不接负载，测量到的两端电压的值就是开路电压。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.50.7v。3）光电转换效率太阳能电池的光电转换效率这一参数是一块电池好与不好的标志，决定一个系统能不能高效的运行。它指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值7。计算公式如下: (2.2)式中A为太阳电池的面积，为电池的最大输出功率，为单位面积的入射光功率。4）填充因子FF光伏装置不是线性电路，电路中负载值得大小会对工作电压和电流产生影响， 在I- V曲线上，存在这样一点，在这点处电压和电流相乘就可得到最大功率点。在其工作的各种状态中，只有开路电压和短路电流相乘的数值是最大的。用实际工作的最大工作点与上述的最大值相比就可以的到填充因子。如公式： (2.3)FF值得确定随并联电阻及串联电阻的数值，反向饱和电流的取值、光照强度变化而变动。2.2.3 太阳能电池特性曲线对太阳能电池输出特性产生影响的因素有光照情况、温度等。下图是太阳能电池的等效电路。图2.2太阳能电池等效电路太阳能电池的I-V特性： (2.4)式中：T：太阳能电池内部的绝对温度Vcell、Icell：输出电压和输出电流Isat：是二极管饱和电流Iph：光生电流，它的数值和当时光照强度关系密切Rpcell：内部并联电阻，RScell：内部串联电阻，Q：电子电荷，为1.602 10 -19C，A：是二极管系数K是波尔兹曼常数，K =1.3805810-23J /K。 下图是在不同温度的情况下的特性曲线：图2.3 日照强度恒定时光伏电池VI、PI曲线从上图可以观察光照恒定时，太阳能电池的工作温度改变，它的输出也会跟着改变。在电压变化的过程中，功率有一个最高点，他就是太阳能电池的最大功率点。在温度降低的过程中，太阳能电池的功率会有增大。2.3 DC/DC变换器 DCDC变换器在生产生活中的应用很广阔，在光伏发电系统中也有着十分重要的地位。科学技术的进步，现在的变换器有了很大的改进。重量变轻，体积也变小，效率也有极大的提升8。DC/DC变换器的工作原理是通过控制电路中可控开关器件的导通和关断，以电容和电感为储能器件，输出直流电压的斩波变换电路。2.3.1 变换器的分类变换器可以分为两种，一种是带隔离的，另一种是不带隔离的变换器。具体分类如下图：图2.4 DC/DC变换器的分类2.3.2 常用变换器的特点随着科技的不断发展，DC/DC变换器在光伏发电系统中越来越多地应用。直流斩波电路中由续流用的二极管和用来滤波的LC电路构成。直流斩波变换器的工作原理主要是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种直流电压，或可调或固定，其中二极管起续流作用，用 LC电路来滤波。重量轻、体积小、效率高是相对于传统的DC/DC变换器最大的优点。 Buck电路通过斩波形式，使平均输出电压降低，由开关器件、电压源、电容器、电感器和二极管构成9。 Buck电路具有结构简单，高效，易控制的优点，在光伏发电系统中广泛使用着。但是他只能用于降压，不能升压，而且输入端必须并联电容。 Boost变换器组成原件有电感、二极管、开关管、电容。与Buck电路相比，不同之处是Buck变换器中的电感是在开关的输出端，而Boost变换器中的电感是在开关的输入端。它在独立广发发电系统中可以用在升高光伏阵列或者蓄电池输出端的电压。以满足下级电路需要。但是与Buck电路相比，Boost电路的输入电流更大，因而电路损耗更大，转化效率低 Buck/Boost电路,它同时也可以叫做，与其它直流变化电路相比，它的电压输出有更宽的范围值，同时具有升高电压或降低电压的作用，不足在于电路中的需要有储能电容，使得电路变得笨重而且效率也不高。 Cuk电路也是有电压升降的作用。输入它的电压是不间断的，并且输出的负载电流是连续的，波动很小，这样使得输出输入的滤波更容易进行。但是Cuk变换电路的成本高于其他，因为使用的器件多于boost电路等。而且电路中电容的值偏大，电路臃肿损耗也高。 2.3.3 光伏发电系统中变换器的作用 1）跟踪最大功率工作点。通过对光伏电池板的输出的电量信息进行采集和计算，确定出调整方向，变换器通过调整电压的升降使输出与输入匹配，使系统工作在最大工作点附近。 2）蓄电池充电控制。检测到蓄电池的状态之后，再确定了对蓄电池的控制方式。这时候就应该用DCDC变换器的电压调节作用，改变蓄电池的输入，用来匹配蓄电池的状态。 3）线路中的升/降压作用10。在整个系统的主回路中，光伏电池产生的电能电压最低，到最后供负载使用的220V交流点差距很大，所以，回路中难免要用到DCDC升压电路，另外，在进行最大功率跟踪控制的时候有时候还需要降低电压。2.4 蓄电池2.4.1 蓄电池的分类下表是对几种常见蓄电池比较:表2.1 各种蓄电池的比较 在当前的太阳能发电系统中,用的最多的是铅酸蓄电池.从表可以看出虽然镍氢电池、镍镉电池和锂电池有各自的优点但是昂贵的价格和复杂的维护和使用使得在实际应用中不够广泛。 在目前市场上用于光伏发电系统的铅酸蓄电池有一下几种:1）普通蓄电池：它的内部材料为铅和铅的氧化物.用硫酸水溶液做电解液. 他的主要优点是,输出电压稳定,市场上销售价格低于其他电池. 但缺点也比较突出,比能低,需要经常维护比较繁琐,而且最重要的是使用寿命相对短。 2）干荷蓄电池：它对电能储存能力强，能把电量存储两年左右.再使用时加入电解液, 稍候20-30分钟之后即可使用。 3）免维护蓄电池：免维护电池在实际应用中对点电解液的消耗小,不需要时常添加蒸馏水.而且它还有普通电池耐震,在温度高的环境也可以正常工作,自身体积也小于一般电池.他的使用寿命也长于其他电池. 2.4.2 蓄电池的作用在独立家用太阳能发电系统中的作用体现在如下几点： 1）能量存储，为独立光伏发电系统不间断的供电。太阳能有一个不足之处就是夜晚或者阴雨天没有阳光时候太阳能电池组件不能产生电能，所以蓄电池需要在没有太阳光的时候为系统提供能量。在有阳光充足的条件下，蓄电池要把太阳能电池产生的电能中用电设备没有使用的那部分电能储存起来,在没有阳光的时候给负载供电. 2）稳压和钳位。如果把光伏阵列直接与负载连起来,由于阵列受太阳光强度和温度的影响,负载不能稳定在最大功率附近工作,不利于效率的提升.如果用蓄电池隔离开负载与光伏阵列的直接连接,可以减小对负载的影响,使其工作功率接近最大功率,由此提高系统的效率. 3）提供启动电流。当有的用电设备需要的启动电流很大,超出光伏阵列所能提供的电流值,这时候可以用蓄电池来短暂的提供这个电流让设备启动.增强系统的实用性.在家用光伏发电系统中,我们对蓄电池有以下几点要求:1）具有深循环放电性能。； 2）耐过充电能力强； 3）放电深度超过正常值时蓄电池容量容易恢复；4）良好的充电接受能力； 5）电解液不出现严重的分层现象； 6）有着稳定的输出特性； 7）在不是特别良好的环境下也可以正常工作； 8）蓄电池组中各个单体的性能能保持一致2.4.3 蓄电池充电方式介绍给蓄电池充电的控制策略有很多，好的充电控制策略对蓄电池有极大的好处，能提高它的使用价值，可以延长它的使用寿命和工作的稳定性11。最基本的是以下几种： 1）恒压充电 充电时给蓄电池输入的是稳定的电压。恒压充电实现起来是相对容易的，但是容易出现初始充电电流太大，有可能对蓄电池造成损害。2）恒流充电 恒流充电是指输入给蓄电池的是恒定的电流。此电流在蓄电池的最大允许电流之内。使用此充电方法是，电流越大，充电速度越快。 3）阶段充电 阶段式充电是综合了前两者方式上产生的一种充电方式。有两阶段和三阶段两种方法。三阶段充电是先用恒流充电到预先设定的电压后转变为恒压充电直到蓄电池达到饱和，然后进行浮充。充电放电循环次数相对减少，浮充电流除了维持自身放电之外，还能维持蓄电池内部氧的循环，这样可以大大延长了蓄电池的寿命。两阶段充电没有浮充阶段。 4）脉冲充电 脉冲充电的方式是把一种周期性的电流注入到蓄电池。电解液在有间断的充电中过程中容易扩散。从而提高从电能转变效率。2.5 逆变器2.5.1 逆变器作用及原理整流器是指可以将交流电转化为直流电的设备，逆变器的作用是与之相反，逆变器是一种把直流电能（电池、蓄电池）转变成交流电（一般为220伏50HZ正弦波或方波）的装置。我们常见的应急电源，一般都是把直流电瓶逆变成220V交流的。不管是在偏远山村，或是野外需要或是停电应急，逆变器都是一个非常不错的选择。他通过与蓄电池的配合可以为用电设备提供出稳定的不间断的电能它主要的工作原理是加在逆变器输入端的直流电压通过控制开关在负载上变成具有正负极性的交流。其中开关器件的控制使得直流电加在负载上供电时具有两个回路，两个回路交替的周期性进行就在负载形成交流电。2.5.2 逆变器分类逆变器的分类有很多种，根据逆变原理的不同，可以将逆变器分为脉宽调制逆变器、逆变器等。根据逆变器主回路拓扑的不同，分为全桥拓扑结构、半桥拓扑结构和推挽拓扑结构等。根据控制输出波形类型不同分为电流跟踪型逆变器和电压跟踪型逆变器。2.5.3 小型离网光伏发电系统逆变器拓扑结构分类家用光伏发电系统使用的设备一般功率较小，所以大都使用单相逆变器。单相逆变器从电路结构上可的不同，可以分为三类。推挽式逆变电路、板桥逆变电路、全桥逆变电路13。 图2.5所示的是推挽电路的结构：电路中的Q1、Q2两个开关器件的基极收到PWM控制信号的控制，交替在导通和关断两个状态。在Q1导通的时候，电流经过Q1连接在变压器的原边上。到了Q1基极上的脉冲消失的时候，两个开关管都关断，集电极和发射极的电压都成了直流输入电压。到PWM下个周期时，轮到Q2导通。就这样交替导通，不断重复来达到逆变效果。图2.5推挽电路示意图全桥逆变电路结构如下图所示：桥两臂由 S1、 S2、 S3和 S4组成，两个桥臂的中间连接到滤波电路最终送给负载。电路中的四个开关管按照给定PWM信号交替导通。其工作过程与推挽电路相同。 图2.6全桥电路示意图2.5.4家用太阳能发电系统逆变器要求逆变器是独立光伏发电系统中最后的一步，它把来自蓄电池或者光伏阵列的直流电逆变成交流供给负载使用。对整个系统来言，它决定了之前的设备工作的成败。是系统的重要环节，所以对它有如下几点要求：1、逆变器的转换效率要高 转换效率在光伏发电系统中一直是一个十分受重视的问题。较高的转换效率可以有效的利用太阳能，节省设备的投入资金。就目前而言，光伏阵列，和蓄电池的效率难以再有大的效率提升，逆变器的效率提升相对比较容易。 2、逆变器性能要可靠、安全由于本设计适用的范围是相对落后偏远的地方，交通科技有些落后，所以维护维修的比较困难，而且工作环境也相对恶劣。所以要求逆变器要有足够的安全性，稳定性。能可靠的高效的完成逆变任务。3、输入到逆变器的电量可以有较宽的波动范围 由于光伏阵列的端电压随温度、光照强度和负载大小而变化，与此同时，蓄电池的端电压也会随其剩余容量和内阻的变化而变化，尤其是其老化时的变化就更大。这就对逆变器有了新的要求，即能够正常工作于较宽的输入直流电压范围内又能够输出稳定的交流电压，而不受直流端电压变化影响。 4、逆变器后输出波形畸变要小 假如经过逆变器后的波形不是清晰的波，而是里面存在着很多谐波分量，那么所产生的电能质量将会大打折扣。与此同时，大量的谐波分量会增加设备运行过程中的额外损耗14。现在的很多用电设备（例如通信设备）对电能质量要求都较高。逆变器开关器件按一定规律导通或关断，使直流电变为正负极性的正弦调制的交流脉冲序列，产生的交流波在低通滤波器的作用后变为正弦波。所以尽量减小逆变过程中导致的波形畸变也是对逆变器的要求。 2.6本章小结这一章的内容是对太阳能光伏发电系统的各个环节电路的详细介绍。这个介绍时十分必要的，对于一个完整系统的设计必须对各个环节分类和工作原理有详细的了解，这样在接下来电路设计的环节选择中才能选择出符合自己要求的电路，这样的设计能有更高的实用价值。撰写本章时是分小结进行的，每个小结是一个独立的话题，分别对每一个部分进行了工作原理论述，还有影响他们工作的参数做了说明。对于类型繁多的器件还做了一些分类的介绍。第三章 家用太阳能发电系统各环节设计3.1 太阳能电池和蓄电池容量设计3.1 .1家庭用电量情况的调查对独立太阳能发电系统进行设计的过程中，我们首先得对家庭用电情况进行调查，包括用电量多少，用电时段功率分布，家用电器的参数等。系统的工作电压先确定了，根据调查数据计算出用户在这一电压下的需要的平均安时数。这个数也就是用户平均每天会消耗的电量。对负载的确定其实是比较复杂的，即使用电器的功率和工作电压都可以从说明书或者厂家得到。但是一般家庭电气用电的时间是不固定的，如果把这些估计的过多那么就会增加蓄电池的资金投入，造成浪费。所以负载的实地调查和统计是一项非常重要的工作。 下边是一般家庭用电统计统计一电脑 250630/1000=45度饮水机 100230/1000=6度炊具 1000230/1000=60度热水器 1000130/1000=30度照明 50830/1000=12度总计大约 150-160度总功率 2400W统计二37寸创维电视机 110330/1000=9.9度落地双排音 420130/1000=12.6度DVD播放机 80230/1000=4.8度海尔半自动洗衣机 2005/1000=1度格莱仕微波炉 12002/1000=2.4度海尔电冰箱 110530/1000=16.5度电吹风 8501/1000=0.85度电压力锅 8002/1000=1.6度电水壶 15000.530/1000=22.5度台灯 11330/1000=0.99度白炽灯3盏 300330/1000=27度豆浆机 10003/1000=3度台式风扇 110230/1000=6.6度华硕21寸台式电脑300230/1000=18度总计大约 120-130度。 总功率 6362W图3.1 普通家庭用电情况，某月的收据经统计，确定一般家庭用电为每月130度，平均日用电量为4.3度。家庭电器总功率为3000W.3.1.2 太阳能电池组件的选择a确定方阵角度内蒙古包头地区在北纬40o3916根据公式： =纬度+（10o-15o） (3.1)由以上的计算，设计的太阳能电池方阵放置的角度为45o3916。b 太阳能电池串联数计算： (3.2)系统直流电压为24V，所以2片串联。c 太阳能电池并联数计算电池组件日发电量： (3.3)Ioc为最佳工作电流，Kop斜面修正系数1.09-1.14，Cz衰减修正系数0.8.带入数据得出Qp=64W。蓄电池补充容量： （3.4）A为安全系数1.1-1.4，Q1为日耗电量4300W，N1为连续阴雨天数。带入数据得出Bcb=9460W。组件并联数： （3.5）Nw为两次阴雨天气最短间隔，取18.带入数值得出Nw=8.2。所以选择PW500电池板，最大功率140W，工作电压17.5V，工作电流8A的电池板四块。所以采用两片串联八组并联做设计方阵。3.1.3蓄电池组容量设计在独立太阳能发电系统中，储能元件的选择不能单独的去遵循一个原则，要综合的考虑。选择的时候不止要注意到它的经济性，要根据计算选择出最合适的储能元件的容量，还有电池的最优型号配置方法，已达到使用者日常和在特殊情况下的使用要求16。这样才能为用户提供更好质量的电能。根据前文提到的对各种系电池的介绍，通过优缺点比较还有价格等的考虑。本设计选择铅酸蓄电池为储能元件。这是因为它价格相对低廉、使用和维护也很简单，结构简单、适合北方地区的气候。 一个蓄电池的额定工作电压是12V的，设计的电路中，逆变器输入电压是48V直流电，经过逆变后达到50赫兹220V的家用电。所以可以采用把四个12V蓄电池串联起来的方法得到48伏的方法。确定了串联的电压后，再由并联的个数来达到符合系统需求的容量。平均每天用电为4.3度的家庭，如果采用48V直流输出：AH使蓄电池能满足整个系统在阴雨天气连续工作3天，虽然蓄电池标称容量就是其额定放电容量，但仅按照70的放点量设计。以便有一定的富余。则设计的电池总容量为：蓄电池容量 = 99.53/0.7=426.4AH由此，本设计选用12V/250AH。4个串联，2个并联共8个就可以满足要求。在蓄电池的容量确定过程中，需要注意蓄电池的容量设计的不能过大了，不然蓄电池可能会出于长时间的馈电状态。而如果蓄电池组的容量太小的话，它就不能满足用户对它的需求，设计也失去了意义。3.2变换器和逆变器方案的确定3.2.1 DC-DC变换器的方案选择方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽式拓扑电路，它是由两个参数一致的功率IBJT 管或者是MOSFET管，以推接在电路中，每个晶体管分别承担正负半个周的波形放大任务。在此电路运行时，两只功率管中只有一个通道，但是这样的话，就使得损耗较高。推挽式拓扑结构的输出是双向的，它既可以向负载输出电流，也可以从负载中抽取电流。图3.2推挽式拓扑电路图方案二：Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如下面图所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，电容的作用是使输出端电压能恒定，控制输出端电压的大小只需要调节脉冲信号的占空比就可以实现。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。图3.3 Boost升压式拓扑结构方案比较：两种电路的都可作用于升压，推挽式DC-DC变换器连接的高频变压器可以方便的把电压升到某一值18。Boost升压式DC-DC变换器不使用高频变压器，本设计电路中需要从24V升压至48V，没有必要选择加高频变压器，使电路复杂。决定选取方案二。方案中电感计算： （3.6）其中R=Vo/Po、T=1/f、D=0.5带入数值得出L为36mH。考虑到要电感要足够大保证系统正常运行选50mH.电容值计算公式： （3.7）带入数据得出C=86uF。要选取足够大的电容来存储电能，同时滤除低频谐波，选取C=100uf。技术指标：boost升压电路输入端，输出端,开关频率，输出功率。设计中用PSIM对使用的电路进行仿真如下图3.4 Boost升压电路仿真图图3.5 Boost仿真波形图3.2.2 逆变器的方案选择方案一：半桥式逆变器。一组桥臂接受到控制信号，两个开关器件交替的开通和关断，在负载生成了脉冲信号。半桥式逆变器夹在输入方电压仅仅有一半加在了电路负载上，因此就会引起负载电流的峰值增加。因为电流峰值会增加，所以半桥式逆变电路的应用功率通常不会超过500W。半桥逆变器原理图如图所示。图3.6半桥式DC-AC逆变器方案二：全桥DC-AC逆变器。全桥逆变器。在全桥逆变器同一侧的开关不同时导通，对角方向的两个桥臂同时打开，和同一边的另一个桥臂交替导通与关断。这时负载两端的电压成了有正负极性的交流电。下图就是全桥逆变电路：图3.7全桥DC-AC逆变器方案比较：以上介绍的两个方案中，都可以用来做本设计中的逆变电路，可以达到设计的要求。虽然全桥逆变也就是方案二与方案一比较半桥和全桥的IGBT工作电压同样是为，而输出电压半桥逆变只有，全桥逆变产生的输出峰值电压还是。因此在两个方案想要获得相同的输出电压的时候，半桥逆变也就是方案二的输入电压Vin要比方案二的全桥逆变高出一倍才能达到要求。出于综合考虑，本设计采用方案二全桥逆变。3.2.3 IGBT的参数计算IJBT是电路中是用的重要的开关器件，但是由于IJBT较为脆弱，容易被损坏，所以选择其型号的时候要留一些余量 1、额定电压计算电路中IGBT上的最大电压： （3.8）上式中：UmaxIGBT承受的最大电压Ui负载侧电压有效值1.1电压波动系数、安全系数，取1.1。带入数值得出Umax=433VIGBT截至是后的最大电压： （3.9）式中，UfIGBT管对最大电压电压， 安全系数，取1.1。 1.15过压系数。 带入数值得出Uf=745.V。2、额定电流计算平均每只IGBT上流过的电流： （3.10） （3.11）式中，ICIGBT额定电流值，I1输出电流有效值，I每个IGBT管上平均电流值,1.414峰值系数，1.51分钟的过载容量系数，1.4IC减小系数。带入数据得出Ic=11.25A由上面计算得出的数据，选取额定电流IC为20A，额定电压为800V的IGBT作为开关器件。3.3信号采集电路的设计3.3.1电压检测电路设计电压信号采集方式有很多在这里我选择用电阻分压方式。电压信号的得到是根据两个分压电阻的比例在上面产生的不同压降得到的19。电压信号采集还可以使用霍尔电压传感器来达到目的，但是用分压的方式电路也不复杂，同时可以为设计节省一些成本。由于电阻分压形成的电流将对主电路和采样电路产生影响，故采用高阻值的精密电阻。图3.8电压检测电路3.3.2 电流采样电路设计的电路中电流信号采样我使用的是CSM005A霍尔电流传感器。它的好处在于几乎不消耗能量就能得到高质量的电流信号。其接线图如下所示：图3.9霍尔电流传感器CSM005A中为5:1000的阻数比,当原边上有被测的目标电流流过的时候，在CSM005A的副边就会产生感应电流。感应电流值得大小为阻数比乘以被测目标电流。产生的感应电流Is流过用于测量的电阻Rm是，然后就可以得到感应电压值了。于是，输出电压Uo与输入电流Ip的关系为： （3.12）与此同时，在电流传感器输出端后面我们要加入一个电压跟随器，这样做的为了使得控制电路和主电路中有隔离，减小后级电路对前面电路的影响。图3.10 电流信号采集电路3.3.3逆变器后220V输出电压检测图3.11 交流测采样电路传感器选择设计传感器的功能是把主电路中的一次主电路中的强电信号经过它的处理，转变成为控制电路中可以接受的低电量信号20。转变前后的电量信息有着以一定的联系。对传感器进行选择首先要以他的工作环境作为依据，设计中要测的目标电量是交流220V的电压。决定选取的电压互感器型号为CHV-25P。如图所示： 图3.12 电压互感器表3.1 CHV-25P电压互感器参数型号额定电压 输出电压误差范围电源VN（V）VM（V）X（%）Vc（V）CHV-25P/400400 5 1.0%12153.4驱动电路设计3.4.1 驱动电路的介绍 在小型独立光伏发电系统的发展初期，一般都使用MOSFET作为开关器件。因为在低压的情况下，它的开关频率还是比较高的，而且通态时候的压降也不是很大，损耗小。但是当电压较高时，MOSFET导通时的电阻值增大，由于这个原因，在较大功率的太阳能发电系统中常常选用IGBT作为功率器件。家用太阳能发电系中的驱动电路的作用是控制功率器件的导通与关断。随着微电子电路的发展，现在很多公司都生产出了专业的驱动芯片，给设计带来的极大的方便。不止在本设计中，电力电子器件的控制大都不可以直接用低电能的控制信号来实现正常工作要求。因此需要信号放大的电路。于此同时控制电路是相对脆弱的，所以必须将他与主电路隔离才能保证其工作过程中的安全性，和能长久高效工作的稳定性，否则将有可能造成电路中的器件的严重损坏，产生不必要的损失。所以对驱动电路设计要满足以下条件：1）动态驱动性强，也就是输入给IGBT的控制信号有着很陡峭的跳跃变化，这样可以避免IGBT的导通和关断的动作延迟，同时还要确保其他元件不受到损毁。2）可以给IGBT输入最为合适的开通电压，一般栅极上要加+15 V就可以。而且关断电压也应该接近-5V。3）驱动中要存在栅压限幅部分，保证栅极电压不会过大而损坏器件。栅极极限电压通常是为20 V 4） 驱动电路具有软关断功能，即在IGBT出于过电流或者短路状态时在允许的限定范围内，达到抑制电流保护IJBT的作用。3.4.2 DC/DC变换器驱动电路参考一些文献资料后，对比各种芯片驱动的优缺点，我选择EXB841芯片作为Boost变换器开关器件的驱动芯片。此芯片的功能稳定，而且还具有对电路的保护功能。图3.13 EXB841内部