离网光伏发电毕业论文x

1、由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧 开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来 源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太 阳能应用的一个重要研究领域一一光伏发电系统，尤其是小功率光伏离网发电 系统，设计实现了基于DSP控制的光伏离网逆变器逆变电路部分的硬件电路。论文首先介绍了太阳能光伏发电的国内外发展现状，阐述了利用DSP控制 光伏离网系统的基本原理。然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的光伏 离网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进行了仿真测试。关键词：光伏离网；逆变器；DSP； Matl

2、ab仿真AbstractIn recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, nev

3、er failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention.In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low power photovoltaic off grid power generation system, design and achieve the hardware circui

4、t of inverter circuit in photovoltaic off grid inverter based on DSP control.The paper firstly described the development of photovoltaic power generation in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic off grid system.Then objective of toff grid inverter with the core

5、 of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded.Key words: off grid photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation目录 TOC o 1-5 h z 摘要IIAbstract III1引论V HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1.1太阳能应用的背景V HYPERLIN

6、K l bookmark30 o Current Document 1.2光伏发电应用现状和意义 V1.2.1国内光伏发电应用现状 V1.2.2国外光伏发电发展现状 VII HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 1.3太阳能光伏发电的概述VIII HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 1.4本课题的内容和设计要求 IX2光伏发电系统IX HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1光伏发电系统的组成 IX HYPERLINK l bookmark47 o C

7、urrent Document 2.2光伏发电系统的分类 X3光伏电池XII HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.1光伏电池的工作原理XII HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 3.2光伏电池的分类XII4主电路拓扑及电路主要参数设计 XIV HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 4.1主电路拓扑XIV HYPERLINK l bookmark70 o Current Document DC-DC部分的电路拓扑 XIV HYPERLINK l boo

8、kmark133 o Current Document 4.3功率开光管的缓冲电路的设计XVIII5系统的软件构架XIX HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 5.1系统的控制方式XIX HYPERLINK l bookmark145 o Current Document SPWM波的生成 XX6采样电路XXII6.1直流电压电流采样电路 XXII6.2交流电压与频率的采样 XXIII1引论1.1太阳能应用的背景伴随着传统的能源资源不断枯竭，环境污染造成全球变暖的最严重的问题， 制约着社会的可持续发展。对于全世界的能源需求的增长使能源资源已经成为

9、 了世界上最重要的战略物资。因此，发展可再生能源是全球未来的能源发展的 必由之路。在中国水电和风力发电已成为商业发电，但他们的资源是有限的， 他们不可能即使利用所有的资源满足未来的需求。光伏发电，是一种取之不尽的无限量的能源，可以直接将太阳光转化为电 能。光伏发电系统是一种重要的解决问题，如能源危机和环境保护。技术相关 的并网光伏发电系统已经通过了世界广泛的研究并已经取得了很大进展。尽管 中国的光伏并网发电系统的研究开始不久，但中国有丰富的太阳能资源。通过 上述分析，在能源需求急剧增加而其他能源日益紧张的背景下，太阳能作为一 种取之不尽的、无污染的可再生能源已经成为当今最热门的能源开发应用的课

10、 程之一，它必将是21世纪最重要的能源之一。因此对光伏发电设计具有巨大应 用价值和现实意义。因此，将来光伏发电系统的发展前景会很乐观。同时对于 目前的一些能源问题，光伏并网发电系统都可以很好的解决，这将会对我们社 会所面临的能源问题做出相当大的贡献。1.2光伏发电应用现状和意义1.2.1国内光伏发电应用现状中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即90%的原材料 依赖进口，而90%的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢， 各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究，并 于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星；1973年开始太阳能光伏电

11、池 的地面应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在 地面的应用非常有限。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅 速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大。国 家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，国家发改委启动了 “送电到乡”项 目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23. 5 MW迅速增 长到2002年的45 MW，至2003年达到55 MW。20032005年，受德国市场的巨 大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。2005年，电池产 量约150 MW，组件产量约284 MW,国内安装量约5

12、 MW，累计安装量70 MW。近 年来，随着环境问题日益突出，绿色发展理念逐渐深入人心，全球经济的发展 方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。目前 我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电 的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日 趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产 产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。我国太阳能光伏电池的 年产量约为3MW生产能力约为5-8MW，累计用量约为15MW，同国外相比有很大 差距!光伏发电产业生产规模小，水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其

13、总体 水平落后国外约15年。我国“十二五”规划纲要提出，要大力发展节能环保、 新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点发展太阳能热利用和光伏光热发电、 生物质能等，解决600万人(即无电人口的10%)的用电问题等目标!这给光伏发 电产业提供了前所未有的市场和发展机会2。我国光伏发电的重点项目：我国“光明工程计划由国家发展计划委员会牵头制定的“中国光明工程计划，筹集100亿元， 计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的生活、 边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站等用电问题。 使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平。深圳园博园光伏并网发电系统，该

14、项目总投资750万美元，这是国内 第一座MW级太阳能发电站。是目前中国乃至亚洲最大的太阳能并网发电系统， 发电能力约为100万千瓦。该电站采用与市电并网形式。投入使用以来共发电 200多万度。(3)京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统2008年4月。北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。这是 2008北京奥运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电。这套光伏发电系统 总投资约1000万元，总装机容量为100千瓦。该太阳能光伏系统使用单晶硅组 件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术。可以就地安装、维护费 用低。该太阳能光伏发电系统安装在位于国家体育场鸟巢周围的5个安检棚顶 部，每

15、个安检棚为一个并网发电单元。通过光伏并网逆变器与公共电网并接， 实现了与公共电网的互联、互通和互补。该系统发电除满足鸟巢检票系统的自 身用电外，多余电力将并人国家体育场的电力供应系统。按平均每天5小时光 照时间计算。这套光伏发电系统每天可为鸟巢提供520度绿色电力。该系统将 稳定运行25年，累计可生产约475万度绿色电力，可减排2500多吨废气.替 代1500吨标准煤。上海十万个太阳能屋顶计划上海十万个太阳能屋顶计划研究，是在世界 自然基金会和上海市经委的支持下。由上海交通大学太阳能研究所承担的太阳 能应用项目课题，总投资近百亿元。上海计划利用十年的时间，将现有2亿平 方米平屋顶的15%，约3

16、00万平方米，即十万个屋顶用作太阳能发电。相当 于新建一个30万千瓦的电站，而且是峰值发电。在1000瓦，平方米标准日照 条件下安装太阳能屋顶，可发电130180千瓦时，平方米。按上海地区标准日 照时间11001300小时/年计算。每年最低发电量可达143千瓦时，平方米.每 年至少发电3. 3亿度。(5)其他建设项目西部7省无电乡村通信工程项目、无锡国家工业设计园300千瓦屋顶并网 光伏系统、上海崇明岛生态公园85千瓦屋顶光伏系统、香港湾仔政府大楼屋顶 光伏系统、广州十万个光伏屋顶计划、乌拉特后期1MW沙漠太阳能光伏并网电 站，该电站将是目前国内最大的沙漠太阳能光伏电站。1.2.2国外光伏发电

17、发展现状太阳能是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发 展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响 已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高 度重视。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当 于全球产量的50以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发 电产品市场，出口额占世界贸易额的80以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从 现今的3 000 MW增加到2020年的70 GW。(w为峰瓦)，光伏发电将解决非洲 30 GW、经济合作与发展组织(OECD)国家10 GW的电力需求。当2010年欧洲风

18、力发电达到约40 GW、光伏发电3GW和太阳能集热器100 Mm时，总计可提供 154167万个就业机会。20世纪80年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、 物力开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和 利用工作。并制定相应的光伏发电系统的发展计划。1990年德国政府率先推出 “一千屋顶计划。1998年进一步提出10万套屋顶计划。日本政府1994年开始实施“朝日七年计划”，总容量185WMp, 1997年又宣布实施“七万屋顶计划”, 总容量280MWp。意大利1998年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量50MWp， 在这类系统中，规模最大的是1997年6月

19、美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”， 到2010年将安装101. 4万套光电系统，总安装量3025MWp。表所示为2000 2004年五年内世界光伏器件的年产量数据11。从中可以看到近五年光伏产品需求的强劲上升势头，年平均增长率超过 50%。充分说明了该产业的迅猛发展态势。美国能源部预测，在今后十年内世 界太阳电池销售量将以年均30%的速度增长，到2010年将达到4.6GWp，累计 容量将达到20GWp。近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装 容量te 2826mwp，其中德国约占47%，西班牙约占23%，日本约占8%，美国约占 8%。2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资

20、集中到新产能的提升上。除 此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使 得该产业规模不断扩大。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发 电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府 2008年11月发布了 “太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年 的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳能电池系统的价 格降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳 能蓄电池的技术开发。2008年月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其 中将光伏行业的减税政策（itc ）续延2-6年。

21、1.3太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言，太阳能发电指的 是太阳能光伏发电，简称“光电”。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能 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即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。根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4本课题的内容和设计要求本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，设计一个 小型光伏离网发电系统的逆变电路。要求：输入直流电压250V-300V,逆变电压

22、 波形为正弦信号，有效值220V10%,50Hz，输出功率=100W，效率80%。根据设 计要求，从以下几个方面进行研究设计：介绍光伏发电的的基本状况和前景，理解光伏发电系统的组成和分类，明确 离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。 阐述光伏发电的原理。 逆变器中逆变电路硬件电路的设计，包括：宜流升压斩波电路结构、逆变器 电路、LC输出滤波、DSP控制电路、采样硬件电路。 通过建立离网逆变器的仿真模型，并采用直流电源供电，实现逆变电路的 MATLAB仿真并进行分析。2光伏发电系统2.1光伏发电系统的组成光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存 或直接供给负载使用的一

23、种新型发电系统。主要是由光伏电池阵列、变换部分、 逆变器及储能部分组成。光伏电池阵列：光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小， 最大输出功率不超过5Wp，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串并 联后统一封装构成光伏模块(Photovoltaic ModulePV)，这是目前光伏器件的 主要存在及应用方式。因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系 统中200Wp以上的光伏模块更受欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏 模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列(PV Array)为系统提供更高的输出功率和输出电压

24、。直流变换部分(DC-DC):直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和 逆变器要求的电压等级。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为 日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟 (Maximum Power PointTracking MPPT)问题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对DC-DC 变换和DC-AC变换所需的基本控制外，还需在DCDC变换环节中增加MPPT控 制，以实现光伏阵列的最大功率输出。逆变部分(DC-AC):光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在内的许多用电场合需要

25、交流 电，所以(DC-AC)逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制 系统控制，从而将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该 环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变 器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上有较大的差距。储能部分：光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚 上，所以蓄电池可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可作 为交流电网断电时的不间断电源为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作 为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏发电系统”。还有一种不含蓄电 池的发电系统，这种系统称为“不可

26、调度式光伏发电系统”。2.2光伏发电系统的分类光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的 大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、 并网发电运行模式和混合运行模式三种。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远 的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即 公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有 像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光 伏发电系统。独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和 逆变器及负载等部分。图2-1所示是

27、典型独立光伏发电系统的结构示意图。光伏电池组件控制器DC/AC 变换器DC/DC 变换器直流负载光伏电池组件控制器DC/AC 变换器DC/DC 变换器直流负载交流负载蓄电池将光伏电能馈送并网光伏发电系图2-1独立光伏发电系统将光伏电能馈送并网光伏发电系并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统， 给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段， 统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网 光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还 可以充当功率调节器，稳定电网电压、消

28、除高次谐波分量，从而提高电能质量； 不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光 伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往 公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载 补充电能。图2-2所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、 DC/AC逆变器、DC/DC变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统 的供电可靠性的需要，在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。DC/DC 变换器直流负载光伏电池组件DC/AC 变 tDC/DC 变换器直流负载光伏电池组件DC/AC 变 t换器 电网交流负载蓄电池

29、图2-2并网光伏发电系统混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大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。较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图2-3所示。风力发电 AC/DC风力发电 AC/DC变换:器图2-3混合型光伏发电系统在通常情形下，白天日照强，夜间风多；夏季日照强、风小；冬春季日照 强度小而且风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显见: 利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和 可靠性；在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合发电系 统进行合

30、理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须启动备用电源和 备用发电机，以此获得较好的经济效益。但是，风/光互补联合发电系统存在： 一次性投资较大，并需定期更换蓄电池等缺点。3光伏电池3.1光伏电池的工作原理在光伏发电系统中，光伏电池般是实现光能转换成电能的器件，光伏电池 阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，一是由半导体材料制成 的，其特性与二极管类似。光伏电池单体实际上是一个PN结，PN结处于平衡 状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由N指向P区的电 场。当太阳光照射到PN结时，就会产生一定量的电子和空穴对，N区就有过剩 的电子，这样就形成了光生电动势，其方向

31、与势垒电场方向相反。光生电动势 使P区和N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。这样如果用导线连接两 个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。3.2光伏电池的分类光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学 电池，发展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一 般要求是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身 对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。按电池结 构分类如下。（1）异质结光伏电池。由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的 界面上形成一个异质PN结。像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结 光伏

32、电池。（2）同质结光伏电池。在同一个半导体材料构成一个或多个PN结。像神 化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。（3）肖特基光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的 光伏电池（又称MS光伏电池）。其原理是基于在一定条件下金属一半导体接触 时产生类似于P-N结可整流接触的肖特基效应。这种结构的电池现已发展成为 金属一氧化物一半导体光伏电池（MOS光伏电池）、金属一绝缘体一半导体光伏 电池（即MIS光伏电池）等。（4）薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道 提的衬底上而构成的光伏电池。这种光伏电池大大地减少半导体材料的消耗（薄 膜厚度以um计）从而大大地降低

33、了光伏电池的成本。可用于构成薄膜光伏电 池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及CIS等，其中以多 晶硅薄膜光伏电池性能较优。（5）叠层光伏电池。指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起 构成的光伏电池。鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充 分利用太阳光中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材 料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收， 这就有可能最大限度地将光能变成电能。（6）湿式光伏电池。指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电 解液而构成的光伏电池。这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还 未建筑物和

34、太阳能应用的一体化设计创造了条件。按电池材料分类：（1）硅光伏电池：包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电 池。其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率 高，可达20%左右，但成本比较昂贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这 种材料中的正负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所有不能 全部被P-N结电场分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。但多晶硅光伏 电池成本较低。多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。而非晶硅光伏电池是采用内部 原子排列“短程有序而长程无序”的非晶体硅材料（简称a-Si）制成。非晶硅 材料基本被制成薄膜电池形式。其造价低低廉，但光电转换效率比较低，稳定 性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电 池。（2）非硅半导体光伏电池。主要有硫化镉光伏电池和神化镓光伏电池。硫 化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜/硫化镉 光伏电池、碲化镉/硫化镉光伏电池、铜锢硒/硫化镉光伏电池等。而神化镓具 有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。即采用同质结 形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成 光伏电池。（3）有机半