小功率光伏离网型逆变器的设计物
小功率光伏离网型逆变器的设计物[20200408102556]
摘要
发展光伏发电技术，可以缓解能源紧缺的问题。将光伏发的电接入交流负载时，光伏逆变器就起到了核心的作用。
本文以小功率光伏离网型逆变器为研究对象，设计了一种使用STC15F2K60S2单片机控制的小功率光伏离网型逆变器。首先，对最大功率点跟踪算法进行分析，决定采用扰动观测法作为算法控制。其次，对小功率光伏离网型逆变器进行总体设计，决定采用两级控制结构，前级为Boost升压结构后级为全桥逆变结构。根据总体方案，对小功率光伏离网型逆变器的软件、硬件进行设计。硬件设计包括了采样电路、Boost升压电路、全桥逆变电路、驱动电路；软件设计给出了主程序、ADC采样子程序、MPPT子程序、逆变子程序的流程图，主要介绍了单片机PCA模块生成两路互补SPWM驱动信号的程序。
最后，制作了一台光伏逆变器的实验样机，对样机的各模块进行调试，以实现各模块的功能，证明本论文的设计具有可行性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:光伏逆变器Boost升压MPPT全桥逆变SPWM调制
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外光伏逆变器发展情况 1
1.3 本文主要工作 2
2 光伏逆变器的控制策略研究 3
2.1 最大功率点跟踪算法的研究 3
2.1.1 最大功率点跟踪原理 3
2.1.2 最大功率点跟踪控制算法 4
2.2 前级DC/DC变换控制策略 6
2.2.1 Boost升压电路 6
2.2.2 DC/DC变换电路实现MPPT的原理 6
2.3 后级DC/AC变换控制策略 7
2.3.1 SPWM的原理和调制方式 7
2.3.2 电压电流双环反馈控制 7
2.4 本章小结 8
3 光伏逆变器的硬件设计 9
3.1 系统设计概述 9
3.1.1 逆变器主电路结构 9
3.1.2 逆变器主电路参数设计 10
3.2 采样电路的设计 10
3.2.1 直流信号采样电路 10
3.2.2 交流信号采样电路 11
3.3 驱动电路的设计 12
3.3.1 前级驱动电路 12
3.3.2 后级驱动电路 13
3.4 本章小结 14
4 光伏逆变器的软件设计 15
4.1 软件开发环境 15
4.2 主程序设计 16
4.3 子程序设计 17
4.3.1 ADC采样子程序 17
4.3.2 MPPT子程序 17
4.3.3 逆变子程序 18
4.4 本章小结 20
5 仿真与调试结果分析 21
5.1 Boost升压部分的仿真分析 21
5.2 逆变部分的仿真分析 22
5.3 调试结果与分析 23
总 结 25
参考文献 26
附录A: 逆变器主电路图 27
附录B：实现两路互补SPWM程序代码 28
致 谢 31
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，发展新能源已经迫在眉睫。太阳能因它储藏量大、应用前景好、绿色环保等特点在风能、核能、潮汐能等新能源中最为看重。光伏发电作为一种绿色的可再生能源发电技术，已受到了广大的关注。若将光伏阵列发的电使用在交流负载上，那么光伏逆变器在光伏发电系统中就起到了关键作用。目前，光伏逆变器可分为离网型和并网型，离网型逆变器一般功率较小，使用独立、便捷；而并网型逆变器则需要考虑与电网并网后它产生的孤岛效应。光伏离网型逆变器应用范围较广，它可在军队通信系统、交通哨所、小型户用系统及偏远地区的供电中使用。发展光伏离网型逆变器具有良好的前景，对推动新能源的发展具有关键性的作用。
1.2 国内外光伏逆变器发展情况
早在20世纪初，国外逆变器企业就开始了对光伏逆变器的研究。随着发展，他们的技术逐渐成熟，目前在光伏逆变器市场上占据了一大笔份额[16]。国外企业不仅研发了离网型逆变器，现在他们还可以将光伏并网型逆变器产品化，推入市场。其中德国SMA公司的产品最具有代表性，每年能在世界上稳定占有33%的份额。
1980年起，我国从传统的逆变器研发开始转向研究光伏逆变器，到现在已取得了一定的成果。因为起步晚，我国生产光伏逆变器的厂商规模都不大，生产出来的产品性能也与国际上一流厂家生产的有差距。虽然如此，但合肥阳光电源公司还是走入了世界市场。
光伏逆变器主要是将直流电转换成交流电供应给交流负载，所以逆变器性能的好坏至关重要。发展光伏逆变器技术主要是研究逆变器的结构、逆变器的控制策略等这些方面。在结构上，除了传统的Boost变换结构，还研发出了纯耦合电感高升压比变换器、级联Boost变换器；在控制上，经历了从模拟控制到数字控制[14]的改变，使逆变器更轻便，通用性更强，维护更方便。数字控制策略主要有重复控制、模糊控制、PID控制等。
未来光伏逆变器的发展方向[13]将会是高智能、高频化、模块化、高效率。
1.3 本文主要工作
本文主要是通过对小功率光伏离网型逆变器进行研究，制作出一台单相小功率光伏发电离网型逆变器的样机，其主要工作如下：
1) 对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）算法控制进行研究，比较各方法的特点，选择合适的控制算法。提出逆变器设计的总体方案，前级采用Boost升压，后级采用全桥逆变，研究了SPWM调制原理。
2) 对小功率光伏离网型逆变器进行硬件部分设计，包括逆变器的主电路（包括升压电路、逆变电路、滤波电路）、采样电路、驱动电路。
3) 对小功率光伏离网型逆变器进行软件部分设计，包括主程序、ADC采样子程序、MPPT子程序和逆变子程序，并介绍STC15F2K60S2单片机中PCA模块工作于PWM模式的原理。
4) 使用仿真软件对设计的各模块进行仿真，分析仿真结果。制作逆变器样机，依据仿真结果，对各模块进行调试，记录下演示的结果。
2 光伏逆变器的控制策略研究
2.1 最大功率点跟踪算法的研究
2.1.1 最大功率点跟踪原理
在外界条件不同的情况下，光伏电池在某一点工作时，它的输出功率会达到最大值，我们称这一点为最大功率点[17]（Maximum Power Point，MPPT）。为了提高光伏电池的利用效率，可根据外界环境和外部负载来改变阵列的工作点，让阵列在最大功率点附近工作，我们把这种跟踪过程叫做最大功率点跟踪。最大功率点跟踪控制的原理是通过一个控制算法将从光伏阵列上采样到的输出功率与当前可能的最大输出功率进行比较，然后根据比较结果改变阻抗大小使光伏阵列工作在最大功率点附近。
图2.1 不同辐射度下的伏安特性与负载特性曲线
从图2.1可知，负载1和负载2是在不同辐射度下的负载特性曲线，曲线1、2是在两个不同光照条件下的伏安特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点。当光伏阵列在A点工作时，突然光照变强，阵列的输出特性曲线由曲线1上升到了曲线2，如果没有将负载l改变，那么光伏阵列的工作点就上升到了A’点，阵列的最大功率点就发生了偏离。为了使光伏阵列在曲线2上仍工作在最大功率点处，那么系统的负载特性曲线就要由1变为2，这样光伏阵列就在最大功率点B点工作。同样，若突然光照变弱，阵列的输出特性曲线从曲线2下降到曲线1，负载2没有改变的话，阵列工作点就由B点下降到B’点，为了保证光伏阵列在曲线1上仍处于最大功率点A点处，就应当相应地将负载曲线由负载2调整至负载1。这样的调整过程，就可以称为最大功率点跟踪。
2.1.2 最大功率点跟踪控制算法
目前，国内外对最大功率点跟踪控制技术都有一定的研究，常用的技术有恒电压控制法、扰动观测法、电导增量法、模糊逻辑控制法等。下面将根据这几种控制方法的特点进行分析。
（1）恒电压控制法
恒电压控制法[17](Constant Voltage Tracking, CVT)根据光伏电池的输出特性曲线可知 ，在温度变化不大的情况下，光伏电池的输出I-U曲线上的最大功率点几乎分布在一条直线附近。恒电压控制法就是利用这一现象，将光伏电池的输出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，并近似的认为光伏电池在这一点处的电压输出的功率最大。光伏电池的最大功率点电压与开路电压的关系近似为：
摘要
发展光伏发电技术，可以缓解能源紧缺的问题。将光伏发的电接入交流负载时，光伏逆变器就起到了核心的作用。
本文以小功率光伏离网型逆变器为研究对象，设计了一种使用STC15F2K60S2单片机控制的小功率光伏离网型逆变器。首先，对最大功率点跟踪算法进行分析，决定采用扰动观测法作为算法控制。其次，对小功率光伏离网型逆变器进行总体设计，决定采用两级控制结构，前级为Boost升压结构后级为全桥逆变结构。根据总体方案，对小功率光伏离网型逆变器的软件、硬件进行设计。硬件设计包括了采样电路、Boost升压电路、全桥逆变电路、驱动电路；软件设计给出了主程序、ADC采样子程序、MPPT子程序、逆变子程序的流程图，主要介绍了单片机PCA模块生成两路互补SPWM驱动信号的程序。
最后，制作了一台光伏逆变器的实验样机，对样机的各模块进行调试，以实现各模块的功能，证明本论文的设计具有可行性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:光伏逆变器Boost升压MPPT全桥逆变SPWM调制
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外光伏逆变器发展情况 1
1.3 本文主要工作 2
2 光伏逆变器的控制策略研究 3
2.1 最大功率点跟踪算法的研究 3
2.1.1 最大功率点跟踪原理 3
2.1.2 最大功率点跟踪控制算法 4
2.2 前级DC/DC变换控制策略 6
2.2.1 Boost升压电路 6
2.2.2 DC/DC变换电路实现MPPT的原理 6
2.3 后级DC/AC变换控制策略 7
2.3.1 SPWM的原理和调制方式 7
2.3.2 电压电流双环反馈控制 7
2.4 本章小结 8
3 光伏逆变器的硬件设计 9
3.1 系统设计概述 9
3.1.1 逆变器主电路结构 9
3.1.2 逆变器主电路参数设计 10
3.2 采样电路的设计 10
3.2.1 直流信号采样电路 10
3.2.2 交流信号采样电路 11
3.3 驱动电路的设计 12
3.3.1 前级驱动电路 12
3.3.2 后级驱动电路 13
3.4 本章小结 14
4 光伏逆变器的软件设计 15
4.1 软件开发环境 15
4.2 主程序设计 16
4.3 子程序设计 17
4.3.1 ADC采样子程序 17
4.3.2 MPPT子程序 17
4.3.3 逆变子程序 18
4.4 本章小结 20
5 仿真与调试结果分析 21
5.1 Boost升压部分的仿真分析 21
5.2 逆变部分的仿真分析 22
5.3 调试结果与分析 23
总 结 25
参考文献 26
附录A: 逆变器主电路图 27
附录B：实现两路互补SPWM程序代码 28
致 谢 31
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，发展新能源已经迫在眉睫。太阳能因它储藏量大、应用前景好、绿色环保等特点在风能、核能、潮汐能等新能源中最为看重。光伏发电作为一种绿色的可再生能源发电技术，已受到了广大的关注。若将光伏阵列发的电使用在交流负载上，那么光伏逆变器在光伏发电系统中就起到了关键作用。目前，光伏逆变器可分为离网型和并网型，离网型逆变器一般功率较小，使用独立、便捷；而并网型逆变器则需要考虑与电网并网后它产生的孤岛效应。光伏离网型逆变器应用范围较广，它可在军队通信系统、交通哨所、小型户用系统及偏远地区的供电中使用。发展光伏离网型逆变器具有良好的前景，对推动新能源的发展具有关键性的作用。
1.2 国内外光伏逆变器发展情况
早在20世纪初，国外逆变器企业就开始了对光伏逆变器的研究。随着发展，他们的技术逐渐成熟，目前在光伏逆变器市场上占据了一大笔份额[16]。国外企业不仅研发了离网型逆变器，现在他们还可以将光伏并网型逆变器产品化，推入市场。其中德国SMA公司的产品最具有代表性，每年能在世界上稳定占有33%的份额。
1980年起，我国从传统的逆变器研发开始转向研究光伏逆变器，到现在已取得了一定的成果。因为起步晚，我国生产光伏逆变器的厂商规模都不大，生产出来的产品性能也与国际上一流厂家生产的有差距。虽然如此，但合肥阳光电源公司还是走入了世界市场。
光伏逆变器主要是将直流电转换成交流电供应给交流负载，所以逆变器性能的好坏至关重要。发展光伏逆变器技术主要是研究逆变器的结构、逆变器的控制策略等这些方面。在结构上，除了传统的Boost变换结构，还研发出了纯耦合电感高升压比变换器、级联Boost变换器；在控制上，经历了从模拟控制到数字控制[14]的改变，使逆变器更轻便，通用性更强，维护更方便。数字控制策略主要有重复控制、模糊控制、PID控制等。
未来光伏逆变器的发展方向[13]将会是高智能、高频化、模块化、高效率。
1.3 本文主要工作
本文主要是通过对小功率光伏离网型逆变器进行研究，制作出一台单相小功率光伏发电离网型逆变器的样机，其主要工作如下：
1) 对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）算法控制进行研究，比较各方法的特点，选择合适的控制算法。提出逆变器设计的总体方案，前级采用Boost升压，后级采用全桥逆变，研究了SPWM调制原理。
2) 对小功率光伏离网型逆变器进行硬件部分设计，包括逆变器的主电路（包括升压电路、逆变电路、滤波电路）、采样电路、驱动电路。
3) 对小功率光伏离网型逆变器进行软件部分设计，包括主程序、ADC采样子程序、MPPT子程序和逆变子程序，并介绍STC15F2K60S2单片机中PCA模块工作于PWM模式的原理。
4) 使用仿真软件对设计的各模块进行仿真，分析仿真结果。制作逆变器样机，依据仿真结果，对各模块进行调试，记录下演示的结果。
2 光伏逆变器的控制策略研究
2.1 最大功率点跟踪算法的研究
2.1.1 最大功率点跟踪原理
在外界条件不同的情况下，光伏电池在某一点工作时，它的输出功率会达到最大值，我们称这一点为最大功率点[17]（Maximum Power Point，MPPT）。为了提高光伏电池的利用效率，可根据外界环境和外部负载来改变阵列的工作点，让阵列在最大功率点附近工作，我们把这种跟踪过程叫做最大功率点跟踪。最大功率点跟踪控制的原理是通过一个控制算法将从光伏阵列上采样到的输出功率与当前可能的最大输出功率进行比较，然后根据比较结果改变阻抗大小使光伏阵列工作在最大功率点附近。
图2.1 不同辐射度下的伏安特性与负载特性曲线
从图2.1可知，负载1和负载2是在不同辐射度下的负载特性曲线，曲线1、2是在两个不同光照条件下的伏安特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点。当光伏阵列在A点工作时，突然光照变强，阵列的输出特性曲线由曲线1上升到了曲线2，如果没有将负载l改变，那么光伏阵列的工作点就上升到了A’点，阵列的最大功率点就发生了偏离。为了使光伏阵列在曲线2上仍工作在最大功率点处，那么系统的负载特性曲线就要由1变为2，这样光伏阵列就在最大功率点B点工作。同样，若突然光照变弱，阵列的输出特性曲线从曲线2下降到曲线1，负载2没有改变的话，阵列工作点就由B点下降到B’点，为了保证光伏阵列在曲线1上仍处于最大功率点A点处，就应当相应地将负载曲线由负载2调整至负载1。这样的调整过程，就可以称为最大功率点跟踪。
2.1.2 最大功率点跟踪控制算法
目前，国内外对最大功率点跟踪控制技术都有一定的研究，常用的技术有恒电压控制法、扰动观测法、电导增量法、模糊逻辑控制法等。下面将根据这几种控制方法的特点进行分析。
（1）恒电压控制法
恒电压控制法[17](Constant Voltage Tracking, CVT)根据光伏电池的输出特性曲线可知 ，在温度变化不大的情况下，光伏电池的输出I-U曲线上的最大功率点几乎分布在一条直线附近。恒电压控制法就是利用这一现象，将光伏电池的输出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，并近似的认为光伏电池在这一点处的电压输出的功率最大。光伏电池的最大功率点电压与开路电压的关系近似为：
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