5KW非隔离性光伏逆变器Boost电路及基于DSP的MPPT控制

青岛理工大学毕业设计 摘 要 在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青 睐。太阳能光伏发电受到世界各国的普遍关注，光伏并网发电也将成为太阳能 利用的主要趋势，必将得到快速的发展。但因为光伏电池的转化效率较低且输 出特性受外界环境因素影响大，使光伏电池实时输出最大功率成为关键。因此 光伏最大功率跟踪也成为光伏发电系统的关键技术之一。 本文主要对光伏最大功率跟踪控制技术以及 Boost（升压斩波电路）电路优 化设计进行研究。首先，对光伏电池的电气进行测量，得到了光伏电池的输出 特性；采用基于 Boost 的实现方案，分析光伏最大功率跟踪的工作原理，进行 DSP 单片机 TMS320F2812 实现扰动观察法的 C 语言编程。 最后进行样机组装并实验，实验证明，本设计能够完成对 Boost 电路的设 计与优化，并能够较好的完成最大功率点跟踪。 关键词光伏发电；最大功率跟踪；DSP；Boost 电路；扰动观察 青岛理工大学毕业设计 ABSTRACT Today the green renewable energy is widely used , solar is favored because of its unique advantages. Solar photovoltaic power is widely concerned around the world, photovoltaic solar power generation will also become the main trend of development and also be rapid. But because of low conversion efficiency of photovoltaic cells and the output characteristics are affected by the environmental factors, making the largest power of photovoltaic cells real-time output the key. Therefore, the maximum power tracking of solar photovoltaic power generation system has also become one of the key technologies. In this paper, I will mainly research the maximum power tracking technology of the PV, design and improve the Boost circuit Boost cut broken circuit. First, I measuring the electrical characteristics of photovoltaic cells , and get the output characteristics of photovoltaic cells; then based on Boost circuit of implementations, analysis the works of Photovoltaic maximum power tracking. Then, based an the DSP microcontroller TMS320F2812 , I use the method of perturbation and observation ,to do the programming based on C language. At last, I assembled the sample machine and did experiments, those experiments showed that the paper can accomplish the design and optimization of Boost circuit. And the experiments also showed that the design can complete the maximum power point tracking. Key wordsPV ；MPPT；DSP；Boost circuit；perturbation and observation 青岛理工大学毕业设计 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 前言 11 1.1 选题背景 11 1.1.1 能源现状 11 1.1.2 太阳能光伏发电 11 1.2 本课题的研究意义和任务 13 2 单相光伏并网发电系统基本原理 .13 2.1 单相光伏并网发电系统结构组成 14 2.2 主要部分工作原理 14 2.2.1 DC-DC 变换器 .15 2.2.2 DC-AC 逆变器 .15 3 光伏电池的特性测量 17 3.1 光伏电池的等效电路模型 17 4 硬件电路设计 17 4.1 Boost 电路工作原理 20 4.2 Boost 电路实现光伏最大功率跟踪的理论依据 21 4.3 Boost 电路主要器件选择 23 4.3.1 电感 L 23 4.3.2 电容 C 23 4.3.3 功率开关管 V 和二极管 D .24 4.4 控制电路 24 4.5 驱动电路 24 4.6 缓冲电路 25 4.7 检测采样电路 29 4.7.1 电压采样电路 30 4.7.2 电流采样电路 31 4.8 液晶显示 31 5 软件设计 32 5.1 光伏最大功率跟踪控制方法 32 5.2 光伏最大功率跟踪算法的实现 33 5.3 系统调试实验及分析 36 结 论 40 青岛理工大学毕业设计 参 考 文 献 41 致 谢 42 附录 A 硬件电路总图 43 附录 B 程序代码 43 青岛理工大学毕业设计 1 前言 1.1 选题背景 1.1.1 能源现状 随着全球工业化进程的进一步深化，对于能源的消耗也在日益增加，而传 统能源，像煤炭、石油、天然气储量有限，随着时间的推移，这些能源正在被 加速消耗，全球正面临能源危机的挑战。这些传统能源中近 40的用于发电， 近两个世纪来，发电主要是采用燃烧煤炭的方法，近半个世纪来，核电得到了 很大发展，但核电存在着相当的安全隐患，发展可再生能源是解决世界能源问 题的必由之路。 太阳光能具有储量大、清洁无污染的优势，如果得到很好的开发，必将对 现有的能源格局产生深刻的影响。同时太阳能发电在近 10 多年中得到了快速的 发展，当今世界各国都采取了措施，出台相关政策鼓励发展新能源行业，以应 对日益严峻的能源危机。光伏发电以其独特的优势在不久的未来必将得到飞跃 式的发展。 1.1.2 太阳能光伏发电 太阳能是取之不尽的可再生能源，据估算，一年内到达地球表面的太阳能 折合成标准煤月亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍，而且分布广泛， 并且可就地去用。太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光感应发电和生 物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转 化成电能的直接发电形式。光伏发电时当今太阳能发电的主流。与常规发电和 其他绿色发电技术相比，太阳能光伏发电又一下的优势 （1）无污染、安全、无噪声，不破坏环境的可持续发展的绿色能源，同时 太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大； （2）资源丰富，太阳能无处不在，应用范围广，基本不受地域限制； （3）应用灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行； （4）可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源； （5）就地可取，无需运输。 由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内得到高度重视，并且随着 各国鼓励、补贴政策的出台，光伏发电正在一很高的速度迅猛发展。从长远来 青岛理工大学毕业设计 看，光伏发电将一分散的发电电源进入电力市场，以小型、户用性作为主 要发展模式，并取代部分常规能源；从近期来看，光伏发电可作为常规能源的 补充，解决部分特殊领域的用电问题，比如通信、信号电源，以及边远地区民 用生活用电需求，不论从环境保护及能源战略上都有重大的意义。 1.1.3 太阳能光伏发电的发展现状 世界太阳能发电发展现状尽管太阳能并网发电在一定程度上产生了经济 效益，但是由于各个方面的限制，像太阳能电池技术的局限，价格偏高，在相 当长的一段时间内没有能够大规模的进入电力市场。进入 20 世纪 90 年代末期， 尤其是 21 世纪以来，能源危机的进一步深化以及环境的恶化，太阳能发电得到 了越来越多的重视，世界各国纷纷出台各项政策法规支持它的发展。 德国 1999 年 1 月实施“十万屋顶计划” ，2000 年装机容量超过 40MW，欧 盟可再生能源白皮书以及相伴随的“起飞行动”中计划到 2010 年装机容量达到 4.7GW。日本政府 1997 年宣布“七万屋顶计划” ，总容量超过 280MW，美国 1997 年 6 月宣布实施“百万屋顶太阳能计划” ，到 2010 年超过 3000MW 容量的 太阳能并网发电系统。澳大利亚政府指出到 2010 年全国光伏发电装机容量大 0.75GW。在发展中国家里，印度的光伏产业是发展比较迅速的，目前又 80 多 家公司从事太阳能光伏产品的生产，1988 年到 2002 年安装发电容量 150MW。 太阳能并网发电的。太阳能并网发电的大规模实施也带来了电池成本的降低， 更能促进光伏发电的发展。 我国的光伏发电发展概况自 1990 年以来，我国太阳能发电市场增长率仅 17左右，远远低于世界同期 30-40的年平均增长率。但是随着我国经济的 告诉发展，能源紧张和环境污染问题的日益严峻，国家已经开始对太阳能发电 给予了足够的重视，出台了相关的法规支持太阳能发电相关产业的发展，截止 2003 年底，我国光伏发电装机容量为 55MW。在 2004 年国家发改委起草的 中国可再生资源开发战略规划中指出到 2010 年我国太阳能光伏发电装机 容量达到 450MW，到 2020 年达到 1000MW。但是总体上与国外发达国家相比， 我国的太阳能发电技术及其产业还有很大差距，主要存在一些问题是技术水 平低，硅材料紧缺，生产规模小，成本价格高，专用材料的国产化程度不高， 尤其是我国在相关的核心技术方面还是十分的不成熟，大容量的并网发电装置 绝大部分依赖于进口所以研究开发具有自主知识产权的并网发电技术刻不容缓。 青岛理工大学毕业设计 1.2 本课题的研究意义和任务 太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏 发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工 作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电 网电压同频同相。最大功率点跟踪 MPPTmaximum power point tracking是太 阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定 的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存 在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳 能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前 太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技 术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，是光伏发电 领域研究的一个重要方向。 本课题主要任务 （1）对 Boost 升压电路进行设计与性能优化； （2）完成 DC 变换器环节实现光伏最大功率跟踪硬件电路设计，分析其实 现最大功率跟踪控制的理论依； （3）研究实现基于 DSP 光伏最大功率跟踪的算法，及其控制流程图； （4）选择适合的最大功率跟踪算法，编写软件程序实现光伏电池的最大功 率输出，尽可能提高光伏发电系统的效率。 青岛理工大学毕业设计 2 单相光伏并网发电系统基本原理 太阳能光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光 伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足 边远地区无电网居民用电问题。随着光伏电池转换效率的提高和成本的下降， 光伏发电电站的建设成本也随之下降，将电能回馈到电网成为必要，光伏并网 发电得到快速发展。本章主要介绍单相光伏并网发电系统的基本原理和组成结 构。 2.1 单相光伏并网发电系统结构组成 单相光伏并网发电系统的功能是将太阳能电池阵列输出的直流电变换为 交流电，经过交流滤波后把正弦波交流电送入电网。并网 DC/AC 逆变器是光 伏并网发电系统的核心部件之一，主要采用电压源型电流控制。为满足电压源 型电流控制并网逆变器的固有交直流变化比关系，即直流侧电压要高于交流侧 电压，在光伏电池阵列输出电压较低的系统中，在 DC/AC 逆变电路前增加一 个 Boost（升压）电路进行电压匹配。光伏并网发电系统采用双闭环控制实现 并网电流与电网电压同频同相的跟踪，并稳定全桥逆变电路的直流母线电压。 图 1 是基于 DSP 信号处理的单相光伏并网发电系统框图。 太阳能电池 阵列 输入 滤波 D C / D C 升压 （ B o o s t ） 电路 D c l i n k D C / A C 逆变桥 输出 滤波 电网 M P T 控制 直流 电压 电流 D C / D C 控制与 保护电路 驱动电路 交流 负载 电网 电压 故障检测 D S P 时钟与复位 电路 数据通讯 及显示 PROME2并网电流 图 1 . 1 单相光伏并网发电系统框图 青岛理工大学毕业设计 2.2 主要部分工作原理 DC-DC 变换器和 DC-AC 逆变器是单相光伏并网发电系统的关键部分，它 们的设计直接关系到单相光伏并网发电系统性能和效率。 2.2.1 DC-DC 变换器 调节 DC-DC 变换器的 PWM 波占空比使负载与光伏电池匹配，即可实现最 大功率输出，同时升高电压。DC-DC 变换器有多种拓扑结构形式，从其转换效 率角度考虑，各种拓扑结构形式中，Buck 和 Boost 电路转换效率是最高。Buck 电路为降压型变换器，系统工作在最大功率输出状态时，光伏电池的最大功率 点输出电压必须高于交流侧的峰值电压，因此限制了光伏电池的配置，所以光 伏并网发电系统的最大功率跟踪很少采用 Buck 电路，而在独立光伏发电系统 的最大功率跟踪中应用较多，因为在独立光伏发电系统中蓄电池的电压一般都 低于光伏电池最大功率点输出电压。在并网发电系统的最大功率跟踪应用最多 的是 Boost 电路， Boost 电路如图 2.2 所示。LVDCMOSFETR- 图 2.2 Boost 电路 本文也将主要对此部分展开研究，并采用 Boost 电路实现光伏最大功率跟 踪，设计出硬件电路和软件程序。 2.2.2 DC-AC 逆变器 DC-AC 逆变器的主要作用是将直流电转换成正弦波的交流电，使其输出与 电网电压同相和同频的正弦波电流。 DC-AC 逆变器的主电路采用电压型全桥逆变电路，电压型全桥逆变电路如 图 2.3 所示，V1、V2、V3、V4 为 IGBT 开关管，VD1、VD2、VD3、VD4 为 反并联二极管，C 为直流侧滤波电容。它共有 4 个桥臂，把桥臂 1 和 4 作为一 对，桥臂 2 和 3 作为另一对，成对的两个桥臂的开关管同时的导通或关断，即 可将输入端的直流电变换成交流电。为使其变换成正弦交流电，通常采用 青岛理工大学毕业设计 SPWM 波信号控制开关管，SPWM 波可分为单极性 SPWM 波形如图 2.4 所示； 双极性 SPWM 波形如图 2.5 所示。 V1IGBT-N234D CUd 图 2.3 电压型全桥逆变电路 图 2.4 单极性 SPWM 波形 图 2.5 双极性 SPWM 波形 由于单相光伏并网发电系统是将光伏电池的直流电转化成正弦交流电，进 青岛理工大学毕业设计 而向电网输送电能，所以 DC-AC 逆变器是一个有源逆变系统。DC-AC 逆变器 的输出控制模式有两种电压型控制模式和电流型控制模式 [5]。DC-AC 逆变器 控制的目标是控制逆变电路输出的交流电为稳定的、高品质的正弦波，并与 电网电压同相和同频，因此选用其输出电流作为被控制量 [6]。 3 光伏电池的特性 光伏效应是指在两种不同材料的公共结被光子辐射照射后，便在这两种材 料之间产生了电动势，光伏电池大多由半导体硅制成，硅晶体中掺入其他杂质， 如硼、磷等，因此光伏电池就能将光能直接转换成电能。 3.1 光伏电池的等效电路模型 为了方便描述光伏电池的工作状态，通常用等效电路来描述光伏电池，光 伏电池等效电路如图 3.1 所示。 I 1 I d I s h I R s h R s U 图 3.1 光伏电池等效电路 在理想状况下，其等效串联电阻 Rs 很小，而等效并联电阻 Rsh 很大，一 般对单晶硅或者多晶硅光伏电池来说，在一般的工程应用中，它们都可以忽略 不计。 光伏电池的输出 I-U 特性方程式（ 3.1） （3.1）shsRIUIRUI 1nkTqexp01 式中I 1 为光生电流（此值正比于入射光照强度） ；I 0 为二极管反向饱和电 流（对光伏电池单元而言，其数量级为 10-4A） ；q 是电子电荷，为 1.610-19；I 青岛理工大学毕业设计 为光伏电池输出电流；U 为光伏电池输出电压；Rs 为光伏电池的串联电阻（小 于 1Ω） ；Rsh 为光伏电池的并联电阻（数量级为 KΩ） ；k 为波耳兹曼常数，为 1.3810-23J/K；n 为 P-N 结的理想因子，当温度 T300K 时，取值 2.8；T 为绝 对温度。 光伏电池的输出功率为式（3.2） （3.2）shsd RIUIRUIUIP 1nkTqexp1 由公式（3.1）和（3.2）可得 I-U 和 P-U 关系曲线，光伏电池输出特性曲线如图 3.2 所示 I / A I s c I m I - U P m P / W P - U U m U o c 0 U / V 图 3.2 光伏电池输出特性曲线 其中，Isc 为短路电流，即光伏电池在一定条件下的最大输出电流；Uoc 为 开路电压，即光伏电池在一定条件下最大输出电压；Pm 为光伏电池在一定条件 下最大输出功率，PmImUm，Im 为最大功率点电流，Um 为最大功率点电压。 根据外界环境改变日照强度或大气温度等条件，可以得到温度一定时日照 强度对输出特性的影响和日照一定时温度对输出特性的影响；日照强度对输出 特性影响如图 3.3 所示，温度对输出特性影响如图 3.4 所示。 青岛理工大学毕业设计 I / A U / V 1 0 0 0 W / m 2 8 0 0 W / m 2 6 0 0 W / m 2 0 I / A U / V 2 5 ℃ 3 5 ℃ 4 5 ℃ 0 图 3.3 日照强度对输出特性影响 图 3.4 温度对输出特性影响 由图 3.3 和图 3.4 知，光照强度对短路电流 Isc 影响较大；温度对开路电压 Uoc 影响较 大。 最大功率点跟踪 MPPTmaximum power point tracking是太阳能光伏发电 系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下， 随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率 点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特 性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电 系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电 池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重 要方向。 青岛理工大学毕业设计 4 硬件电路设计 本部分将根据光伏电池的输出特性，设计硬件电路实现光伏最大功率跟踪， 主回路选用 Boost 升压斩波电路，主控芯片选用 DSP TMS320F2812 实现对系 统的控制；限于采用光伏电池的输出功率和电压的限制。 4.1 Boost 电路工作原理 Boost 升压斩波电路原理图如图 4.1 所示。 - - D S G U i U L U V U 0 - L R D C - I L I 0 I V V 图 4.1 Boost 升压斩波电路原理图 假设电路中的电感 L 值很大（I L 连续） ，电容 C 值也很大。当 V 导通时， 电源 Ui 向电感 L 充电，充电电流基本稳定在 IL，同时电容上的电压向负载 R 供 电，因为 C 很大，基本保持输出电压 U0 为恒值；当 V 关断时，电源 Ui 和 L 共 同向电容 C 充电，并向负载 R 提供能量；若 V 导通时间为 Ton，关断时间为 Toff，当电路稳定工作时，在一个周期 T 内电感 L 获得的能量和释放的能量相 等，可得式（4.1） 青岛理工大学毕业设计 4.1ofLionLi TIUTI0 化简得式（4.2） 4.2iofionf0 若导通占空比为 ，则得式（4.3）TDon iUD10 （4.3） 因为 0 N 计算电压 、 电流 、 功率并显示 返回 延时 i 是 否 图 5.3 单片机控制主程序流程图 单片机控制最大功率跟踪算法程序流程图如图 5.4 所示，此部分程序是在 单片机定时器中断中实现的，定时器定时为 1ms。开始时初始化 Ug 的值，使 光伏电池以此电压给定值输出。当定时时间到时产生中断标志，单片机转向定 时器中断服务函数，temp_cont 值不断加 1，当其加到 1000 时，定时 1s 钟到， 加一次扰动并做出判断,相当于在一定时间内改变一次电压给定值，然后再判断 输出功率的改变。在 1s 中的时间内，每 50ms 判断一次输出电压 UPV 与给定电 压 Ug 的大小，以此来调节 PWM 波占空比，使光伏电池以给定电压 Ug 的值稳 定输出。