光伏发电并网逆变器毕业论文

目 录第一章 绪论 - 1 - 1.1 太阳能及其光伏产业 - 1 - 1.2 太阳能光伏发电的发展史 - 1 - 1.3 光伏发电并网逆变器研究的目的 - 2 - 1.4 光伏发电并网逆变器研究的意义 - 2 - 第二章 光伏发电并网逆变控制器系统的理论分析 - 3 - 2.2 逆变器的电路原理 - 4 - 2.2.1 逆变器的电路原理 - 4 - 2.2.2 逆变器的逆变传统技术 - 5 - 2.2.3 逆变器的 SPWM 控制技术 - 7 - 2.3 并网逆变 . - 7 - 2.3.1 电路结构 . - 7 - 2.3.2 系统的总体方案 - 7 - 2.3.3 前级电路的工作原理 - 8 - 2.3.4 主电路中参数的选取 . - 9 - 2.3.5 光伏系统最大功率跟踪的方法 . - 10 - 2.3.6 逆变器驱动电路 .- 11 - 第三章 硬件电路的设计 - 12 - 3.1 直流侧欠电压检测电路 - 12 - 3.2 直流侧过电压检测电路 - 12 - 3.2 直流侧过电压检测电路 - 13 - 第四章 系统软件设计 - 14 - 4.1 软件设计的目的 . - 14 - 4.2 基于 AT89C51 的系统软件设计 . - 14 - 4.3 系统的主程序流程图 . - 14 - 4.4 市电检测和光伏发电系统投切程序设计 . - 15 - 4.5 逆变电路控制程序设计 . - 16 - 4.6 中断与键盘子程序的设计 . - 17 - 结论 - 19 - 参考文献 - 20 - 致谢 - 21 - 附 录 - 22 - 光伏并网发电逆变控制器的设计摘 要恶化的环境和世界传统能源的枯竭，促进了新能源的研究和发展。太阳能资源具有可持续发展的特点受到了很多国家的重视， 为了发挥太阳能的作用， 刺激太阳能产业的发展，许多国家出台了新能源法。其中，太阳能发电有深刻的理论意义和现实意义，仅在过去五年，数千兆瓦的太阳能并网电站得以安装。光伏并网逆变器、光伏阵列和太阳能电池是整个光伏并网发电系统的核心。本文根据光伏发电阵列和逆变器结构特点， 提出了依赖于 DC-DC 与 DC-AC 两级并网逆变器结构。由于 DC-DC 和 DC-AC 电路的相互具有独立的特性，分别分析了 DC-DC 和DC-AC ，其中，重点分析的是 DC-AC 的工作原理。本文的重点是对并网逆变控制器进行设计，包括有逆变器的驱动电路设计、逆变器驱动电路的软件编程以及并网过程中直流侧欠电压、直流侧过电压、交流侧电流等硬件电路的设计。此外，该设计对主电路元件的参数的选择、系统的最大功率跟踪方法进行了详细的分析。关键词 光伏并网；逆变器；太阳能；最大功率点跟踪PV grid power inverter controller design Abstract Deteriorating world environment and traditional energy depletion, prompted the development of new energy and development.Sustainable development of solar energy resources by the national attention, countries have introduced new energy law play a role in fueling the development of solar energy.Among them, grid-connected PV has profound theoretical and practical significance, in the past five years alone, the photovoltaic power station installed total has reached thousands of MW. Connected PV array and grid photovoltaic grid-connected inverter is the key to the entire grid-connected PV system. Based on the inverter structure and array of photovoltaic power generation characteristics, based on the structure of the DC-DC and DC-AC two grid inverter.Based on the relative independence of the DC-DC and DC-AC circuits, respectively, on the DC-DC and DC-AC analysis, the focus of the working principle of the DC-AC.The grid inverter controller design is the focus of this article, DC inverter driver circuit design, software programming of the inverter driver circuit and grid side under voltage DC side voltage AC side current hardware circuit design.The selection of the main circuit component parameters, the systems maximum power point tracking method to do a detailed analysis. Keyword Photovoltaic grid； Inverter； Solar； Maximum Power Point Tracking插图清单图 2- 1 系统总拓扑图 . - 4 - 图 2- 2 单相桥式逆变电路 . - 5 - 图 2- 3 电压型三相桥式逆变电路 . - 5 - 图 2- 4 UNU 、 VNU 、 WNU 的波形 . - 6 - 图 2- 5 NNU 和 UNU 的波形图 . - 6 - 图 2- 6 波形不同冲量相同的窄脉冲 . - 7 - 图 2- 7 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 . - 7 - 图 2- 8 Boost 电路的工作原理图 - 8 - 图 2- 9 扰动观测法的流程图 - 11 - 图 3- 1 直流侧欠电压检测电路 . - 12 - 图 3- 2 直流侧过电压检测电路 . - 13 - 图 3- 3 交流侧过电流检测电路 . - 13 - 图 4- 1 主程序流程图 . - 15 - 图 4- 2 市电检测和供电切换软件流程图 . - 16 - 图 4- 3 PWM脉冲生成程序流程图 - 17 - 图 4- 4 中断程序流程图 . - 18 -图 4-5 键盘子程序流程图 . - 18 - 表格清单表 1- 1 光伏发电的历史 . - 2 -- 1 - 光伏并网发电逆变控制器的设计第一章 绪论1.1 太阳能及其光伏产业太阳能的能量是来自于太阳内部连续不断的核聚变。在地球表面上太阳光的辐射强度为 1367km/㎡。我们生活的这个地球的赤道周长为 40000km,所以我们大概可以计算出，地球可以获得 173000TW 的能量。人类维持生存需要这些能量。太阳这个能源是久远的、巨大的、无穷无尽的。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使在地球上存在的化石原料，从本质上来说也是由远古时候的能量转化而来的，所以从广义来说，太阳能的定义范围比较广，太阳能从狭义的定义来说是指太阳辐射的光热、光电跟光化学之间的转换。太阳能的一种重要利用形式就是太阳能光伏发电，我们利用太阳电池把能量从光能变为电能，伴随着现代科技的进步，光伏发电在我国以致于全世界内有很大的发展前途。太阳能电池工作的原理是利用半导体具有的光伏效应，就是在太阳光的照射下会产生光电压的现象。 1954 年美国的贝尔实验室首先发明出了以 PN 结为基本结构具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此以后太用电池在太空领域技术中就得到了应用，现在在地面也逐渐得到推广应用。同核能、风能、化石能源等发电技术相比，光伏发电具有其自身的优势，可归纳为如下几点1）先进性的发电原理直接由光子转化为电子，中间没有其他过程和机械运动，具有简洁的发电形式。2）太阳能资源的无限性和分布特性太阳能取之不尽、用之不竭，可以再生和洁净环保；太阳光无处不在，不需运输，最最重要的是没有任何国家能过将其垄断和控制。3）太阳能没有资源短缺跟耗尽问题用到的主要的硅材料储存丰富，在地壳上出了氧元素之外的第二多的元素，多达 26。4）光伏发电同大自然的关系无燃烧的过程，无温室气体、废气和废水的放出，环境友好，可以称作真正的绿色发电。5）使用性能和寿命的问题已经经过应用和实践了十几年光伏发电有比较稳定的性能，还有较长的使用寿命。6）维护和管理问题可实现无人化且维护成本低。1.2 太阳能光伏发电的发展史太阳光伏发电的发展史如表（ 1-1）所示。它的历史还要从 1800 年前说起，伯克莱氏发现对某种半导体在阳光的照射下，会改变其伏安特性。最后光伏效应被发现，并用这种半导体做成了太阳能电池。其后在此方面又有更突出的发现。年份 成就- 2 - 1.3 光伏发电并网逆变器研究的目的目前我国的经济发展正处在繁荣时期，但是能源问题却是很严峻，在大多数城市中，由于现在的工厂燃烧大量的化石能源， 环境恶化的趋势十分明显。 由世界卫生组织 （ WHO）表 1-1 光伏发电的历史2000 年公布， 在世界上污染最严重的十个城市之中， 中国占了八个， 而且北京位居第七位。因此发展光伏并网发电会有助于提早解决这一问题。我国相关部门开始重视起来，国家科技部首先规划出有步骤的推进有关的科技创新研究、示范和产业化进程。在“八五 ” 与“九五”期间， “光伏屋顶并网发电系统”已经被“国家科技公关计划”所列入，若干光伏屋顶并网发电系统示范工程分别建成在深圳和北京。现在我国仍然需要进口光伏并网发电的关键技术和设备，然而，为了面对巨大的国内需求，实现具有自我知识产权的高科技的发展相当关键，这是一个亟待解决的问题。具体的目的在光伏并网发电系统中表现在 （ 1）为了实现提高转换电能的质量，将太阳能光电转换组件阵列输出的直流电变化成为 220V，频率为 50Hz 的单相正弦波，使电流与电压要有比较小的畸变率； （ 2）可以使系统变得更安全，如输入接反保护、输出短路保护、输出过载保护、直流过压保护、欠压保护、交流过压、 “孤岛”保护。1.4 光伏发电并网逆变器研究的意义对光伏并网发电系统的研究与探索是非常有意义的，不仅在技术上可以更上一个台阶，在工程上取得经验，而且另外还能确定它在经济方面是可行的。光伏发电要是想进军1800 1876 1904 1940 1954 1955 1956 1958 1972 1974 1976 1984 1985 1991 1992 1994 2003 光伏效应的发现研究硒的光伏效应对铜和氧化铜光敏感性的研究研究 PN 结的理论发明了单晶硅太阳能电池发明 CdS 太阳能电池发明 GaAs 太阳能电池太阳能电池应用在先驱者 1 号通信卫星上美国制定新能源开发计划日本制定太阳能发电发展的“阳光计划”发明了非晶硅太阳能电池美国建成了 7MW 太阳能发电站日本建成了 1MW 太阳能发电站制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国）制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）RPS法（新能源法案） （日本）- 3 - 到建筑市场和电力市场，那就必须发展并网光伏发电，光伏发电应用的规模只有达到了电力的规模，才能对能源的紧张和环境污染的抑制起到理想的作用。要想研究光伏并网发电系统，其重点应该落在并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术和工业部件上。大力推广光伏并网发电不仅减少环境的污染和节约了能源，对壮大光伏工业还有一定的促进作用，可以实现能源的可持续发展，同时也创造了很多就业的岗位。要想将并网光伏发电实现，关键的技术就是设计并网光伏逆变器。目前，独立光伏电站使用的逆变器应用比较广，技术也相对成熟。但是比较落后的技术出现在并网逆变器这里，要想从国外进口并网逆变器，它的价格却很高昂，所以在国内推广不是很现实。为了能够自主研发生产， 国内有相关的企业和部分高校开始开展合作， 共同研究光伏发电技术，但是还没有产业化的实现，几乎都是示范系统。为更好将网光伏发电系统大众化，自主研发并网逆变器就具有丰富的现实意义。第二章 光伏发电并网逆变控制器系统的理论分析2.1 太阳能发电并网系统总拓扑图- 4 - CIPMLTVAT89C51故障检测直流电压电流检测MPPTPWM信号光伏阵列eaebecV D网侧电压电流检测电网电压同步检测图 2-1 系统总拓扑图从上面的这个总拓扑图（ 2-1） 中我们可以简单得到，光伏列阵产生的直流电压首先会经过 boost 变换器，会对光照下系统的最大功率点进行追踪，再利用逆变器把直流电转变成为交流电，利用单片机控制，进行电压的检测和负载的过电流检测。最后是利用辅助电源，把产生的电脑并到电网中去。2.2 逆变器的电路原理2.2.1 逆变器的电路原理下图 2-2 所示的为单相桥式逆变电路最基本的工作原理， 我们只有先弄懂了这个原理，才可能顺利设计出并网逆变器。图中 S1S4是桥式电路的四个臂，他们由电子电子器件和辅助电路组成。 S1～ S4 为开关管。当开关 S1和 S4 闭合， S2 和 S3 断开时，负载电压 U0为正值；当开关 S2和 S3 闭合， S1 和 S4 断开时， U0 为负值。这样，就把直流电转变成了交流电，改变两组开关切换频率，即可改变输出的交流电的频率。dU1S2S3S4S负载0i0u- 5 - 图 2-2 单相桥式逆变电路2.2.2 逆变器的逆变传统技术三相逆变电路可以由三个单向逆变电路组合而成。在三相电路中，三相桥式逆变电路的应用最为广泛。开关器件采用的是 IGBT 的三相电压型桥式逆变电路如图 2-3 所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。电路的直流侧通常只用一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假象的中点 N 。 和单相半桥电路和全桥逆变电路相同， 三相电压型逆变电路多数采用的工作方式如下逆变电路基本导电方式也是 180 度的方式，即是每个桥臂导电的角度为 180 度 ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差 120 度，这样在每一个瞬间，将会有三个桥臂同时导通。可能是上面的一个臂下面的两个臂，也许是上面的两个臂和下面的一个臂。对于 U 相的输出来说， ， 当桥臂 1 导通时， / 2UN dU U ， 当桥臂 4 导通时， d / 2UNU U 。因此， UNU 的波形是幅值为 dU /2 的矩形波。 V 相、 W 相的情形和 U 相类似，他们的波形形状相同，只是每个相位之间相差 120 度。 UNU 、 VNU 、 WNU 的波形如下图 2-4 所示N N2dU2dU1V6V4V5V3V2VUVW1VD2VD3VD4VD5VD6VD图 2-3 电压型三相桥式逆变电路- 6 - UNuOOOVNuWNuttt2dU图 2-4 UNU 、 VNU 、 WNU 的波形假设负载中性点 N 与直流电源假想中性点 N 之间的电压是 NNU ， 则各相负载相电压可由下列式子求出 UN UN NNU U U VN VN NNU U U （ 2-1） WN WN NNU U U将上面的公式整理得 1 / 3 1 / 3N N U N V N W N U N V N W NU U U U U U U设负载为三相对称的，即有 0UN VN WNU U U ，则 1 / 3N N U N V N W NU U U U （ 2-2）下图给出了 NNU 的波形， 它也是矩形波， 但是它的频率为 UNU 频率的三倍。 利用式 2-1和式 2-2可以绘画出 UNU 、 WNU 的波形， VNU 、 WNU 和 UNU 的波形形状是一样，仅是相位相差 120。ttNNuUNuOO6dU23dU3dU图 2-5 NNU 和 UNU 的波形图- 7 - 2.2.3 逆变器的 SPWM 控制技术在采样控制理论中有一个重要的结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这个原理叫做面积等效原理，这也是 PWM 控制技术的重要理论基础。例如图 2 6 所示 ,有三个窄脉冲，它们形状不同， a图为矩形脉冲 ,b图为三角形脉冲， c图为正弦半波脉冲，但是它们的面积都等于 1。当它们作为输入分别加在可以将其看成惯性环节的 R-L 电路上时，设电路的输出记作电流 it，图 2 7b给出了输入为不同的窄脉冲时，输出 it响应波形。从图中波形可以知道，在 it处于上升阶段，脉冲的形状不同， it也会有所不同，但是其下降段的波形几乎完全相同。越窄的脉冲，其输出响应 it的波形差异也就会越小。如果上述脉冲的施加是周期性的，则输出响应 it 波形也会呈现周期性的变化。用傅立叶级数分解之后将看出，在低频段各 it 的特性是非常接近的，仅是在高频段是不同的。OOOOttttf t f tf tf tta 矩形脉冲 b 单位脉冲函数c 正弦半波脉冲b 三角形脉冲图 2-6 波形不同冲量相同的窄脉冲e ti tacdbti tOa R L电路 b 电流响应波形图 2-7 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形2.3 并网逆变2.3.1 电路结构上图 2-1 显示出了并网逆变器的结构，该电路的结构包括 工频逆变器、高频逆变器、工频变压器、输入滤波器和输出滤波器。2.3.2 系统的总体方案光伏并网逆变器的控制策略是光伏系统并网控制的关键。通过对方案的研究和对比论- 8 - 证，本次的设计将会采用无变压器两级模型结构，前级的 DC-DC 变换器通过 DClink 相连接后级的、不可或缺的 DC-AC 逆变器。在这里，对于前级和后级变换器的控制策略可以独立的进行研究。就一般而言，拥有两级变换的并网逆变系统中，前级的 DC-DC 变换器的主要作用是实现最大功率点的跟踪控制，在此方案中考虑到输入电压是比较低的，如果采用了半桥电路，会使得流过开关管的电流变大，得到的输出电压会太低；若采用了全桥电路，则结构变得复杂，开关的功耗变大。综合上面的分析，此系统采用结构比较简单，控制比较方便的 Boost 升压斩波电路。 而后级 DC-AC 变换器控制要求要实现两个 第一是要稳定前后级之间的直流侧电压；第二是要完成控制并网电流，甚至要按照指令来调节电网的无功功率。由此可见，网侧逆变器是光伏发电的核心。采用单相全桥逆变电路，其作用是将直流电变为交流电，实现将电能并入电网。 DClink 的作用不仅是连接前后两级变换器，而且还可以实现功率的传递。系统主电路如图 2-1 所示2.3.3 前级电路的工作原理前级为 Boost 电路，该电路是由电感、电容、开关管和二极管组成，其作用是将太阳能电池输出的电压升高， Boost 电路的原理图以及输出波形如下图 2-8 所示。E1i LVVDC 0u R0iOO ttGEu0i1I图 2-8 Boost 电路的工作原理图在分析 Boost电路工作原理时，假设在电路里，电感 L的值很大、电容 C的值同样也大，当全控器件 V通态时，电源 E给电感 L充电并且使电路中的电流恒定为 1I ，电容 C同时向负载 R供电。 因为电容 C的值很大， 输出电压 0u 基本上保持为恒值 0U 。 假设开关 V导通的时间为 ont ，此时电感 L上储存的能量是 1 onEI t 。当开关 V为断态时，电源 E和电感 L同时向电容 C充电，并且把能量传递给负载 R。假设开关 V断开时间为 offt 。在此过程中电感 L放出能量为- 9 - 0 1 offU E I t 。当电路在稳态工作时，电感 L在一个周期中积蓄与释放的能量相等，即1 0 1o n o f fE I t U E I t （ 2-3）化简之后得0 o n o f fo f f o f ft t TU Et t 2-4 上式中， / 1offT t ，所以升压斩波电路输出的电压高于电源电压。在式（ 2-4）中 / offT t 定义为升压比，要使输出电压 0U 的值改变，就可以调节升压比的大小。记 为升压比的倒数，即 / Tofft 。和占空比 的关系为1 （ 2-5）则式（ 2-4）可改写为01 11U E E 2-6 升压斩波电路能够将输出电压升高的关键原因有两个 其一是因为电感 L 的储能使电压具有泵升的作用，其二是电容 C 可以保持输出电压恒定。在上述的分析中，设定开关 V处于通态的期间，因为电容 C 的作用使输出电压 0U 恒定，但是电容 C 的值不会是无穷大的，在向负载放电的过程中， 0U 肯定会下降，所以实际输出得电压略低于式（ 2-4）中所得的结果。但是电容 C 的值有足够大时，误差是很小的，几乎可以是忽略不计的。2.3.4 主电路中参数的选取1滤波电感的选择在逆变器中有个器件很关键，那就是滤波电感。光伏发电并网系统最基本的就是要逆变器输出波形为正弦波， 要使它的功率因数接近 1。 所以电感的选取直接决定电路的性能。选择滤波电感， 要尽量把调制波中的含有高次谐波分量滤掉， 使输出电压的质量大幅提高。滤波电感的同滤波电容的高频阻抗相比不能过低，就是滤波电感的感值不能太小。选取电感，我们要考虑到电感的值会对输出纹波电流的值有直接的影响。在现实的设计中，会对电感的成本、体积等因素有所考虑。很重要的一点是参考电感的下限值，取值要稍微大于要求的下限值即可。2滤波电容的选择滤波电容和滤波电感一起作用滤除输出电压里的高次谐波，已达到改变输出电压的波形形状。但是从电路上看，在输出的电压不会变动的情形下，滤波电容的增大会增大滤波电容的电流，从而增大了逆变器的无功能量，降低了效率，增加了损耗。所以滤波电容不应该选的太大。3开关管的选取对逆变电路来说，选择主功率元件这一方面也是至关重要的，目前应用较多的功率开关元件主要有绝缘栅极晶体管 IGBT ，功率场效应管 MOSFET，达林顿功率晶体管 BJT和可关断晶闸管 GTO等。 若一个系统电压低、 容量小， 则用 MOSFET 较多， 因为 MOSFET具有较高的开关频率和较低的通态压降。若系统电压高、容量大，一般会采用 IGBT 模块，因为 MOSFET 的特性是随着电压的上升， 通态电阻也会增大， 在中容量系统中 IGBT 会占- 10 - 有比较大的优势。而 GTO 一般存在于在特大容量 100kVA 以上 系统中。针对上述电路的特点，开关器件我们应该选用 IGBT 。2.3.5 光伏系统最大功率跟踪的方法在光伏发电系统中，除了光伏电池的内部特性影响光伏电池的利用率之外，还受使用环境的影响，比如温度、负载、辐射度等因素影响。由于工作的外界环境不同，光伏电池运行的最大功率点是不同的， 但是每种情况下确是唯一的。 因此， 对于光伏发电系统来说，我们应当探索光伏电池工作的最优状态，尽可能大的将光能转变为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术。最大功率点的跟踪从本质上讲是一个自寻优的过程，即对光伏阵列端电压进行控制，使得光伏阵列能够在不同的温度和光照条件下智能的将最大功率输出。介绍下面几种典型的跟踪方法（ 1）定电压跟踪法在温度的变化不是很大且辐射度大于一定值时，光伏电池的输出P-U 曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池输出电压控制在最大功率点附近上的某一定电压处，光伏电池将会获得近似的最大输出功率，这种 MPPT 控制称为定电压跟踪法。定电压跟踪法的优点是拥有简单的控制策略、有较高的稳定性且易于实现。缺点就是它没有考虑到太阳能电池结温会影响开路电压，所以能量的损失会比较大，定电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也会越大，这只是最大功率的一种近似跟踪方法。（ 2）扰动观测法扰动观测法是实现 MPPT 最常见的自寻优类方法之一。其基本原理是在正常工作下的光伏阵列，每隔一个固定的时间，都会利用一个较小的步长，来将太阳能电池输出的电压改变。方向即可以减少也可以增加，并对功率的变化方向进行检测，以此确定寻优的方向。若输出的功率增大，那么会继续按照上述的方法以周期的方向继续进行“干扰” ，否则会改变扰动的方向。算法的流程图如下图 2-9 所示，其中 Ik、 Uk 是光伏列阵当前的输出电流，输出电压， Pk-1是上一个周期采样值。由于系统始终存在着“扰动” ，系统虽然在最大功率点旁边工作，但无法稳定下来，只能振荡运行在其附近，而步长决定着振荡的幅值。如果扰动的步长过大，则振荡在最大功率点附近就会比较大，就会损失较大的功率，但是跟踪的速度会比较快；相反如果取得较小的步长，虽然会减小功率的损失，但是同时也会降低跟踪的速度，系统的响应速度会降低。当光照随时间变化不大时，用这种算法是很有效的；当光照强度突变时，跟踪算法很有可能失效，得出错误的跟踪方向。优点原理很简单，测量的参数较少，转换的效率较高，硬件的实现比较方便，所以应用很广泛。缺点步长对速度和控制精度影响会比较大，即步长同精度不可以兼顾；系统的工作点是无法在最大功率点上稳定下来，将会导致部分功率损失；因为此种方法没有一套严谨的算法， 对外界变化的环境有较低的适应能力， 所以只有在光强变化不大的环境中才得以运用；复杂的控制算法，对控制系统的要求很高。- 11 - 图 2-9 扰动观测法的流程图2.3.6 逆变器驱动电路逆变器的驱动电路采用的是在 AT89C51 单片机控制下， SA4828 芯片生成 SPWM 调制信号，其中 SA4828 芯片是专用产生三相 SPWM 信号的。驱动电路作用主要是当电压突然不正常时，相位依次相差 180，频率为 50HZ 的两路矩形电压脉冲依次产生，这两路脉冲分别驱动两个 IGBT 。当电压出现不正常状态时，控制信号就会由 AT89C51 单片机迅速发出， SA4828 芯片就会在此时立即工作， IGBT 的通断便是由它发出的六路脉冲控制进行控制的。此时会有导通三个管子，同一桥臂上下的两个管子依次轮流导通 180，根据 PWM 控制技术，逆变器将会输出 50HZ 频率的交流电。Pk-Pk-11 计算当前功率检测 Uk、 Ik 改变原扰动方施加扰动输出保持原扰动方初始功率读取输出控制信号- 12 - 第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计主要介绍直流侧欠电压、 过电压检测电路， 交流侧的过电流检测电路。3.1 直流侧欠电压检测电路-12V 5 VPVR10C00R11R09R125VR13R14Z2R08P1.1U 2D01图 3-1 直流侧欠电压检测电路直流侧欠电压检测电路如上图 3-1 所示，当太阳能电池板工作在正常状态时，输出的电压大约为 96V，由分压电阻 R10 和 R11 分压，此时比较器的 U 大约是 2.4V， U 近似为1.8V，比较器的输出电压为 12V，光耦合器 2U 会导通，发光二极管 2Z 由于承受了正向电压会发光， 输出 1.1P 为 0； 当太阳能电池板工作在欠压时， U 会小于 1.8V， 比较器会输出 0，光耦合器 2U 不会导通会使灯息灭，输出 1.1P 为 1。3.2 直流侧过电压检测电路直流侧过电压检测电路如下图（ 3-2）所示，将 Boost 电路里电容 C 的两侧电压采集，通过电阻输入到比较器的负端。 直流侧的电压值大约是 240V， 分到 2 管脚上的电压大概是2.5V， 5V 的电压施加在 06R 的电阻上，通过 04R , 05R 分压，落在 1 管脚上大约 3.0V，在设计电路时使得 1U 2U ， 这样就使 3 管脚稳定在 12V， 1Z 承受了正压而发光，输出 1.0P 为 0。当直流侧的电压过高时， 2 管脚的电压也会相应的升到比 3.0V 还有高，此时比较器 3管脚输出为 0V， 00D 会导通，导致发光二极管 1Z 关断从而不发光，输出 1.0P 为 1。当直流侧的电压降至临界电压时， 虽然 2 管脚的电压可下降到 3.0V,但是因为 1 管脚已从 3.0V 降低到了 2.5V，所以 3 管脚仍是 0V，因此只有当直流侧的电压继续降到某一定值的时候， 2 管脚才降到低于 2.5V， 3 管脚才能上升至 12V。这时 00D 会截止， 1 管脚将会上升至 3.0V,从而准备进行下次的过电压检测。- 13 - -123直流侧电压R04R02R 05R 06D 005V12VR01Z15VR07P1.0R03 U 0图 3-2 直流侧过电压检测电路3.2 直流侧过电压检测电路A C-123A相电流检测C相电流检测R15R16R18R195VP1.512VR17Z35VR20U3图 3-3 交流侧过电流检测电路如上图 3-3 是交流侧过电流检测电路。工作在正常的状态下，比较器的 1 管脚的电位比 2 管脚电位低， 3 管脚的输出 0V，光耦合器 3U 不会导通，发光二极管 3Z 将会截止， A相输出高电平“ 1” ；负载电流过大时， 1 管脚的电位会上升，当电压比 2 管脚高时， 3 管脚的输出为 12V， 光耦合器 3U 导通， 使得发光二极管 6Z 发光， 这时 A 相输出低电平 “ 0” 。虽负载是三相的，但是由于对称性，我们只用对其中的两相电流进行检测，另一相电流就可以算出。为了增加单片机的管脚利用率，在检测电路内加上一个与门，检测到 A 和C 相的电流都工作正常时才输出 1.5P 为 1，要是存在任一相的负载过流，电路中的灯就会亮且 1.5P 为 0，输出的即为 “ 0”。- 14 - 第四章 系统软件设计4.1 软件设计的目的要是在光伏发电系统中写入了有关计算机辅助设计，一方面大大缩短了设计系统所用的时间，将系统设计的效率提高，另外一方面能保证写出的方案拥实用性较好，而且可以最大程度的利用各种资源。4.2 基于 AT89C51 的系统软件设计对整个控制系统来说，单片机可以当作这个系统的核心。在 MCS-51 系列中，各种型号芯片基本上引脚都是互相兼容的。 以 HMOS 为制作工艺的 MCS-51 单片机都是采用的方式为 40 只引脚的双列直插封装（ DIP） ，目前以此类封装方式居多。制作工艺为 CHMOS的 80C51/80C52 除了运用 DIP 封装的方式之外，另外还采用了方形的封装方式，其引脚为44 只。按其功能的不同，我们可以将 40 只引脚进行三类的划分（ 1）电源和时钟引脚 VCC， VSS； XTAL1 、 XTAL2 。（ 2）控制引脚 PSEN、 ALE 、 EA、 RST.。（ 3） I/O 口引脚 P0、 P1、 P2、 P3 为 4 个 8 位的 I/O 口的外部引脚。4.3 系统的主程序流程图主程序流程图如下（ 4-1）图所示，下面对整个系统的流程图作简单的介绍当主程序开始之后，首先应进行初始化设置，初始化的设置应该要包括单片机系统初始化和显示器初始化，其次判断是否按下开机键，若按下，将显示子程序调用，用来显示当前的逆变工作状态，若不正常，要使系统开始工作，就马上调用和发送 PWM 波子程序。最后检测判断 P1.5 是否为 1，这是来检测负载会不会过流，如果出现过流，必须停止发送 PWM 波使逆变器停止工作，如果不会过流，那么程序再次返回至显示子程序循环执行下去。系统对电路的控制还可以使用键盘来实现，利用中断 1 产生中断信号来实现的；利用中断 0 来产生过流中断检测输出是否过流，同时会播出报警信号，利用单片机来控制逆变使整个系统安全工作。- 15 - 图 4-1 主程序流程图4.4 市电检测和光伏发电系统投切程序设计开机之后第一步进行是检测市电电网，利用单片机对电路控制，在市电发生断电或是畸变的时候会停止光伏并网动作。若市电在正常供电，再检测太阳能电池的电压，判断电池的电压值能否满足进行并网发电最低的要求，若满足，进行下一步操作，若不满足，中止光伏并网发电动作。其流程图如下图（ 4-2）所示开始单片机初始化调用显示子程序调用键盘子程序调用电网检测子程序调用输入电压电流检测子程序- 16 - 图 4-2 市电检测和供电切换软件流程图4.5 逆变电路控制程序设计本设计采用 SA4828 芯片产生 6 路 PWM 脉冲。流程如下图（ 4-3）所示。开始光伏发电系统不并网返回直流侧欠电压P1.01 市 电 断 电或 是 畸 变P1.11- 17 - 图 4-3 PWM脉冲生成程序流程图4.6 中断与键盘子程序的设计要是逆变器的输出发生了短路或者过载，那么对整个系统会有巨大的危害。单片机对系统进行了过电流保护，保证系统运行的安全。单片机利用中断服务子程序执行此保护，产生了 INT0 中断，执行了中断的子程序，产生了控制信号制止逆变，并利用声光产生报警。单片机控制开关机是利用外接的独立式的键盘电路，利用手动控制进行开关的切换。单片机里的中断源 INT0 是利用外部检测信号和键盘输入信号进行连接，开机和关机的按钮是用 S1 和 S2 表示的， S3 表示的是报警信号复位的按钮， 它们的实现方式均采用的是查询中断方式。中断程序如下图（ 4-4）所示，键盘子程序如下图（ 4-5）所示。开始往 R0 R5 写入初始化参数据更新返回写 R14 完成数据传输往 R0 R5 写入控制参数写寄存器 R15 传送控制- 18 - N Y Y N Y N N Y Y N Y N N Y Y N 图 4-4 中断程序流程图图 4-5 键盘子程序流程图每个部分所对应的程序设计详见附录部分。返回P1.70 开始S1 是否按下调用 PWM 产生子程序S2 是否按下停止产生 PWM 脉冲S3 是否按下P1.71 P1.41 P1.51 恢复现场P2.21 P1.51 P1.61 P1.31 P1.11 开始P1.21 P1.01 保护现场返回- 19 - 结论伴随着科技的发展与人口的增加，人们所需要利用的能源越来越多，这就会导致能源的危机。在这种前提下，寻找到一种可再生能源供我们使用是一个迫切的课题。而太阳能拥有众多特点，如储存量丰富、洁净、环保等众多优点，使它走进了人们的视野，受到人类的关注。 研究光伏并网发电技术要包含很多内容， 有逆变技术、 最大功率点的跟踪技术、孤岛效应等许多方面。而本设计的重点是光伏并网逆变器的设计，主要由下面两个方面1对光伏并网逆变器的控制策略以及工作原理进行相关的研究，分析其特点。设计出光伏发电并网系统总拓扑图，要从逆变器的结构要简单、要有较好的稳定性等方面去考虑。2在拥有比较成熟的理论基础下，首先设计出硬件电路。硬件电路包括直流侧欠电压、过电压检测电路，交流侧过电流检测电路。然后再进行相关的软件的设计。到目前为止，光伏发电可以说在全世界范围内都得到了应用和推广。光伏发电不仅是电力电子技术的运用，而且还同控制理论紧密相连，使之成为当今的热门课题。在外国的很多国家，光伏发电的研究做出了一定的规模，用作单级能量控制的并网逆变器已经实现了产品的商