光伏控制系统毕业论文

光伏控制系统论文目录设计总说明 (I)III 1 绪论 (1)1.1 太阳能光伏发电的研究背景 (1)1.2 太阳能光伏发电发展历程与现状 (1)1.3 太阳能光伏发电系统介绍 (2)2 太阳能光伏发电并网装置 (3)2.1 太阳能光伏并网装置总体功能描述 (3)2.2 各电路模块在并网装置中的作用 (3)2.2.1 主电路模块 (3)2.2.2 驱动电路 (4)2.2.3 采样电路 (4)2.3 控制系统在并网装置中的作用 (4)3 控制系统的硬件设计 (5)3.1 控制系统的方案选择 (5)3.2 器件介绍 (6)3.2.1 dsPIC30F6010A介绍 (6)3.2.2 MC54HC244介绍 (14)3.2.3 TLP521介绍 (14)3.2.4 2SC0108T介绍 (15)3.3控制电路功能描述 (16)3.3.1PWM输出电路 (17)3.3.2 SPWM输出电路 (18)3.3.3 短路保护电路 (19)3.3.4 最大功率点跟踪（MPPT） (20)3.4硬件电路小结 (21)4 控制系统的软件设计 (22)4.1 编程要求 (22)4.2 编程环境 (22)4.3 指令介绍 (26)4.4 端口选择 (26)4.5 程序算法和流程图 (29)4.5.1 PWM波算法与流程图 (29)4.5.2 SPWM波算法与流程图 (30)4.6 软件设计小结 (42)5 结论 (44)参考文献 (48)致谢 (49)附录A (50)附录B (52)1 绪论1.1 太阳能光伏发电的研究背景随着人类文明的发展，燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。

人们对能源需求日益增加以及传统能源日益枯竭成了不可逆转趋势。

这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变现在的能源结构，维持长远的可持续发展，解决人类的能源问题。

与风能等其他可再生能源相比，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

如何高效利用太阳能为人类服务，成了世界的热点课题。

电能是人类社会最广泛最成熟的能源利用模式，将太阳能转换成满足人类各种需求的电能是利用太阳能的有效途径，是解决当前能源问题的最佳对策。

由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。

美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。

日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，欧洲各国对太阳能的热情也日益高涨。

我国也是如此。

根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。

1.2 太阳能光伏发电发展历程与现状目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。

光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。

光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但以目前人类的科技发展水平还不能很好地利用。

光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且太阳能电池的原料－硅的储量十分丰富。

太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。

70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。

太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风－光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。

但是现在光伏电源能量转换效率比较低，单位发电成本较高，在一定程度上制约了光伏发电系统的发展。

提高转换效率，降低发电成本成了光伏产业的发展趋势。

利用科技的力量，力争使太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都能促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

1.3 太阳能光伏发电系统介绍太阳能光伏发电系统实际上是一种功率变换器，它的作用是将太阳能光伏组件发出的直流电源经过变换、处理后成为满足人们需求的各种电源。

如图1-1。

图1-1 光伏发电系统示意图太阳能光伏发电并网装置是光伏发电系统的并网利用方式，其工作过程为：光伏组件输出直流电源（DC30—80V）经斩波调压模块升高到DC300—400V，再经逆变模块输出工频220V交流电，滤波后实现并网输送到用户。

整个过程还需要斩波调压模块驱动电路、逆变模块驱动电路、滤波电路、采样电路、保护电路和控制系统的参与。

其中，本次设计主要研究的是光伏电源的控制系统。

下文中，太阳能光伏发电系统、太阳能光伏发电并网装置和光伏电源都是同一个概念，都是本次论文研究的功率变换器。

2 太阳能光伏发电并网装置2.1 太阳能光伏并网装置总体功能描述图2-1 太阳能光伏发电并网装置框图太阳能光伏组件利用半导体器件的电子学特性将太阳辐射能转换成直流电输出，太阳能光伏发电并网装置主要的任务是将光伏组件发出来的直流电变换成三相交流220V50Hz的电能，并使谐波足够小，供负载使用或给公用电网供电。

如图2-1。

2.2 各电路模块在并网装置中的作用2.2.1 主电路模块如图2-2，主电路由升压斩波电路、三相电压型全桥逆变电路和滤波电路构成。

图2-2 光伏主电路电路图本次设计中的升压斩波电路采用典型的升压斩波电路拓扑结构，由一个IGBT与大电容并联组成，电路前端采用大电感进行储能。

电路通过控制IGBT的占空比来实现电压的抬升，在12KHz的工作频率下将光伏组件输出的直流30V-80V电升高到300-400V，供逆变电路使用。

逆变电路采用三相电压型全控桥结构，经3个桥臂上的6个IGBT器件的规律地通断将升压斩波电路输出的300V-400V电压（母线电压）逆变为三相220V50Hz的交流电。

滤波电路为LC滤波电路，其中电感星形连接，电容角型连接，逆变电路输出的交流电经过滤波电路滤除谐波后，成为平滑的正弦波，供给负载使用或经隔离变压器输送到电网。

2.2.2 驱动电路太阳能光伏发电并网装置有两组驱动电路，一组是2SD106驱动电路，它负责驱动斩波电路，其中2SD106驱动电路又由3525电路控制；另一组是2SC0108T驱动电路，它负责驱动逆变电路。

驱动电路架设在主电路和控制电路之间，其作用是放大控制电路发出的控制信号，以驱动主电路工作并提供硬件保护。

2.2.3 采样电路采样电路作为太阳能光伏发电并网装置的神经系统，将系统运行的电流、电压、相位、频率等参数采样回来，交给单片机处理，是构成闭环控制不可缺少的部分。

采样电路有各种传感器和运放构成，将系统参数转换成一定电压级别的方波信号，使单片机能够识别，从而发出准确的信号控制系统安全、稳定运行。

2.3 控制系统在并网装置中的作用控制系统是整个光伏发电并网装置的“大脑”，就像人类的神经中枢一样控制光伏发电并网装置能量转换的整个过程。

控制系统通过闭环控制光伏发电并网装置工作在安全、稳定状态，通过软件控制MPPT实现最大功率输出。

研究光伏控制系统，有利于促进光伏发电系统的研究深度，提高太阳能的利用效率，降低发电成本，有利于缓解和解决人类面临的能源危机，它响应国家号召，顺应发展潮流，将带来巨大的经济效益和环保效益。

接下来，我将详细介绍太阳能光伏发电并网装置控制系统的特点和硬件设计以及软件设计。

3 控制系统的硬件设计3.1 控制系统的方案选择太阳能光伏发电在全世界围得到快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术。

而光伏电源作为太阳能发电利用中主要的能量变换装置，是目前光伏发电研究和发展的重要环节。

作为光伏电源的控制系统，在控制着光伏电源的安全、稳定运行中起着至关重要的作用，需要达到如下要求：（1）输出SPWM波，控制太阳能光伏发电并网装置的逆变部分（2）输出PWM波，滤波后控制3525斩波驱动控制电路的给定输入（3）具有短路（SC）电路，能实现短路保护选择控制系统的方案，最重要的是选择主控制芯片。

专门的PWM发生器经过多年的开发应用，技术比较成熟，但控制比较单一。

低端控制器如51系列单片机的优势是芯片价格低廉，指令简单，但需要增加大量的外设才能满足本系统要求，所占空间较大。

高端控制器如DSP、凌阳、微芯等都能满足系统需求，考虑到以后的功能扩展以及运行过程中的环境要求，微芯dsPIC30F系列单片机dsPIC30F6010A因拥有丰富的外围模块，集合了单片机和DSP的优点，是本次方案的最佳选择。

由于dsPIC30F6010A拥有丰富的外设，免去了在单片机外面布置实现各种功能的外设，极大的简化了整个系统的电路构造，节省了电路板空间。

单片机输出的SPWM信号控制逆变器驱动电路时，需要进行隔离和信号处理，我们采用MC54HC244芯片以保护单片机和处理信号。

而单片机输出的PWM作为3525斩波驱动控制电路的输入，同样需要隔离和放大，我们选择的是光耦TLP521来实现。

另外，选择CONPECT公司的2SC0108T 驱动核来实现开关器件的驱动和短路保护。

从上面要求可以看出，控制系统主要的设计应该包括以下部分：（1）控制系统由微芯单片机dsPIC30F6010A和外围电路组成，包括dsPIC30F6010A 系统、PWM输出电路（控制3525斩波驱动电路）、SPWM输出电路（控制2SC0108T逆变驱动电路）、短路保护电路，以及控制系统的算法程序。

（2）控制系统中单片机通过计算输出PWM波和SPWM波控制光伏电源工作。

（3）控制系统也是实现闭环控制的关键部分，当外部条件变化时（输出负载变化、电网电压变化、光伏组件输入电压变化）将检测电路采样回来的信号经单片机处理后输出控制信号控制光伏电源运行在开环时调整好的工作状态稳定运行。

另外，当光伏系统发生故障时，控制系统还可以实现短路保护，封锁脉冲序列输出，保护太阳能光伏发电并网装置的安全。

下面，我们就对控制系统采用的重要的芯片进行介绍和分析。

3.2 器件介绍3.2.1 dsPIC30F6010A介绍随着电子技术的发展以及集成电路规模的不断扩大，工业等各应用领域对于核心芯片的要求越来越苛刻。

因而，计算机芯片也朝着高速化、专业化、模块化、功能化、低功耗、低电压工作等方向不断地发展、更新。

为此，Microchip公司新推出了dsPIC30F 系列16位单片机。