光伏并网发电系统及其控制研究

硕 士 学 位 论 文

光伏并网发电系统及其控制研究

原 创 性 声 明

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中文摘要

光伏并网发电可以高效的利用太阳能这种绿色清洁能源，光伏并网发电技术的研究成为发展趋势和热点。本论文在分析了光伏并网发电国内外进展的基础上，本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。研究了最大功率点跟踪控制(MPPT)的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪

关键词： 太阳能 并网发电 PWM MPPT

ABSTRACT

Grid-Connected photovoltaic technology is a good way to make full use of solar energy,which is green and clear energy.the grid-connected photovoltaic system has been a hot spot.Based on the introduce of the current condition of grid-connected photovoltaic system，the basic foundmental of Grid-Connected photovoltaic system is analyzed.After analyze different control strategy,current follow up amethod is used. Mathematic model is established. Furthermore,Grid-Connected photovoltaic circuit is designed, including maincircuit,signal sample and process circuit ,PWM and SPWM wave generation circuit and order driver and source circuit. These circuit operation foundamental is analyzed in detail.Circuit manufaction and debug is finished.maximum power follow technique is studed, and conduction increment method is adopted.

KEY WORDS：solar energy, Grid-Connected, PWM, MPPT

目 录

第一章 综述 .........................................................1

1.1 课题研究背景 ........................................................................................... 1 1.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展 ................................................... 2

1.2.1 国外进展部分 ................................................................................. 2 1.2.2 国内进展部分 ................................................................................. 4 1.3 本论文的研究思路 ................................................................................... 6

第二章 光伏发电系统的总体设计 .......................................7

2.1 硅太阳电池的性能特点 ........................................................................... 7 2.2 太阳能电池的模拟技术 ......................................................................... 10 2.3 电源变换器 ............................................................................................. 11 2.4 系统的总体设计 ..................................................................................... 13

2.4.1 光伏并网发电系统的组成 ........................................................... 13 2.4.2 光伏发电控制系统的数学模型 ................................................... 15 2.4.3 PI控制算法 ................................................................................... 16 2.5 最大功率点跟踪算法 ............................................................................. 17

2.5.1 最大功率点跟踪方法 ................................................................... 17 2.5.2 系统总体结构框图 ....................................................................... 19

第三章 软硬件电路设计 ..............................................21

3.1 PWM信号的生成方法 ............................................................................ 21

3.1.1 用于生成PWM信号生成Saber模型 ........................................ 21 3.1.2 PWM波形生成的软件实现方法 ................................................. 23 3.2 BOOST变换器模块 ................................................................................ 24 3.3 加入PI反馈控制器的Boost电路 ........................................................ 28 3.4 SPWM波形生成模块 ............................................................................. 31 3.5 桥式逆变器模块 ..................................................................................... 33

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3.6 控制电路工作原理 ................................................................................. 35

3.6.1 辅助电源设计 ............................................................................... 35 3.6.2 IGBT与MOSFET驱动电路设计 ................................................ 35 3.6.3 桥式MOSFET驱动电路设计 ..................................................... 37 3.6.4 反馈调压电路设计 ....................................................................... 38 3.6.5 arm微控制器及外围电路 ............................................................. 39 3.7 软件系统的设计 ..................................................................................... 40 3.8 PCB制作及成品图片 .............................................................................. 43

第四章 实验结果分析 ................................................46

4.1 实测各种波形 ......................................................................................... 46 4.2 数据记录 ................................................................................................. 48 4.3 结论 ......................................................................................................... 49

第五章 总结和展望 ..................................................50

5.1 全文的总结 ............................................................................................. 50 5.2 展望和后续的相关工作 ......................................................................... 50

参考文献 ...........................................................52 发表论文和科研情况说明 .............................................54 致 谢 ...........................................................55

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第一章 综述

第一章 综述

1.1 课题研究背景

在跨入21世纪以来，人类正面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己经成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匾乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的，人类要解决这些能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源[1]。

国际能源机构预测，全世界煤炭只能用220年，油气开采峰值位于2012年，并将在30~60年后消耗殆尽。据估计我国的煤炭只可开采80年，天然气可开采30年，石油可开采20年。同有限的化石燃料能源相比，太阳辐射能预计在100亿年里可保持近似恒定的辐射输出，堪称无限的能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，

125.610那么每年发电量可达 千瓦时，相当于目前全世界能耗的40倍。光子能量完全可以转换成人类需要的能源，其中，光能转换为电能是最为重要的一种转化过程，这是因为电能是一种高级的能源形式，电能可以方便地转换成热能、动力能、化学能等各种形式的能源，从而满足人类生活、生产的不同需要[2]。因此，在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源，光伏发电就是其中之一。相对而言，目前这项技术的发展还处在初期阶段，到2030年之后将会有很稳定和很高的增长率，会成为可行的电力供应者。除此之外，与其它的能源相比，太阳能是一种理想的可再生能源，开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，它具有如下优点:无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽，不受地域，可以无人值守，建设周期短，规模设计自由度大等，这些优点都是常规发电和其他发电方式所不能比拟的[3]。因此，开发利用太阳能己成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。光伏发电己经在许多应用领域都被证明在技术上是成熟的，在经济上是合算的。分析表明，在目前光伏电站有效系统功率与输电距离的比值小于100瓦/公里时，建光伏电站较常规电网延伸供电经济。因此，阳光发电是解决我国边远地区和特殊领域供电的重要途径。我国

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第一章 综述

是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济不发达地区。据统计，目前尚有约900万户、2800万人口还没有用上电，60%的有电县严重缺电。一些地区的农牧民，居住分散，远离电网，而且用电水平很低，平均年用电仅为120千瓦时，在10年甚至20内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题，光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径，市场潜力十分巨大[5]。目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:(1)离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式，在国内外应用己有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而了使用范围。光伏并网发电系统。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电;而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。离网和并网两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。从远期看，光伏并网发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源;从近期看，光伏并网发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义

1.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展 1.2.1 国外进展部分

在国外，近年来太阳能光伏电源己开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中火功率的发电系统向并网发电系统的方向发展。我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。目前我国光伏产品的市场份额为:启用光伏电源和光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。随着常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年，国际光伏发电迅猛发展。世界光伏组件在过去巧年平均年增长率约15%。90年代后期，发展更加迅速，最近3年平均年增长率超过30%。1999年光伏组件生产达到200MW。在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。商品化电池效率从10%－13%提高到13%~15%，生产规模从1MW/年发展到5MW/年，并正在向

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第一章 综述

50MW甚至100MW扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/W以下[6]。发展中国家印度处于领先地位，目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，累计装机容量约40MW[7]。

国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率提高到12%以上，系统造价和发电成本己分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳能利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破，目前己有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。

并网型户用太阳能发电设备，从1994年后迅速发展，到2003年己占当年太阳能发电设备市场的55%。其中比较突出的是美国，1997年提出的“百万太阳能屋顶计划”，按每户3kw计算，计划到2010年将在100万个用户屋顶上安装共计3000MW的太阳能发电设备。德国1999年开始实施的10万太阳能屋顶计划，在2005年安装共计300~SOOMW的太阳能发电设备。日本从1994年开始发展并网型户用太阳能发电设备，到2004年已安装58000套，到2008年要达到247600套，。日本为了发展并网型户用太阳能发电设备，把它作为一种新的家用电器来对待，突破关键技术，降低成本。这其中包括把太阳电池的转换效率提高到15%以上，发展新型的高频变压器绝缘方式或正激变压器绝缘方式逆变器。据资料介绍，2005年日本太阳电池价格为140日元/W，并网型户用太阳能发电设备价格为370日元/W，发电成本为30日元/kW·h。2010年将分别下降为120日元/W，300日元/W和25日元/kw·h。2020年将分别下降为60日元/W，200日元/W和巧日元//kw。到那时完全可以和火力发电价格相竞争。然而，在开发太阳能技术的过程中，人们把大部分注意力都放在了如何提高光电池的效率上。但另一个不能忽略的重要问题是，如何设计将电池产生的直流电高效率地转换成交流电的电路。为了在成本上与燃烧媒、石油等化石燃料的发电方式相竞争，提高逆变器每一个百分点的效率都是非常重要的。逆变器是光伏发电系统中主要组成部分之一，80年代末日本学者.Nonaka等率先研制成功一种电流源型光伏阵列并网逆变器。这种并网逆变器较好地适应了光伏电池类似电源的特性，取得了较好的性能。但由于采用了电流源逆变主电路，使主电路及控制复杂化，因而没有得到很好的发展。90年代以来，随着电力电子及控制技术的发展，电压型PWM可逆变流技术越趋成熟。由于其优越的双向功率变流及其电流控制性能，使这类技术直接应用于光伏阵列的并网发电，并获得了网侧正弦波电流特性，真正实现了“绿色”电能变换[8]。

随着技术的不断更新，控制电路中的调制技术也得到了很大的发展，其中

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第一章 综述

SPWM调制与滞环调制是目前逆变器中最常见的两种调制方式，它们分别从数字通信的脉宽调制和Delta调制发展而来。通信中调制的目的是为了远距离传输信号，而在电力电子装置中则是为了减小系统的体积、提高系统的动态响应和降低输出谐波含量。从改善输出波形

1.2.2 国内进展部分

我国是以煤炭为主要消费能源的国家。较之以油、气为主的能源消费主流方式，能源结构很不合理。在相当长的历史时期，我国曾把发展能源、交通作为国民经济的发展重点，对能源资源过度的开采和粗放型使用，不惜以环境污染作为代价，试图突破能源和交通，致使我国现在的能源开发面临着极大的挑战。况且，我国太阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优势大得多，开发和利用太阳能资源对解决我国的能源问题有着很重要的作用。但是，我国太阳能光伏技术开始于20世纪70年代，开始时主要运用于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。目前我国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国，产值突破100亿元，技术水平也处于国际先进行列。但在光伏工业和太阳能热发电领域与国外还有相当的差距。在国内，光伏发电的应用主要集中于农村电气化和离网型光伏产品。

以前阻碍光伏推广的最直接因素是和成本，但在气候变化和能源短缺的背景下，太阳能发电越来越受到国家和投资者的重视。因而，1995年国家计委、科委和经贸委就制定了《新能源和可再生能源发展纲要》。纲要明确提出了我国在1996年~2010年间新能源和可再生能源的发展目标任务以及相应的对策和措施。1996年9月，“世界太阳能高峰会议”提出了在全球无电地区推行“光电工程”的倡议时，中国立即做出积极响应，制定并实施了“中国光明工程”的计划。2005年3月，正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，并将于2006年开始实施。该的出台，促进了太阳能光伏发电产业的发展，使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。截止到2006年，中国国内光伏发电累计装机为8万千瓦，累计总投资40多亿元人民币，中国可再生能源计划和国家送电到乡工程，已利用太阳能发电为我国内蒙古、甘肃、、、青海和四川等地共16万无电户解决了用电问题[8]。但是，在过去30多年里，尽管光伏发电的成本由每度5美元下降到0.5美元左右，但是其成本仍远远高于常规

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第一章 综述

电价。又由于电力部门尚未正式接受光伏发电上网，并网型的光伏市场没有真正启动。

根据专家的测算，到2010年我国并网光伏发电安装量占光伏发电的20%，从2010年到2020年，中国光伏发电将会由离网发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。2020年和2050年将分别上升至60%和80%目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性特别是民用电力，又由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为民品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流[9]。

我国光伏应用己经进行了许多研究，开发了各种光伏系统的控制器及逆变器，光伏水泵已形成一定生产能力，各种太阳能灯具已推广应用，各种级别的并网逆器己开始结合实际需要进行研制。但是，光伏用的控制器、逆变器等关键平衡设从总体上说，技术性能不够高，可靠性尚低，品种规格少，功能不多，与国外产品有不小差距，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。光伏并网发电系统分为可调度式并网系统(带少量蓄电池)和不可调度式并系统(不带蓄电池)，后者由于没有蓄电池，造价相对较低，但由于不能够控制网时间，作为调峰使用效果较差，这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作式，当电网失电时停止工作。国外开发可调度性并网系统的目的是电网调峰，虽带有蓄电池，但其容量只要求满足每天3到4个小时调峰，不如光伏系统要求存储量满足3天使用，因此造价比光伏系统大大下降。由于上网时间可以控制，可调度式并网系统的调峰效果大大提高，深受电力部门的欢迎。可调度式并网系要求逆变器同时具有工作和并网工作两种模式，具有更大的灵活性，更容易电力部门作为电力调峰所接受。目前关于可调度型并网逆变器的研制方案大多是用80C96 16位单片机配合D/A转换和MOSFET功率模块实现的。这种电路简单实施，但所需的外围电路较多，且功能简单。

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第一章 综述

目前，逆变电源控制方式大多采用正弦波脉宽调制，即所谓的SPWM技术。控制电路大多采用模拟方法实现，模拟控制技术虽然已经非常成熟，但其存在很以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

由于我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太阳能发电设备用逆变器和控制器，提高并网发电系统的能量转换效率，降低供电成是太阳能并网发电系统必须面对的一个重要课题

1.3 本论文的研究思路

本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。分析了不同主电路拓扑结构的优缺点。在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。研究了最大功率点跟踪控制(MPPT)的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。

设计的主要目标如下： （1） 具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，

1使UdUS，相对偏差的绝对值不大于1%。

2（2） 实现了全数字控制及数码显示； （3） 实现了输出电压可调，调节范围：AC 12.3V-50V； （4）实现了输出频率可调，调节范围：30Hz-250Hz。 （5）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。 （6）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

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第二章 光伏发电系统的总体设计

第二章 光伏发电系统的总体设计

2.1 硅太阳电池的性能特点

太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如:单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒锢铜等。它们的发电原理基本相同，当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P一N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。太阳能电池主要由下面的几个部分组成[10]：

（1） 基体材料：用于制备空间用硅太阳电池的基体材料为硅单晶，对材料的基

本要求在GJB431-92中作了规定，其主要技术要求包括单晶制备方法、导电类型、基体电阻率、晶向、少数载流子寿命和位错密度

（2） PN结，是构成太阳电池的核心，制备PN结是制造太阳电池的关键，所

谓PN结制备是在一块具有确事实上导电类型的基体上再掺杂另一种不同导电类型的元素，形成一个势垒区。这个区域称为太阳电池的PN结。

（3） 上下电极：在已制备PN结硅单晶上，制作一层金属后，才成为一个可输

出电能的器件即电极。对N+P结构的太阳电池而言，N+层为电池的光照面，其上制备上电极，与电池背面接触的电极称为下电极。采用钛钯银三种金属作为电极材料。电极的结构中通常下电极为全覆盖形式，而电池光照面上的电极设计要综合考虑减少电极对电池的遮挡面积和由电极引起的串联电阻。通常使用梳状或王字形电极

（4） 减反射膜，因为入射到光亮的硅表面光能有近1/3被反射掉，为了减少对

光反射损失，在光照面上要镀一层多层减反射膜，来提高电池对光能的利用率。

电阳电池的评价和判断光照时性能好坏的标准有4个主要的参数：短路电流、开路电压、转换效率和填充因子。当受到光照时，光生电流流过负载，并在负载两端建立起电压，其等效电路如下：

太阳电池可看成一个由一个能恒定产生光电流IL的电流源、一个与之相并联的处于正偏压的处于正偏压下的二极管和负载电阻三部分组成，太阳电池受光照后

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第二章 光伏发电系统的总体设计

产年的光电流中一部分流过二极管，称为正向电流ID，余下部分流过负载电阻，称为负载电流I。在实际太阳电池中，存在串联电阻Rs和并联电阻Rsh，其实际的等效电路如下：

图2－1中显示的是常用的光照太阳能电池的电流一电压特性曲线，如果太阳能电池(组件)电路短路，即U=0，此时的电流为短路电流Isc。如果电路开路，此时的电压为开路电压Uoc。太阳能电池(组件)的输出功率等于流经该电池的电流与电压的乘积[11]。

图2－1 太阳能电池的输入输出特性

当太阳能电池(组件)的电压上升时，电池的输出功率亦开始增加;当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Uoc。电池输出功率达到最大的点，称为最大功率点;该点的功率，则称为最大功率Pmax。温度的变化会显著改变太阳能电池的输出特性。由半导体物理理论可知，载流子的扩散系数随温度的升高而增大，因此，光生电流工L也随温度的升高有所增加。对于硅材料来说，电池的工作温度每升高1℃，开路电压约下降ZmV，大约是正常室温时的0.55V的0.4%。随着温度的升高，电池的光电转换效率会下降

由若干太阳能电池组件或太阳能电池板按一定的机械和电气方式组装在一起称为太阳能电池阵，它有固定的支撑结构构成直流发电单元。一般含有太阳电池电路、基板、连接架、压紧及展开机构等。按对日定向方式分为定向式和不定向式两种。定向式太阳电池阵又分成单轴定向太阳能电池阵和双轴定向太阳能电池阵。前者采用单轴转动方式来跟踪太阳，这种方式不能很精确的跟踪太阳，为了尽可能跟踪太阳可在安装时预设一个安装角；后者用两根不同方向轴转动来跟踪太阳，可以更准确的跟踪太阳以获得最大的输出功率。一般应用的太阳电池阵都是无聚光器式太阳电池阵，但在某些应用中采用镜子或透镜来增加照射到太阳电池上的阳光，达到增加太阳能电池阵功率的目的，这种太阳能电池阵称为聚光太阳电池阵[12]。

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第二章 光伏发电系统的总体设计

太阳电池阵的电性能设计主要包括单体太阳电池的选择、太阳电池组件的研

制和太阳电池阵的设计和组装。单体太阳电池是组成太阳电池阵的基础，正确合理选择太阳电池对太阳电池阵的设计至关千重要。选择太阳电池基本原则是选择性能优良、技术成熟、能批量生产的电池。太阳电池的关键参数是光电转捣效率、抗辐照能力以及开路电压和短路电流、填充因子等。按材料分主要有硅太阳电池和砷化镓太阳电池两种，硅太阳电池主要有常规硅太阳电池、浅结、密栅、背反射和背场背太阳电池。其中常规太阳电池的转换效率相对较低（10%左右），抗辐照性能好，技术和工艺相当成熟，成本较低。背表面反射电池(BSR)转换效率较高(12%以上)抗辐照性能好，在1MeV能量，累计通量11015电子数/cm2情况下，BSR硅太阳电池归一化后最大衰减小于18%，对抗辐照性能有较高要求场合应选BSR电池。背表面场太阳电池(BSFR)转换效率14%以上，但耐辐照性能较差，电池性能衰减较快。砷化镓太阳电池的转换效率较高（19%－24%）、耐辐照、温度特性好，由于目前工艺材料的，价格昂贵[13]。成本最低的锗衬底砷化镓太阳电池的价格大约是硅太阳电池的6倍以上，对于那些功率要求较大，又受布片面积的场合必须采用此类太阳电池。

太阳电池的组件是组成太阳电池阵的基本单元，主要由整体电池、旁路二极管、隔离二极管组成。其中整体电池是将已选取的裸体电池加上抗辐射盖片和连接条。盖片的作用是提高太阳电池热辐射本领，以降低太阳电池的工作温度提高效率，常用的有熔融石英盖片和掺铈玻璃盖片。太阳电池的另一个重要元件是互连条，它把单片太阳电池并联或串联起来。它可以简单地由一根导线组成，但一般都用金属网格和蚀刻或冲剪成形的金属条构成，它必须导电性能好、耐温度交变、耐振动、冲击性能好，可靠性高。太阳能电池阵那些受遮挡的电池可能会由于高反向电压而受到过量加热形成所谓热斑，如果太阳电池在12分种或更长时间受到超过15V反向电压，电池的功率会发生一定的永久性损失。安装旁路二极管就可以这种有害高反向偏压，避免出现热斑，保护太阳电池阵，它安装在太阳电池并联条的两端和太阳电池反向连接。当太阳电池组件没有受到遮挡时旁路二极管处于反向偏置；如果有电池被遮挡或破裂，流过该电池所在并联条的电流就要受到，并联条自动变成反向偏压而旁路二极管成正向偏置。隔离二极管的作用是隔离太阳电池和母线的作用，因为未受光照太阳电池组件相当于一串串联在一起的二极管，它们以正向导通方式接到太阳电池阵的输出母线上，如果接到母线上所有并联太阳电池不接隔离二极管未受光照太阳电池组件成为一个负载，将增加电池阵的功率消耗。太阳能电池阵的总体布局是要在布贴太阳电池的基板上尽可能多排列太阳电池组件以获得大的输出功率，并安排好太阳电池组件汇流条、导线的安装位置。太阳电池阵的电缆质量也很重要，它包括电缆引

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第二章 光伏发电系统的总体设计

线和接插件，使用铜导线，常用多股绞合线。太阳阵电池阵做为新能源已经越越受到人们的重视

2.2 太阳能电池的模拟技术[13]

为了对电阳能电池阵进行调试，需要太阳能电池的模拟技术，太阳能模拟器的作用有两个。一个是模拟产生太阳电池阵的I－V输出特性，另一个是动态改变I-V输出特性。各分阵模拟器经隔离二极管并接在一起，形成供电主母线，每个分阵模拟器由隔离数字接口、开路电压D/A，短路电流D/A，曲线形成电路、功率输出和过压保护电路几个部分组成。来自计算机或手控装置的控制数据经隔离数字接口电路锁存后分别送到开路电压D/A和短路电流D/A，它们输出的模拟量分别代表了开路电压和短路电流的大小，并控制曲线形成电路，产生需要的I-V曲线，改变送往数字接口电路的控制数据，就可改变I-V曲线，因此通过软件编程可很容易实现对太阳电池输出特性的实时模拟。曲线形成电路是根据设定开路电压、短路电流值大小产生相对应的I-V曲线，并在负载发生变化时，改变工作点，实现自我调节，曲线形成电路如图2－2所示。

IscVocA1A2功率控制图2－2 太阳能电池模拟器原理图

A1开路电压调节放大器，A2为短路电流调节放大器，A2的输出电压以

电压电流变换器控制输出电流的大小，当输出电压小于Vf1时A1输出为负，二极管由于反偏而截止。输出电流由Vf2大小决定，等于短路电流。随着负载电阻的增大，输出电压Vo逐渐升高。当Vo接近于Vf1时，A1输出为正，二极管由于正偏而开始导通。这时A2的输出电压等于Vf2与二极管的电压之差，输出电压开始减少，至使输出负载电流按指数形式随之下降。当输出电压Vo增加到使二极管电压等于Vf2时，输出负载电流下降到零，这时输出电压Vo就等于开路电压Voc。这样利用二极管指数特性使电流减少量作为输出电压的函数，就可精确地模拟太阳电池阵的I-V特性曲线。

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第二章 光伏发电系统的总体设计

2.3 电源变换器

常用的电源变换器有DC-DC变换器和DC-AC变换器两种，DC-DC变换器有降压型、升压型、和降压升压型三种[14]。

降压型DC-DC变换器又称串联开关调节器，图2－3是这种调节器的原理图。

DCPWM波形图2－3 降压式DC－DC变换器原理图

当控制信号为正半波时，晶体管T导通，续流二极管D因此反偏截止。输入电源通过电感L向负载供电，并同时向滤波电容C充电，此时电感L处于储能状态。当控制信号为负半波时，晶体管T截止。由于通过储能电感L的电流不能突变，所以在它两端感应出一个左负右正的自感电势，使续流二极管导通。此时储能电感L便把原先储存的磁能转换成电能。降压调节器的输出电压为：

VbusQVin （2－1）

其中Vbus为母线电压；Q为控制脉冲的占空比；Vin为输入电压。

升压型调节器又称并联型开关调节器，它的原理图如下

DCPWM波形图2－4 升压式DC-DC变换器原理图

在图2－4中，当晶体管T导通时，输入电压全部加到电感L上并以电磁能的形式储存在电感中，在此期间，负载由电容器C供电；当晶体管T截止时，在电感L中的感应电势与蓄电池电压叠加起来向电容C充电并给负载供电，从而在输出端形成高于输入的电压。T导通期间，电感L上的电压跳变的幅值与控制脉冲的占空比Q有关，Q愈大，导通时间愈长，Lr 峰值电流愈大，储存的能量也愈多，在晶体管截止期间的感应电压也愈高

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第二章 光伏发电系统的总体设计

VbusVin （2－2） 1Q

完成DC到AC的转换需要用到逆变器，在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网。当然也要有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。根据太阳能发电用逆变器分为以下几种形式[15]:

(l)工频变压器绝缘方式用于型太阳能发电设备，可靠性高，维护量少，开关频率低，电磁干扰小。

(2)高频变压器绝缘方式用于并网型太阳能发电设备，体积小，重量轻，成本低。要经两级变换，效率问题比较突出，采取措施后，仍可达到90%以上，高频电磁干扰严重，要采用滤波和屏蔽措施。

(3)无变压器非绝缘方式本来希望进一步降低成本，从两级变换变为单级变换，提高效率，使它成为并网型太阳能发电设备中更理想的逆变器，但是使用中出现一系列问题。无变压器非绝缘方式逆变器不能使输入的太阳电池与输出电网绝缘隔离，输入的太阳电池矩阵正、负极都不能直接接地。太阳电池矩阵面积大，对地有很大的等效电容存在，将在工作中产生等效电容充放电电流。其中低频部分，有可能使供电电路的漏电保护开关误动作。其中高频部分，将通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰，而影响其他用电设备工作。这样，必须加滤波和保护，达不到降低成本的预期效果。

(4)正激变压器绝缘方式是在无变压器非绝缘方式使用效果不佳之后开发出来的，既保留了无变压器非绝缘方式单级变换的主要优点，又消除无绝缘隔离的主要缺点，是到目前为止并网型太阳能发电设备比较理想的逆变器

中、小容量逆变器主电路一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂

下图单相全桥逆变电路的原理图，也称为“H”电路，，由两个半桥电路组成。功率开关元件Q3与Q6互补，Q4与QS互补，当Q。与Q。同时导通时，负载

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第二章 光伏发电系统的总体设计

电压Uo＝+Udc:当Q;与Q。同时导通时，负载电压Uo＝－Udc;Q3、Q5和Q4、Q6认轮流导通，负载两端就得到交流电能。控制功率功率元件的导通与截止的方法有方波调制和正弦波调制两种方式，方波逆变器虽然结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大。随着功率器件的发展，正弦波脉宽调制(SPWM)技术得到了广泛的应用。采用SPWM控制使脉冲序列的宽度随正弦波幅值变化而变化，经过输出端LC滤波器滤除高次谐波，得到正弦波交流电能

图2－5 单相全桥逆变器原理图

2.4 系统的总体设计 2.4.1 光伏并网发电系统的组成

光伏并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器输出为稳定的高质量的正弦波电流，同时要求并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，因此必须采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。本文中的并网逆变器被设计成电压型控制的电流源结构，这样并网系统和电网电压。实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。光伏发电正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，当仅考虑基波频率时，它可以被等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过电抗器并电网。其等效电路如图2－6所示。

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第二章 光伏发电系统的总体设计

x=ωLRUiUs 图2-6 光伏并网发电系统等效电路

其中Us为电网电压，Ui为逆变器输出电压。X为连接电抗，将逆变器本身的损耗(自关断器件的开关损耗)以及线路电阻用等效电阻R表示，则(Ui-Us)即为X和R上的电压降，流过电抗器X和电阻R的电流可以由其两端的电压来控制，其电流应与电网电压同相，这个电流就是光伏发电装置流向电网的电流I。要使光伏发电系统能输出电流，则Ui必须大于Us，且逆变器本身提供了有功功充电路中的损耗，而电网电压Us与电流I同相，因为线路中电抗器X的存在，使变器输出电网电压Ui与电网电压Us不再是同相，而存在一个相位差σ，改变这个差，并且改变Ui的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，光伏发电装入电网的有功功率也就因此得到调节。由(2-3)，(2-4)两式子可得输出有功功率改变(通过I的改变)时，输出电压的相角σ和Ui的变化规律为：

UI(UsIR)2(LI)2 （2－3）

tgLUs/IIR

（2－4）

这样得控制σ和Ui，两个参数，可见间接控制实现比较困难，因此本设计采用电流直接控制的方式。直接电流控制，就是采用跟踪型PWM控制技术，根据指令信号和实际供给电流之间的相互关系，得出控制主电路各个IGBT通断的PWM信号，光伏发电系统就相当于一个受控电流源。跟踪型PWM控制方法采用三角波比较方式

APWM信号

图2－7 PWM生成原理图

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第二章 光伏发电系统的总体设计

图2－7所示为三角波比较方式的原理图。这种方式与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不直接将指令信号i*与三角波比较，而是将厂与反馈电流i的偏差△i经过放大器A之后再与三角波比较。

2.4.2 光伏发电控制系统的数学模型

下面建立控制系统的数学模型。并网逆变器输出电流i，电网电压us，逆变器输出电压UI，三者之间的相位关系，满足矢量关系式:

UjLIIR (2-3) USI只要满足这种关系，输出电流就要以实现电网电压的同频同相

对逆变器输出端电路，以逆变器输出电流为状态变量，可以得到 dI(t)LUI(t)US(t)IR (2-4) dt写成复数域形式为

1(U2(s)U1(s))G1(s)(U2(s)U1(s)) (2-5) LsR逆变器可以等效为一个小惯性环节，其传递函数可以写作

Kp (2-6) G2(s)TP*s1其中Tp为小时间常数，Kp为逆变器增益，与PI调节器的最大限幅有关。PI调节器传递函数为：

KsKIG3(s)P (2-7)

s其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，。为积分时间。综上完整的光伏发电系统的数学模型如图2-8所示：

I(s)UsPI控制器IinG2(s)G3(s)G1(s)逆变器滤波器iout－

图2－8 光伏发电系统数学模型

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第二章 光伏发电系统的总体设计

2.4.3 PI控制算法

数学PI控制是用计算机实现的PI控制，对于连续PI控制：

1U1(t)KP[e(t)e()d] (2-8)

T1

其中U1(t)为PI调节器的输出量，e(t)是给定值与反馈值的误差，Kp为比例系数，TI 为积分时间。对上式进行离散化处理，得到递推PI算式：

U1(k)U1(k1)q0e(k)q1e(k1) (2-9)

其中：

q0KpKI

q1Kp (2-10)

整定过程即调节PI控制器参数，选择采样周期T，使得控制系统的性能指标达到要求。整定方法有两类:理论计算和工程整定方法。理论计算要求已知各个环节的传递函数，计算比较繁琐;工程整定法是在实验和经验中总结出来的方法，简单、方便，工程实际中广泛采用。试凑法是通过模拟或闭环运行(如果允许的话)观察系统的响应曲线，反复试凑参数，以达到满意的响应，从而确定PI参数。增大比例系数，一般将加大系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大界将减慢消除静差的过程，但有利于减小超调，减小振荡。在试凑时，可参考以上规律，对参数实行先比例、后积分的整定步骤。

1)将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到许可范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。

2)如果系统的静差不能满足设计要求，则须在比例调节的基础上加入积分环节。 整定时首先置积分时间界为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩小为原值的80%)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以得到较好的控制效果。调节器的参数可以有各种不同的搭配，用不同的整定参数有可能得到同样的控制效果，只要被控过程主要指标已达到设计要求即可

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第二章 光伏发电系统的总体设计

2.5 最大功率点跟踪算法 2.5.1 最大功率点跟踪方法

峰值功率跟踪方式是在太阳电池阵和负载间引入一个串联开关调节器，它通过调节太阳电池阵的工作点来满足负载的需要，并在负载需要情况下，自动跟踪太阳电池阵的峰值功率点，以获得最大的输出功率，由于在太阳电池阵和负载之间多了一个调节的环节，降低了功率传输效率，控制电较复杂，但功率调节方式是一个非耗散型电源系统，它严格按照负载的需求控制太阳电池阵的输出功率，不产生过剩功率，采用峰值功率，可以最大程度利用太阳电池阵的输出功率。峰值功率跟随器可使太阳电池阵工作在最大功率点附近，充分利用太阳电池阵的输出功率能力，在较短的时间内，就使电池组处于满荷电状态，不仅如此，峰值功率跟随器可使电源系统有较强的适应瞬时脉冲负载的能力，减轻电源系统体积和重量。峰值功率跟踪实际上是一种功率调节，而不是电压调节，采用峰值功率跟踪的目的是为了最大限度的利用太阳电池阵的能量，峰值功率跟踪单元的输出电压是变化的。在最大功率点，dP/dI为零；在A区dP/dI为正，在C区dP/dI为负。峰值功率利用了dP/dI这一特点，控制太阳电池阵的工作电流从而使太阳电池始终工作在最佳工作点，保持太阳电池阵的最大输出功率。

最大功率点跟踪方法（MPPT）的实现实质上是一个动态自寻优的过程，通过对阵列当前输出的电压与电流检测，得到当前阵列输出功率，再与已存储的前一时刻阵列功率比较，舍小存大，然后重复检测和比较的过程，可使阵列动态的工作在最大功率点上。 1 电压跟踪法

最简单的方法是电压跟踪法。研究太阳电池特性可以发现，当温度一定时，太阳电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，最大功率点对应的工作电压相差不大，亦即只要保持太阳电池输入出端电压为常数且等于某一日照强度下相应的最大功率点的电压，就可以保证输出在该温度下的最大功率。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪。为克服环境温度变化对系统影响：事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点电压存在控制器中，实际运行是，控制器根据检测光伏阵列的温度，通过查表选取合适的Umax

电压跟踪法的具体的实现方式有线性分流和开关分流两种。线性分流又有全太阳电流池阵线性分流和局部线性分流两种。

a 全太阳电池阵线性分流，它由控制电路和分流调整电路组成。控制电路控测母线电压，将其与参考电压进行比较，放大母线电压误差，并用其输出控制分流调

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第二章 光伏发电系统的总体设计

整电路工作分流调整电路跨接在太阳电池阵输出端，它根据误差电压的高低旁路掉一定的太阳电池阵的输出，从而将母线电压维持在希望的数值上，因些分流调整电路可以看作是负载的一部分，不过这个负载不是固定不变的，而是时刻根据母线上负载的变化而变化，以维持太阳电池阵的总负载不变。 b 步进式局部线性分流

太阳电池分为N个分阵，其中第一个分阵稍大些，用于精调。第一级分流电路工作在局部线性分流状态，当母线电压升高，首先是第一级电路工作在局部线性分流状态。当母线电压继升高，第一级分流电路分流继续分流直到饱和。第二级到第N级是开关分流的，当第一级已经饱和，且母线电压又超过一定数值时第二级分流调整管导通，同时第一级分流管退回线性区。 c 模拟－数字分流调节器

这种分流器与步进式分流调节器相类似，也有一个专门的用于精调线性分流级和若干开关分流级，所不同的是开关分流级不是步进的，而是由一个可逆计数器控制。当母线电压升高时，线性分流级开始分流，T1射极电位随之提高，T1输出同两个比较器Ch和Cl相连，当T1射极电位升高到一定程度，比较器Ch的输出变为正电位，与门打开，时钟脉冲使可逆计数器增加一个计数。当母线电压降低时，T1分流减少，T1射极电位降低，当T1的射极电位降到一定程度时，比较器Cl输出变为正电位，与门2打开，使可逆计数器减少一个数。 d 脉宽调制分流调节

顺序开关分流调节器在任何时刻也只有一级工作在调整状态，其余各级不是饱和就是截止，工作在饱和状态的分流级数数目和工作在开关状态的精调级的占空系数由母线误差电压Ver决定，母线误差电压同每一级的锯齿波电压进行比较，每一级锯齿波电压有一个不同的直流电平，锯齿波电压在母线误差电压以下分流级处于导通状态，工作在开关状态的精调级的占空系数由母线误差电压Ver和锯齿波电压的相交点确定，精调级实际上是一个脉冲宽度调制器。随着母线电压的变化，母线误差电压也发生变化，处在饱和状态分流数目和以脉宽调制开关方式工作的精调级的占空比也发生变化，以维持母线电压在一定范围。

2 干扰观测法

通过成比例的增加或者减少变换器的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近。这种方法常用于光伏能量系统中。当日照随时间变化不快时，是非常有效。虽然这种方法不能迅速跟踪最大功率点，但是如果增加采样时间，可以减少系统损失，而且使用该方法只需要两个传感器，减少了硬件个数和成本费用。下面对经典的扰动观察法算法简述如下:光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光

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第二章 光伏发电系统的总体设计

伏阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”;然后，比较干扰周期前光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减小，则改变“干扰”方向。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷方案是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当己经跟踪到最大功率点附近时采用小步长。扰动观察法的优点是:跟踪方法简单，容易实现;对传感器精度要求不高。缺点是:只能在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失;跟踪步长对跟踪精度和相应速度无法兼顾;在特定情况下会出现判断错误的情况

3 电导增量法

根据光伏输出伏安特性曲线，dP/dV是与输出电压值一一对应的。其中P为光伏输出功率，V为输出电压。其输出功率P=IV，其中输出电流。在最大功率点处，满足下面的公式：

(2-11)

因此，导纳增量可以决定是否已到达最大功率点，从而在该点处停止对工作点的扰动。这就避免了最大功率点附近的振荡。具体的算法过程是：

首先用V(k)-V(k-1)来判断，其值等于零则表示输出特性不变，只需检测电流变化来判断功率变化方向。电流不变表示系统输出特性不变，维持占空比不变；电流增加表示系统工作点朝最大功率点方向移动。当V(k)-V(k-1)不等于零时，则可以利用上述公式条件判断工作点落在最大功率点左侧还是或侧然后相应调整占空比的值。理论上，该方法最终可以在最大功率点处稳定运行，但在数字处理上由于采样时间存在，工作点可能会左右波动，采样时间越短，波动越小。

2.5.2 系统总体结构框图

图2－5示出了系统主电路和控制电路框图。电源由12V蓄电池提供（该蓄电池能输出10Ah的电能），此电压经过Boost电路进行升压，通过控制驱动IGBT的PWM波形的占空比，就可以调节输出电压的大小，具体分析在后面阐述。DC-AC变换电路采用全桥变换电路。为保证系统可靠运行，防止主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压

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第二章 光伏发电系统的总体设计

器隔离，辅助电源用稳压集成快组成。IGBT过热保护电路采用℃热继电器作为IGBT散热器温度检测器件，其具有足够的响应速度，能够在IGBT管允许的过热时间内将电源关断。

图2－8 系统主电路和控制电路框图

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第三章 软硬件电路设计

第三章 软硬件电路设计

3.1 PWM信号的生成方法

3.1.1 用于生成PWM信号生成Saber模型

Saber是基于SPICE的电路仿真软件，为了完整的仿真光伏发电系统模型和计算和优化相关参数，需要建立PWM信号的Saber模型。PWM是具有一定占空比脉冲序列，主要涉及下面的两个基本的Saber模块： 1 rmposc 模型：这是一个使用外部放电电阻的三角波生成模型

(a) ramposc模块原理图 (b)输出特性上图为osc端口下图为ct端口输出

图3－1 ramposc模块的特性

表3－1则显示了rampose模块的输入和输出端口的含义

表3－1 ramposc的输入输出端口 模型参数 enable rt ct gnd

功能描述 使能控制 部电阻 外部电容 参考地 模拟 模拟 信号类型 数字

提供输入电流的外模拟 rampose是用于生成周期性三角波的模型，电阻电压保持Vrt，产生电流Vrt/R对电容进行充电，当达到Vhigh充电结束，然后电容放电到Vlow，osc输出一个数字脉冲指示这段死区的时间。有两种应用模式：

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第三章 软硬件电路设计

 外接电阻和电容，其频率等于：

的死区时间为：输出）： 2 理想比较器模型

 指定freq和deadt两个参数，则不接电阻和电容，如果deadt不指定，默认

，仿真结果（上面是osc输出，下面是rc端的

(a)理想比较器的原理图 (b)模块输出特性

图3－2 理想比较器的saber模型

p_offset和m_offset两个参数使得可设定补偿电平，比较器模块输出电平为：

V(out)V(p)Poffset(V(m)Moffset) (3-1)

表3－2 comp_l4的输入输出端口 模型参数 enable p m out

使用这两个模块可以构成完整的PWM生成模型，首先用ramposc生成周期性的三角波波形，然后与输入电平进行比较，如果高于输入电平，输出高电平，否则输出低电平，这样使用输入信号控制PWM波形的占空比，从而生成PWM波形，使用此模块可以方便的进行后面的反馈系统的设计和参数优化。

功能描述 使能控制 正向输入端 负向输入端 比较器输出端 信号类型 数字 模拟 模拟 数字 - 22 -

第三章 软硬件电路设计

（a）PWM波形生成模块

(a) PWM模块生成波形图，此时输入电平为1.5V。 图3－3完整的PWM波形生成saber模型

3.1.2 PWM波形生成的软件实现方法

本文使用DSP来产生PWM信号。DSP的PWM信号的产生过程是:为了产生PWM信号，使用一个定时器来重复PWM的周期，用一个比较寄存器来存放调制值。定时器计数器的值不断地与比较寄存器的值进行比较，当两值匹配时，相关输出产生从低到高(或从高到低)的变化。当第二次匹配产生或周期结束时，相关引脚会产生另一个变化(从高到低或从低到高)。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在每个定时器周期按照比较寄存器不同的值重复，这样便产生了PWM信号。其特点在于它的调制信号不是关于PWM周期中心对称

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第三章 软硬件电路设计

的，只可从脉冲的单边变化每个脉冲的宽度;对称PWM波形的特点在于调制脉冲是关于PWM脉冲中心对称的。对称PWM波形与非对称PWM波形相比，具有的一个优点是:在PWM周期开始和结束的时候，它有两个持续时间相同的不运行区域。

3.2 BOOST变换器模块

BOOST变换器的别名又叫升压变换器、并联开关电路或开关型升压稳压器。线路如图2-2所示，由开关S、电感L、电容C组成。完成把电压Vs升压到Vo的功能。

a）Boost电路原理图

b)由晶体管和二极管组成的Boost电路

图3－4 Boost电路的原理图

Boost电路的工作过程是这样的。当开关S在位置A时,如图3-3a）电流iL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流IO，R两端为输出电压VO，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反压状态。所以电容不能通过开关管放电。开关S转换位置到B时，构成电路如图3-3b)，由于线圈中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持iL不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源V，串联，以高于V。电压向电容C、负载R供电。高

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第三章 软硬件电路设计

于Vs时，电容有充电电流；等于VO时，充电电流为零：当VO有降低趋势时，电容向负载R放电，维持V0不变。

图3-5 Boost变换器电路工作过程

基本输入输出电压关系的推导。设开关动作周期为Ts，D1为接通时间占空比，D2为断开时间占空比，它们各自小于1，连续状态时D1+D2=1。则闭合时间为：T1=D1Ts，断开时间为：T2=D2Ts。

在输入输出电压不变前提下，当开关S在图3-2a）Ａ位置时，iL线性上升， 其增益为：

iL1VsD1TsL (3-2)

开关在3-2a）B位置时，iL线性下降，其增益为： VViL2osD2TsL （3-3） 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等iL1iL2，所以 11VoVsVs1D1D2 （3-4） 使用saber建立Boost电路的saber仿真原理图如下图3-6所示

图3－6 Boost电路的Saber仿真原理图

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第三章 软硬件电路设计

图3－7 Boost电路的仿真结果

图3－7给出了Boost电路的仿真结果，其中最上面的图是电感电流的变化，它近拟呈现线性的变化；中间的图是节点Vx的电压的变化；下图是输出电压Vo。可以看到电感电流呈现周期性三角波形态，在其上升段对应电源对其注入电流的阶段，而下降段则对应，其与电源串联共同对电容充电的过程。Vx节点通过开关管周期性的接地，而电容两端的电压则保持稳定。扫描不同的电感的数值，其结果如图3－8所示，三条曲线对电感分别为1uH,1.5uH，2uH。由于此逆变电源是按照200W设计的，其等效负载为200欧左右。电容取2uF，扫描电感数值为在1.5uH左右可以满足要求。

图3－8 扫描不同的电感的数值以求得最优的电感数值

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第三章 软硬件电路设计

(a) 占空比25%

（b）占空比50%

(b) 占空比75%

图3－9 PWM波形占空比与电路性能关系

此电路的工作原理是用PWM的占空比来控制电压的高低，图3－9呈现了不同占空比下电路性能，其中最上面的图是电感电流的变化，它近拟呈现线性的变化；中间的图是节点Vx的电压的变化；下图是输出电压Vo。从中可以看到电压与占空比呈现反比例关系，电路可以使用PWM控制电压的升降。

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第三章 软硬件电路设计

3.3 加入PI反馈控制器的Boost电路

在第二章中描述的PID控制算法，这里只使用积分和比例环节即可实现总线输入电压的锁定，对于一个典型的数字信号处理系统，通常都是采用如图的系统结构。在自然界中大量的信号都是模拟信号，所以数字信号处理系统一般输入为模拟信号xa(t)，模拟信号经过抽样处理得到离散信号xs(n)，再经A-D量化得到数字信号x(n)，输入到数字处理单元经数学处理后输入数字信号x(n)变换成输出数字信号y(n)，输出数字信号y(n)再经过D-A变换和平滑滤波得到模拟信号ya(t)的输出。

数字控制电源系统一般由两部分组成, 一部分为数字处理器, 另一部分为被控对象。数字处理器为离散部分, 被控对象为连续部分, 或者分别称为数字部分和模拟部分。若要实现数字处理器对被控对象的控制, 首先必须通过处理器内部或外部扩展的一功能模块以一定的采样频率对系统的模拟输出量进行采样, 将该连续信号转化为离散的数字信号, 再经过量化后转变为数字量, 用于处理器内部的运算。而模拟控制系统的采样是实时的、连续的。在数据处理上数字处理器对数据的处理是离散化的, 数字处理器仅对各离散的采样值进行处理, 而连续系统是基于连续信号的。随着电源功能的逐步完善, 数字处理器除了完成控制功能以外,还要能够实现保护、显示以及远程监控等各种功能。随着功能的增多, 所需要的处理时间就会相应地增长, 因此处理器的核心算法的处理频率受到一定的, 一般核心算法的处理频率会小于电源的开关频率, 这使得数字控制难以做到实时控制。此外, 为了实现对连续被控对象的控制, 处理器内部计算结果的离散化输出必须转化为连续信号。对于数字控制开关电源系统, 数字处理器的输出环节一般为内部或外部扩展的功能模块, 它具有零阶保持的功能, 即在下一次输出更新之前始终保持本次输出值。

在第二章中描述了PI控制算法，其控制器表达式如下所示：

u(n)Kpe(n)Kie(j) （3-5）

j0n使用Saber Z域采样模型可以建立如下的等效模型，使用限幅器信号强度不能超过一定数值以避免产生过度的反馈信号，使用Z域延时模块以实现累加的功能。图3－10表示了PI控制器的Saber z域模型的结构图。

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第三章 软硬件电路设计

UiKiKpZUout图3－10 PI控制器的Saber z域模型

由于数字控制系统由数字处理器和控制对象组成，而它们分别属于数字部分和模拟部分，因此要对这两部分分别建立仿真模型，然后再结合在一起进行仿真。 模拟部分的建模较为简单，只需用仿真软件中提供的模拟器件搭建好电路即可。数学控制部分相对复杂一些，需要考虑数－模接口和数据处理两部分。其中数－模接口分为AD采样和DA转换，它们实现了功率部分和控制部分之间的接口。在对控制系统进行分析时可把AD采样看成一个理想开关与一个比例项的串联，它实现了连续域到离散域的转捣，在仿真中可由模数转捣接口a2z来实现。DA转换具有零阶保持功能，完成离散域到连续域的转换。对于数学控制开关电源系统，数模转换常常由数学处理器PWM功能模块代替。因此可以根据数学处理器内部PWM信号产生机理，将计算得到的控制量与一个固定开关频率的三角载波相交截, 从而得到驱动信号。

图3－11表示了完整的带有PI控制部分的Boost升压电路的原理图。其中AD采样环节由一个模数转接口a2z实现。电压基准为一个z域给定信号，以上两者的差值做为误差项。然后分别由z域增益、加法器、比较器和延时等元件按图连接方法构成整个PI计算环节。最后PI计算的输出分别成一个频率为300kHz的三角波相交截，产生PWM输出，经过数模转换接口z2a后变成电压值，再通过压控电压源实现两路信号的放大和电气隔离。仿真电路中除了增益之外的大多数z域元件都需要一个z域采样脉冲信号进行控制，本例中采样频率设为50kHz。另外，三角波发生器由一个z域脉冲源来实现它的控制信号频率应为DSP芯片工作频率32MHz.输出三角波频率为300kHz.

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第三章 软硬件电路设计

图3－11 带有PI控制部分的Boost升压电路的原理图

图3－12 带有PI控制部分的Boost升压电路的仿真结果

图3－12表示了带有PI控制部分的Boost升压电路的仿真结果。仿真此带有反馈的电路需要注意所有恒压电源应采用线性电压源，在一定延时后达到预定电压，只有这样电路才能收敛到特定的平衡点；同时注意在比较器的输入输出端增加10k的输入和输出电阻以使得电路能够收敛。此电路的结果是把输出电压钳制在参考电压上这里取参考电压为30V，图中三条曲线分别为放大器负输入端电阻R1为1k，10k，100k下的仿真结果从中可以看到R1为10k和100k时都能实现输出电压的快速锁定，而R1为1K时则不能实现输出电压的锁定。所以选择R1=100k可以满足设计的要求。由于采用了PI控制方法输出电压可以精确的设定在预设的电平上从而实现了升压控制。

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第三章 软硬件电路设计

3.4 SPWM波形生成模块

正弦半波波形分成Ｎ等份，就可把正弦半波看成由Ｎ个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于Л／Ｎ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部 分面积（冲量）相等，就得到图3－13所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

图3－13 PWM控制的基本原理示意图

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的ＰＷＭ波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的,要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。以上介绍的是ＰＷＭ控制的基本原理，按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，ＰＷＭ波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所 需要的PWM波形。但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的ＰＷＭ波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形

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第三章 软硬件电路设计

相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合ＰＷＭ控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是ＳＰＷＭ波形。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的ＰＷＭ波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性ＰＷＭ控制方式，如图3-14所示。如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的ＰＷＭ波形也是在两个方向变化的，这时称为双极性ＰＷＭ控制方式，如图3－15所示

图3－14单极性SPWM控制方式原理

图3－15双极性SPWM控制方式原理

SPWM波形saber仿真如图3-16所示，从上至下分别用(a)-(d)表示，其中图（c）和图（b）分别是用于调制的正弦波波形和周期性三角波的波形，其中周期性三角波是用ramposc的saber模块生成的。图(a)是通过比较器的输出。图(b)

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第三章 软硬件电路设计

是最终输出的SPWM波的波形。

图3－16 SPWM波形仿真结果

3.5 桥式逆变器模块

假定逆变器的直流环电压为Ud，载波三角波的幅值为Uc，则调制比的值 为：

M2(UsZIsUr)Uc （3－6）

式中：Us为电源输出电压有效值，Is为电源输出电流有效值，Ur为调制波电压 的有效值。

载波比：N=fc/fr,fc为三角波频率，fr为调制波频率。

逆变器输出电压Uab（t）的傅立叶级数表示为：

2Ud+Jn(mM)Uab(t)MUdsin(t)cosmsin[(mNn)t]m1n1,3m 奇数

（3-7）

从上面的公式可看出，第一项即为SPWM输出波形中的基波分量，正是我们所需要的，第二项是谐波分量。另外，从公式的第二项还可以看出，载波Ｎ越 大，谐波频率就越高，滤波越容易（从它的频谱图中能更形象的看出），所需的L2 C5的值就越小。图3－17出了桥式变换器的主电路。桥对角的两个功率MOS管作为一组，每组同时接通或断开，两组开关轮流工作，在一个周期中的短时间内，四个开关将处于断开状态。四个开关导通（或关断）占空比值均相等。在给

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第三章 软硬件电路设计

Ｔ1、T3加触发脉冲，这两个MOS管导通，电流流过T1的漏极，经过输出滤波电路回到T3的漏极。当T2、T4加触发脉冲时，此时T1、T3的触发脉冲消失，T2和T4这两个MOS管导通，但不能立即导通，先经过D2、D4续流，等电流下降到零时再开始导通。另外，这四个二极管还有过电压的作用。

图3－17 桥式逆变器的电路原理图

图3－18逆变器电路的仿真结果,上图为SPWM的调制正弦波，下图通过逆变器提取出来的正弦波信号，从图中可以看到两者频率是一致的，符合设计的要求。逆变侧电感的作用非常重要，它的系统逆变侧电感的作用非常重要，它的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约并网系统的输出功率、系统功耗、直流电压的确定等等。

图3－18 桥式逆变器电路的仿真结果

具体作用体现在:滤除并网系统交流侧PWM谐波电流;使并网系统获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。

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第三章 软硬件电路设计

实践中取电感电压为输出电压的5%－10%

LI(5%10%)UAC (3-8)

电感值越大，则纹波电流越小，稳定性越好，但电感损耗和体积都会增大，电感上压降也会增加。通过扫描电感和电容的数值可以得到电感取1mH，电容为10uF，输出的波形的形态比较好。

3.6 控制电路工作原理 3.6.1 辅助电源设计

小型直流稳压电源在当前众多的电子设备中是用途最广、用量最多的一种。本次设计的逆变电源同样也不例外。辅助电源设计的结构图如下图3-19所示

图3-19 辅助电源原理图

辅助电源是由两片线性稳压集成块7809（输出稳定的+9V电压）和7805（输出稳定的+5V电压），其中7805所需要的输入电压由7809的输出端提供，而不是直接由12V蓄电池提供，这样就减小了7805稳压管上的压降损耗。104pF的独石电容用于滤掉电源的高频谐波。+9V电源给IGBT驱动电路和MOSFET驱动电路提供电压，+5V电源给arm微控制提供电压使其工作。

3.6.2 IGBT与MOSFET驱动电路设计

本设计有使用的IGBT选用的型号为IRG4PC50UD。 此款IGBT基本参数为： 正向耐压VCES=600V； 正向导通电压VCE=1.65V; 集电极电流Ic=27A。

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第三章 软硬件电路设计

门极最高驱动电压VGE=15V 最高耐温 150℃

IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列（如M5795962和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和连线基本相同，只是使用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和和检测和保护环节，当发生过电流时能快速相应但慢速关断IGBT,并向外部电路给出故障信号。

结合本次设计要求，对IGBT的开关频率要求不是很高，如果用专用的混合集成驱动器，不但增加制作成本，还大大复杂了硬件电路设计。为此，设计了一款用分立元件实现的驱动电路，电路图如图3-20所示。

图3-20 分立元件的IGBT驱动

驱动电路如图3-13所示，该驱动电路由脉冲放大和9V基准两部分组成，其中脉冲放大部分包括光耦U1，R3和R5，中间级的VT1，推挽输出电路VT2,VT3,对高频干扰进行滤波的C1；9V基准包括R4和R6。用来驱动IGBT导通，和给光耦的副边提供电压。

其工作原理是：

1） 当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦导通，使VT1基极电位迅速下降，VT1截止，导致VT2基极得到一高电平而导通，VT3恰好跟VT2相反而截止，电源通过VT2栅极电阻R4接到IGBT门极，使IGBT管导通； 2） 当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦不导通，使VT1基极电位上升VT1导通，从而使得VT2,VT3的基极得到一个低电平使VT2截止，VT3导通IGBT管栅极电荷通过VT3栅极电阻R4迅速放电，0.5电压使IGBT能可靠关

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第三章 软硬件电路设计

断；

3） 光耦采用组合光敏管型光耦COSMO1010,具有光敏二极管响应速度快，线性特性好，电流传输大的优点，能满足实验的要求。

3.6.3 桥式MOSFET驱动电路设计

本桥式组电路是由4只N沟道MOSFET组成，而非传统的两只N沟道管子和两只P沟道管子，这样的由相同的管子组成的桥式电路对称性更好，管压降小，减小了能量损失。但是这样便使得驱动电路要复杂一些，因为在驱动过程中要考虑到同桥臂侧的两只管子地要相互隔离。与IGBT相同MOSFET也是压控型器件，其驱动电路如图3-21所示。

图3-21 桥式逆变器驱动电路

其工作过程如下：在逆变过程中，给P1的1，3脚和2，4脚交替输入频率为100Hz的SPWM的脉冲，当1脚为窄脉冲高电平时，3脚为其反相信号。当给1脚高点平时U1的发光二极管导通，则光敏管受光导通，U1 3脚高点平，Q1导通；3脚为1脚的反相信号是低电平，VT1截止，Q4导通。4脚信号同1脚信号相位相差180°，此时为低电平信号U2光电管截止，其3脚为低电平Q2截止，此时P1 2脚为高电平VT2导通，Q3截止，这样直流电通过Q1然后经过负载连接到Q4流回负极，当P1 4脚为高电平时Q2，Q3导通，Q1，Q4截止，输出端极性翻转。这样便得到了频率为50Hz的交流电。

输入到P1的波形可以用图形直观描述，其波形图如图3-22所示。

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第三章 软硬件电路设计

图3－22 桥式逆变器控制波形

3.6.4 反馈调压电路设计

反馈调压电路如图3-23所示。

图3-23 反馈调压电路

当逆变器正常工作时，逆变器的输出信号接反馈变压器，此电压经整流、滤波及分压得到反馈电压V0，显然V0的大小是正比于逆变器的输出电压的。调节Rp1可调节负反馈电压的大小，用于校正反馈电压信号。控制信号被送到arm单片机AD转换的模拟量输入口，经转换器转换成数字量然后交给单片机进行处理。单片机根据检测到的电压反馈信号，调节斩波升压部分PWM波形的占空比，从而得到预置的输出电压值。

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第三章 软硬件电路设计

3.6.5 arm微控制器及外围电路

（一）4*4键盘电路

图3-24 4*4矩阵键盘电路

4*4矩阵键盘的扫描方法有多种，如逐点扫描，逐行扫描，全局扫描等。其中全局扫描，速度快，易学易用，程序简单，可是它不支持同时多键处理，最佳适用 4*4扫描键盘，可以用在一般的用途。下面详细介绍扫描方法。

键盘接的前4个I/O口为行接线，后 4个为列接线。这样的接法就构成了一个坐标，每一个键都对应这一个行的位置和一个列的位置。例如我们说左上角的那个所对应第1行和第 4列，即单片机P10 和 P17两个I/O口。键盘的组成是用的微动开关，微动开关的特性是当有键按下时开关的两个引脚闭合导通。无按键时两个引脚是断开的状态。这样当我们按下图1中左上角的键时P10 和P17在物理上是导通了，而其它的I/O口（P11~P16）都处于的状态。我们只要让单片机发现哪两个I/O口是导通的我们就可以知道是哪一个键被按下了。

这里我们用的一种方法是先将4个行线的I/O 口置为“0”（低电平），将列线的I/O口置为“1”（高电平）。这样当有键按下时某一行的I/O口就和某一列中的I/O口导通了，因为行线的口都是“0”（低电平）所以和行线导通的列线也将会变成“0” ，而其余的列线因为开始时是“1”又没和其它的行线导通，所以依然是“1”。这样我们就可以找出了我们的按键所在的列了（因为列线中只有导通的列线变为了“0”，任何电平与低电平相导通都属于短路，短路的线将会是低电平）。

其实，所谓的“行”、“列”是我们人为规定的，如果试着把列看成行，将行看成列是一样的。这里我们规定P10~P13为行，P14~P17为列。

现在我们知道了我们按下的键所在的列了，只要再知道它所在的行的话，我

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第三章 软硬件电路设计

们就可以确定它的位置了。这时我们将4个行线的I/O口置为“1”（高电平），将列线的I/O口置为“0”（低电平），这是和最初的置式相反。被按着的那个按键还是导通的，还是属于短路， 所以在被置“1” 的行线中将会有一个变成了 “0”这样我们就确定了按键在行中的位置，到此我们还要确定什么呢？不需要了，我们已经找到了按下的键了。 （二）四位七段LED显示电路

图3-25 动态数码管显示电路

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

3.7 软件系统的设计

本设计的软件系统是基于RM Cortex-M3处理器内核进行设计的。SPWM波是在C P U (LM3S1138)的支持下， 由二个定时器 Timer1、Timer2和4个外部中断及接口获得的。定时器Timer1 完成采样周期 T s 的定时， 定时器Timer2

``toffton完成脉冲间隔及脉冲宽度的定时( 实际上是对与定时) 。当Timer1定时时间到， C P U 响应该中断请求， 向相应接口送出低电平( 偶次采样) 或高电平

``t( 奇次采样) ， 并计算出off ( 偶次采样) 或ton ( 奇次采样) 作为定时时间常数送人T 2 并启动 Timer2 ， 同时启动Timer1 继续定时Ta。当Timer2定时时间到， C P U响应该中断请求， 向相应接口送出高电平( 偶次 采样) 或低电平( 奇次采样) ， 单片机等待下一个采样 周期即Timer1定时时间到， 重复上

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第三章 软硬件电路设计

述过程形成 S P WM 波。 PWM波是在C P U (LM3S1138)的支持下，由专门的PWM端口产生。主程序(如图3－26)的一个循环产生 N个 SPWM脉冲， 即一个正弦波周期循环一次， 并采样一 次频率给定值 f ， 然后按这时的f 生成 S P WM控制脉冲序列。

初始化读f并显示中断按键控制ＰＷＭ的占空比调节f调节f和电压显示切换计算TsTs装入Timer1并启动Timer1查表并计算ton、toffton、toff装入Timer2并启动Timer2返回 图 3－26 主流程图

定时器 Timer1用来采样周期定时，计算出导通时间和关断时间，并将定时时间传给Timer2，其程序框图如图3－27。

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第三章 软硬件电路设计

Timer1定时器中断程序采样次数R0+1指针R1+1Ｔs装入Timer1并启动Timer1查表取值并计算ton、toff 图 3－27 Timer1中断流程图

通过4*4键盘控制微处理器(LM3S1138)产生不同占空比的PWM波，和不同频率的SPWM波，并能进行显示模式的切换，其程序框图3－28。

图 3－28 键盘流程图

在最大功率控制的软件设计中主要使用干扰观测法，通过成比例的增加或者减少变换器的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近。这种方法常用于光伏能量系统中。当日照随时间变化不快时，是非常有效。虽然这种方法不能迅速跟踪

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显示电压或频率产生不同占空比的PWM返回4*4键盘LM3S1138产生不同频率的SPWM第三章 软硬件电路设计

最大功率点，但是如果增加采样时间，少了硬件个数和成本费用。

干扰观测法的实质是基于光伏输出功率的计算和采样电压和电流值计算的功率变化。比较前一个和当前的电压值来检测功率变化，计算出参考电压V。，用于产生PWM(脉宽调制)的控制信号。图中V(k)、I(k)是新测量的值，根据这两个值计算功率P(k)=V(k)+I(k)。比较(k)点与(k一1)点功率值的变化。功率值的变化决定下一步变化的方向。如果功率增加，在搜索方向不变，如果功率减小，在搜索方向相反。搜索方向由V(k)是否大于V(k一1)决定。c为占空比间隔，决定功率变化的步长。如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；相反地，如果步长小，则系统反应慢，但相对精确。通过对V的不断调整，最终可以搜索到最大功率点。算法的框图如图3－29所示。

检测V(k),I(k)计算功率P(k)=V(k)*I(k)P(k)-P(k-1)=0?P(k)-P(k-1)>0?V(k)-V(k-1)>0?V(k)-V(k-1)>0?Vref=Vref-CVref=Vref-CVref=Vref-CVref=Vref-C图3-29 最大功率控制算法程序框图

3.8 PCB制作及成品图片

关于本次设计我分别设计了两张PCB图纸，他们分别是逆变电源主电路PCB和逆变器驱动电路PCB。PCB图和实物照片如下。

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第三章 软硬件电路设计

图3-23 逆变主回路PCB图

图3-24逆变器驱动路PCB图

图3－25是实验照片，主要由逆变器主回路，逆变器驱动电路，微控微器电路三部分组成，用蓄电池模拟电阳池阵的功能，实验调试表明该结构可以较好的完成预先设定的设计目标且通过较长时间的检测表明该电路有较好的可靠性。在下一章中总结了该实验的一些基本的实验结果。

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第三章 软硬件电路设计

逆变器主回路

逆变器驱动电路

单片机微控制器最小系统

图3－25 实验中电路照片

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第四章 实验和调试结果分析

第四章 实验结果分析

经过前面的分析，MOSFET驱动电路需要4路控制信号，其中两路为PWM信号，另两路为SPWM信号，下图均是用RIGOL-DS1102C型数字存储示波器所测得的真实波形。

4.1 实测各种波形

图4－1是两路带死区时间相位相差180°的PWM波形，其用来控制Q1，Q2两只MOSFET通断。

图4-1 带死区的PWM波形

图4-2是两路带死区时间相位相差180°的SPWM波形，其用来控制Q3，Q4两只MOSFET通断。

图4-2 带死区的SPWM波形

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第四章 实验和调试结果分析

图4-3是占空比可调节的PWM波形，用来控制BOOST电路部分IGBT的开通和关断状态。

图4-3 占空比可调的PWM波形

图4-4是未经过滤波的输出波形，其正负半周都是显SPWM波形状。

图4-4 未经滤波的输出波形

图4-5是经过LC电路滤波后的输出波形，其形状以接近正弦波。

图4-5 经过LC滤波的输出波形

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第四章 实验和调试结果分析

4.2 数据记录

改变Boost电路输入PWM的占空比所测得的各种电压如表4-1所示。

表4－1 PMW占空比与Boost电路性能影响 蓄电池电压（V） 12.81 12.81 12.81 12.81 12.81 12.81 12.32 32.33 35.37 36.50 42.3 50.9 升压输出电（V） 逆变输出电压（V） 12.45 32.58 35.40 37.01 42.8 51.3 0 12 25 33 50 60 12 33 35 37 43 51 PWM占空比（%） LED显示 注:以上数据均用VC101型4位半数字万用表测得

改变SPWM波形的频率后输出的交流电压的频率也随之改变，记录的结果如表4-2所示。

表4－2 SPWM波形与频率的关系 SPWM频率（Hz） 30 50 80 120 250 输出电压频率（Hz） 31.2 52.1 84.3 125.7 260.4 LED显示 30 50 80 120 250 注：以上数据均用RIGOL DS1102C型数字示波器测得

实验测得当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率＝65%。当RS=RL=30Ω时，

1输出电压uo的失真度THD≤2% RS和RL在给定范围内变化时，使UdUS，相

2对偏差的绝对值不大于1%。很好的实现的设计的要求。

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第四章 实验和调试结果分析

4.3 结论

本次设计基本上满足了设计初预定的设计要求：

1、实现了正弦波输出，用示波器观察有失真； 2、实现了全数字控制及数码显示；

3、实现了输出电压可调，调节范围：AC 12.3V-50V； 4、实现了输出频率可调，调节范围：30Hz-250Hz。 5、当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。

6、当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

7、具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变

1化时，使UdUS，相对偏差的绝对值不大于1%。

2

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第五章 总结和展望

第五章 总结和展望

5.1 全文的总结

本文对光伏并网系统中的核心问题进行了较为细致深入的分析和研究，本文的主要研究工作总结如下:

1.分析了光伏发电产业在国内外的发展现状。

2.研究了单相光伏并网发电系统的结构和工作原理，设计了一套控制策略，采用

电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，并对控制系统进行了数学建模。 3.设计、制作并调试了基于LM3S1138的光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、锁相环电路、PWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。

4.设计了一套软件实现方案，包括电流跟踪控制、电网电压前馈控制、数字PI调节器的设计、PWM及SWM波形的产生、最大功率点跟踪(MPPT)控制。对软件设计进行了编程与调试。

5.最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网发电系统中必须解决的问题。本文采用了电导增量法来实现光伏系统的最大功率点跟踪控制

5.2 展望和后续的相关工作

本文对单相光伏并网发电系统进行的软硬件设计还处于实验阶段，展望以后的工作，希望在以下几个方面取的进一步的发展:

1.进一步完善控制策略，优化程序设计，提高并网的可靠性。

2.设计三相光伏并网发电系统。本文设计的是单相光伏并网发电系统，而实际中的电网是三相电，如何把单相光伏发电系统中的控制策略和软硬件设计应用到三相中，将是以后研究的重点

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第六章

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参考文献

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[12]李红波，俞善庆.太阳能光伏技术及产业发展.上海电力，2006(4):331一337陈涛，候振义.开关电源的干扰及其抑制[J].电源技术应用.2005(11):55一58. [13]魏应冬，吴燮华.开关电源EMI滤波器原理与设计研究「J].电源技术应用.2005(2):36一40.

[14]汪安民，程星，徐保根.DSP嵌入式系统开发典型案例[M].第1版.北京:人民邮电出版社，2007.

[15]陈桂兰，孙晓，李然.光伏发电系统最大功率点跟踪控制[J].电子技术应用.2001(08):33一35.

[16]杨海柱，金新民.最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究[J〕.北京交通大学学报.2004(2):65一68.

[17]王玉林.基于TMS32OF240的多种PWM实现「J」.单片机与嵌入式系统应用.2002(08):26一29

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参考文献

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[21]王兆安，黄俊主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社，2003 [22]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，2004

[23]袁晓，赵敏荣，胡希杰，吕玉龙.太阳能光伏发电并网技术的应用.上海电力，2006(4):342~347

[24]彭启琼，管庆.DSP的集成开发环境:CCS及DSP/B10S的原理与应用.北京:电子工业出版社，2004

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发表论文和科研情况说明

发表论文和科研情况说明

发表的论文：

[1] [XXXX...] ，“[XXXX...] ”，《[XXXX...] 》，[XXXX...] 年[XX] 月

参与的科研项目：

[本人参与了...]

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致谢

致 谢

本论文的工作是在我的导师[XXXX...] 教授的悉心指导下完成的，[XXXX...] 教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来[XXXX...] 老师对我的关心和指导。

[XXXX...] 教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向[XXXX...] 老师表示衷心的谢意。

[XXXX...] 教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。

在实验室工作及撰写论文期间，[XXXX...] 、[XXXX...] 等同学对我论文中的[XXXX...] 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。

另外也感谢家人[XXXX...] ，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。

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致谢

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权XXXX大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

目 录

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致谢

第一章 总 论 ..................................... 错误！未定义书签。 1.1项目背景 ...................................... 错误！未定义书签。 1.2项目概况 ...................................... 错误！未定义书签。 1.3结论与建议 .................................... 错误！未定义书签。 第二章 改造的意义和必要性 ........................ 错误！未定义书签。 2.1 项目实施的背景 ................................ 2.2 项目实施的意义和必要性 ........................ 第三章 改造方案 .................................. 3.1 技改前情况 .................................... 3.2 改造方案 ...................................... 第四章 场址方案 .................................. 4.1 场址所在位置现状 .............................. 4.2 场址建设条件 .................................. 第五章 技术方案、设备方案与工程方案 .............. 5.1 技术方案 ...................................... 5.2 主要设备方案 .................................. 5.3 工程方案 ...................................... 第六章 主要原材料、燃料供应 ....................... 6.1 主要原材料供应 ................................ 6.2 燃料供应 ...................................... 第七章 总图运输与公用辅助工程 .................... 7.1 总图布置 ...................................... 7.2 公用辅助工程 .................................. 第八章 节能篇 .................................... 8.1 项目节能设计规范 .............................. - 57 -

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致谢

8.2 建设项目能源消耗种类和数量分析 ................ 错误！未定义书签。 8.3 项目所在地能源供应状况分析 .................... 错误！未定义书签。 8.4 主要节能措施 .................................. 错误！未定义书签。 8.5 节能效果分析 .................................. 错误！未定义书签。 第九章 环境影响评价 .............................. 错误！未定义书签。 9.1 厂址环境条件 .................................. 9.2设计依据 ...................................... 9.3项目建设对环境的影响 .......................... 9.4项目运营期对环境的影响 ........................ 9.5 环境影响评价 .................................. 第十章 劳动安全卫生与消防 ........................ 10.1 设计依据 ..................................... 10.2安全卫生防范措施 ............................. 10.3 消防设施 ..................................... 第十一章 组织机构与人力资源配置 .................. 11.1 组织机构 ..................................... 11.2 人力资源配置 ................................. 第十二章 项目实施进度与项目招标 .................. 12.1 建设工期 ..................................... 12.2 项目实施进度表 ............................... 12.3 项目招标 ..................................... 第十三章 投资估算与资金筹措 ...................... 13.1项目总投资规模 ............................... 13.2资金来源及投资使用方案 ....................... 第十四章 财务分析 ................................ - 58 -

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致谢

14.1 项目财务内部收益率、总投资收益率、投资回收期等指标的计算和评价 错误！未定义书签。

14.2 项目经济效益分析 ............................. 错误！未定义书签。 第十五章 风险分析 ................................ 错误！未定义书签。 第十六章 研究结论与建议 .......................... 错误！未定义书签。 16.1 研究结论 ..................................... 16.2 建议 .........................................

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