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
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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。
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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MPPT(maximum 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。
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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DC/DC升压（Boost）电路DclinkDC/AC逆变桥输出滤波电网MPT控制直流电压电流DC/DC控制与保护电路驱动电路并网电流交流负载电网电压DSP故障检测时钟与复位电路图1.1 单相光伏并网发电系统框图数据通讯及显示E2PROM
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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。
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SPWM波信