双向逆变太阳能供电系统的研究与设计

【摘要】：就目前人们对新能源的研究与开发而言,风能和太阳能是最具潜力的,也是使用最多的。但是风能因为其存在噪音问题,所以只适合设置在偏远的人口较少的地区,并且考虑到经济效益,必须要大规模地设立才会达到预期效果。而太阳能具有其独特的优势,例如：存在的广泛性、储能的无限性、利用的清洁性,并且用于生产太阳能电池的主要材料硅元素是地球上储存量第二大的元素。所以,针对太阳能的开发和利用必然会对未来世界能源结构的转型起到其它清洁能源无法比拟的重要作用。 现今,市场上利用太阳能的产品大多数只是基于太阳能充足的时候对能量进行储存和利用。例如：离网的太阳能逆变器等。但是,考虑到太阳能存在一个天然的缺点,就是它不可能一年中每一天都会很充足,所以人们就想着利用蓄电池等储能设备在太阳能充足的时候先将它储存起来,然后可以在太阳能不充足的时候利用。然而,其一,不管什么储能设备它的储存能量都是有限的；其二,像蓄电池这种储能设备又会对环境带来二次污染。 本课题的研究目标就是建立一个基于双向逆变器的光伏太阳能供电系统。被称作双向逆变器是因为它可以让太阳能电池组件产生的能量与市电电网能量之前互补地流动。当太阳能充足的时候把供给直流负载以外的能量转化为同我们市电相同振幅、频率和相位的正弦波并到市电中；当太阳能不够充足的时候我们就把市电的能量通过双向逆变器转化为负载所需能量,直到太阳能电池组件能够产生足够的能量为止。由此可见,本系统可以充分利用太阳能电池输出能量,并且不需要利用蓄电池等储能设备。 本系统的硬件电路设计主要分为以下三个部分：前端带最大功率追踪的升压电路、后端全桥双向的逆变器主电路和微控制器主电路。升压电路采用一般Boost升压电路,微控制器板核心是单一颗PIC单片机。 本系统的软件部分利用PIC单片机及其固有函数库,运用C语言编写。最大功率追踪的实现采用的是最普遍的扰动观察法。全桥双向逆变器的功率晶体开关采用单极性高频的开关切换方式,并且运用预测电流的控制法,以达到减小输出端滤波电路的体积和降低电流谐波干扰的目的。 最后,本文将运用电路仿真软件PSIM和进行电路实作来对系统的可行性进行验证,并测试系统的功效。 【关键词】：太阳能供电系统 双向逆变器 Boost升压电路 并网 预测电流控制法
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• Contents11-14
• 第一章 绪论14-19
• 1.1 课题背景与研究意义14-15
• 1.2 光伏太阳能供电系统的简介15-17
• 1.2.1 太阳能电池板组件15-16
• 1.2.2 逆变器16
• 1.2.3 控制系统与储能系统16-17
• 1.3 国内外研究发展现状及趋势17-18
• 1.4 论文内容和章节安排18-19
• 第二章 太阳能电池板及其特性19-26
• 2.1 太阳能电池板特性19-24
• 2.2 最大功率追踪方法24-26
• 第三章 系统硬件电路及其控制原理26-51
• 3.1 系统主电路架构和工作模式26-28
• 3.1.1 系统主电路架构26
• 3.1.2 系统工作模式26-28
• 3.2 最大功率追踪器28-33
• 3.2.1 主电路架构28-31
• 3.2.2 功率晶体开关驱动电路31
• 3.2.3 太阳能电池板输出电压和电流的采样电路31-32
• 3.2.4 最大功率追踪控制原理32-33
• 3.3 全桥双向逆变器33-47
• 3.3.1 主电路架构34
• 3.3.2 全桥功率晶体开关驱动电路34-35
• 3.3.3 全桥功率晶体开关切换方式35-37
• 3.3.4 双向逆变器电路工作原理37-44
• 3.3.5 全桥双向逆变器控制原理44-47
• 3.4 其他周边辅助电路47-51
• 3.4.1 继电器驱动电路47
• 3.4.2 反馈端电压保护电路47-48
• 3.4.3 直流侧电压反馈电路48
• 3.4.4 市电端电流反馈电路48-49
• 3.4.5 市电端电压反馈电路49-50
• 3.4.6 市电电压零交越检测电路50-51
• 第四章 微控制芯片及系统软件规划51-59
• 4.1 微控制芯片简介51-52
• 4.2 系统主程序设计52-54
• 4.3 最大功率追踪子程序设计54-55
• 4.4 直流链稳压子程序设计55
• 4.5 PWM特殊事件中断子程序设计55-58
• 4.6 A/D转换中断子程序58-59
• 第五章 系统电路仿真及实作验证59-73
• 5.1 系统电路规格59-60
• 5.2 系统电路仿真软件验证60-65
• 5.2.1 市电并联模式仿真验证61
• 5.2.2 功率因数修正模式仿真验证61-62
• 5.2.3 工作模式间转换仿真验证62-64
• 5.2.4 负载变换仿真验证64-65
• 5.3 系统电路实作验证65-71
• 5.3.1 最大功率追踪功能验证65-66
• 5.3.2 市电并联模式实测验证66-67
• 5.3.3 功率因数修正模式实测验证67-69
• 5.3.4 工作模式间转换实测验证69-71
• 5.4 系统总体效能测量71-73
• 结论与展望73-75
• 参考文献75-78
• 攻读学位期间发表的论文与成果78-80
• 致谢80

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