家用型光伏逆变系统的设计与研究

【摘要】：在常规能源逐步枯竭以及全球环境污染严重的形势下,太阳能作为一种绿色可再生资源,具备清洁环保、经济、储备量大等优点得到极大的开发与利用。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板的光伏效应,将太阳辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。在这一背景下,本文研究一套适用于家用小功率电器工作的太阳能光伏逆变系统,推进光伏发电技术应用到居民家居生活中,从根源上缓解能源需求问题。 该系统采用意法半导体公司推出的stm32f103VC芯片作为主控制器,其逆变器主回路拓扑结构采用DC-AC-DC-AC多级拓扑结构,由前级全桥变换器、高频升压变压器、桥式整流滤波器、后级全桥变换器组成。与传统逆变器主回路控制思路不同,前级全桥变换器通过SPWM波(Sinusoidal PWM,正弦脉宽调制)控制实现逆变转换为只包含正半周的正弦波,后级全桥变换器作为频率翻转开关重塑前级输出波形生成完整的正弦波交流电。 本文光伏逆变系统的设计主旨是将其应用推广到家居生活中。整个系统的功能是将太阳能电池板输出直流电储存于12V蓄电池转换为220V/50HZ适用于家用小电器工作的正弦交流电。主要展开以下工作： (1)深入分析介绍光伏逆变器的现有几种拓扑结构,详尽的讨论了双端功率变换器(推挽变换器、全桥变换器、半桥变换器)三种拓扑结构的工作原理并进行了性能对比,本文的设计中将采用全桥变换器拓扑结构； (2)分析光伏逆变器控制策略中的SPWM各类控制算法,规则采样、不规则采样法、等效面积法,都需要计算出基准正弦调制波的值,数学模型比较繁琐。在传统设计的逆变电源中通常选用查表法,该法在实际运用过程中可靠性高,性能比较好。分析了充电控制模块的最大功率点跟踪算法(Maximum Power Point Tracking,MPPT),比较恒压法和扰动观察法的性能,最后采用了扰动观察法。 (3)逐步重点简述本文软硬件设计的核心部分。硬件部分充电控制模块采用BuckDC/DC转换器对蓄电池自适应充电,系统功率主回路中高频变压器、高压工作区往往会产生大量的干扰信号,串入微控制电路中严重影响信号的处理甚至于将其烧毁。为了能精确处理控制各模块电路的波形信号,引入比较巧妙的方法便是将高压、低压控制区分离成两模块。为了有效利用太阳能,提高系统效率,软件部分采用最大功率跟踪技术使太阳能电池板工作在最大功率范围内； (4)通过搭建实验平台进行现场运行测试检验本文的研究,整理总结测试过程中遇到的各类问题,进行分析解决。 【关键词】：光伏发电技术 光伏逆变系统 stm32f103VC 逆变主拓扑回路
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 光伏逆变器的国内外研究现状9-12
• 1.1.1 国内研究现状9-10
• 1.1.2 国外研究现状10-12
• 1.2 课题的研究意义12-13
• 1.3 本课题研究的主要内容13-15
• 2 家用型光伏逆变系统的拓扑结构15-22
• 2.1 光伏逆变器按照变压器结构分类类型15-16
• 2.2 光伏逆变器的拓扑结构类型16-20
• 2.3 本章小结20-22
• 3 家用型光伏逆变系统的控制策略22-34
• 3.1 正弦脉宽调制(SPWM)技术22-29
• 3.1.1 SPWM硬件电路控制方式22-24
• 3.1.2 SPWM软件数字化控制方式24-25
• 3.1.3 SPWM常见实时计算生成法25-29
• 3.1.4 SPWM波脉宽值与逆变器输出电压的关系29
• 3.2 最大功率点跟踪算法29-33
• 3.2.1 太阳能电池的基本原理与特性介绍29-31
• 3.2.2 MPPT常用算法31-33
• 3.2.3 MPPT算法性能比较33
• 3.3 本章小结33-34
• 4 家用型光伏逆变系统的硬件设计34-53
• 4.1 光伏逆变系统整体硬件方案的设计34-35
• 4.2 MPPT(最大功率跟踪)充电控制器的设计35-38
• 4.2.1 Buck DC/DC降压型电路36-37
• 4.2.2 光伏电压、电流采样电路设计37-38
• 4.3 光伏逆变系统功率主回路的设计38-44
• 4.3.1 输出滤波电路参数整定40-43
• 4.3.2 整流电路43
• 4.3.3 DC-AC全桥变换器的设计43-44
• 4.4 光伏系统控制电路的设计44-48
• 4.4.1 stm32f103VC微控制器简介45-47
• 4.4.2 stm32f103VC微控制系统的设计47
• 4.4.3 驱动电路的设计47-48
• 4.5 系统的保护方案设计48-51
• 4.5.1 低压、高压模块隔离48-49
• 4.5.2 光电隔离电路的设计49-50
• 4.5.3 过载和短路保护50
• 4.5.4 过热保护50-51
• 4.5.5 逆变主回路直流母线电压采样51
• 4.6 电源供电电路设计51-52
• 4.7 本章小结52-53
• 5 家用型光伏逆变系统的软件设计53-66
• 5.1 控制系统的整体软件方案53
• 5.2 控制系统软件开发环境53-54
• 5.3 stm32f103VC定时器模块介绍54-58
• 5.4 最大功率跟踪程序设计58-59
• 5.5 充电模式程序设计59-61
• 5.6 SPWM波的产生61-64
• 5.6.1 正弦波表61-62
• 5.6.2 移相软件设计62-63
• 5.6.3 SPWM波生成63-64
• 5.7 正弦波的产生64-65
• 5.7.1 系统功率主回路的软件控制64-65
• 5.7.2 正弦波的程序设计65
• 5.8 本章小结65-66
• 6 系统调试分析与总结66-79
• 6.1 系统调试环境66-70
• 6.2 系统的调试及结果70-76
• 6.2.1 充电控制实验测试70-72
• 6.2.2 逆变模块实验测试72-76
• 6.3 系统调试总结76-78
• 6.3.1 系统的典型问题及解决方案76-78
• 6.3.2 调试总结78
• 6.4 本章小结78-79
• 7 总结和展望79-80
• 7.1 工作总结79
• 7.2 后续工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 附录Ⅰ 充电控制模块原理图84-85
• 附录Ⅱ 光伏逆变器低压控制模块原理图85-86
• 附录Ⅲ 光伏逆变器高压控制模块原理图86-87
• 附录Ⅳ stm32f103VC最小控制系统原理图87-88
• 攻读硕士学位期间取得成果88-89
• 致谢89-91

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