独立式光伏发电系统的研究

【摘要】：能源是人类赖以生存和发展的基础，随着人类社会的进步，世界范围内对能源的需求日益增加。而煤、石油、天然气等常规能源不但污染环境且储量十分有限，因此开发利用新型能源已迫在眉睫。常见的新型能源有太阳能、风能、核能等。其中太阳能因其普遍存在性、可再生性、清洁性等，成为21世纪的主导能源。光伏发电是太阳能的主流应用方式之一。光伏发电一般可分为独立式、并网式和混合式三种，其中独立式光伏发电系统简单、成本低、灵活性高、实用性强，是目前光伏发电市场的主要应用模式。 本文研究了一种独立式光伏发电系统，该系统由纯硬件实现，省去了编程环节，有益于系统简单、稳定实现。主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器和逆变器四部分构成。太阳能电池板是光伏发电系统的核心部分，作用是将太阳的辐射能转换为电能。在独立运行系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可少的。在阳光充足时，光伏电池板输出的电能一部分经后级逆变器输送给交流负载使用；一部分储存在蓄电池中，以便在光照不足时供给逆变器或者直接供给直流负载使用。控制器的主要作用是实现光伏电池板的最大功率点跟踪并对蓄电池的充放电进行控制。逆变器采用高频隔离型电路，前级为推挽升压电路，将低压直流电转换为高压直流电，易于逆变电路的控制，并且高频变压器较低频变压器有体积小、质量轻、成本低等优点；后级采用常用的全桥逆变电路。利用芯片SG3525生成PWM信号来控制推挽升压电路，利用单片机TDS2285产生SPWM信号，来控制全桥逆变电路。同时系统具有过流、短路保护电路，保证了系统可靠运行。 另外，本文将太阳光自动跟踪系统应用到了光伏电池板。此系统以STM32单片机为主控芯片，采用双轴跟踪，实现了对太阳光的全天候自动跟踪，实际跟踪精度高达0.1°立体角，较没有跟踪系统的光伏发电系统相比可提高30%的发电量。 最终，系统的测试结果显示，逆变器输出功率在300W左右时，各开关管发热较少，输出谐波含量少，效率在85%以上。再加上太阳光自动跟踪系统可靠稳定运行，该独立式光伏发电系统的整体效率得到很大提高。系统主要性能参数基本达到了预期要求，可广泛应用于家庭中的小功率电器等，具有较强实用性和市场潜力。 【关键词】：独立式 光伏发电 逆变器 太阳光自动跟踪
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-16
• 1.1 太阳能利用的重要意义12
• 1.2 光伏发电12-14
• 1.2.1 光伏发电系统特点12-13
• 1.2.2 光伏发电的国内外现状及发展前景13-14
• 1.3 光伏逆变器的现状及发展趋势14
• 1.4 本课题的主要研究内容14-15
• 1.5 本章小结15-16
• 2 独立式光伏发电系统的组成16-26
• 2.1 光伏发电系统分类16
• 2.2 独立式光伏发电系统的结构16-17
• 2.3 光伏电池17-22
• 2.3.1 光伏电池工作原理17-18
• 2.3.2 光伏电池的建模18-20
• 2.3.3 光伏电池伏安特性曲线20-21
• 2.3.4 最大功率点跟踪（MPPT）原理21-22
• 2.3.5 太阳能电池阵列22
• 2.4 蓄电池特性及充电方法22-23
• 2.5 逆变系统整体结构选择23-25
• 2.5.1 隔离型逆变器结构23-24
• 2.5.2 非隔离型光伏逆变器结构24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 3 直流升压电路26-39
• 3.1 直流升压拓扑结构26-30
• 3.1.1 正激型电路26
• 3.1.2 反激型电路26-27
• 3.1.3 半桥电路27-28
• 3.1.4 全桥型电路28
• 3.1.5 推挽型电路28-30
• 3.2 推挽型升压电路30-36
• 3.2.1 主电路设计30-31
• 3.2.2 控制电路设计31-34
• 3.2.3 MOSFET 驱动电路设计34-36
• 3.3 变压器设计36-38
• 3.3.1 磁性材料选择36
• 3.3.2 设计指标36
• 3.3.3 磁芯选择36-37
• 3.3.4 绕组计算37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 逆变电路39-53
• 4.1 PWM 技术39-44
• 4.1.1 PWM 控制的基本原理39
• 4.1.2 SPWM 逆变电路及其控制方法39-41
• 4.1.3 SPWM 产生电路41-44
• 4.2 逆变主电路44-47
• 4.2.1 逆变电路的基本工作原理44-45
• 4.2.2 电压型逆变电路45-47
• 4.3 逆变电路设计47-51
• 4.3.1 逆变主电路设计47-48
• 4.3.2 驱动电路48-49
• 4.3.3 电源设计49-50
• 4.3.4 滤波电路设计50-51
• 4.4 保护电路51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 5 太阳光自动跟踪系统53-60
• 5.1 太阳光跟踪系统的总体设计53
• 5.2 太阳光跟踪系统硬件介绍53-57
• 5.2.1 主控芯片介绍53-54
• 5.2.2 太阳光采集装置介绍54-55
• 5.2.3 电机驱动模块设计55-56
• 5.2.4 按键和显示模块56-57
• 5.3 跟踪系统的软件设计57-59
• 5.3.1 软件整体设计57-58
• 5.3.2 电机驱动软件设计58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 系统调试及性能测试60-65
• 6.1 系统调试60-62
• 6.1.1 DC-DC 驱动板调试60
• 6.1.2 SPWM 驱动板调试60-61
• 6.1.3 逆变系统整机调试61
• 6.1.4 太阳光自动跟踪系统调试61-62
• 6.2 测试结果62-63
• 6.2.1 逆变系统测试结果62
• 6.2.2 太阳能跟踪系统测试结果62-63
• 6.4 本章小结63-65
• 7 总结及展望65-66
• 7.1 课题工作总结65
• 7.2 课题进一步研究及展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利70-71

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