【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 II Abstract Solar photovoltaic power generation is a kind of technology which can convert solar radiation energy into electricity directly,solar energy is renewable energy and an important part of new energy, which is considered to be the world39。推挽升壓的控制器采用電壓型控制芯片 SG3525,采用電壓反 饋，增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)詳細(xì)討論了高頻變壓器的設(shè)計(jì)、濾波元件參數(shù)的選擇等。 打印部分： 8 30 31 參考文獻(xiàn) 本文系統(tǒng)地介紹了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法等方面的內(nèi)容，為降低系統(tǒng)體積及提高系統(tǒng)效率，提出“推挽升壓 +全橋逆變”的設(shè)計(jì)方案。 最后 ,利用 單片機(jī)仿真軟件 proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并給出仿真原理圖及仿真波形。面對(duì)全球范 圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境壓力， 人類要解決能源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源和新能源 。美國(guó)是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家。 瑞士 、法國(guó)、 意大利 、西班牙、 芬蘭 等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程 。光伏組件的生產(chǎn)成本降到 3美元 /瓦以下。太陽(yáng)能 資源開(kāi)發(fā)利用 的潛力非常廣闊 ，具 有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。在 “ 光明工程 ” 先導(dǎo)項(xiàng)目和 “ 送電到鄉(xiāng) ” 工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 太陽(yáng)光輻射能經(jīng)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過(guò)能量存儲(chǔ)、能量變換控制等環(huán)節(jié)，向負(fù)載提供合適的直流或者交流電能。被吸收的光能激發(fā)被束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子，產(chǎn)生電子 —空穴 對(duì) ，在 PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子 、 空穴相互運(yùn)動(dòng)， N區(qū)的空穴向 P區(qū)運(yùn)動(dòng)， P區(qū)的電子向 N區(qū)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池的受光面有大量負(fù)電荷（電子）積累，而在電池的背光面有大量正電荷（空穴）積累。獨(dú)立型光 伏系統(tǒng)一般由屋頂?shù)奶?yáng)能電池陣列、蓄電池、 逆變器及控制系統(tǒng)組成，太陽(yáng)能電池陣列將太陽(yáng)光能量收集之后由充電系統(tǒng)儲(chǔ)存到蓄電池中。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 4 (2)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 l2所示。 (3)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 l3所示。針對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)進(jìn)行較為深入的分析，對(duì)于系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)、控制方法、參數(shù)選擇等方面進(jìn)行論證，主要有以下幾方面內(nèi)容： (1)在介紹太陽(yáng)能電池板的分類特點(diǎn)，蓄電池的特性的基礎(chǔ)上對(duì)太陽(yáng)能電池板和蓄電池進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，并對(duì)蓄電池的充放電的控制進(jìn)行研究。 圖 21 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。光伏系統(tǒng)對(duì)蓄電池組的要求是： （ 1） 自放電率低； （ 2） 使用壽命長(zhǎng)； （ 3） 深放電能力強(qiáng)； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 7 （ 4） 充電效率高； （ 5） 少維護(hù)或免維護(hù)； （ 6） 工作溫度范圍寬； （ 7） 價(jià)格低廉。一般由升壓電路和逆變橋式 電路構(gòu)成。 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源設(shè)計(jì)的要求 逆變電源部分將太陽(yáng)能電池或蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電供用戶使用，是光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱，過(guò)載保護(hù)等。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免 對(duì) 公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。首先變壓器鐵芯單向磁化，利用率低，主功率管承受兩倍的輸入電壓，只能適合低壓輸入電路。因此變壓器鐵芯是雙向磁化的，相同鐵芯尺寸下，推挽電路比正激式電路輸出更大的功率。 D5Fuse 2S2D1 D2D3 D4BATC1GNDS1GND 圖 23 推挽式變壓器電路結(jié)構(gòu) (3)半橋式 如圖 24所示，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象，變壓器兩象限工作，利用率高 ，功率管只承受電源電壓，適合高壓中功率場(chǎng)合。從輸出端看，反激式是電流源，不能開(kāi)路。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 11 VDZT1T2T3T4 圖 27 電壓型單相全橋逆變電路 結(jié)構(gòu) 全控型開(kāi)關(guān)器件 T T4同時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷； T T2同時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷； T1（ T4）與 T2（ T3）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，即 T T4和 T T3周期性地改變通斷狀態(tài)，周期 T對(duì)應(yīng) 2π弧度，輸出電壓基波頻率 f=1/T。但 是，它響應(yīng)速度較慢，波形畸變較 重，帶非線性負(fù)載的能力較差，而噪聲大。系統(tǒng)逆變效率可以達(dá)到 90％以上，由于這種電路形式采用了高頻變壓器，體積、重量、噪音等均明顯減小。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)前常成熟。 為改善系統(tǒng)的控制性能，通過(guò)模擬、數(shù)字 (A\D)轉(zhuǎn)換器， 將微處理器與系統(tǒng)相連，在微處理器中實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制算法，然后通過(guò)輸入、輸出口或脈寬調(diào)制口 (PWM)發(fā)出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。近年來(lái)，數(shù)字 信號(hào)處理理論在不斷取得進(jìn)步的同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，專用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片也獲得了飛速發(fā)展。 獨(dú)立光伏發(fā)電逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成源源不斷的直流電，經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)其充放電進(jìn)行控制，使輸出為穩(wěn)定的 12V， 12V的直流電經(jīng)過(guò)推挽升壓后濾波，進(jìn)行全橋整流得到 360V的高壓直流電，再經(jīng)過(guò)逆變電路輸出工頻交流電。為了量化評(píng)估太陽(yáng)光連續(xù)低于平均值的情況，首先需要引進(jìn)一個(gè)參數(shù)：自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒(méi)有任何外來(lái)能源的情況下，負(fù)載仍 然能正常工作的天數(shù)。最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池的性能參數(shù)，通常情況下，深循環(huán)型蓄電池推薦使用 80%的放電深度（ DOD）；淺循環(huán)型蓄電池推薦使用 50%的放電深度（ DOD）。 ① 放電率對(duì)蓄電池容量的影響。但是在光伏系統(tǒng)中，因?yàn)樾铍姵刂写鎯?chǔ) 的能量主要是為了自給天數(shù)中的負(fù)載需要，蓄電池放電率通常較慢，光伏供電系統(tǒng)中蓄電池典型的放電率為 100～ 200 小時(shí)。 ② 溫度對(duì)蓄電池容量的影響。這樣，設(shè)計(jì)時(shí)需要的蓄電池容量就要比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況（ 25℃ ）下蓄電池參數(shù)計(jì)算出來(lái)的容量要大，只有選擇安裝相對(duì)于 25℃ 時(shí)計(jì)算容量多的容量，才能夠保證蓄電池在溫度低于 25℃ 的情況下，還能完全提供所需的能量。 圖 31 蓄電池最低溫度與最大放電深度關(guān)系圖 修正后公式如下： ?? ?自 給 天 數(shù) 日 平 均 負(fù) 載蓄 電 池 容 量 最 大 允 許 放 電 深 度 溫 度 修 正 因 子 （ 36） 蓄電池容量的計(jì)算 根據(jù)上述蓄電池容量的設(shè)計(jì)原理及分析， 對(duì)每個(gè)參數(shù) 設(shè)計(jì)時(shí)的分析總結(jié)如下 ： （ 1） 最大允許放電深度：一般而言，淺循環(huán)蓄電池的最大允許放電深度為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 17 50％，而深循環(huán)蓄電池的最大允許放電深度為 80％。根據(jù)實(shí)際情況可對(duì)此進(jìn)行靈活地處理。使用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，可以選擇適于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的在指定放電率下的合適蓄電池容量。 由公式（ 34）得平均放電率為： dh = 7 1 . 40 . 7?? 5 1 0平 均 放 電 率 小 時(shí) 率 由公式（ 36）得蓄電池容量為： 4 9 0 . 1 9 6 = 4 3 7 6 . 7 5 A h 5 00 . 7 0 . 8?? ?5蓄 電 池 容 量 （ 小 時(shí) 的 放 電 率 ） 經(jīng)分析計(jì)算可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可選用蓄電池規(guī)格為 12V 100Ah，則串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量為 1，并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量為 ，取整為 44 塊。所以在計(jì)算系統(tǒng)容量過(guò)程中要以該地方光照最惡劣季節(jié)里的負(fù)載需求來(lái) 計(jì)算，也就是保證在光照最差的情況下蓄電池也能夠完全的充滿電，這樣蓄電池全年可達(dá)到全滿狀態(tài)，可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命減少維護(hù)費(fèi)用。我們用蓄電池的庫(kù)侖效率來(lái)評(píng)價(jià)這種電流損失，不同的蓄電池庫(kù)侖效率不周，通常認(rèn)為有 5%10％的損失，設(shè)計(jì)中一般將負(fù)載增加 10％以應(yīng)付庫(kù)侖效率。 ③組件日輸出計(jì)算 用峰值小時(shí)數(shù)的方法來(lái)估算太剛能電池組件的輸出。根據(jù)對(duì)庫(kù)倫效 率 及衰減因子的理論分析，取庫(kù)倫效率為 ，衰減因子為，則根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果如下： 并聯(lián)組件數(shù)量 （ **） =，取整 42 串聯(lián)組件數(shù)量 12V?12V=1 故取 12V 50W 的光伏組件，并聯(lián)組件數(shù)量為 42，串聯(lián)組件數(shù)量為 1，總計(jì) 42塊。為避免兩管均導(dǎo)通造成變壓器原邊短路， Sl、 S2的占空比均不能大于 50％，并相互錯(cuò)開(kāi)以留有一定的死區(qū)。因此要采取相應(yīng)的偏磁抑制措施來(lái)保證變壓器處 于對(duì)稱平衡運(yùn)行狀態(tài)。這畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 21 將導(dǎo)致加在變壓器原邊繞組上的電壓波形正、負(fù)幅值不等。（每個(gè)二次繞組磁動(dòng)勢(shì)接近于兩個(gè)一次繞組磁動(dòng)勢(shì)的平均值）。加大功率器件的容量，可以使偏磁的危害得到緩解。 (3)控制電路采用電流型控制芯片，利用其自動(dòng)平衡伏秒積的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)流過(guò)器件的電流，并以此來(lái)調(diào)整 PWM 控制器兩路輸出脈沖的寬度，將變壓器勵(lì)磁電流控制在一定 范圍內(nèi)，來(lái)達(dá)到防止偏磁的目的，這是最有效的措施。缺點(diǎn)是擾動(dòng)必須轉(zhuǎn)化為輸出擾動(dòng)，才能被電壓環(huán)反饋，系統(tǒng)響應(yīng)慢。 控制電路的設(shè)計(jì) （ 1）控制方式 在對(duì)電路的反饋控制時(shí)，根據(jù)反饋方式的不同，控制方式可以分為電壓控制型和電流控制性。電源輸出電壓 outU 與參考電壓 refU比較放大，得到誤差信號(hào) EU 再與斜坡信號(hào)比較后，由 PWM比較器輸出一定占空比的系列脈沖，這就是電壓控制型的基本原理。電壓控制型中電源電路的電感沒(méi)有參與控制，是個(gè)獨(dú)立變量，只有對(duì)控制電路進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)才能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 圖 43 電流控制型原理 電流控制型的工作原理是：首先采用恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器的輸出脈沖驅(qū)動(dòng)功率管，使其導(dǎo)通，此時(shí)電源回路中的電流 脈沖逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻R 兩端電壓幅度達(dá)到 EU 時(shí)，脈寬比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使 RS鎖存器置位，這樣逐個(gè)檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流脈沖，就可達(dá)到控制電源輸出的目的了。從控制系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，電流控制器既有形成誤差的外環(huán)，又有開(kāi)關(guān)管瞬態(tài)電流內(nèi)環(huán)，是一種雙環(huán) 控制。 ? 微調(diào)基準(zhǔn)電源。 ? 具有輸入欠電壓鎖定功能。由于輸入與輸出通過(guò)控制系統(tǒng)形成了另一個(gè)回路。 （ 2）光耦隔 離 這種隔離方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，體積也小。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 26 綜合考慮各種因素，本文采用 TL431 和 TLP521 組成的光耦隔離電路。 TL431 和 TLP521 組成的光耦隔離電路的 工作原理 為 當(dāng)輸出電壓升高時(shí)， TL431的 1腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端 )電壓上升， 3腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳 )電壓下降，光耦 TLP521 的原邊電流 If 增大，光耦的另一端輸出電流 Ic 增大，電阻 R23 上的電壓降增大， FN引腳電壓下降， FN接 SG3525 的 PWM 反相輸入端， 占空比減小，輸出電 壓減??；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程類似。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 28 （ 1）變壓器參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)于 500W 用 EE42 的磁芯足夠，設(shè)定原邊為 2 匝，副邊為 360V/12V=60 匝，但在 12V 的情況下，要做到 500W，主要問(wèn)題是繞線比較難，可能繞不下。輸入電壓為 12V 考慮到變壓器漏感引起的電壓尖蜂的影響， VDm 為取 3倍左右，即選擇的 MOSFET 開(kāi)關(guān)管承受電壓在 50V 左右較合適。通常使用的整流二極管有快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 29 （ 4） DC/DC 輸出濾波電感與電容的選擇 電感的阻抗與頻率成正比 ， 可以阻扼高頻通過(guò) 。 在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取電感 10mH,濾波電容 100pF 即可。對(duì)輸入的直流電進(jìn)行 PWM 調(diào)制，經(jīng)過(guò)LC 濾波輸出。 （ 2）控制芯片 控制芯片為 Microchip 公司的 PIC16F73 單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部軟件產(chǎn)生兩路 PWM 控制信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)芯片 TLP250 隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€(gè) IGBT 的柵極，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。 C17104R16510R2622RH 橋驅(qū)動(dòng)1234 5678U8TLP250D11HER107R2710+1515V 圖 410 后級(jí)光耦隔離電路