【文章內(nèi)容簡介】 陽中心作一條射線，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角α叫做太陽的高度角。該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角θ z.。其中α +θ z=90176。太陽光線在地面上的投影線與正南方的夾角γ s，為太陽的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負。采光組件的方位角γ：采光組件表面法線在地面上有個投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。采光組件的傾斜角β：采光組件平面與水平面的夾角稱為采光組件的傾斜角度如下圖所示 . 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 13 頁 共 24 頁 傾斜面有關(guān)幾何角度 b. 角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式 采光組件所獲得的太陽輻射量主要取決于太陽入射角θ，而θ是太陽赤緯角δ、太陽時角ω、地理緯度φ、采光組件傾斜角β、采光組件方位角γ和的函數(shù)，它們的具體關(guān)系是 : () 其中太陽赤緯角δ可由 Cooper 方程式 ()近似計算： n：一年中的天數(shù)，如：在春分， n=81，則δ =0。 （ ） ω =(t12) 15176。 （ ） 時角計算公式見式 ()， T 為當?shù)?時間，按小時計算。地球自轉(zhuǎn)一周為 360176。，相應(yīng)的時間為 24h，每 1h 地球自轉(zhuǎn)的角度定義為太陽時角ω，則ω＝360176。／ 24＝ 15176。，正午時角為零．其它時辰時角的數(shù)值等于離正午的時間 (h) 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 14 頁 共 24 頁 乘以 15。上午時角為負值，下午時角為正 值 ，例如，上午 10 時和下午 2 時的時角分別為 30176。及 +30176。 從式（ 21），（ 22），（ 23）可看出，當δ，ω，φ確定后，采光組件傾角β和方位角γ的值決定了直接日射入角θ，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適的值，就可以保證太陽光線入射角θ為 0，從而最大限度地收集太陽能。 故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況確定一個合適的太陽能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽能。 3 并網(wǎng)逆變器 目前我國并網(wǎng)光伏一般應(yīng)用在較大型的系統(tǒng)上，在小功率并網(wǎng)逆變器的研究上投入較少，技術(shù)并不完善，缺少較好的行業(yè)標準，很多并網(wǎng)逆變器都需要專業(yè)技能才能操作和管理，因此很難使光伏發(fā)電得到普及化的推廣使用。在光伏發(fā)電領(lǐng)域，并網(wǎng)逆變算法、孤島檢測及保護、最大功率跟蹤等技術(shù)研究較早，也比較成熟。但是對帶蓄電池并網(wǎng)系統(tǒng)能量優(yōu)化管理，系統(tǒng)智能化運行控制，以及光伏發(fā)電與新型不間斷供電的結(jié)合這些方 面研究較少，而做為一款家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，這些技術(shù)非常重要。 家用光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)定位為一款適合家庭用電的發(fā)電設(shè)備，因此系統(tǒng)可集成家庭用電網(wǎng)絡(luò)的智能管理及控制，高性能不間斷供電方案，也可以利用多個的發(fā)電設(shè)備組建分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)。同時系統(tǒng)應(yīng)具備智能化自動運行能力，無需專業(yè)操作技能，管理方便，性能穩(wěn)定。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 整個光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖 4，采用 FPGA作為核心控制器。系統(tǒng)外設(shè)模塊包括 DC/DC、 DC/AC 功率變換電路、濾波與并網(wǎng)控制電路、檢測與通信電路、人機交互界面、蓄電池充放電控制 模塊。 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 15 頁 共 24 頁 圖 4系統(tǒng)框圖 功率主電路結(jié)構(gòu)如圖 5所示，由太陽能電池板輸出的直流電首先經(jīng)過 DC/DC升壓變換。經(jīng)高頻變換器隔離送入工頻變換器，工頻逆變器由 FPGA 直接控制，產(chǎn)生與電網(wǎng)一樣的交流電壓并通過濾波和并網(wǎng)電路并入電網(wǎng)。 圖 5主電路結(jié)構(gòu)圖 檢測電路，將電網(wǎng)電壓經(jīng)過濾波器整形，通過電壓比較器產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻率同相的方波信號，控制 FPGA產(chǎn)生 SPWM 驅(qū)動信號。孤島檢測電路的設(shè)計采用被動與主動檢測相結(jié)合的辦法，使用多種檢測手段，減少檢測盲區(qū)，提高反應(yīng)速度，以達到反孤島效應(yīng)的目的。電流的 采集通過 ACS712霍爾傳感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，并使用運算放大器對輸出電壓變化進行放大，圖 6是傳感器輸出信號的濾波和變換電路，傳感器檢測電網(wǎng)信號通過濾波、變換處理，送入 A/D轉(zhuǎn)換芯片。 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 16 頁 共 24 頁 圖 6信號采樣原理圖 通信電路，應(yīng)用電力線載波半雙工通信方式，系統(tǒng)運行時可通過電力線對其遠程控制，只需要一臺控制設(shè)備便可對所有連接在同一輸電線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行統(tǒng)一調(diào)度，組成大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)； 不間斷供電方案，通過分離并網(wǎng)接口與負載接口，應(yīng)用繼電器能夠獨立控制并網(wǎng)和負載供電，在裝置斷電時常閉繼電器將負 載與電網(wǎng)連接，不影響家庭網(wǎng)絡(luò)用電。系統(tǒng)在檢測孤島效應(yīng)時控制并網(wǎng)繼電器動作斷開與電網(wǎng)的連接，同時系統(tǒng)自動過度到 50hz 逆變工作方式，持續(xù)向負載供電，實現(xiàn)對家庭用電網(wǎng)絡(luò)的不間斷供電。在孤島保護狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)恢復供電時，應(yīng)用二次并網(wǎng)策略，使系統(tǒng)在不影響負載供電質(zhì)量條件（微小相位、頻率及幅值調(diào)節(jié)）下快速恢復與電網(wǎng)并網(wǎng)連接，實現(xiàn)二次過度保護。 重要算法軟件結(jié)構(gòu) 電網(wǎng)電壓幅值和相位的準確獲得對于并網(wǎng)系統(tǒng)來說顯得尤為重要， 因此以電網(wǎng)線電壓 uab = Uin （ t） = Umsin t 為例， 通過軟件 鎖相環(huán)可獲得其有效值和相位，在此基礎(chǔ)上， 通過逆變電流幅值相位的雙閉環(huán)來實現(xiàn)逆變電流的跟蹤控制， 如圖 7所示 圖中上部分實現(xiàn)電網(wǎng)幅值的跟蹤控制；下部實現(xiàn)并網(wǎng)電流的跟蹤控制，圖 8為該閉環(huán)控制信號圖。該算法通過 VHDL語言實現(xiàn)，采樣周期短，運算速度快，運行穩(wěn)定。 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 17 頁 共 24 頁 圖 7：雙閉環(huán)控制算法 圖 8：閉環(huán)控制信號圖 系統(tǒng)以 FPGA 為處理單元，在 FPGA 內(nèi)嵌入 Nios II 32位單片機內(nèi)核作為控制器，實現(xiàn)鍵盤輸入、 LCD 顯示及無線通信控制。 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 7所示，外圍模塊其包括信號處理、電網(wǎng)幅值相位檢 測及 SVPWM運算部分。 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 18 頁 共 24 頁 圖 9： FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 控制器軟件設(shè)計流程如下圖所示，編程實現(xiàn)自尋優(yōu) MPPT 控制，及家庭用電管方方案，結(jié)構(gòu)圖如下。 圖 10：軟件流程圖 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 19 頁 共 24 頁 搭建基本系統(tǒng) 按圖 4 所示搭建實驗平臺， FPGA控制電路芯片采用 EP2C8Q208， 使用杭州綠楊公司的 100M 示波器及功率信號分析儀來完成實驗中交流電壓、電流的測量以及 THD 的測量控制的實驗設(shè)置單相 220v 并網(wǎng)實驗，輸出功率設(shè)置 75w。通過功率信號分析儀得到電流有效值均穩(wěn)定在 A 左右， THD 也穩(wěn) 定在 1 % ～ 2 % 以內(nèi)，相位跟蹤誤差小于 1176。，轉(zhuǎn)換效率可達 %。其輸出波形如圖 9所示：通道 1為并網(wǎng)電壓波形，通道 2為經(jīng)過 2歐姆取樣電阻的并網(wǎng)電流波形： 圖 8：并網(wǎng)波形圖 結(jié)果分析 采用以上技術(shù)設(shè)計的家用多功能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一款集光伏并網(wǎng)發(fā)電、遠程通信控制、家庭用電管理、不間斷電技術(shù)及智能控制為一體的家用并網(wǎng)發(fā)電裝置。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率較高，輸出電能諧波少，畸變率低，該系統(tǒng)以并網(wǎng)逆變器為基礎(chǔ)，嵌入微處理器軟核，能實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)發(fā)電的多方案、全自動及智能化控制。系統(tǒng)擁有并網(wǎng) 、離網(wǎng)及不間斷供電多種工作方式，改變了以往光伏并網(wǎng)發(fā)電的單一工作模式。同時系統(tǒng)能夠自動管理運行和人性化管理界面，無需專業(yè)操作人員，這極大提高了該系統(tǒng)的應(yīng)用人群，促進光伏發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。 我國自 20世紀 80年代開始就進行太陽能電池的開發(fā)生產(chǎn)，在西部無電、缺電地區(qū)大力推廣太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，使得我國的光伏產(chǎn)業(yè)在 30年間取得了跨越式的發(fā)展，但與歐美等發(fā)達國家相比，我國光伏產(chǎn)業(yè)還處于初級階段，光伏發(fā)電技術(shù)方 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 20 頁 共 24 頁 面還存在許多的不足之處。隨著全球能源的急劇減少，以及因能源而引起的社會矛盾不斷擴大，從長遠發(fā)展來看，目前是太陽 能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的大好時機，無論是產(chǎn)業(yè)機構(gòu)、研究部門還是用戶，光伏發(fā)電技術(shù)都面臨著良好的發(fā)展機遇。 本研究目前還處于硬件設(shè)計與調(diào)試應(yīng)用階段，因此主要研究方向在于硬件設(shè)計，后期將主要開展對整個控制系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)采集與分析研究，主要研究方向?qū)⒓性谌绾翁岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性研究和逆變效率最大化研究等方面。 參考文獻 a [1] 李華德，白晶，李志民等 .交流調(diào)速控制系統(tǒng) [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2022 [2] 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