【導(dǎo)讀】在眾多的新能源中，太陽(yáng)能是最原始的也是無(wú)窮無(wú)盡的。它是一種可以再生。的能源，同時(shí)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的一次能源，太陽(yáng)以光的形式把能量送到地球。陽(yáng)能對(duì)環(huán)境也沒(méi)有污染，也不需要運(yùn)輸，載體只是光線。太陽(yáng)能的利用方式也很多樣，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)。今年來(lái)所隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，和人們對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的重視，太。陽(yáng)能光伏發(fā)電有了空前的發(fā)展。憑借著太陽(yáng)能這些性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能發(fā)電有足。夠的潛力成為未來(lái)人類社會(huì)最終要的能源之一。本設(shè)計(jì)把家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作。用電調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了主電路的選擇和設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的控。第二章獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)........

　　

【正文】 f— IGBT 管對(duì)最大電壓電壓， α — 安全系數(shù)，取 。 — 過(guò)壓系數(shù)。 帶入數(shù)值得出 Uf=。 額定電流 計(jì)算平均每只 IGBT 上流過(guò)的電流： VPI1? （ ） II C 0 . ???? （ ） 式中， IC— IGBT 額定電流值， I1— 輸出電流有效值， 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 29 I— 每個(gè) IGBT 管上平均電流值 , — 峰值系數(shù)， — 1 分鐘的過(guò)載容量系數(shù)， — IC減小系數(shù)。 帶入數(shù)據(jù)得出 Ic= 由上面計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，選取額定電流 IC為 20A，額定電壓為 800V 的 IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 電壓信號(hào)采集方式有很多在這里我選擇用電阻分壓方式。電壓信號(hào)的得到是根據(jù)兩個(gè)分壓電阻的比例在上面產(chǎn)生的不同壓降得到的 [19]。電壓信號(hào)采集還可以使用霍爾電壓傳感器來(lái)達(dá)到目的，但是用分壓的方式電路也不復(fù)雜，同時(shí)可以為設(shè)計(jì)節(jié)省一些成本。由于電阻分壓形成的電流將對(duì)主電路和采樣電路產(chǎn)生影響，故采用高阻值的精密電阻。 圖 電流采樣電路 設(shè)計(jì)的電路中電流信號(hào)采樣我使用的是 CSM005A 霍爾電流傳感器。它的好處在于幾乎不消耗能量就能得到高質(zhì)量的電流信號(hào)。其接線圖如下所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 30 圖 CSM005A 中為 5:1000 的阻數(shù)比 ,當(dāng)原邊上有被測(cè)的目標(biāo)電流流過(guò)的時(shí)候，在 CSM005A 的副邊就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流值得大小為阻數(shù)比乘以被測(cè)目標(biāo)電流。產(chǎn)生的感應(yīng)電流 Is 流過(guò)用于測(cè)量的電阻 Rm是，然后就可以得到感應(yīng)電壓值了。于是，輸出電壓 Uo 與輸入電流 Ip 的關(guān)系為： mRIpUo ??? 10005 （ ） 與此同時(shí)，在電流傳感器輸出端后面我們要加入一個(gè)電壓跟隨器，這樣做的為了使得控制電路和主電路中有隔離，減小后級(jí)電路對(duì)前面電路的影響。 圖 電流信號(hào)采集電路 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 31 逆變器后 220V 輸出電壓檢測(cè) 圖 交流測(cè)采樣電路 傳感器選擇設(shè)計(jì) 傳感器的功能是把主電路中的一次主電路中的強(qiáng)電信號(hào)經(jīng)過(guò)它的處理，轉(zhuǎn)變成為控制電路中可以接受的低電量信號(hào) [20]。轉(zhuǎn)變前后的電量信息有著以一定的聯(lián)系。對(duì)傳感器進(jìn)行選擇首先要以他的工作環(huán)境作為依據(jù)，設(shè) 計(jì)中要測(cè)的目標(biāo)電量是交流 220V的電壓。決定選取的電壓互感器型號(hào)為 CHV25P。如圖所示： 圖 電壓 互感器 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 32 表 CHV25P 電壓 互感器參數(shù) 型號(hào) 額定電壓 輸出電壓 誤差范圍 電源 VN（ V） VM（ V） X（ %） Vc（ V） CHV25P/400 400 5 177。 % 177。 12~15 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的介紹 在小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展初期，一般都使用 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件。因?yàn)樵诘蛪旱那闆r下，它的開(kāi)關(guān)頻率還是比較高的 ，而且通態(tài)時(shí)候的壓降也不是很大，損耗小。但是當(dāng)電壓較高時(shí)， MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的電阻值增大，由于這個(gè)原因，在較大功率的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中常常選用 IGBT 作為功率器件。家用太陽(yáng)能發(fā)電系中的驅(qū)動(dòng)電路的作用是控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。隨著微電子電路的發(fā)展，現(xiàn)在很多公司都生產(chǎn)出了專業(yè)的驅(qū)動(dòng)芯片，給設(shè)計(jì)帶來(lái)的極大的方便。 不止在本設(shè)計(jì)中，電力電子器件的控制大都不可以直接用低電能的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)正常工作要求。因此需要信號(hào)放大的電路。于此同時(shí)控制電路是相對(duì)脆弱的，所以必須將他與主電路隔離才能保證其工作過(guò)程中的安全性，和能長(zhǎng)久 高效工作的穩(wěn)定性，否則將有可能造成電路中的器件的嚴(yán)重?fù)p壞，產(chǎn)生不必要的損失。所以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要滿足以下條件： 1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性強(qiáng)，也就是輸入給 IGBT 的控制信號(hào)有著很陡峭的跳躍變化，這樣可以避免 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷的動(dòng)作延遲，同時(shí)還要確保其他元件不受到損毀。 2）可以給 IGBT 輸入最為合適的開(kāi)通電壓，一般柵極上要加 +15 V 就可以。而且關(guān)斷電壓也應(yīng)該接近 5V。 3）驅(qū)動(dòng)中要存在柵壓限幅部分，保證柵極電壓不會(huì)過(guò)大而損壞器件。柵極極限電壓通常是為 20 V 4） 驅(qū)動(dòng)電路具有軟關(guān)斷功能，即在 IGBT 出于過(guò)電流或者短 路狀態(tài)時(shí)在允許的限定范圍內(nèi)，達(dá)到抑制電流保護(hù) IJBT 的作用。 DC/DC 變換器驅(qū)動(dòng)電路 參考一些文獻(xiàn)資料后，對(duì)比各種芯片驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，我選擇 EXB841 芯片作內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 33 為 Boost 變換器開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)芯片。此芯片的功能穩(wěn)定，而且還具有對(duì)電路的保護(hù)功能。 圖 EXB841 內(nèi)部 原理圖 EXB 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下： 腳 1 ：接反向偏置電源濾波； 腳 2 ：電源（＋ 20V ）； 腳 3 ：驅(qū)動(dòng)輸出； 腳 4 ：用于連接外部電容器，以防止過(guò)流保護(hù) 電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）； 腳 5 ：過(guò)流保護(hù)輸出 腳 6 ：集電極電壓監(jiān)視； 腳 7 、 8 ：不接； 腳 9 ：電源； 腳 10 、 11 ：不接； 腳 14 、 15 ：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（一，＋）； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 34 圖 驅(qū)動(dòng) 電路原理圖 逆變器驅(qū)動(dòng)電路 由于本文采用了單相全控逆變電路，有四個(gè) IJBT，所以驅(qū)動(dòng)電路用分立元件搭會(huì)比較的復(fù)雜所以本文采用了 IR2110。 IR2110 是 IR 公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和 IGBT 專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可 以實(shí)現(xiàn)對(duì) MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的短路保護(hù)電路。 IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下 圖 IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 對(duì) IR2110 引腳的介紹： LO 腳 1 ：低端輸出 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 35 COM 腳 2 ：公共端 Vcc 腳 3 ：低端固定電源電壓 Nc 腳 4 ： 空端 Vs 腳 5 ：電源偏移電壓 VB 腳 6 ：高端浮置電源電壓 HO 腳 7 ：高端輸出 Nc 腳 8 ：空端 VDD 腳 9 ：邏輯電源電壓 HIN 腳 10 ：邏輯高端輸入 SD 腳 11 ：關(guān)斷 LIN 腳 12 ：邏輯低端輸入 Vss 腳 13 ：邏輯電路地電位端，其值可以為 0V Nc 腳 15 ：空端 IR2110 接線圖： 圖 IR2110 芯片 的驅(qū)動(dòng)電路 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 36 本章小結(jié) 本章是整篇論文的工作重點(diǎn)。本章完成了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)。首先做了家庭用電的調(diào)查工作然后根據(jù)所得出的結(jié)果設(shè)計(jì)好了電池方陣還有蓄電池組的容量以及連接方式。然后在確定電壓等級(jí)的情況下是對(duì)變換電路、逆變器進(jìn)行了選擇和具體電路的確定。然后把控制電路中的驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)采集電路使用的芯片進(jìn)行了介紹。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 37 第四章 控制器設(shè)計(jì) 控制器是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的大腦，單片機(jī)是整個(gè)控制器的核心，單片機(jī)具有體積小，功耗低重量輕，價(jià)格低，可靠性高，開(kāi)發(fā)使用簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)得到了非常廣泛的應(yīng)用。 下圖為控制電路框圖。 圖 控制 電路 框圖 DC/DC 升壓模塊控制 設(shè)計(jì)采用的升壓電路是 Boost 升壓變換電路。對(duì)此電路控制策略是使用的當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的 PWM 控制方式，用脈寬波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件 IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷。 PWM 技術(shù)介紹 在現(xiàn)代的生產(chǎn)生活中， PWM 控制技術(shù)的應(yīng)用十是分普遍的 。常見(jiàn)的整流電路和逆變電路中都可以看到 PWM 控制技術(shù)。尤其是在逆變器或逆變電路中，PWM 在其中扮演了重要的角色。在現(xiàn)在的應(yīng)用中，中小功率的逆變裝置的結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 38 上幾乎都有 PWM 的應(yīng)用。 PWM（ Pulse Width Modulation） [21]技術(shù)的核心為經(jīng)過(guò)對(duì)一個(gè)脈沖信號(hào)的脈沖寬度的調(diào)整，來(lái)獲取一個(gè)與預(yù)期想得到的波形效果相同的一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的脈沖波。這種技術(shù)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，此原理是采樣控制理論中的重要結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)沖量相等卻形狀不一樣的窄脈沖作用在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，他 們所產(chǎn)生的最終效果基本一致。 PWM 生成 51 單片機(jī)是沒(méi)有脈寬調(diào)制波形的輸出功能，但是可以采用定時(shí)器配合軟件方法做到 。 圖 PWM 波 輸出 原理圖 圖 PWM 調(diào)節(jié) 原理圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 39 最大功率點(diǎn)跟蹤控制 最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）指的是實(shí)時(shí)跟蹤日照強(qiáng)度和溫度的變化，及時(shí)調(diào)整 DC/ DC 變換器，最終的目的是達(dá)到用電設(shè)備的阻抗與太陽(yáng)能電池方陣的輸出阻抗能夠匹配，實(shí)現(xiàn)最大工作點(diǎn)運(yùn)行 系統(tǒng)。 在工作點(diǎn)附近的很小變化過(guò)程中，光伏發(fā)電可以近似的看成是線性變化的。因此，只要調(diào)節(jié)等效電阻時(shí)刻與光伏電池內(nèi)阻保持一致，就可以得到光伏陣列的最大功率輸出。當(dāng)負(fù)載電阻與光伏電池輸出阻抗相等，即 Ro =Ri 時(shí)，負(fù)載電阻Ro 的電壓等于光伏輸出電壓的一半。因此，只要滿足輸出電壓為總電壓的一半，電源同樣有最大輸出功率。 本設(shè)計(jì)選用干擾法，但由于它不是本論文的重要方向，所以只簡(jiǎn)單介紹下此方法 干擾觀測(cè)法又叫“爬山法”，是恒壓控制法的升級(jí)，是目前最常使用的一種控制方法。對(duì)經(jīng)典的干擾法有如下的解釋。控制器在每一個(gè)控 制周期中，用一個(gè)影響比小的較干擾信號(hào)來(lái)對(duì)太陽(yáng)能電池的工作功率進(jìn)行改動(dòng)。產(chǎn)生的這個(gè)較小干擾信號(hào)具有不變的步長(zhǎng)，改變的有兩個(gè)方向，一個(gè)是增大功率的，另一個(gè)是減小功率的。這個(gè)小的改變可以通過(guò)太陽(yáng)能電池的輸出端電流體現(xiàn)也也可以用輸出電壓來(lái)體現(xiàn)，這就是產(chǎn)生擾動(dòng)的過(guò)程。在進(jìn)行過(guò)擾動(dòng)之后，就要確定哪一個(gè)擾動(dòng)的方向是正確的。判斷的方法是對(duì)擾動(dòng)前后的光伏電池的工作功率進(jìn)行相互比較，如果擾動(dòng)后的功率比實(shí)際的大，就表明擾動(dòng)的方向是可以使光伏電池的輸出功率增大，接下來(lái)可以向上次一樣在進(jìn)行擾動(dòng)。如果發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)后的功率沒(méi)有擾動(dòng)之前的大， 那么就可以得出擾動(dòng)方向錯(cuò)誤的結(jié)論，接下來(lái)向著相反方向進(jìn)行干擾。假如控制器之前設(shè)定的電壓值上增加一定的，導(dǎo)致的結(jié)果是功率與之前相比增大了，這就可以推斷出最大工作與點(diǎn)是在 Pmax 的左邊。如果增大電壓的結(jié)果相反，功率減小了，那么最大工作點(diǎn)在另一邊，那么久應(yīng)該在當(dāng)前電壓的基礎(chǔ)上減小電壓，尋找最大工作點(diǎn) [22]。 下面是干擾法的利弊說(shuō)明： 1)模塊化控制回路； 2)跟蹤方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易； 3) 對(duì)于信息采集電路的要求不嚴(yán)苛； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 40 缺點(diǎn)為： 1) 使功率點(diǎn)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生功率的損耗。 2)不能同時(shí)把跟蹤響應(yīng)速度和精 確度做到，因?yàn)橛懈檿r(shí)確定的步長(zhǎng)相矛盾。 3) 有時(shí)候會(huì)做出錯(cuò)誤的判斷。 蓄電池 的 充放電 控制 蓄電池 控制參數(shù)確定 本設(shè)計(jì)中，前文提到蓄電池組時(shí)四個(gè) 12V 電池串聯(lián)。根據(jù)蓄電池組的額定電壓可以制定出三段式充電各個(gè)過(guò)程的輸入電壓或電流。 階段一：快速充電階段。電池板的輸出電流與蓄電池的電流匹配，不需要升壓電路升壓。充電進(jìn)行中的時(shí)候，蓄電池的電壓慢慢的變高，直到達(dá)到了快速充電的停止電壓閾值，本階段結(jié)束 階段二：恒壓充電階段。用一個(gè)恒定的電壓充電，此電壓來(lái)自于單片機(jī)對(duì)boost 電路的占空比的不斷 調(diào)整得到。此過(guò)程進(jìn)行時(shí)電流會(huì)有減小的趨勢(shì)，當(dāng)電流減小到一個(gè)確定的閾值，則階段結(jié)束。 階段三：浮充階段。給蓄電池一個(gè)額定工作電壓的輸入電壓值，可以補(bǔ)償蓄電池自放電。 強(qiáng)充電壓 58V (25176。 C) 均衡電壓 (25176。 C) 浮充電壓 (25176。 C) 調(diào)節(jié)精度 1% 負(fù)載切斷電壓 4448V， 最大充電電流 10A 最大負(fù)載電流 10A 充電控制中主程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 41 圖 充電總程序 充電方式子程序流程圖： 圖 充電模塊 子 程序 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 42 逆變器的調(diào)制技術(shù)