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毕业论文——光伏发电系统设 计
中南大学 本科生毕业论文（设计）
题 目 基于 TMS320F2812 的光伏发电系统设计与实现 学生姓名 指导教师 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 完成时间 2012-5-20
第三章 光伏并网发电系统仿真建模 4.1 光伏列阵模块仿真 4.2 MPPT模块仿真 4.3 PWM波形成模块仿真 4.4 逆变器控制模块仿真 4.5 逆变器跟踪电网控制模块仿真 第五章 总结与展望 5.1 总结 5.2 展望 参考文献
摘要 光伏并网发电系统是可以将太阳能转换成电能并输送到电网上的系统。近 些年来，随着能源紧缺与环境污染问题的日益严重，光伏并网发电系统成为各 国研究和发展的热点。本文的目的就是要设计一套基于TMS320F2812的光伏并网 发电系统。
本文首先分析了国内外光伏发电现状与发展。然后以单相并网光伏发电系 统为研究对象，对光伏并网发电系统进行了全面的理论分析研究，包括对系统 的拓扑结构、控制策略、参数的选择、最大功率点跟踪以及孤岛效应问题等方 面作了详细的分析和研究。设计出系统的主电路和基于TMS320F2812的控制电 路。
本文对所设计的电路运用Matlab_Simulink进行系统仿真，仿真结果证明本 设计是合理的。
关键词：太阳能 光伏并网 最大功率点跟踪 孤岛效应DSP Matlab
ABSTRACT Grid-connected photovoltaic system is a set of system which can converts solar energy into electrical energy . Recently years,according to the problems of environmental pollution and exhaustion of energy sources become worse , the grid-connected photovoltaic system has been a hot spot that most countries research and develop . The purpose of this paper is to design a set of grid-connected photovoltaic system based on TMS320F2812. Thispaper first analyzes the status and development of photovoltaic power generation at home and abroad.Then the paper focuses on single-phase grid-connected system . The topology , control strategy , parameter selection of grid-connected photovoltaic system , Maximum powerpointtrackingandislandeffectandanalyzedandstudiedindetail. The paper designs main circuit and control circuit which based on TMS320F2812 . At the end of this paper the design of system simulation using Matlab_Simulink circuit, and the simulation result shows that this design is reasonable. Keyword:solar energy;Photovolataic Grid-connected;Maximum power point tracking;Islanding effect;DSP;Matlab
第一章 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前的世界能源结构是以煤炭、石油、天 然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源，大量耗用终将枯竭，并且在 生产和消费过程中有大量的污染物排放，破坏生态与环境。为保证人类稳定、持久的能源供 应和保护地球的生态环境，必须优化能源结构，减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、 干净的新能源和可再生能源。20世纪中叶以来，世界各国都在纷纷采取措施提高能源效率和 改善能源结构，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题，称之为能源效率革命和清 洁能源革命[1] 。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数 亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污 染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持 续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能 源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。
在现代社会所有的动力资源中，电能使用最方便，使用范围最广泛。电能的生产一般伴 随二氧化碳、二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应气体，后者是酸雨的成因，两者对环 境危害都很大。目前各种发电方式的碳排放率（g碳/（kW·h））：煤发电为275，油发电为 204，天然气发电为181，太阳能热发电为92，太阳能光伏发电为55，波浪发电为41，海洋温 差发电为36，潮流发电为35，风力发电为20，地热发电为11，核能发电为8，水力发电为6[1] 。
由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的 清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社 会可持续发展的必经之路。
光伏并网发电即将太阳能转化为电能馈送给电网，具有无枯竭危险；清洁、安全、无噪 声：应用范围广，不受资源分布地域的限制；易安装，易运输，建设周期短：供电系统工作 可靠等优点，其在缓解能源危机以及保护环境等方面都具有重大意义。目前，欧洲、美国、 日本大规模推广光伏并网发电的“屋顶计划”，一方面以逐步取代终将枯竭的常规化石能源； 另一方面避免人类的生存环境继续恶化[2] 。我国也正在进行西部太阳能发电工程，以改善西 部生存条件和投资环境，促进西部经济发展。
1.2 光伏发电在国内外的研究现状
1.2.1 国内光伏发电的现状及前景 中国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光 伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很 高，并网光伏发电目前还处于示范阶段。光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、 太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环 节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。
2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏发电和小型风力发电解 决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700多个无电乡的用电问 题，光伏用量达到15.5MWp。该项目大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装 线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWp（2002年当年产量20MWp）。
为了促进我国太阳能光伏发电产业的发展，实现可再生能源中长期规划提出的发展目 标，2007年国家发改委启动了“大型并网光伏示范电站建设计划”，加快解决日照资源丰富 的西部八省（内蒙古、云南、西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西）无电乡用电问题，明 确要求并网光伏示范电站建设规模应不小于5兆瓦，同时明确了大型并网光伏电站的上网电价 通过招标确定。
图 1-1 中国太阳电池年产量和年装机 自2002至2008年，中国大陆的太阳能电池组件的产能以每年3位数(即年增长率超过 100%)的速度不断增长。值得注意的是，中国2007年太阳能电池/组件生产能力达到2900MWp， 太阳能电池年产量达到1088MWp，超过日本和德国，已跃居世界第一大光伏电池生产国。2008 年中国太阳能电池生产能力已达到5GWp，太阳能电池年产量达到2000MWp。但是生产的太阳
电池98%以上用于出口。图1和表3给出自1990年以来中国光伏市场的发展进程。
表1 中国太阳电池年产量和年装机比较（MWp）
年度 1990 1995 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008 年产量 年装机 0.5 1.55 3.3 10 50 200 370 1088 2000 20 40 0.5 1.55 3.3 20.3 10 5 10 截止到2008年底，2008年中国太阳能电池生产能力已达到5000MWp，中国太阳电池的累 计装机已经达到140MWp。2008年全国电力装机800GW，而光伏累计装机只有0.14GW(140MW)， 仅占全国全年装机量的0.0175%。图2和表4给出了自1990年以来中国光伏年装机和累计装机 的现状。中国2008年当年光伏发电装机量仅占全球当年装机容量的0.7％，与光伏电池生产 大国的身份极不相符。
中国光伏年装机和累计装机统计（MWp）
160 140 120 100 年装机 80 60 40 20 0 累计安装 1990 1995 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008 公历年 图 1-2 中国的光伏年装机和累计装机 表 2 中国光伏年装机和累计装机统计（MWp）
年度 1990 1995 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008 年装机 0.5 1.55 3.3 20.3 10 5 10 20 40 累计安装 1.78 6.63 19 45 65 70 80 100 140 1.2.2 国外光伏发电的现状及前景 自 1839 年发现 “光生伏打效应” 和 1954 年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能
光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973 年的石 油危机和 20 世纪 90 年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能 源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大， 鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以 1997 年美国总统克林顿的“百万太阳能光 伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始 制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。
2000 年以来，全球光伏产业连续 6 年以 30%~~60%以上的速度增长，2002 年全球光伏电 池产量为 560MW/a，到 2003 年已高达 750MW/a,增长了 34%。2004 年开始，德国对可再生能 源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间 新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004 年世界光伏电池年产量达到 1256MW， 年增长率高达 68%，2005 年产量达 1818MW，增长率仍有 45%（图 1-3），2006 年，美国加州 州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来 10 年内建设 3000MW 光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。正是由于欧洲、日本和美国 强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光 伏发电的前景无限光明。
图1-3 世界太阳能电池历年产量 世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面：
（1）光伏电池产量持续增长 多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1999~~2005 年间，光伏
电池产量以年均增长率超过 40%的速度高速发展，太阳电池的产量从 1999 年的 202MW 增加到 2005 年的 1818MW，增长了 9 倍。
（2）生产规模不断扩大 光伏产业的领头企业电池产量早已突破 100MW，且有越来越多的企业已经提出了建设年 产 1000MW 电池生产线的目标。
（3）光伏市场飞速膨胀 不断有新的国家出台激励光伏发展的政策。2004 年德国补贴法修订后，仅用了一年，即 在 2005 年，德国市场年装机容量便达到了 837MW，占全球市场的 57%，政府政策对光伏的激 励可想而知。而 2006 年，美国加州正式出台 3000MW 光伏安装计划，带动美国其它各州也纷 纷仿效。美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。
（4）新技术不断出现，电池效率不断提高 随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅 16%~~18%， 多晶硅 15%~~17%）向更高水平（单晶硅 18%~~20%，多晶硅 16%~~18）发展。
邓州市鑫园光伏电力开发有限公司与中科院联手，最新研制成功利用宇宙光能发电，光 能发电采用最先进的生产工艺，每天可利用光能发电 17 小时。（市场现有的单晶硅、多晶硅 太阳能电池只可利用 8 小时，且对环境存有污染）。
光能发电是当今世界的尖端科技，将为全人类彻底解决“能源危机”“环境污染”和“可 持续发展”等三大世界难题，将做出历史性、跨世代的伟大贡献，将为人类利用新能源、新 技术方面进入一个崭新的时代，引发一场世界科技革命，让全人类过着健康、幸福、和谐的 生活。
1.3 本文所做的主要工作 本文的目的是要设计一套基于TMS320F2812的单相光伏并网发电系统。系统输出的并网 电压为220V，系统输出功率为0.2KW。本文对光伏并网系统的系统组成结构、工作原理、控 制策略等方面进行了详细的分析和研究。本文的主要工作重点总结如下：
1.分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。分析了不同主电路拓扑结构的优缺 点。
2.研究了最大功率点跟踪控制（MPPT）的原理和方法，分析了目前常用的几种MPPT方法的优 缺点，文中采用扰动法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
3.在分析了逆变器不同控制策略的优缺点的基础上，采用了电压电流双环控制的策略，对控
制系统进行了数学建模。
4.设计了基于DSP芯片TMS320F2812的光伏并网发电系统的电路，包括系统的主电路、控制电 路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算。
5. 运用Matlab/Simulink对系统的实现方案进行仿真，包括光伏列阵、最大功率点跟踪(MPPT) 控制、PWM波形的产生、数字PI调节器的设计、电压电路双闭环控制。
第二章 光伏并网发电系统的结构和基本原理 2.1 光伏并网发电系统的组成及分类 2.1.1 光伏并网发电系统的组成 光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电， 并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆 变器、控制器和继电保护装置组成。
光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。
目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压 的要求串、并联组成的。
并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成 220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要...
