本科生毕业论文(设计)

调研报告

题 目：小型自然能供电系统硬件设计 系 别: 电气工程系 学生姓名：学 号： 0315010216 专业班级： 自动化03102 指导教师： 曹 玲 玲

20xx年 3 月 28 日

小型自然能供电系统硬件设计

一、 课题介绍

（一） 课题主要目标任务

1、分析太阳能发电系统的工作原理；

2、完成一个小型太阳能供电系统的硬件设计，包括对从太阳能电池，到蓄电池，再到DC-DC，最后到DC-AC成为用户可以直接使用的市电的系统的各个环节进行设计；

3、利用Protel99SE绘制标准的电气系统原理图。

（二） 系统功能及技术性能指标

1、要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。

2、要求具有较高的可靠性。目前光伏户用电源系统主要用于边远地区，难以维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求系统具备各种保护功能，如蓄电池充放电保护，系统短路保护，过热，过载保护等。

3、能够为直流负载和交流负载提供电能。目前光伏系统的造价依然比较高，如何把得到的有限的电能尽可能高效率地利用具有重要的意义，目前的市场上面已经有成熟的低功率、高效率的直流LED照明产品。这种产品本身就可以节省很多的能量，在光伏系统中使用这种灯照明与传统的灯具相比，节省了更多的能量。这是因为减少了在逆变环节中消耗的能量。

4、在一定时间内的连续阴雨天气下依然能够正常地提供照明和其他用电。由于气候的影响，独立的太阳能光伏系统必须具有一定的储能设备，有的采用备用柴油发电机做为补充电源。在实际的应用中也有以风力发电设备做为补充电源，称为风光互补。在本设计中采用蓄电池储备一定的电量，可以保证系统在连续六天的阴雨天气状况下也还能正常工作。

（三） 系统设计的要求：

1、了解国内外自然能供电技术的发展现状。

2、完成小型太阳能发电系统的硬件设计，并分析系统工作原理。

3、给出系统关键元器件及关键电路结构的选择方法。

4、绘出系统总体硬件结构框图，及系统PROTEL电路总图，并绘制PCB板图。 1

5、论文要求：语言表达清楚、有条理；内容逻辑性强；电路图绘制正确、清楚；软件要有详细注释，图表规范；报告字数及格式等符合规定要求。

（四） 简要工作原理：

在本系统中，太阳能经过光伏电池转换成直流电能，并对蓄电池充电。蓄电池中的电能既可以直接向直流负载提供电能，也可以经过DC-DC升压装置后，再通过逆变器转换为220V、50Hz的交流电能，向交流负载供电。为了尽量提高电能的转化效率，在DC-DC升压装置中采用了基于UC3875移相控制芯片组成的零电压转换技术。在逆变环节中采用了SPWM方式产生正弦交流电，SPWM的控制信号是由PIC16C72单片机的CCP模块产生的。由于PIC 单片机的内部具有A/D转换功能，因此系统中的蓄电池电压采样、直流升压装置输出侧的电压采样、输出交流电的电压采样都是由它完成的。整个系统在设计时不仅考虑了能量的转换效率和各种保护措施，还顾及到了实用性和维护的方便性。

具有一定的现实意义。

二、课题文献综述

1、《基于DSP的全数字化光伏正弦波逆变器》

1）作者：叶爱芹 、茆美琴、苏建徽

2）摘要：介绍了一种全数字化的光伏正弦波逆变电源，该系统采用了TI公司生产的TMS320LF2407 DSP作为主控芯片， 通过输出电流与电压的瞬时值反馈控制将经太阳电池阵列充电后的蓄电池电压逆变为标准的正弦波交流电。

3）主要工作原理：首先太阳电池阵列经充电电路向蓄电池充电，从而得到一个基本稳定的直流电压， 再经由3525控制的升压式DC／DC变换器将蓄电池电压升到400V，再经逆变电路将直流电逆变成高频交流电， 最后经滤波电路滤波变成50Hz、220V正弦交流电压。整个系统的控制都由TMS320LF2407 DSP完成。系统主电路采用单相全桥逆变电路。其中开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率低、通流能力强的特点， 开关管的栅极驱动信号来源于TM S 3 2 0LF 2 4 0 7产生的SPWM 波经驱动电路后的信号。全桥逆变的输入为经DC／DC升压的直流电源，输出为高频SPWM 波、经滤波后即得到220V、50HZ的标准正弦交流电压。

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4）结论：按照以上设计制成的样机能得到比较标准的220V、50Hz的正弦电压， 其频率误差为0．1％，输出电压误差为0．1％ 。在上述控制方式下， 能保证系统在突然加载或减载时输出电压快速地保持稳定。并且与外界键盘监控系统的串行通信良好，有较强的实用性和可靠性。全数字化的实现大大减少了逆变电源所需要的元器件， 降低了生产成本， 提高了集成度， 使系统实现智能模块化成为可能， 并增加了系统的可靠性。

2、《500 VA光伏逆变电源的研制》

1）作者：王鹤 、杨宏 、于化丛、崔容强

2）摘要：提出了一种500 vA光伏逆变电源的设计方案，将光伏控制器和光伏逆变电源有效地结合在一起，并具有欠压、过压、过热、短路保护功能。

3）主要工作原理：输人为24V直流，通过高频DC／DC变换、整流、滤波后得到约260V的直流电压，该电压经逆变后得到220V、50 Hz的类正弦交流电，保护电路由欠压保护，过压保护，短路保护及过热保护等组成。

4）结论：在研制过程中，进行了多次严酷环境下的老化实验，证明设计方案是可行的，保护功能是可靠的。5台样机的各项参数如下：空载电流 <0．1A ；频率50Hz±0．25Hz；输人电压范围DC 22～32V；输出电压范围 AC 220(1 4-5％)V；效

率>95％；负载为800W 时，正常工作时间>15min；负载为600W时，正常工作时问>30min。研制出的24V／500VA光伏逆变电源适合于光伏行业使用。实践表明：该光伏逆变电源具有高的可靠性与效率，过载能力强，保护功能全等特点，特别适合于对电源知识了解不多的人们使用。

3、《独立运行的风光互补发电系统的研究与设计》

1）作者：齐发

2）摘要：本文设计了一种以Microchip公司生产的dsPIC30F2010微处理器为下位机控制核心和以Winbond公司的W77E58单片机作为上位机的风光互补发电系统。

3）光伏阵列充电控制模块：光伏电池的V—I输出特性曲线表示最大功率点与日照及电池板温度有关，为了提高太阳电池的发电效率，在系统中加入一个太阳电池峰值功率跟踪器，即CVT(Constant oltage Tracking)式的MPPT跟踪。由于曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，可以假定阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计。人们仅需从生产厂商处获得V 数据并使阵列的输出电压钳位于V 值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了 3

CVT式的MPPT控制。通过改变开关管的脉冲宽度，可以控制变换器给蓄电池充电的电流，保证蓄电池具有最大可能的充电电流，从而达到最大功率点跟踪的目的。为保证对蓄电池有效地充电，在控制回路中应增加蓄电池充电电压与电流的反馈， 以实现过压和过流保护， 以及恒压充电控制。同时，为适应温度变化对光伏阵列的影响，根据不同的温度或季节调节阵列的输出电压，可利用微处理器采集光伏阵列温度，并根据温度查表或计算在当前温度下光伏阵列最大功率点的输出电压。

4）结语：根据上述控制思想研制的独立运行的风光互补发电系统，具有过充、过流等完善的保护功能，人机界面友好，系统对每一个部件的工作状态都能进行实时的检测和控制，以保证整个系统始终工作在良好的状态。风光互补发电系统作为合理的独立电源系统，有着广泛的应用前景。

4、《光伏并网发电系统的控制方法》

1）作者：赵为、余世杰、沈玉梁、苏建徽

2）摘要：介绍基于DSP芯片TMS320F240的光伏并网发电系统的控制方法。关键是预测控制方法和PI控制方法的结合。该控制方法在实际使用中取得了良好的效果。

3）光伏并网系统功能和内部模块简介：光伏并网系统主要功能是将太阳电池阵列产生的直流电能通过该逆变装置馈送给电网，从而实现利用太阳能发电。目前，这类并网发电系统在美国、日本、澳大利亚以及欧洲都有了很多应用。光伏并网发电系统中的关键核心为控制主板，各种信号的采集和处理均由其完成。系统进行并网工作的基本过程主要由F240芯片的捕捉中断(CAP1NT)和PWM 载波周期的定时中断完成。 由电网电压产生的过零脉冲信号加至F240的捕捉中断输入口CAP1上。以此时间点作为基准给定正弦波信号的时间起点，同时根据目前PWM 的实际脉宽值与理论脉宽值修正载波周期，从而使并网系统的并网输出电流与电网电压保持同频、同相。

4）结论：本课题是国家”九五”科技攻关项目。已通过国家科学技术部验收，各项指标均达到设计目标。在现场连续工作9个多月(20xx年1 1月安装)，没有出现故障。

5、《一种太阳电池串联均压控制系统》

1）作者：夏小虎、沈玉梁、张国荣、欧阳名三

2）摘要：介绍了一种以CUl(变换器为基础的太阳电池串联控制系统。通过能量双向流动，实现两个串联太阳能电池端电压相等，提高了系统的输出功率。

3）系统工作原理：在双向功率流动的CUK变换器的基础上，组成了双太阳能电池串联均压系统的主电路。其中：PANEL A和PANEL B分别为两块相串联的太阳能电池 4

板，Ll，L2为紧耦合电感，c为能量交换电容，Gl、G2为开关管，Dl、D2为快恢复二极管，Rl、R2为开关管漏极电流取样电阻，R为负载电阻。

4）结论：本文以功率可双向流动的CUK变换器调节两个串联太阳能电池功率流动，实现端电压均衡，提高了输出功率。这个实验结果是以两个太阻能电池为基础的。目前，太阳能电池光电转换效率还比较低(平均转换效率还不到18％)。希望这一实验对更大的规模的串联系统，比如，两组太阳能电池阵列提高输出功率的方案设计有一定的实践借鉴意义。

6、《逐级投入式充电控制方法在光伏电源中的应用》

1）作者：史斌宁、刘昊钰、张国荣

2）摘要：根据光伏阵列的特点．通过对各种充电方法的比较和分析，提出了采用逐级投入式充电控制方法使光伏发电系统效率提高、使用寿命延长。详细阐述了逐级投入式充电控制方法在一种光伏电源中的具体实现，同时探讨了实用光伏电源对充电控制的特殊要求和必备附属功能。

3）逐级投入式充电方法：逐级投入式充电方法是依据分段式充电过程设计的。它的基本工作原理是在充电控制器输入端接入若干路光伏阵列输出(充电电源)，每路均能独立控制通断。根据蓄电池的充电状态决定投入的充电电源路数。当蓄电池充电电流(电压)需要增加时，增加开通一路充电电源输入，如果还未达到期望值就再增加开通一路；反之，如果蓄电池充电流(电压)需要降低时，则一路一路逐级关断由于逐级投入式控制的本质是以电流叠加的原理来进行调节的，因此容易实现对充电电流的控制，满足在各充电阶段时对充电电流的要求。同时系统也容易扩充，原则上只需把两台控制器的输出简单地并联起来，功率即可增加一倍，因此特别适合大功率系统的应用。

4）结论上述光伏电源已投入批量生产，产品作为通信电源在西藏等地投入使用，并进入海外市场。实践说明，逐级投入式充电控制方法有效地提高了光伏阵列的使用效率，使蓄电池处于良好的工作状态，延长了蓄电池的使用寿命。具有很好的实用价值。

7、《光伏系统应用中的若干误区》

1）作者：杨金焕、陈中华

2）摘要：阐述了光伏系统设计的重要意义，讨论了光伏系统设计的原则。并针对光伏系统设计和建造中存在的问题进行了分析。

3）光伏系统设计的原则：设计光伏系统时，应在满足负载用电需要的前提下，采用最少的光伏组件和蓄电池容量组合，以尽量减少投资费用 对于可靠性要求，也有一 5

定限度，有些用户盲目追求高可靠性，要求完全不能停电，这样将大大增加投资。实际上，这对一般用户并无必要。通常，负载缺电率只要取1%～0.1%即可。

4）总的设计原则应该是：使光伏系统满足负载供电合理的可靠性，同时又有最佳的经济性。影响光伏系统正常运行的因素很多，牵涉面很广，太阳辐射量又有其随机性，所以，光伏系统的最优化设计比较复杂。不少人在设计时就只是大致估算，而不作最优化设计。

5）光伏系统设计和建造中常见的一些问题

为迎合造价低廉的要求．设计容量明显不足；容量过大，增加了投资，造成浪费；蓄电池容量偏大．容易形成充电不足；安装时不注意光伏方阵的方向及倾角；不重视太阳电池组件的性能匹配；控制器功能不适当；线路安排不当。接触不良

8、《太阳能发电系统的最佳化设计》

1）作者：杨金焕。葛亮。陈中华，汪征法

2）摘要：独立光伏发电系统需要进行最佳化设计。介绍了一种简明合理而又实用的最佳化设计方法。应用目前国外常用的倾斜面上太阳辐照量的计算公式，根据不同的蓄电池维持天数，应用能量平衡原理，得到相应的太阳电池方阵最佳倾角，然后通过循环计算，得出一系列太阳电池方阵和蓄电池容量的组合，再通过经济核算等，最后确定光伏系统的规模，编制了相应的计算机程序，并进行了实例计算。

3）独立光伏系统优化设计步骤：确定负载耗电量；计算方阵面上太阳辐照量；算出各月发电盈亏量；确定累计亏欠量Σ |一△Qi |；决定方阵输出电流；求出方阵最佳倾角；得出蓄电池及方阵容量

4）结论：独立光伏系统必须进行最优化设计，综合考虑其可靠性和经济性指标，最终确定最佳的太阳电池方阵和蓄电池容量组合。计算倾斜面上月平均太阳辐照量，可采用Klien和Theilacker提出的计算方法。方阵的最佳倾角按照负载的性质、当地的气象及地理条件以及满足蓄电池维持天数等条件的不同而改变，可以通过比较不同角度时满足负载要求的最小容量配置来确定。通常对于不同的蓄电池维持天数，其方阵的最佳倾角不一定相同。一般情况下，温度对于光伏方阵工作的影响可以不必考虑。

9、《延长独立光伏电站蓄电池使用寿命的措施探讨》

1）作者：陈慧玲

2）摘要：根据独立光伏电站阀控式铅酸蓄电池的使用特点，对由于使用、维护不当等影响蓄电池使用寿命的因素进行了分析，并提出了延长蓄电池使用寿命的措施。 6

3）影响蓄电池使用寿命的原因分析：欠充电对蓄电池使用寿命的影响；过充电对蓄电池使用寿命的影响；均匀性对蓄电池使用寿命的影响。

4）延长蓄电池使用寿命的措施：做好对蓄电池的检查记录工作；根据蓄电池的荷电状况调整供电时间；选择性能稳定、可靠的直流控制器，并合理设置蓄电池运行管理工作点；冬季要做好蓄电池室的保温工作，夏季要做好蓄电池室的通风工作，蓄电池室温度应尽量控制在5～25度之间；定期检查阀控式蓄电池的安全阀，并仔细观察安全阀的周围是否有被喷射的污点，以此确定安全阀是否拧紧或损坏等。

10、《5 kW 光伏逆变电源DC—DC模块的设计》

1）作者：申翔、苏建徽、张国荣

2）摘要：本文介绍了5kW 光伏逆变电源直流模块主电路和控制电路的设计，对主变压器、主开关管、输出二极管和谐振电容、电感参数进行了计算，得出了仿真波形

3）主电路设计：主电路拓扑；高频变压器原副边变比；主功率管的选择；谐振电容；谐振电感；高频变压器设计；输出滤波电感的电感量；输出整流二极管的选择

4）仿真：经过仿真实验后，结果如图2.1所示 图中曲线1代表副边电压波形，曲线2代表原边电压波形，曲线3代表原边电流波形，从曲线2和曲线3的比较可以看出，当原边电流从正(或负)方向变化到负(或正)方向时，副边存在占空比丢失(图中垂直虚线表示)。曲线4为Q3的驱动波形，曲线5为其漏源电压波形。从中可以看出，当驱动电压变为正方向时，其漏一源电压已经为零了，其内部寄生的反并联二极管已经导通，此时开通MOSFET就是零电压开通。而在开关管关断时，由于谐振电容的存在，使它是零电压关断。因此该移相控制方式实现了开关管的零电压开关。

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图2.1 仿真波形图

5）结语

本文介绍的全桥移相ZVS PWM 的DC-DC模块开关管实现了ZVS，但副边存在占空比的丢失，一般需采用以下两种方法解决t

(1)采用辅助网络增强滞后桥臂实现ZVS的能力；

(2)采用饱和电感的办法。还需要做进一步研究

11、《Study on the Performance of Different Typesof PV Modules in Singapore》

1)Author: Fan Jiang Andy Wong

2) Abstact:

Referring to the distribution of solar radiation all over the world, Singapore has a very good potential in applications of solar energy. This paper examines the status of the solar PV

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technology and feasibility of solar energy in Singapore through the case study. The analytic results in this paper are obtained from an 8.88kW gridconnected solar PV system. The solar system consists of three types of solar PVs, i.e. 2.7kW monocrystlline silicon, 3.06Kw polycrystalline silicon and 3.12kW thin film silicon PVs. This paper addresses the efficiencies of different solar PVs and the impact of radiation on PV system operation. Furthermore, the feasibility of solar energy in Singapore is also discussed.

3)Conclusions:

This paper presents the study on the feasibility of solar energy in Singapore. Analysis on the 8.88kW solar system has been performed to find the efficiency of different types of PV modules and performance of grid connected solar system. The conversion efficiency of monocrystalline PV system reaches 8.12%, polycrystalline PV system 7.45% and thin film PV system 6.75%. The 4 peak solar hours makes Singapore possess high potential in application of solar energy. The calculation based on the case study indicates that the solar energy available in the country is enough to meet its demand to electricity.

三、 方案选择论证

方案一

将DC-DC升压环和

DC-AC环节采用不同的电

路拓扑结构和不同的控制

方法的设计。

采用如图移相控制全

桥零电压开关PWM变换器

作为DC-DC升压环。其基

本工作原理为：每个桥臂的

两个开关管180o互补导通，

两个桥臂的导通之间相差

一个相位，即所谓移相角。通过调 图3.1 移相全桥主电路

节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，在变压器副边得到占空比D可调的正负

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半周对称的交流方波电压，从而达到调节相应的输出电压的目的。

逆变环节主电路采用单相全桥电压型逆变电路。对其进行SPWM调制逆变后，经LC滤波输出。为了稳定输出电压，对输出电压进行隔离反馈，再将反馈信号送单片机，由单片机产生经PI调节的SPWM调制波，然后经逻辑延时后驱动MOSFET开关管。电路框图如图3.2所示。根据系统的要求，再比较多种控制芯片，发现Microchip公司的PIC16C72单片机能够满足控制要求。其CCP模块能够产生SPWM信号。另外的一个特点是该单片机还自带了A/D转换模块。能够非常方便地对本系统中的各种模拟量进行采样，经过单片机内部计算后，可以根据不同的情况采取不同的措施，实现输出电压的恒定控制和对蓄电池充电的控制等。

图 3.2 逆变环节系统框图

方案二

太阳能光伏逆变装置的主原理图如图3.3 所示。在此方案中，太阳能电池板输出的额定电压为50～100V的直流电,通过DC/DC 变换器被转换为400V直流电，接着经过DC/AC变换器逆变后就得到220V、50Hz的交流电。为了便于实现MPPT的控制方案，两部分采用同一个控制芯片TMS320F240作为控制芯片进行协调控制，便于系统的统一控制和实现最大功率点的追踪。根据系统的输入输出特点，整个变换器分为两级：前级的DC/DC变换器和后级的DC/AC逆变器。

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DC/DC 变换器的逆变电路采用结构简单，控制方便的Boost升压电路，为保持DC/DC变换器输出电压的稳定，将检测到的输出电压与指令电压进行比较，该误差电压经比例积分PI调节后控制DSP的EV事件管理器的一路比较输出的占空比，在经驱动电路进行脉冲放大，控制Boost电路的开关管V的导通和关断进行斩波升压。

图3.3 基于TMS320F240控制芯片的电路结构

DC/AC变换器的主电路采用全桥式结构，由4个MOS管(该管内部寄生了反并联的二极管)构成，它将400V的直流电转换成为220V、50Hz的工频交流电。称为基于改进周期平均模型的固定频率电流追踪法。

该系统由主电路与控制电路两部分组成。首先太阳电池阵列经充电电路向蓄电池充电，从而得到一个基本稳定的直流电压， 再经升压式DC／DC变换器将蓄电池电压升到400V，再经逆变电路将直流电逆变成高频交流电， 最后经滤波电路滤波变成50Hz、220V正弦交流电压。整个系统的控制都由TMS320LF2407 DSP完成。系统主电路采用单相全桥逆变电路。其中开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。开关管的栅极驱动信号来源于TM S 3 2 0LF 2 4 0 7产生的SPWM 波经驱动电路后的信号。全桥逆变的输入为经DC／DC升压的直流电源，输出为高频SPWM 波、经滤波后即得到220V、50HZ的标准正弦交流电压。

论证分析

1、每种方案都给出了具体的实现方法，都能够达到稳定、高效的目标。相比之下，方案一的DC-DC环节设计的更为具体，效率比方案二的要稍高。

2、方案一中的DC-DC环节和DC-AC环节采用不同的控制芯片，两个芯片都不会工作在超负荷的状况下。而在方案二中，所有的控制包括信号的检测都是由TMS320LF2407 DSP来完成。相比之下方案一在可靠性上比方案二要高。

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3、在实现各项指标上两个方案不能够有很明显的区别。在造价上比较发现，方案一的成本要低于方案二。最终选择方案一。

四、 参考文献

1．刘荣. 自然能供电技术. 辞学出版社, 2000

2．赵争鸣, 刘建政等. 太阳能光伏发电及其应用. 辞学出版社. 2005

3．张为民. 小体积光伏户用正弦逆变电源的研究：[合肥工业大学工学硕士论文]. 2002.6

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6．张艳红, 张崇巍. 一种新型光伏发电冲放电控制器. 可再生能源. 2006

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8．马胜红, 陆虎俞. 太阳能光伏发电技术（4）储能蓄电池. 大众用电. 2006

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