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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目录摘要英文摘要第一章绪论1.1课题的研究背景及意义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1.2.2国外光伏发电的现状及前景1.3本文所做的主要工作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2.1.1光伏列阵2.1.2光伏并网逆变器2.2光伏并网发电系统MPPT控制策略2.2.1光伏列阵输出特性2.2.2MPPT控制方法2.3逆变器的控制策略研究2.3.1电流跟踪控制策略2.3.2电压跟踪控制策略2.3.3双环控制策略第四章两级式单相光伏并网系统的设计及工作原理3.1系统的总体方案3.2光伏并网发电系统的工作原理3.2.1前级（DC/DC）电路的工作原理3.2.2后级（DC/AC）电路的工作原理3.3主电路的设计3.4控制电路的设计3.4.1TMS320F2812的介绍3.4.2数字PI调节器的设计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4.2MPPT模块仿真4.3PWM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DSPMatlabABSTRACTGrid-connectedphotovoltaicsystemisasetofsystemwhichcanconvertssolarenergyintoelectricalenergy.Recentlyyears,accordingtotheproblemsofenvironmentalpollutionandexhaustionofenergysourcesbecomeworse,thegrid-connectedphotovoltaicsystemhasbeenahotspotthatmostcountriesresearchanddevelop.Thepurposeofthispaperistodesignasetofgrid-connectedphotovoltaicsystembasedonTMS320F2812.Thispaperfirstanalyzesthestatusanddevelopmentofphotovoltaicpowergenerationathomeandabroad.Thenthepaperfocusesonsingle-phasegrid-connectedsystem.Thetopology,controlstrategy,parameterselectionofgrid-connectedphotovoltaicsystem,Maximumpowerpointtrackingandislandeffectandanalyzedandstudiedindetail.ThepaperdesignsmaincircuitandcontrolcircuitwhichbasedonTMS320F2812.AttheendofthispaperthedesignofsystemsimulationusingMatlab_Simulinkcircuit,andthesimulationresultshowsthatthisdesignisreasonable.Keyword:solarenergy;PhotovolataicGrid-connected;Maximumpowerpointtracking;Islandingeffect;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199019952000200220042005200620072008年产量0.51.553.3105020037010882000年装机0.51.553.320.3105102040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）020406080100120140160199019952000200220042005200620072008公历年光伏装机（MWp）年装机累计安装图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199019952000200220042005200620072008年装机0.51.553.320.3105102040累计安装1.786.6319456570801001401.2.2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