太阳能光伏发电本科毕业论文
太阳能光伏发电毕业论文
目录
一、太阳能光伏发电系统简介 (3)
1.光伏组件方阵 (4)
2.控制器 (4)
3.蓄电池 (4)
4.逆变器 (5)
二太阳能光伏发电系统的现状及发展前景 (5)
1 国外的太阳能光伏发电的现状和发展趋势 (5)
2 国内太阳能光伏发电系统现状和发展趋势。 (6)
三、并网型太阳能光伏发电控制系统简介 (6)
1 太阳能电池板的应用 (7)
2 模拟光源跟踪控制系统 (8)
3 并网逆变器 (14)
摘要：随着人类社会的不断发展，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环境问题。为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，就必须改变现有的能源结构，重视新能源的开发和利用。从长远发展的角度看，可再生资源是人类未来的主要能源来源，因此，世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。在这些可再生资源中，光伏发电的发展速度最快，而太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展，我国拥有丰富的太阳能资源，对太阳能的开采具有很大的优势，因此，太阳能光伏发电成为我国开发新能源的重要内容。太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用，光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文分析光伏发电在普通家庭的应用要求，提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案，并进行实验测试和验证。并以传统的独立太阳能光伏发电技术为基础，研究和设计了并网型太阳光伏发电控制系统。
关键词：太阳能；光伏发电；并网；逆变器
一、太阳能光伏发电系统简介
太阳能是指太阳光照所辐射的能量。目前太阳能的利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种形式。太阳能光电转换又分为光热发电和光伏发电两种，通常说的太阳能发电主要是指太阳能光伏发电。
太阳能光伏发电系统是利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的发电系统，其应用基本形式主要分为独立发电系统（如图1所示）和并网发电系统（如图2所示）两大类。应用领域主要集中在航空航天、通信系统、微波中继站、无电缺电地区用户供电和市政照明工程等。一般的太阳能光伏发电系统主要是由光伏电池组件，交直流逆变器、蓄电池和光伏系统电池控制器组成。首先，通过光伏电池组件将太阳能转换为电能，其次，再利用交直流逆变器将直流电转变成交流电，同时逆变器还可以自动稳定电压，改善光伏发电系统的供电质量。利用蓄电池将电能存储起来，在需要的时候在释放出来。充放电控制器则是可以防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心组成部分。
通常，太阳能光伏发电系统由光伏组件方阵、控制器、蓄电池和逆变器四大部分组成。
1.光伏组件方阵
即太阳能电池组件方阵，由太阳能电池板按系统需求串、并联而成。它是太阳能发电系统中的核心部件，其作用就是将太阳的辐射能量转换成电能输送到蓄电池中储存或者驱动负载工作。
2.控制器
控制器主要完成的工作如下：①蓄电池的充放电保护；②高压断开、低压报警和恢复功能；③温度补偿功能；④短路保护；⑤防反接功能。
3.蓄电池
将光伏阵列组件产生的电能储存起来，当光照强度过低或负载需求过大时，将储存的能量释放出来满足负载的能量需求。一般为铅酸电池，有的微型系统也使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
4.逆变器
在我国实际应用中，负载的额定电源通常为交流220V，而光伏阵列组件产生的电能通常为直流，因此需要通过逆变器将其转换成负载所需的交流电能，故要使用逆变器。
目前，欧美、日韩等发达国家和地区正在大规模推广光伏并网发电系统，一方面以取代正在急剧减少的常规化石能源；另一方面减少废气排放对环境造成的污染。为推动西部大开发，我国也正在进行大西部地区的太阳能发电工程建设，以改善西部生产条件和投资环境，促进我国西部地区的经济发展。同时也将太阳能光伏发电技术大规模的应用和推广到市政照明工程上。
二太阳能光伏发电系统的现状及发展前景1 国外的太阳能光伏发电的现状和发展趋势
作为20世纪80年代世界上增长最快的高新技术产业之一，太阳能光伏发电产业快速发展。截止2004年，世界太阳能光伏发电系统的装机总容量达到了964.9 MW。到了2006年底，这个数据达到了4961.69MW。像单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、带状硅电池、聚光电池以及薄膜电池等太阳能光伏电池已经商品化和实用化。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格一般在3.15美元左右，并网后的价格为每瓦6美元，发电成本为每千瓦时0.25美元。光伏电池的发电效率在不断的提高，晶体硅光电池的转换率为15%，而单晶硅电池转化率则达到了23.3%，砷化镓光电池更是达到25%的转化率。同时太阳能光伏电池组件的使用寿命也大大的延长，最多可达30年之久。目前，世界上太阳能光伏发电系统应用最多的国家为美国、日本和欧盟，它们的太阳能发电总量占世界光伏发电量的80%。专家预测，日后的世界太阳能光伏发电系统将会朝高效率、高寿命、低成本和美观实用的方向发展，太阳能光伏发电系统的发电总量也将占13-15%，预测到2100年光伏发电总量将占60%以上。
2 国内太阳能光伏发电系统现状和发展趋势。
我国太阳能光伏发电系统的启用较晚，20世纪90年代以来我国光伏发电快速发展。在这一阶段我国光伏组件的生产能力不断提升，产品生产成本降低，市场不断扩大并出口到国外，装机总容量也逐年增加。截止2006年底，我国光伏发电总量为35MW，占世界总量的3%。到2020年之前，我国太阳能光伏发电技术不断发展和完善，光伏市场也将发生巨大的变化。发电成本也逐渐降低，2010年我国光伏发电的价格约为每千瓦时1.2元人民币，预计到2020年，这个价格将会降低为每千瓦时0.6元人民币。
随着我国光伏企业的不断发展，近年来受到西方国家的反倾销等政策的打击，一些光伏组件的生产厂商面临着巨大的挑战。在这个背景下，太阳能光伏发电系统的开发应用应该转向国内，中国太阳能资源丰富，尤其是西北等内地地区，光照充足，必须加大财政支持，推进太阳能光伏发电系统在中国的应用，促进光伏产业的健康发展。随着太阳能的开发和利用，我国光伏发电系统的应用快速成熟起来。太阳能光伏发电系统不但具有环保的特点，而且科技含量高，发电成本低，是对传统发电模式的重大突破。但是，光伏发电系统的使用率还不高，主要原因是光伏发电系统的组成科技含量高，对材料的使用要求严格，因此必须加快研发太阳能光伏电池的新材料，提高光伏发电的效率，降低发电成本。加大对光伏产业的扶持力度，开发国内市场，将光伏发电系统广泛的应用到国内，提高光伏产业竞争了，不断推进光伏产品的更新和升级，为我国的电力供应开辟新的途径。
三、并网型太阳能光伏发电控制系统简介
如图2所示，并网型太阳能光伏发电系统最大的特点就是光伏组件方阵产生的直流电（一般为12VDC、24VDC、48VDC）经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后直接接入公共电网。当光照充足时，系统产生的电力除了供给负载外，剩余的电力反馈给公共电网；在白天或夜晚，系统产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。
该系统主要由光伏组件方阵（即太阳能电池板）、光源跟踪控制系统、并网
逆变器等组成，与独立光伏发电系统相比，因并网型光伏发电系统直接将电能输入电网，也可直接利用电网电能，所以免除了配置控制器和蓄电池，但是系统中的逆变器必须使用专用的并网逆变器。
1 太阳能电池板的应用
太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是家用太阳能发电中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。太阳能电池板以多晶太阳能电池板居多。
多晶太阳能电池板是由多晶硅高效太阳能电池片、EVA胶膜低钢化玻璃、轻质电镀率金组成。可应用于太阳路灯、太阳能草坪灯、太阳能发电系统、通讯、航天等途径。多晶硅是含有大量单晶颗粒的集合体，它有多种不同排列方向的单组成。用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化铸造固化而成。其制造简单而成本较低。通常多晶硅太阳能电池的光电转换效率为16%左右。
多晶太阳能电池板的输出功率严格控制在±3%，以确保每个货柜都为正公差。其组件经由国际知名试验室测试，保证输出公率的准确性。在组件生产过程中，应用了无螺钉内置角键连接的先进技术，紧固密封，抗机械强度高，采用高透光率钢化玻璃封装和密封防水接线盒，确保组件使用安全，保证这些光伏组件在10年使用期间，输出功率在90%以上；25年使用期间，输出功率在80%以上。多晶太阳能电池板选用的封装形式和接线盒等配件满足野外使用的要求，防护等级
达到IP65。组件抗风压达到2400帕，能够抵御120Km/h风速，组件强度能抵御一般的风沙、冰雹和雪压。
“家庭电站”是一种家庭太阳能发电系统的简称，主要由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成。“家庭电站”在我国不仅有较为成熟的技术支撑和现实需求，且随着社会环保意识的增强，其在我国的发展将有着广阔的空间。个人分布式光伏发电并网的条件并不难，即需要一台光伏发电设备（太阳能电池板或组件）、一台逆变器、一个微断开关和一些导线即可。所谓逆变器是用来将发电设备发出的直流电转换为符合并网要求的交流电。微断开关则主要起保护作用，当设备出现故障时会自动跳开。这些“装备”中最重要的是太阳能电池板。目前市场上的太阳能电池板大致分为单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池以及非晶硅薄膜电池。对于太阳能电池而言，最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25%，多晶硅电池效率为20.4%，薄膜电池效率不到20%，非晶硅薄膜电池的效率仅为10.1%。
为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。下面以100W输出功率，每天使用6个小时为例，介绍一下计算方法：
1.首先应计算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：若逆变器的转换效率为90%，则当输出功率为100W时，则实际需要输出功率应为100W/90%=111W；若按每天使用5小时，则耗电量为111W*5小时=555Wh。
2.计算太阳能电池板：按每日有效日照时间为6小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。
2 模拟光源跟踪控制系统
系统工作原理：
正常情况下：光电池阵列接受光照后，光电传感器输出信号（电压差）经放大处理等（光源跟踪信号前置电路）输入单片机，单片机处理后发出信号给电机驱动电路，进而驱动电机对光电池阵列进行水平和垂直方向的调节，以便保持同
太阳光垂直的角度，从而达到对太阳光的最大利用，通过当前时钟可以很方便的在太阳下山后（无光照时）控制光电池阵列回到初始位置，以便开始新的一天的工作。
非正常情况下：如果是阴天，光电传感器检测到的两电压信号相等，所以输出的电压差信号为零，这时可用软件实现时钟优先。单片机会结合当前时钟调节光电池阵列的角度，如果光电传感器仍然检测不到电压差信号，则可判断是阴天，系统停止连续跟踪调节以节能；如果光电传感器能检测到电压差信号，但是经单片机对电机进行调整后，光电传感器再次检测的信号与前一次相比没有变化，则判断光电池阵列是否触到限位开关，若是，单片机将结合当前时钟对光电池阵列的角度进行调节，若不是，则说明系统出现故障，这时将由通信口发出信号通知工作人员进行维护。
因地球自转，对于同一地点而言，不同季节不同时间点，太阳光的照射角度是不一样的，只有让太阳能电池方阵时刻正对着太阳才能保证光照强度最高，因此要设计光源跟踪系统，使太阳能的利用率达到最大化。
本系统的模拟光源跟踪控制系统主要由3盏日光灯（模拟早、中、晚三个时间点的日照）、太阳能模拟追日跟踪传感器、太阳能板水平和俯仰传动机构、直流电动机（配减速箱）、三菱FX2N可编程控制器、按钮和继电器等组成。通过太阳能模拟追日跟踪传感器接收到的光线强度信号，利用PLC内设计程序进行比较，调整太阳能电池板的左右位置及仰角。模拟光源跟踪PLC控制系统I/O分配如表1所示。
目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种：
①视日运动轨迹跟踪②光电跟踪③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。
①视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用:①倾斜布置东西跟踪;
②焦线南北水平布置,东西跟踪；③焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪。工作原理基本相似。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想 [17][18]。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。在双轴跟踪中极轴式全跟踪采用赤道坐标系，高度角—方位角式全跟踪采用地平坐标
②光电跟踪
目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近采光板，调整采光板的位置使采光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时采光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作[12]。
③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
光电跟踪方法容易受外界天气、杂光的干扰。视日运动轨迹跟踪在计算太阳角度的过程中会产生误差，从而影响跟踪精度，并且跟踪装置的机械执行机构的精密程度也会影响到装置的跟踪精度。但是，将视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合就能克服两者的缺点。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度传感器初始定位。在运行当中，以过程控制为主，传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂，高精度传感器
成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
1.2.1太阳运动规律
太阳与地球的位置关系
地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴——地轴自西向东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24时，所以地球每小时自转15度。在自转的同时。地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于365天5小时48分。即365．241天，因此每四年须闰一日。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾斜成23.27度的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极，这也是太阳赤纬角的最大值。在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。在北半球，春分大约是3月21日、夏至是6月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至的白天最长而冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各12个小时。
在设计太阳能应用系统时，不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。
a. 地平坐标系
以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图2.1所示。通过天顶和太阳（任一天体）X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为方位角γs(地平经度)；弧XM为高度角α（地平纬度），向上为正，向下为负。弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90°-α。
b. 时角坐标系
以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系为时角坐标系或第一赤道坐标系，如图2.2所示。通过北天极和太阳X作一个大圆，叫做时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角ω，ω以度、分，秒单位来表示，也可以用时，分，为单位来表示；弧XT为赤纬角δ，δ以度、分，秒单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。当天体作周日运动时，天体的赤纬δ不随周日运动而变化，但天体的时角ω却从0°均匀地增加到360°秒。
1.2.2相关角度的计算
在太阳能的地面应用中，绝大部分的采光组件或阵列的安装形式并非水平，而是以与地平面成一定夹角的倾斜形式安装。所以有必要分析倾斜面在特定时间及地点下的太阳入射计算。
a. 有关角的定义
假如太阳能采光组件的倾斜角度和方位角已经确定，要计算入射在采光组件表面上的太阳直射辐射的能量，就必须定义一些角度。
太阳光线入射角θ：太阳光线和采光组件表面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可以分为两个分量，一个垂直于采光面，一个平行与采光面，只有前者的辐射能北采光面所截取。由此可见，实际使用时应该是入射角θ越小越好，这也就是所说的跟踪。
太阳高度角α和太阳方位角γs:从地面某一观测点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角α叫做太阳的高度角。该射线与地面法线的夹角叫太阳天顶角θz.。其中α+θz=90°。太阳光线在地面上的投影线与正南方的夹角γs，为太阳的方位角。并规定，向西为正，向东为负。采光组件的方位角γ：采光组件表面法线在地面上有个投影，此投影线与正南方的夹角为采光组件的方位角。采光组件的倾斜角β：采光组件平面与水平面的夹角称为采光组件的倾斜角度如下图所示.
倾斜面有关几何角度
b. 角度之间的关系和有关公式
采光组件所获得的太阳辐射量主要取决于太阳入射角θ，而θ是太阳赤纬角δ、太阳时角ω、地理纬度φ、采光组件倾斜角β、采光组件方位角γ和的函数，它们的具体关系是:
(2.1)
其中太阳赤纬角δ可由Cooper方程式(2.2)近似计算：n：一年中的天数，如：在春分，n=81，则δ=0。
（2.2）
ω=(t-12)×15°（2.3）时角计算公式见式(2.3)，T为当地时间，按小时计算。地球自转一周为360°，相应的时间为24h，每1h地球自转的角度定义为太阳时角ω，则ω＝360°／24＝15°，正午时角为零．其它时辰时角的数值等于离正午的时间(h)
乘以15。上午时角为负值，下午时角为正值，例如，上午10时和下午2时的时角分别为-30°及+30°。
从式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，当δ，ω，φ确定后，采光组件倾角β和方位角γ的值决定了直接日射入角θ，因此只要控制采光组件使其倾角和方位角有合适的值，就可以保证太阳光线入射角θ为0，从而最大限度地收集太阳能。
故我们可以根据不同地区的情况确定一个合适的太阳能阵列的固定的安装角，从而能最大效率利用太阳能。
3 并网逆变器
目前我国并网光伏一般应用在较大型的系统上，在小功率并网逆变器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多并网逆变器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使光伏发电得到普及化的推广使用。在光伏发电领域，并网逆变算法、孤岛检测及保护、最大功率跟踪等技术研究较早，也比较成熟。但是对带蓄电池并网系统能量优化管理，系统智能化运行控制，以及光伏发电与新型不间断供电的结合这些方面研究较少，而做为一款家用光伏发电系统，这些技术非常重要。
家用光伏并网逆变器应定位为一款适合家庭用电的发电设备，因此系统可集成家庭用电网络的智能管理及控制，高性能不间断供电方案，也可以利用多个的发电设备组建分布式发电网络。同时系统应具备智能化自动运行能力，无需专业操作技能，管理方便，性能稳定。
1、系统硬件结构
整个光伏发电系统设计结构图如图4，采用FPGA作为核心控制器。系统外设模块包括DC/DC、DC/AC功率变换电路、滤波与并网控制电路、检测与通信电路、人机交互界面、蓄电池充放电控制模块。
图 4系统框图
功率主电路结构如图5所示，由太阳能电池板输出的直流电首先经过DC/DC 升压变换。经高频变换器隔离送入工频变换器，工频逆变器由FPGA直接控制，产生与电网一样的交流电压并通过滤波和并网电路并入电网。
图 5主电路结构图
检测电路，将电网电压经过滤波器整形，通过电压比较器产生与电网电压同频率同相的方波信号，控制FPGA产生SPWM驱动信号。孤岛检测电路的设计采用被动与主动检测相结合的办法，使用多种检测手段，减少检测盲区，提高反应速度，以达到反孤岛效应的目的。电流的采集通过ACS712霍尔传感器将电流转换成电压信号，并使用运算放大器对输出电压变化进行放大，图6是传感器输出信号的滤波和变换电路，传感器检测电网信号通过滤波、变换处理，送入A/D转换芯片。
图6信号采样原理图
通信电路，应用电力线载波半双工通信方式，系统运行时可通过电力线对其远程控制，只需要一台控制设备便可对所有连接在同一输电线网络的设备进行统一调度，组成大容量的分布式发电系统；
不间断供电方案，通过分离并网接口与负载接口，应用继电器能够独立控制并网和负载供电，在装置断电时常闭继电器将负载与电网连接，不影响家庭网络用电。系统在检测孤岛效应时控制并网继电器动作断开与电网的连接，同时系统自动过度到50hz逆变工作方式，持续向负载供电，实现对家庭用电网络的不间断供电。在孤岛保护状态，系统检测到电网恢复供电时，应用二次并网策略，使系统在不影响负载供电质量条件（微小相位、频率及幅值调节）下快速恢复与电网并网连接，实现二次过度保护。
2、重要算法软件结构
电网电压幅值和相位的准确获得对于并网系统来说显得尤为重要，因此以电网线电压uab = Uin （t） = Umsin t 为例，通过软件锁相环可获得其有效值和相位，在此基础上，通过逆变电流幅值相位的双闭环来实现逆变电流的跟踪控制，如图7所示图中上部分实现电网幅值的跟踪控制；下部实现并网电流的跟踪控制，图8为该闭环控制信号图。该算法通过VHDL语言实现，采样周期短，运算速度快，运行稳定。
图7：双闭环控制算法
图8：闭环控制信号图
系统以FPGA为处理单元，在FPGA内嵌入Nios II 32位单片机内核作为控制器，实现键盘输入、LCD显示及无线通信控制。FPGA内部结构如图7所示，外围模块其包括信号处理、电网幅值相位检测及SVPWM运算部分。
图9：FPGA内部结构图
控制器软件设计流程如下图所示，编程实现自寻优MPPT控制，及家庭用电管方方案，结构图如下。
图10：软件流程图
3、搭建基本系统
按图4 所示搭建实验平台， FPGA控制电路芯片采用EP2C8Q208，使用杭州绿杨公司的100M示波器及功率信号分析仪来完成实验中交流电压、电流的测量以及 THD 的测量控制的实验设置单相220v并网实验，输出功率设置75w。通过功率信号分析仪得到电流有效值均稳定在0.34 A 左右， THD
也稳定在 1 % ～ 2 % 以内，相位跟踪误差小于1°，转换效率可达91.5%。其输出波形如图9所示：通道1为并网电压波形，通道2为经过2欧姆取样电阻的并网电流波形：
图8：并网波形图
4、结果分析
采用以上技术设计的家用多功能光伏并网发电系统是一款集光伏并网发电、远程通信控制、家庭用电管理、不间断电技术及智能控制为一体的家用并网发电装置。系统运行稳定，转换效率较高，输出电能谐波少，畸变率低，该系统以并网逆变器为基础，嵌入微处理器软核，能实现对光伏并网发电的多方案、全自动及智能化控制。系统拥有并网、离网及不间断供电多种工作方式，改变了以往光伏并网发电的单一工作模式。同时系统能够自动管理运行和人性化管理界面，无需专业操作人员，这极大提高了该系统的应用人群，促进光伏发电事业的发展。我国自20世纪80年代开始就进行太阳能电池的开发生产，在西部无电、缺电地区大力推广太阳能光伏发电系统，使得我国的光伏产业在30年间取得了跨越式的发展，但与欧美等发达国家相比，我国光伏产业还处于初级阶段，光伏发电技术方
面还存在许多的不足之处。随着全球能源的急剧减少，以及因能源而引起的社会矛盾不断扩大，从长远发展来看，目前是太阳能光伏发电技术发展的大好时机，无论是产业机构、研究部门还是用户，光伏发电技术都面临着良好的发展机遇。本研究目前还处于硬件设计与调试应用阶段，因此主要研究方向在于硬件设计，后期将主要开展对整个控制系统的实验数据采集与分析研究，主要研究方向将集中在如何提高系统的稳定性、可靠性研究和逆变效率最大化研究等方面。
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