光伏发电系统设计步骤精选(九篇)

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第1篇：光伏发电系统设计步骤范文

[关键词]光伏发电 太阳能 设计应用

中图分类号：TU426 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0394-02

一、光伏发电的概念和原理

光伏发电就是能够利用半导体将太阳光转换为电能的法术，原理是根据光生伏特的效应。光伏的发电系统主要包括逆变器、太阳能的电池板、控制器等结构部分。在这些组成部分中，太阳能的电池板主要将太阳能转换为电能，同时它还能够对电能进行储存；而控制器则能够对整个系统进行有效的控制，决定太阳能的电池板以及一些其他的部分能够有序地进行控制；而逆变器则主要是将在运行过程中产生的直流电转换成为交流电；而保护装置则能够确保系统的安全性[1]。

在白天，太阳能板正常地进行发电的工作，而控制器进行相应地操作和控制来将电能储存到蓄电池中，在这个过程中，控制器会对逆变器进行相应的操作，以此来给家用电器进行供电的工作；而到了晚上，由于没有了太阳，太阳能电板就会停止发电，主控制器就要将电能转换成为交流电，这样能够保证给家用电器的供电工作不会受到影响。如果蓄电池中的电量不足或者发电的系统中出现了一定的故障，控制器就会自动切换到电网供电的线路中，这就是光伏发电的整个过程和其中的原理。

二、光伏发电系统的设计方案

通过对供电的环境与设备系统进行升级和改造，光伏发电的系统在结构上具有很多的控制方案来进行选择。如远程控制、智能控制等等，根据实际生产的需要来进行方案的选择，这是设计人员要重点进行解决的问题。在进行光伏发电系统的设计时，要根据不同类型的发电规模，从各个方面来对系统进行操控，从而使得各方面能够得到优化，提升项目的运行效率[2]。

1.对并网发电系统的设计计算

①发电量以及组件的总功率的计算

光伏发电系统中，其发电量与组件总功率的计算有相应的公式，具体如下：

g――每天的发电量；hI――每个小时的发电量；Pm――光伏组合的总功率；y――单台机组的发电量；其年平均的量为G=g×365（kWh）。

②并网逆变器的选用

对于并网逆变器的选用，其判断的标准和要求主要是一下几个方面：第一，逆变器的额定功率为0.85-1.2Pm；第二，逆变器的最大输入电流电压一定要大于光伏方阵空载的电压；第三，逆变器的输入直流电压范围要大于光伏方阵中的最小电压；第四，逆变器的最大输入直流电流大于光伏方阵的短路电流；第五，逆变器的额定输入直流电压与光伏方阵的最大功率电压要保持相等；第六就是额定的输出电压与电网的额定电压也要相同[3]。除此之外，其额定的频率与电网的频率、相数与电网的相数也要相同，短路、过压以及弱压等保护功能也是并网逆变器应该具备的。

2.光伏组件的方阵设计

对于光伏组件的水平频角来说，对其能够产生影响的要素包括发电系统所处的地理位置以及一年中各个季节对电量分配的要求。

①如果该系统所处区域的各个季节电量的要求基本均衡的话，那么可以利用下表来进行组件频角的选择工作（表1）。

②具体到我国来说，很多地区的地理位置不同，但是其地质环境比较相似，所以可以选择纬度加7°的组建水平的倾角。而对于一些条件比较特殊的地区，则要根据不同季节的情况来选择适合的水平角。

3.光伏方阵的倾角设计

光伏方阵的倾角是影响发电效率的一个重要因素，对于发电量的影响比较大，是区域中发电效率的决定性因素。一般情况下，光伏方阵的朝向应该为北半球，这样能够提高光伏发电作业的效率[4]。对发电生产的调度也能够起到一定的辅助作用，这样便于实现光伏发电生产的一体化。

三、光伏发电系统的具体应用

光伏发电的项目发展具有很重要的现实意义，国家也比较重视，在这个项目中不断地进行投资，也出台了相关的政策起到扶持。这在很大程度上推动了新发电模式的应用，为电力转型起到了引导的作用。设计的过程就是对光伏发电系统进行总体性的规划，对于发电的生产模式起到一个调整的作用，从而实现发电系统的可持续性。光伏发电系统在进行设计时，要根据实际的生产平台来确定应用的形式。

1.交、直流供电系统

由于电流的形式不一样，光伏发电的系统要考虑到电流之间的转换，在进行设计时，要更加注重电力调控系统的灵活性，这样能够提升发电的效率。交、直流的供电系统具有转换的作用，能够在两种电流之间实时地转接，这就形成了相对稳定的电力传输模式

2.并网系统

在M行并网的布局阶段，太阳电池组会对电流的形式造成一些影响，在逆变器进行工作时，城市的电网会形成交流的形式。而并网的系统运行能够使网络供电系统形成有效的连接，提升电流转换的效率。在这个过程中，是将电网的信号直接反馈给调度中心的，直接将电能输入到电网当中去，这就省去了配置蓄电池的步骤，节省了工作和负担，同时也能够降低能量的损耗。

3.混合供电的系统

太阳能光伏系统，除了使用太阳能的电池组件阵列以外，还可以将燃油发电机作为备用的能源来进行使用。而这样就使得供电系统是混合性的，好处就是能够综合两种能源的优势，弥补各自的短板和不足[5]。使得可再生能源能够得到更好地利用。可再生能源具有不稳定性，会不断地进行变化，所以在进行系统设计时一定要以最少的能量时期来进行。

4.并网混合供电系统

要想发挥光伏系统的最大功能，可以对不同种类型的电网进行综合性的改造，这是一个比较漫长的组网过程。使用并网混合供电系统，能够构建出不同的网络处理方式。并网混合供电的主要特点是组合性，能够将控制器以及逆变器进行组合，这样就提升了可调度，使得电能的资源能够与数字控制协调的运行。

四、某项目中在实际中选用的光伏发电形式

在确定了外部的条件适合采用太阳能光伏发电后，就要对光伏发电系统的细化进行设计，其主要有独立和并网两种系统形式。

①独立运行的光伏发电的系统主要有电池板、控制器、太阳电池方针、逆变器等几个部分构成的，由于蓄电池是整个系统中不可或缺的一部分，配备蓄电池的成本又比较高，整个系统的成本就比较高，而由于蓄电池是有一定的期限的，废弃的蓄电池会对环境造成二次的污染。

②而并网型的太阳能光伏电站与独立性构成部分大部分相同，只是其需要计量电表和连接器。其工作原理就是将太阳能转换成直流电能，通过逆变器形成交流电，最后将多余的电进行储存。就当前的大环境来看，该项目采用的是并网型的太阳能光伏发现系统方案。

五、光伏电的发展前景

在当前社会不断发展恶化变化的过程中，对能源进行战略性的开发是必不可少的，对于新型发电项目的开发也是必不可缺少的。在对光伏发电项目进行扶持建设的过程中，要对新项目的投入以及产出的效益进行综合的考虑和分析。在对光伏发电项目进行设计时，要考虑到结构模块的布局，电池板、控制器、逆变器这些当然是核心的部分，优化软硬件方面的操控系统，从而使得光伏发电系统更加科学、合理、安全。在当前的时代背景下，许多种光伏电池技术为了取得市场建立优势，都在争相地进步和发展[6]。第一代的晶硅电池比较高校，价格也比较低廉，使用相对比较广泛；而第二代的薄膜电池成本和耗能进一步提升，其发展的前景更加广阔；第三极短就是新型的太阳能电池，虽然效果要比前两代好，但是其昂贵的价格使得其市场相对较小，还处于进一步的探索中。光伏电网的发电技术的进一步发展要实现的目标就是在保证稳定性的同时，降低成本，利用光伏发电作为最主要的电源方式，这样能够与其他的装置相互配合，在用户周围实现负荷供电。具有标志性的就是微电网能够脱离主网，也可以与主网进行连接，这样就减少了太阳光间歇性带来的不利影响。这种主要适用于成本相对较高的偏远地区以及对供电要去比较高的用户来使用。

六、光伏产业的发展建议

1.政府要充分发挥领头作用，对光伏产业的发展设立专项经费，同时配备相应的优惠政策进行扶持；

2.要在政府的主导下进行多元化的投资，降低光伏产业的投资风险，多方参与，共同制定出完整的产业链；

3.在技术上要坚持自主研发，同时不能够闭门造车，引进先进的技术，建立并完善技术体系；

4.对光伏产业的发展要有合理和现实的规划，提升相关的标准和要求，从而增强竞争力。

结束语

总而言之，当前的社会形势，使得能源进行战略性开发是必要的，进行新型发电项目的研究也是不可或缺的。太阳能光伏发电的绿色和环保，同时太阳能的资源是可以再生的，拥有广阔的发展前景。政府在进行光伏发电站项目的建设过程中，要对投入以及产出的效益进行综合性的考虑和分析，对模块的布局要细致，明确核心，优化软硬件的配置操控，从而保证太阳能光伏发电系统的安全和稳定。

参考文献

[1] 赵吴鹏.太阳能光伏发电项目投资风险因素及管理措施研究[J].能源技术与管理，2016，41（2）：152-153，162.

[2] 邓连栋.太阳能光伏发电在我国的应用价值及相关技术问题[J].中国科技纵横，2016，（20）：158.

[3] 郭佳佳，呼和，郭^旺等.太阳能光伏发电并网技术的应用分析[J].科技风，2016，（2）：88.

[4] 左小峰.并网太阳能光伏发电与自动化技术分析及研究[J].中国科技投资，2016，（27）：140.

第2篇：光伏发电系统设计步骤范文

关键词： 分布式电源； 并网逆变器； FIR数字滤波； 数字PID控制； 控制策略

中图分类号： TN915.853?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）03?0142?03

分布式电源凭借其就地发电服务用户、清洁环保等诸多优点，拥有越来越大的市场份额。微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，微处理器的诞生满足了逆变技术的发展要求，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等先进的控制算法在逆变领域得到了较好的应用[1]。进入21世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展[2]。本设计方案采用DC?DC?AC结构能有效提高效率，采用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高。针对动态系统的试验问题提出了利用Simulink的参数估计功能，使理论模型根据实验数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境。

1 分布式电源并网逆变器系统设计

1.1 DC?DC变换器

DC?DC变换器是通过半导体阀器件的开关动作将直流电压先变为交流电压，经整流后又变为极性和电压值不同的直流电压的电路，这里要阐述的是中间经过变压器耦合的直流间接变换电路。DC?DC变换器在将直流电压变换为交流电压时频率是任意可选的，因此使用高频变压器能使变压器和电感等磁性元件和平波用电容器小型轻量化。如今，随着半导体阀器件的进步，输出功率为100 W以上的电源实际上采用的开关频率都在20～500 kHz范围内，MHz级高频变换器也在开发研究之中。而且，通过变换频率的高频化，可以使平波用电容的容量减小，从而能够使用陶瓷电容等高可靠性的元件。而且，本文在举例阐述动作原理是采用双极功率晶体管、IGBT、MOSFET等开通关断可控的器件作为直流电压变换为交流电压的半导体阀器件，使用最多的还是MOSFET。

1.2 直流母线电压PID控制器设计

作为直流母线400 V电压必须具有一定的稳定性，不应该随着负载的变化或电池电压的改变而产生波动。因此必然需要用到反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。由于PID控制器可以实现无差调节，其优异的动态稳态特性，以及方便灵活的参数整定方法，因此在逆变并网器中直流母线的电压控制选择PID控制算法。

在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数Ku，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。

临界比例度法步骤：

（1）将调节器的积分时间置于最大（TI=∞），微分时间置零（TD=0），比例系数KP适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。

（2）将比例系数KP逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。

（3）根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即KP，TI和TD的值。

1.3 逆变并网锁相环设计

锁相环分为模拟锁相环和数字环锁相。模拟锁相环在电路可靠性、稳定性和集成度方面有着不可克服的缺陷：数字锁相环又分为由数字逻辑器件构成的全数字逻辑锁相环和基于DSP的软件锁相环。全数字逻辑锁相环路由逻辑器件构成。

为了实现对电网电压（SIGNAL）周期和相位的采样，这里利用了一个迟滞比较器把信号源的模拟采样信号（SIGNAL）整形为矩形波（TO_DSP），然后通过TMS320F28X的捕获单元得到电网电压的频率和相位信息。在设计中应当注意的是，由于软件是通过电网电压的上升沿来获得周期和相位信息的，因此在硬件的设计上应当保证电网电压的过零点和正弦波整形得到的矩形波的上升沿保持一致（即不能有延时），这就要求计算迟滞比较器的上限触发电平[U+]为0 V。

迟滞比较器的上、下限触发电平为：

1.4 改进MPPT算法

传统MPPT算法，即爬山法，是一种比较实用的MPPT控制算法，这种方式虽在一定程度上减轻了CPU的负担，但由于周期性寻优，会对系统的输出电压造成周期性的波动。

改进MPPT算法基本思想是：

（1）利用过山车法，即先将光伏电池阵列两端电压U1钳制在蓄电池电压U2处，再逐渐增加U1，使光伏电池阵列的输出功率点由小到大，经过MPP后，继续增大U2，使输出功率比最大输出功率小于一个阈值ΔP1。输出功率由小变大，再变小，一定会经过一个最大点。在输出功率变化过程中，记录下光伏电池阵列输出最大功率时的输出电压Umax；

（2）根据光伏电池阵列输出最大功率时记录下的Umax，利用稳压程序（可利用PID控制）将U1钳制在记录下的Umax上，实现光伏电池阵列以最大功率稳定地输出能量；

（3）当光照强度发生变化（由于在短时间内，环境温度的变化对系统输出功率的变化影响不大，可以忽略），即输出电压Umax时的输出功率P1与之前的Pmax之间差值超过一定阈值ΔP时，若P1>Pmax，说明光照强度增加了，MPP处的输出电压也相应增大了，所以此时应启动按增加光伏电池阵列输出电压的方向用过山车法寻找MPP程序；如果P1

2 分布式电源并网逆变器仿真

2.1 DC?DC直流升压PID控制仿真

作为直流母线400 V电压必须具有一定的稳定性，不应该随着负载的变化或电池电压的改变而产生波动。因此必然需要用到反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

针对DC?DC直流母线硬件结构以及控制方式对被控模型进行数学建模，由于PWM装置的数学模型与晶闸管装置一样，在控制系统中的作用也一样。因此，当开关频率为10 kHz时，T=0.1 ms，在一般电力自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似一个一阶惯性环节，故其传递函数为：

由于采用的是数字系统故其传感器传函等效为单位延时单元，即[z-1]，构成直流母线电压的PID控制。下一步是整定PID，如前所述常用PID整定方法有临界比例法、阶跃响应法。本设计通过利用Simulink提供的信号约束模块，通过它的参数整定功能最终整定出符合设计者要求的PID参数。

如图1（a）为进一步进行PID参数整定后的PID输出电压响应曲线，可以看出即使在外界认为施加干扰的情况下PID调节器输出电压还保持在许可范围内。图1（b）所示为进一步进行PID参数整定后直流母线电压响应曲线。可以看到即便在外界认为施加干扰的情况下直流母线电压仍可自动稳定在400 V的要求电压。这能为后续的SPWM逆变并网提供稳定的直流母线电压；而由于硬件电路限制，由于PID控制一推挽电路，而该推挽电路仅可提供0～12 V的调节，考虑这一点所设计出来的PID调节器输出在0～12 V范围之内。

2.2 逆变并网器并网仿真

逆变并网是将逆变器所产生的正弦电压，在同频同相同幅的情况下进行并网。并通过锁相环调节并网电压以及电流，使它们达到同相，改善电能质量，从而提高传统电网稳定性。针对这一点，本设计建立元件级Simulink仿真。能有效减少失误率，提高并网可靠性，因此建立该仿真模型是很有必要的[5?7]。模型中设计了相应的PID调节器，并对MPPT算法进行编写相应S函数。

太阳能电池的伏安特性如图2（a）所示，它表明在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系，简称V?I特性。从V?I特性可以看出，太阳能电池的输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。

由图2（a）可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳能电池的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=1 000 W/，太阳能电池温度T=25 ℃时，太阳能电池输出的最大功率便定义为他的额定功率。太阳能电池额定功率的单位是“峰瓦”，记以“Wp”。相应日射强度下太阳能电池输出最大功率的位置，称为“最大功率点”。根据Matlab提供的太阳能电池板模型的输出特性曲线可知当前条件下，最大功率点为241.8 V时输出2 083 W。经过MPPT算法后，太阳能输出电压自动跟踪输出时最大功率点时的对应电压，而其亦以最大功率稳定输出。即输出为238.7 V时，功率为2 084 W。对比之前实际太阳能电池板最大功率点数据，最大功率点为241.8 V时输出2 083 W。可以看出该算法基本能跟踪太阳能电池板的最大功率点。

3 结 论

本文针对分布式电源并网过程中的直流升压、同步锁相、逆变并网动态过程，研究了基于电网特点的FIR数字滤波、交流采样和稳定直流母线电压的数字PID控制器等技术，提出了相应的控制策略并进行Simulink动态仿真，研究工作对分布式电源并网逆变系统设计理论上具有一定指导作用。

参考文献

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[2] 徐科军，陶维青.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3] 黄忠霖，黄京.电力电子技术的Matlab实践[M].北京：国防工业出版社，2009.

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[6] 吴红斌，陶晓峰，丁明.光伏并网发电系统的MPPT：电压控制策略仿真[J].农业工程学报，2010，26（1）：267?270.

[7] Texas Instrument. C28x IQmath library： a virtual floating point engine [EB/OL]. [2010?06?06]. http：///tool/SPRC087.

第3篇：光伏发电系统设计步骤范文

关键词：计算机仿真软件；电力电子技术应用；方法

电力电子技术在电力领域占据着举足轻重的位置，在变换、控制电能方面发挥着不可替代的作用。当前，电力电子技术发生了变革：半控转变为全控。电路日趋繁杂的形势，给生产实践带来了严峻的挑战。近年来，计算机仿真软件在电力电子领域获得了广泛的应用，并取得了一定的成绩。实践证明，计算机仿真软件的导入，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等提供强有力的仿真环境。文章从常用计算机仿真软件；常用计算机仿真软件的特点；计算机仿真软件在电力电子技术领域的应用方法三个方面进行了详细探讨。

1常用计算机仿真软件

计算机仿真技术是在现代信息技术的基础上发展起来的一类综合性技术，包括信息技术、网络技术、图形及图像处理技术、多媒体技术、软件技术、数据分析处理技术、自动化技术以及系统工程技术等，其目的是对系统的设计方案和运行进行了解。目前常用的计算机仿真软件有MATLAB、pspice、PSCAD等。其中，MATLAB计算机仿真软件的应用环境主要有科学计算、可视化等，其功能全面,能够满足各个行业建模仿真的需求。对于MATLAB而言，Simulink是其核心组成部分，其可以构建出集综合分析、仿真等于一体的工作环境。pspice用于模拟电路、数字电路和集成电路的仿真。具有电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。PSCAD计算机仿真软件除了可以简易模拟直流输电系统及其他相关控制系统等复杂电力系统之外，还可以对研究电力系统电磁暂态模拟产生积极的作用。此外，其与实时数字模拟器RTDS硬件的联合使用可用于研发模拟器，例如：大型互联电力系统。

2常用计算机仿真软件的特点

2.1图形界面友好，操作简单易用

在使用过程中，计算机仿真软件大都表现出图形界面友好、操作简单易用的特点。具体操作时，点击、拖曳相应的功能模块，并依据电气联结关系进行连接。实践证明，其不仅操作简便，而且与电力电子技术知识存在着很强的联系。对于学习者而言，只要具备基本的计算机软件、电力电子技术知识，就能够迅速掌握应用技巧。

2.2建立仿真工程的步骤相似

在实际操作中，这些计算机仿真软件的工作步骤存在着共性，换句话说，其工作步骤相似。通常，其计算机仿真软件工作步骤主要由建立仿真工程文件、电气连接元件、运行仿真操作、分析仿真数据等构成。

2.3节省物力

所谓的节省物力指的是事件及仪器设备。一般来说，计算机仿真软件应用于正式设计实际电路之前，通过随意设置电路参数、更换电路元件等实验，以对设计进行分析，从而提高设计的科学性、合理性。与此同时，计算机仿真软件还在简化实际电路操作步骤方面具有一定的作用，对提高设计人员工作成效颇有益处。

2.4软件升级迅速及时

通常，计算机仿真软件在升级方面呈现出迅速、及时的特点，换句话说，伴随着科学发展而发生变化。经调查发现，新能源的迅猛发展带动了计算机软件的发展，主要表现为模型（风机、光伏发电等）的增加。此外，计算机仿真软件为满足用户日益增长的需求，其版本亦不断优化、升级。

3计算机仿真软件在电力电子技术领域的应用方法

3.1计算机仿真软件在电力电子技术模拟方面的应用方法

在晶体管三极管电路实验中，其参数的一致性较差，极易导致实验数据产生误差。而将计算机仿真图形的引入，对检验误差大小、观察瞬时电路参数等有所帮助。此外，计算机仿真软件在实现改变元件参数值环节中毋须替换电子元件，并可以在相同时间内观察到更多特性曲线的变化在实际操作中，可通过改变局部电路参数，带动其输出特性发生变化，进而更好地观察电路变化、学习、掌握电力电子技术应用技巧。

3.2计算机仿真软件在电力电子技术原理图设计方面的应用方法

实践证明，计算机仿真软件在电力电子技术原理图设计方面发挥着巨大的作用。笔者以“晶闸管三相桥式可控整流电路设计与仿真”为案例进行分析。在设计过程中，计算机仿真软件的导入除了降低了人的劳动强度，还提升了分析、设计能力，从而确保原理图存有较小误差。此外，其还能“降本增效（控制设计成本，加速设计进程）”。就计算机仿真软件（MATLAB、PSIM、PSCAD等）具体操作而言，其包括根据设计电路搭建仿真模型、设置参数进行仿真、变换触发角分析波形等环节。其中，搭建仿真模型分为建立仿真文件，提取电路、器件模块，构建系统模型三个部分。仿真参数设置主要体现于电源参数、三相晶闸管整流器、6脉冲发生器设置变步长算法等方面。变换触发角分析波形，通过改变不同的控制角，观察记录输出电压指的变化：阻性负载、阻感性负载等。由此可见，计算机仿真软件的引入，省略了以往较为繁琐的绘图、计算过程，可直观、迅速作出相应的分析等，大大降低了电路设计的周期，同时亦提高了设计质量。

4结束语

总而言之，计算机仿真软件在电力电子技术领域中发挥着极其重要的作用。当前，计算机信息技术迅猛发展、电路日趋繁杂，为满足用户不断增长的需求，电力电子技术方面的编程语言取得了长足的发展——计算机仿真软件蓬勃兴起。计算机软件具有图形界面友好，操作简单易用；节省时间及仪器设备；软件升级迅速及时等优点。计算机仿真软件的存在，对降低电力电子技术设计、运作成本，缩短设计周期等具有积极的意义。希冀相关人员能够加强自身学习，以掌握应用计算机仿真软件的技巧，进而提升我国电路系统质量。

参考文献

[1]裴云庆,段雅莉,王兆安.电力电子系统的计算机仿真及参数优化算法[J].西安交通大学学报,2009,11(20):221-223.

第4篇：光伏发电系统设计步骤范文

中图分类号:TN402-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0200-05

Design of Processor Based on LED Lighting-control System by Using Solar Battery

HU Jie, Wu Xin-yi, ZHANG Zhi-chao, DONG Li-min, WU Wu-chen

(VLSI and System Laboratory, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)

Abstract: Solar photovoltaic power generation combined with the white LED illumination lighting system is composed of an optimal environmental energy-efficient lighting system,which is an important development direction in future. The processor which is the core component of its controller around the solar energy and electricity complementary LED lighting control system. According to the structure and actual needs of the system, the design requirement of the processor and a simple instruction set are proposed, and the processor with 5-stage pipeline is designed with some function modules. Finally, the design features are achieved through FPGA. This design is the foundation of integrated, systemic and miniature controller.Keywords: processor design; RISC; FPGA; solar photovoltaic power

0 引 言

太阳能是一种清洁的绿色能源,半导体发光二极管(LED)也是一种环保、节能、高效的固态电光源。将LED技术和太阳能技术相结合在一起,开发太阳能半导体照明,是最佳的节能、环保组合,是新一代能源和新一代光源的完美结合。研究开发利用太阳能LED照明技术将是世界各国政府可持续发展的战略决策,意义重大[1]。

本文的研究对象是太阳能LED照明控制系统控制器中的处理器。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED负载半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠处理器的运转来实现上述功能的。

1 系统构成[2]

太阳能LED照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控制器、LED照明负载和市电电源5部分组成,系统组成原理图如图1所示。系统正常工作时,由蓄电池向LED负载供电,在蓄电池电压不足时,由市电(备用电源)直接向LED负载供电,避免了蓄电池电压不足时LED负载不亮的情况。有了市电作为备用电源,在设计时可以适当降低蓄电池的容量,降低成本。同时避免了由于利用太阳能而导致的市电资源的浪费,达到可靠性和经济性要求[3]。

图1 太阳能LED照明系统组成原理图

系统工作时通过太阳能电池将太阳辐射能转化为电能,但是由于太阳能电池的输出受温度和太阳辐射强度影响很大,输出功率不稳定,因而在太阳辐射强度足够大的时(白天)需要利用蓄电池将转化的电能储存起来,以便在需要照明时(晚上)向半导体照明负载供电。在太阳能半导体照明系统中,控制器是其核心部分,系统工作时通过控制器实现对系统工作状态的控制和对蓄电池充放电过程的管理,以使系统在不同的工作状态下均能稳定可靠地工作。

系统各个组成部分的主要功能如下:

(1) 太阳能电池。

由许多太阳能电池组件串、并联而成,其合成的容量可以是数百峰瓦(Wp),也可达数个兆峰瓦(Wp)甚至更大,组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其他类型的太阳能电池组成。一般来说,光伏阵列由于多为半导体器件构成,其伏安特性具有强烈的非线性。

(2) 蓄电池组。

蓄电池也称电瓶,是太阳能LED照明系统的关键部分。一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成,其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能,晚上把储存的能量释放出来,供负载照明使用。它的最佳充电电流和放电电流,一般按10 h充、放电率计算。

由于蓄电池对电压的波动具有“缓冲”作用,还可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价格低等优点,但若使用不当,很容易加速蓄电池的老化,使蓄电池的寿命急剧缩短,造成系统运行成本的增加,充、放电电流过大都会对电瓶的寿命有一定的影响。因此对蓄电池的充放电进行合理规划和控制是光伏充电系统中必不可少的环节。

(3) 控制器[4]。

控制器的作用是对太阳能电池、蓄电池电压、市电电源和LED负载进行总体监控。为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生。需要时完成太阳能电池和市电2个电源之间的转换,保证LED负载稳定可靠的工作。

以处理器为核心的控制器结构可以给系统带来极大的可配置型,增强系统的应用范围。

(4) LED照明光源。

半导体LED照明光源是系统的重要组成部分。LED应保证亮度高,亮度辐射范围大且均匀,所使用的白光LED数量少。控制器中的负载控制策略和LED驱动电路的设计直接决定了系统的照明效果。因此,需要根据LED响应速度快和低压直流驱动等特性,选择合适的驱动方案及控制策略,实现与蓄电池电压的匹配,以充分发挥LED照明的优点。

(5) 市电电源。

在出现阴雨天时,蓄电池不能及时充电,出现蓄电池电压不足,不能正常向负载供电时,由开关电源将 220 V交流市电变换成低压直流电,供LED负载使用。控制器系统设计中为市电电源提供了一个低压直流电输入接口。

2 处理器需求分析

控制器是系统的核心部分,系统工作过程通过它进行管理和控制。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED负载半功率控制等主要功能。而处理器又是控制器的核心。其负责根据程序指挥控制器中元器件实现控制器的上述功能。

在此设计的太阳能LED照明控制系统供街道和住宅小区照明使用,设计控制器中的处理器具有如下功能:

(1) 支持5 V直流系统工作电压;

(2) 可提供输出接口,控制状态指示灯或显示屏指示工作状态;

(3) 可提供输入接口,接受外部按键输入;

(4) 可控制大功率MOS管支持最大至9 A的充放电电流;

(5) 可提供直流、脉冲两种充电方式的控制;

(6) 可精确计时以提供深夜使半导体照明灯具亮度减半的功能;

(7) 可接收一路A/D转换器指示,能检测蓄电池的电压,对蓄电池的充、放电过程进行控制,并当蓄电池电量不足时,自动切换到市电电源供电;

(8) 可接收另一路A/D转换器指示,能检测太阳能电池的电压,自动转换工作模式;

(9) 可提供运算指令以计算各输入信号关系判断系统运行转态;

(10) 可提供跳转指令以使控制器在各状态间切换;

(11) 可暂存状态标志,以供处理器智能判断状态;

(12) 低功耗设计以提高控制器在系统中的工作效率;

根据以上需求给出处理器的设计目标:采用精简指令集设计;采用流水线设计以实现低功耗;具有寄存器堆;具有IO接口;具有PWM功能模块;具有定时器模块。

3 指令集设计

在本系统中,处理器要对AD以及按键的输入量进行处理。这些输入数据位宽小且处理过程为常规运算,不需要进行使用高级数学算法进行繁杂的数据运算。所以本设计采用精简指令集(RISC)的设计方法。

精简指令集具如下特点为:指令系统的规模较小且复杂程度小;操作数预存在寄存器中;指令格式统一;避免不必要的存储器访问。

采用RISC指令集设计可直接减小芯片面积,节省成本,减少开发人员的开发与维护开销。是嵌入式设备处理器的主流设计方法。

本处理器具有load/store结构,也就是说与主存储器通信只能通过LOAD和STORE指令进行。运算操作数只与寄存器组有关,而并不在主存储器上。TOP2的指令分为4类:运算指令、寄存器指令、跳转指令、存储器指令,如表1所示。

表1 指令集

类别指令说明

运算AND与

NOT非

SHL左移1位

SHR右移1位

ADD带进位加

SUB带进位减

寄存器NOP空操作

MOVR传输(寄存器到寄存器)

MOVD传输(立即数到寄存器)

存储器LOAD装载(从主存储器装载到寄存器)

STORE存储(从寄存器存储到主存储器)

跳转JUMPI条件跳转

针对太阳能LED照明控制系统的处理器指令集设计考虑到功耗及面积成本,只包含6条运算指令,没有连续移位指令和硬件乘法器。经测试本指令集可满足上一节所述对处理器的功能需求。

作为RISC体系的特点之一就是指令格式简单规则,笔者遵循这一原则,指令集中的11条指令均为4位操作码和12位操作目标位[5]。

4 处理器结构

处理器主体结构如图2所示,下面具体介绍处理器各部分。

4.1 存储结构

本处理器的存储结构采用哈佛(Harvard)结构。这是嵌入式处理器中被广泛采用的结构,如ARM、MIPS等。特别适用于采用RISC指令集的处理器。哈佛结构的主要特点是:程序指令存储通路与数据指令存储通路物理上是分离的。使得两个存储器可以独立编址、独立访问,从而避免了程序访问与数据访问之间产生的相关性冲突。这中并行设计架构相当于提高了1倍的吞吐量,从而提高了处理器性能。

4.2 流水线结构

基于哈佛存储结构,处理器核心的设计采用5级流水线(pipe-line)结构[2]分别是:取指令级(IF)、译码级(ID)、寄存器访问级(LO)、运算级(EX)、回写级(WB)[6]。流水线的设计方法在高性能大规模系统中得到广泛应用,其实际上就是把规模较大、层次较多的组合逻辑分为几个级,在每一级插入寄存器并暂存中间数据。这样做大大地增加了时钟周期的利用率,最大限度地发挥电路潜能。在不提高时钟频率的前提下提高了处理器效率,可以实现在同等效率下相对于非流水线设计功率可降低25倍[7],实现低功耗设计。

图2 处理器结构

4.3 片内其他模块

整个芯片是围绕着流水线核心实现。根据系统需求,处理器要实现精确计时以及脉冲充电方式。为了实现这两种功能,在流水线核心的基础上添加了两个可独立流水线运行的模块:TIMER(定时器)和PWM(脉宽调制)。

TIMER模块是16位定时器,时钟源采用32 768 Hz晶振。其可以准确分辨1 s时间单位,误差低,可为本系统长年室外稳定工作提供支持。定时器可以供中断和查询2种操作方式,以供系统后期的灵活配置。

PWM是脉冲调制模块。其功能是产生占空比可变的方波,以驱动大功率MOS管进行脉冲充电。其占空比变化范围为0~100%,步长1%。本模块减轻了处理器流水线部分的负担,使脉冲驱动可与其他控制信号并行执行,增强了系统的稳定性。

处理器片内还包含通用I/O控制单元。此单元完成对管脚数据方向的控制,并为输出数据提供保持功能,对输入数据进行同步。此单元对外部异步信号域与内部同步信号域进行隔离。避免产生信号毛刺,简化时序分析。

5 仿真与实现

本设计通过FPGA实现了所需求功能。设计流程如图3所示。

图3 FPGA设计流程图

5.1 仿真

在太阳能LED照明控制系统中,控制器所需要面对的指令流主要有三种:运算指令流(顺序执行)、分支跳转指令流、循环指令流。

5.1.1 运算操作指令流(加法)

完成加法指令需要的步骤包括:

(1) 准备2个操作数。

这2个操作数如果已经存在于寄存器组中则可以忽略此步骤,如果其中一个或┝礁霆是立即数或者在存储器中,则需要MOV指令或LOAD指令完成准备过程。

(2) 进行运算。

一条ALU加操作。

(3) 写回存储器。

根据不同的需求会编译出不同的指令组合,这里以两立即数相加结果存放在寄存器中为例进行加法操作。这需要首先执行两条MOVD指令准备操作数,之后进行加法操作。需要注意的是,在流水线中由于数据相关性问题,在MOVD指令之后ADD指令不能马上进入流水线执行。

当ADD指令进入LO级进行取数操作时,其之前的两条MOVD指令分别在EX级与WB级运行着,此时从寄存器组中取数是不正确的。所以要把ADD指令推后,等到MOVD指令退出流水线后,方可进行取数。如果是第二条MOVD指令推出流水线时ADD进入LO级的话,中间需要间隔3个流水线周期。但实际上只需间隔两个流水线周期就够了。这是由本处理器ALU操作体系决定的。ALU的第一操作数是从寄存器中直接取出,无需通过LO级。等价于第一操作数比第二操作数要快一个流水线周期。所以,这里设计让第一条MOVD指令存储第二操作数,当此指令完成后,ADD进入LO级将第二操作数取出。经过一个流水线周期ADD指令进入EX级时,第二条MOVD也把第一操作数存储到了寄存器。

之后再经过两个周期,运算结果存入寄存器组。

整个过程如图4所示。

图4 加法指令在流水线中的处理过程

从第一条指令输入到结果写入寄存器组共用了10个流水线周期(20个时钟周期)。考虑到指令串的流水化运行,在大段程序中费时是指令输入的5个流水线按周期。实际上,在这5个流水线周期中的2个间隔周期并不必须为空,只要与本条指令没有数据相关就可以,例如进行两个存储器操作。这样最好情况下一个加法操作只需3个流水线周期。

5.1.2 分支跳转指令流

分支跳转指令是高级语言中经常用到的关键语句。现在用跳转指令(JUMPI)来构建条件跳转操作。

分支跳转语句首先是要判断条件是否成立,如果条件成立则顺序执行,如果不成立则跳到下一程序块执行。编译成处理器的操作码后变为:送条件;进行比较,置标志位;根据标志位跳转。

在这种情况下,实现一个无内容条件结构需要7条语句(7个流水线周期)。其中两个周期可以插入无关操作,还有两个周期可以提前执行JUMPI后续指令。所以最好情况下需要三个流水线周期完成[8]。

5.1.3 循环语句

循环语句在高级语言中也是常用语句之一。它的实现与分支跳转类似,同样是跳转指令的应用。

循环语句中要定义一个条件变量,通过循环体的运行改变条件变量的值,完成后进行判断,符合条件跳出循环体,否则重新开始循环体。

此种循环情况下,循环结构共需7条指令,如条件允许优化NOP指令,最好情况下只需3个流水线周期。

在时序验证完成后,笔者结合XILINX公司的Virtex2 FPGA,利用Synplify 7.5对设计进行了综合,综合报表显示时钟频率最高可到153 MHz[9]。

5.2 FPGA实现

将设计下载至FPGA后,笔者采用名为Chipscope Pro Analyzer的波形观察工具。Chipscope Pro是采用JTAG方式观察FPGA内部的信号,再反映到终端上,与板级验证方法原理一致,而节省了板级布线时间[9]。

将Chipscope Pro设置为arm(伺机捕获)状态,当触发条件满足时捕获数据,并且在缓冲区填满后停止捕获,并将数据上传,由波形窗口显示出来。

触发条件(复位后)满足时捕获到的波形图如图5所示。

图5 Chipscope捕获的FPGA输出波形

所观察的数据共有16位,其中port[0]-port[7]为存储器地址输出,port[8]-port[15]为存储器数据输出。程序数我们前面所介绍过的加法操作,并且在得到结果后利用STORE指令输出到总线上。程序为:

MOVD R2 1B

MOVD R1 10B

NOP

NOP

ADD R3 R2

NOP

NOP

STORE 11110000B R3

程序的操作是1加2,结果为3,将其送到11110000B地址,其后仿真波形如图6所示。

图6 FPGA仿真波形

与FPGA中结果完全相同。设计正确。

6 结 语

本文针对太阳能LED照明控制系统设计了一款低功耗面积小的精简指令集处理器,指令集共包含12条指令。处理器综合频率达150 MHz,实际在板最高工作频率为100 MHz。系统外设包括计时器和脉宽调制模块。能够实现系统所需功能,完成控制器功能。待下一步进行系统统调后进行芯片后端设计。

参考文献

[1]冯昌,徐进明.超高亮度LED在太阳能城市灯光系统中的应用[J].武汉科技学院学报,2003,16(6):39-41.

[2]王秀玲.太阳能与市电互补的LED照明控制系统研究[D].北京:北京工业大学,2009.

[3]YANG C, SMEDLEY K, VACHER F. A new maximum power point trackingcontroller for photovoltaic power generation[C]// IEEE APEC Conf.[S.l.]: IEEE, 2003:58-62.

[4]吴理博,赵争鸣,刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(9):1195-1198.

[5][德] Ulrich Golze.大型RISC处理器设计[M].田泽,译.北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[6]朱佳辉.基于FPGA的嵌入式32位RISC微处理器的设计和应用实现[D].北京:北京工业大学,2002.

[7]邹雪成.VLSI设计方法与项目实施[M].北京:科学出版社,2007.