基于TMS320F28027DSP光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置.doc

基于TMS320F28027DSP光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要：本設(shè)計以TMS320F28027DSP為控制芯片，制作了一臺單級式光伏并網(wǎng)模擬裝置。本裝置采用電壓型全橋為主電路拓?fù)?，運用軟件鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行輸出相位跟蹤控制，采用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制。樣機(jī)的系統(tǒng)測試，驗證了裝置設(shè)計的可行性和可靠性。關(guān)鍵詞：DSP、逆變器、鎖相，最大功率點跟蹤GridConnectedPhotovoltaicGenerationSimulatorAbstract:Inourdesign,asingle-stagegridconnectedphotovoltaicgenerationsimulatorisdeveloped,whichiscontrolledbyTMS320F28027DSPchip.Inthedevice,thevoltagetypebridgeisadoptedasthemaincircuittopology；theSoft-PLLtechnologyiscarriedontheoutputphasetracking；thedesirablyobservemethodisadoptedtosolveMPPT(MaximumPowerPointTracking).Theprototypesystemtestverifiedthefeasibilityandreliabilityofourdesign.Keywords:DSP,Inverter,PLL,MaximumPowerPointTracking目錄1.引言22.系統(tǒng)指標(biāo)33.系統(tǒng)方案43.1總體介紹423.2鎖相環(huán)原理43.3最大功率點跟蹤控制原理53.4SPWM控制技術(shù)73.5偏磁校正84.系統(tǒng)硬件設(shè)計94.1全橋功率電路94.1.1開關(guān)管設(shè)計94.1.2濾波電感和電容的設(shè)計104.2DSP調(diào)理電路設(shè)計104.2.1全橋輸入端電壓采樣電路104.2.2全橋輸入端電流采樣電路114.2.3全橋輸出電壓采樣調(diào)理電路124.2.4全橋輸出電流采樣調(diào)理電路124.2.51V基準(zhǔn)產(chǎn)生電路134.2.6捕獲電路144.3DSP核心控制板電路144.3.1供電電路設(shè)計144.3.2DSP時鐘電路144.3.3開關(guān)機(jī)信號電路154.4電源管理模塊154.5保護(hù)電路165系統(tǒng)軟件設(shè)計165.1整體結(jié)構(gòu)說明165.2程序流程圖176.測試結(jié)果與分析216.1測試儀器216.2測試項目及結(jié)果216.2.1最大功率點跟蹤功能226.2.2頻率跟蹤236.2.3效率及THD246.2.4輸出緩起246.2.5輸出接容性負(fù)載256.2.6欠壓及過流保護(hù)266.3結(jié)論267附錄：281.引言我們選擇了命題A，題目的要求是制作一臺光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能，且輸出信號具有頻率跟蹤功能。能源是人類經(jīng)濟(jì)以及文化活動的動力來源。近年來隨著能源短缺以及長期應(yīng)用石油、煤礦3等燃料資源而引起的溫室效應(yīng)、全球變暖等可怕趨勢的嚴(yán)重威脅，為此開發(fā)利用綠色能源成為全球積極探索研究的課題。太陽能作為一種取之不盡，安全、清潔的資源，是一種理想的綠色能源。國際光伏市場開始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展。數(shù)字控制因為能實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法、簡化硬件電路結(jié)構(gòu)、較為方便的系統(tǒng)調(diào)試，在現(xiàn)在電力電子裝置中越來越多得到運用。DSP作為一種能快速高效處理數(shù)字信號的控制芯片，逐漸成為電力電子裝置的主要器件。C2000系列的DSP提供多種控制系統(tǒng)使用外圍設(shè)備，適合控制領(lǐng)域，本設(shè)計基于TMS320F28027DSP平臺，完成了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的制作與測試。2.系統(tǒng)指標(biāo)本設(shè)計達(dá)到題目要求的基本指標(biāo)及部分發(fā)揮指標(biāo)?，F(xiàn)將題目的要求指標(biāo)和本設(shè)計所達(dá)到的各項指標(biāo)在表1中進(jìn)行比較。類型序號項目與指標(biāo)測試記錄基本要求(1)最大功率點跟蹤功能RL=30時，測量RS=30和RS=36時的Ud，分別記為Ud1和Ud2US=60VUd1=29.7330.18V，Ud2=29.730.2VRL=36時，測量RS=30和RS=36時的Ud，分別記為Ud1和Ud2US=60VUd1=29.7430.22V，Ud2=29.6430.26V(2)頻率跟蹤功能：RS=RL=30時，測量不同fREF下的fFfREF=45HzfF=45.09HzfREF=50HzfF=50.20HzfREF=55HzfF=55.05Hz(3)RS=RL=30時，測量效率：60%滿分，每降低1%扣1分Uo1=29.05VIo1=0.958AUd=29.7330.18VId=11.06A=87.5%(4)RS=RL=30時，測量uo的失真度：THD5%滿分，每增加1%扣1分THD=1.6%(5)欠壓保護(hù)欠壓保護(hù)功能（有）；動作電壓Ud（th）=25V(6)過流保護(hù)功能過流保護(hù)功能（有）；動作電流Io（th）=1.32A發(fā)揮部(1)80%滿分，每降低1%扣0.5分=88.5%(2)THD1%滿分，每增加1%扣1分THD=1.6%4分(3)相位跟蹤功能：RS=RL=30時，測uF與uREF的相位差測量不同fREF下的REF45Hzf：1=05REF50Hzf：2=05REF55Hzf：3=05測量容性負(fù)載下的REF45Hzf：1=05REF50Hzf：2=05REF55Hzf：3=05(4)自動恢復(fù)功能有(5)其他鎖相成功后輸出緩起3.系統(tǒng)方案3.1總體介紹總體電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：包括模擬光伏電池（PV）、全橋逆變器、濾波器、并網(wǎng)開關(guān)、輸出變壓器、控制電路等。功率主電路方面，模擬光伏電池給電容充電提供直流母線電壓，通過全橋逆變成交流電后再經(jīng)過濾波輸出；控制電路方面主要就是DSP采樣調(diào)理電路和驅(qū)動電路。RsLCQ1Q2Q3Q4MPPTVpvIpv+-VrefPIUref+-PISPWMVmVpvVoVe并網(wǎng)開關(guān)CUsRLuo1:2平均值-圖3.1樣機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)基本控制策略為：從模擬光伏電池的輸出端采入電壓、電流量，在DSP中通過MPPT子程序得出光伏電池在最佳工作點處對應(yīng)的電壓值Vm，將此Vm作為光伏電池輸出電壓的基準(zhǔn)，Vm與Vpv做差再做PI調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)器的輸出與同步鎖相PLL得到的同步信號相乘得到電壓內(nèi)環(huán)輸出參考電壓Vref，由于接工頻變壓器輸出，則加入偏磁校正，即Vref減去電壓內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的平均值，結(jié)果再與輸出電壓反饋Vo相比較得到Verr，最后通過PI調(diào)節(jié)后作為調(diào)制波送入PWM產(chǎn)生電路，產(chǎn)生SPWM波通過驅(qū)動電路來控制全橋逆變器各開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。3.2鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)的功能是實現(xiàn)并網(wǎng)電流始終與電網(wǎng)電壓同頻同相，從而達(dá)到功率因數(shù)始終為1。在5實際系統(tǒng)中，很難直接判斷正弦信號之間的相位差，而判斷方波信號的周期以及方波信號之間的相位差則比較簡便，因此鎖相的目標(biāo)是控制并網(wǎng)逆變器的電流給定正弦信號與電網(wǎng)電壓同頻同相。在程序中，正弦波被分為了400個點，全橋的開關(guān)頻率是20kHz，如果模擬電網(wǎng)參考信號的周期是0.02s，那么只需調(diào)整正弦波的起始點是捕獲模擬市電的正向過零點，即可保證與市電同頻同相。如果模擬電網(wǎng)參考信號的周期不是50Hz，那么就需要相應(yīng)的調(diào)整開關(guān)頻率的大小，使得srefNffN是正弦波的點數(shù)，fs是開關(guān)頻率，fref是模擬電網(wǎng)頻率。調(diào)整的瞬態(tài)過程如圖2.3所示acTsT發(fā)現(xiàn)滯后減小周期發(fā)現(xiàn)超前增大周期圖3.2鎖相的瞬態(tài)調(diào)整過程3.3最大功率點跟蹤控制原理最大功率點跟蹤技術(shù)是光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。太陽能電池的輸出電壓與輸出電流成非線性關(guān)系，并且輸出功率會隨著日照與溫度的變化而改變，輸出功率受環(huán)境因素的影響不可忽略，因此必須根據(jù)太陽能電池所能產(chǎn)生最大功率調(diào)節(jié)輸出，才能達(dá)到最大的功率轉(zhuǎn)換效率。擾動觀察法是借以周期性的改變負(fù)載大小來改變太陽能電池的輸出電壓及功率，也就是改變太陽能電池的工作點，并且觀察比較變動前后兩次的輸出功率和輸出電壓的大小，來決定下個周期負(fù)載的變動是增載還是減載。方法基本原理優(yōu)缺點應(yīng)用擾動觀察改變太陽能板的端電壓，觀察、比較變動前后輸出功率的大小來決定下一步電壓增、減動作來達(dá)到跟蹤目的結(jié)構(gòu)簡單，需要觀測參數(shù)較少；在最大功率附近存在振蕩損耗多變環(huán)境，是目前應(yīng)用較多的方法介于擾動觀察法的結(jié)構(gòu)簡單、需要測量的參數(shù)較少、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，本設(shè)計采用擾動觀察法來實現(xiàn)MPPT，下面來著重分析討論擾動觀察法。其基本原理為：由光伏電池輸出功率與6工作電壓的物理特性，可知在某一個日照及溫度環(huán)境下，唯一的工作電壓對應(yīng)唯一的輸出功率，那么就可以通過控制光伏電池工作的工作電壓來控制太陽能電池的輸出功率，給定不同的工作電壓，則可得到不同的輸出功率，所以擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤的中心任務(wù)就是找到最大功率點處的工作電壓值。如圖3.3.1所示，將采樣計算得到當(dāng)前次的輸出功率Pn+1與前一次的輸出功率Pn+1作比較，假設(shè)Pn+1Pn，那么將工作電電壓基準(zhǔn)向著這一次變化的方向改變，反之，若輸出功率變小的話，則在下個周期改變變化的方向，如此反復(fù)的擾動、觀察和比較，使太陽能達(dá)到其最大功率點?？刂瓶驁D如圖3.3.2所示，采樣PV的輸出電壓、電流計算出輸出功率，通過對前后兩次輸出功率、電壓的比較關(guān)系給出參考基準(zhǔn)量送入控制器來調(diào)節(jié)變換器以達(dá)到最大功率點跟蹤。前一次太陽能電池的工作點當(dāng)前次太陽能電池的工作點變動方向PVVn+1=Vn+VVn+1=Vn-VVn+1VnV當(dāng)前次工作點電壓前一次工作點電壓電壓變化量圖3.3.1擾動觀察法跟蹤示意圖PV變換器負(fù)載控制器MPPTIV圖3.3.2擾動觀察法控制框圖在看到擾動法優(yōu)點的同時，也有其難以避免的問題：太陽能電池不可能一直工作在最大工作點上，只能在附近震蕩運行，導(dǎo)致擾動損耗；在日照突變的情況下，會發(fā)生誤判現(xiàn)象。由于日照會發(fā)生瞬間的突然變化，比如云彩的遮擋，這時對太陽能電池來說，其P-V曲線就會發(fā)生變化。當(dāng)使用擾動觀察法進(jìn)行MPPT時，如圖3.3.3(a)所示，假定系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點附近，此時輸出電壓Va，輸出功率Pa，按照擾動算法，電壓擾動向右移動到Vb，如果日照無變化，那么輸出功率PbPa，但是如果日照減弱，則工作曲線將發(fā)生變化，則Vb對應(yīng)的輸出功率為Pc，而PcPa，系統(tǒng)就會誤判電壓的擾動方向，從而控制輸出電壓往左擾動，如果日照持續(xù)減弱，系統(tǒng)就可能不斷誤判，使輸出電壓不斷降低，直至停止工作。與此相反的還7有一種誤判情況，如圖3.3.3(b)所示是太陽能電池的P-V特性曲線，假定初始工作點在A點，如果日照不變則輸出電壓V應(yīng)該向著減小的方向變化到最大功率點處，但是由于此時日照強度變強，所以在下次采樣得到的功率B的功率比A點還大，則會出現(xiàn)輸出電壓繼續(xù)變大的情況，由于日照漸漸變大，則只要滿足當(dāng)前次的功率大于前一次的功率值，太陽能電池的輸出電壓就會一直增大，不過這種誤判可以自調(diào)節(jié)，日照不可能一直迅速的增大下去，最終會回到正常的最大功率跟蹤過程去。對于這兩種由于日照變化造成的誤判，可以通過加大擾動的頻率和減小擾動的步長來盡可能消除。PVPaPbPcVaVb(a)PABC(b)圖3.3.3擾動觀察法誤判示意圖3.4SPWM控制技術(shù)SPWM(SinusoidalPWM)調(diào)制技術(shù)是指使輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化且和正弦波等效的脈寬調(diào)制技術(shù)。這種技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了SPWM技術(shù)。逆變電路時PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。逆變控制中引入SPWM技術(shù)所起的重要作用是它較好地抑制了諧波。根據(jù)理論分析，載波頻率越高，SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。但載波頻率升高使功率器件的開關(guān)頻率上升，從而導(dǎo)致開關(guān)損耗的增大。因此，實際控制中常采用單級倍頻式SPWM技術(shù)，即橋臂的PWM頻率是逆變橋功率器件開關(guān)頻率fs的2倍。倍頻技術(shù)的應(yīng)用較好地緩和了諧波抑制與效率提高之間的矛盾，其實現(xiàn)僅需適當(dāng)安排逆變器件的控制脈沖時序。圖3.4.1給出了倍頻式SPWM控制信號產(chǎn)生原理圖。從圖上可以看出倍頻式PWM信號的產(chǎn)生比傳統(tǒng)方式更加復(fù)雜，但本文所設(shè)計的系統(tǒng)是基于DSP來實現(xiàn)的，故并沒有對硬件電路設(shè)計有額外的要求。需要注意的是產(chǎn)生的PWM門極驅(qū)動信號與橋式逆變器中四個功率管必須是對應(yīng)的，否則會導(dǎo)致逆變的失敗。8圖3.4.1單極性倍頻SPWM產(chǎn)生機(jī)理上圖中單極性倍頻SPWM調(diào)制在DSP中實現(xiàn)的控制框圖如圖3.4.2所示。0V3V1gsv2gsv3gsv4gsv圖3.4.2DSP中實現(xiàn)單極性倍頻SPWM3.5偏磁校正使用全橋作為逆變器拓?fù)?、輸出端接工頻變壓器時，各種因素導(dǎo)致橋臂電壓不可避免地包含直流分量，引起輸出變壓器單向偏磁。在數(shù)字控制逆變器中，DSP存在字長的問題，只能保留運算結(jié)果的若干有效位，在進(jìn)行數(shù)字PI運算時會引起截斷誤差（運算結(jié)果丟失部分值），且數(shù)字PI中積分環(huán)節(jié)會對截斷誤差不斷累積，導(dǎo)致數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生直流漂移，使逆變器橋臂輸出電壓中出現(xiàn)直流分量。此外，調(diào)理電路的直流基準(zhǔn)漂移在控制變量的采樣結(jié)果中引入直流分量，同樣會導(dǎo)致輸出變壓器或濾波電感的偏磁。在本設(shè)計通過軟件調(diào)零方式來消除調(diào)理電路基準(zhǔn)浮動對變壓器偏磁的影響，而為了消除數(shù)9字電壓調(diào)節(jié)器輸出信號的截斷誤差積累引起的偏磁，設(shè)計中將電壓調(diào)節(jié)器輸出的平均值注入電壓基準(zhǔn)中，使電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號中心值不發(fā)生偏移。偏磁調(diào)節(jié)原理如圖3.5所示。()hGsrefVDSP()regGz平均值計算衰減及限幅平均值計算adcKdcU