基于TMS320F28335的光伏并網(wǎng)模擬發(fā)電裝置.doc

1基于TMS320F28335的光伏并網(wǎng)模擬發(fā)電裝置摘要：本裝置采用單相橋式DC-AC逆變電路結(jié)構(gòu)，以TI公司的浮點數(shù)字信號控制器TMS320F28335DSP為控制電路核心，采用規(guī)則采樣法和DSP片內(nèi)ePWM模塊功能實現(xiàn)SPWM波。最大功率點跟蹤（MPPT）采用了恒壓跟蹤法（CVT法）來實現(xiàn)，并用軟件鎖相環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)的同頻、同相控制，控制靈活簡單。采用DSP片內(nèi)12位A/D對各模擬信號進(jìn)行采集檢測，簡化了系統(tǒng)設(shè)計和成本。本裝置具有良好的數(shù)字顯示功能，采用CPLD自行設(shè)計驅(qū)動的4.3彩色液晶TFTLCD非常直觀地完成了輸出信號波形、頻譜特性的在線實時顯示，以及輸入電壓、電流、功率，輸出電壓、電流、功率，效率，頻率，相位差，失真度參數(shù)的正確顯示。本裝置具有開機(jī)自檢、輸入電壓欠壓及輸出過流保護(hù)，在過流、欠壓故障排除后能自動恢復(fù)。關(guān)鍵字：逆變，SPWM，最大功率點跟蹤MPPT，鎖相，DSP2PhotovoltaicGrid-connectedInverterAbstract：ThePhotovoltaicgrid-connectedinvertertookTMS320F28335DSPascoreofthecontroller,usedsingle-phasebridgeasthetopologystructureandgeneratedSPWMwavewiththeon-chipePWMmoduleaccordingtosymmetricregularsamplingmethod.ByCVTmethodandDigitalPLL,thesystemachievedthemaximumpowerpointtracking(MPPT)andsignalsynchronizationrespectively.Throughtheon-chip12bitA/Dconverter,TMS320F28335measuredtheanalogsignals,whichlargelysimplifiedthesystemdesignandreducedthecost.Thesystemwasembeddedwiththedigitaldisplaymodule.TakingCPLDtodrivethe4.3”TFTLCD,thesystemcandisplaythereal-timeoutputsignalwaveform,thespectralcharacteristicsaswellasotherparameters,includingtheinputvoltage,current,power,theoutputvoltage,current,power,theefficiency,thefrequency,thephasetheTHD.Over-current,overlowvoltageprotectionandtheautomaticallyrecoverwererealizedaswell.KeyWords：inverter，SPWM，MPPT，Phase-lock，DSP3目錄1引言.42系統(tǒng)指標(biāo).43方案比較與論證.53.1主電路拓?fù)?53.2正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM的方案.64理論分析與計算.74.1最大功率點跟蹤MPPT的控制方法與參數(shù)計算.74.2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算.84.3提高效率的方法.84.4濾波電路設(shè)計和計算.95系統(tǒng)結(jié)構(gòu).105.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).105.2顯示驅(qū)動結(jié)構(gòu).115.3模擬信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu).116系統(tǒng)硬件設(shè)計.126.1主電路及驅(qū)動.126.2DSP處理器電路.126.3模擬信號調(diào)理電路.126.4系統(tǒng)電源設(shè)計.156.5顯示電路設(shè)計.176.6抗干擾措施.177系統(tǒng)軟件設(shè)計.187.1系統(tǒng)控制流程.187.2頻譜分析流程.217.3人機(jī)交互流程.228系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計與創(chuàng)新.239測試方案與測試結(jié)果.239.1測量儀器.239.2測量方案.249.3基礎(chǔ)要求性能測試.249.4發(fā)揮部分性能測試.259.5測試結(jié)果匯總.269.6測試結(jié)果分析.2710附錄.2741引言新能源是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀(jì)中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。我國西北地區(qū)土地遼闊，人煙稀少，交通不便，燃料供應(yīng)緊張且價格極高，常規(guī)電網(wǎng)難以覆蓋，但太陽能資源極為豐富.從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，當(dāng)輸出電功率與送電距離之比小于100瓦/公里時，用太陽電池電源供電要比常規(guī)電源供電經(jīng)濟(jì)得多，為此，我國在20022003年度推出了西部光伏照明工程，在西北地區(qū)大力發(fā)展光伏發(fā)電系統(tǒng)以提高西部地區(qū)人民的生活水平，這對于貫徹西部大開發(fā)戰(zhàn)略具有重要的政治意義和經(jīng)濟(jì)意義:另一方面，根據(jù)世界各國的發(fā)展目標(biāo)，預(yù)計到2030年，世界各國的光伏發(fā)電量將占到總發(fā)電量的5%一20%，也就是意味著應(yīng)用石化能源所造成的環(huán)境污染將會得到極大改善。DSP具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，其豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)資源，非常適合于應(yīng)用于電力電子場合，為光伏并網(wǎng)模擬發(fā)電裝置提供了一個良好的解決方案。本裝置采用TI公司最新推出的浮點DSP芯片TMS320F28335很好地實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)模擬發(fā)電的各項指標(biāo)。TMS320F28335為基于業(yè)界首款浮點數(shù)字信號控制器（DSC），高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的增強型PWM輸出模塊(EPWM)，具備150psMEP分辨率，6個事件捕捉輸入，12位16通道ADC。其新型浮點控制器與TI前一代領(lǐng)先數(shù)字信號控制器相比，性能平均提高50%，并與定點C28x控制器軟件兼容。得益于其浮點運算單元，可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，簡化了軟件編程，縮短了開發(fā)周期。并且TI公司專用的集成開發(fā)環(huán)境CCS提供了對C語言很好的支持，其C編譯器可以直接從C語言源程序生成高效簡捷的匯編語言代碼。2系統(tǒng)指標(biāo)本裝置達(dá)到了該題目要求的所有基本指標(biāo)和發(fā)揮部分指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上增加了以下功能：1）自帶頻譜分析儀，可分析至32次諧波，并計算輸出波形失真度。2）數(shù)字顯示功能：本裝置采用自行設(shè)計驅(qū)動的4.3彩色液晶TFTLCD，完成了輸出波形、頻譜特性以及輸入電壓、電流、功率，輸出電壓、電流、功率，效率，頻率，相位差，失真度的正確顯示。3）開機(jī)自檢及保護(hù)。4）輔助電源采用開關(guān)電源芯片設(shè)計，效率90%以上,只需要一路+5V輸入即可?？刂齐娐啡坎捎玫凸脑O(shè)計，效率也較高?，F(xiàn)將題目的要求指標(biāo)（包括基本要求指標(biāo)和發(fā)揮部分指標(biāo)）和本設(shè)計實測各項指標(biāo)在表2-1中進(jìn)行比較。表2-1各項指標(biāo)對照表測試項目基本要求指標(biāo)發(fā)揮部分指標(biāo)實測指標(biāo)最大功率點跟蹤1%-0.47%頻率跟蹤1%-0.01%效率60%80%94%5uo失真度THD5%1%0.6%欠壓保護(hù)250.5V-25.11V過流保護(hù)1.50.2A-1.534A相位跟蹤-53.92自動恢復(fù)-能能注:本裝置所顯示的輸出電流,電壓分別為題目中的變壓器次邊的Io,Uo,輸出效率Po=Io*Uo，效率為=Po/Pd，其中，dddPUI。測試表中的輸出電壓、電流及效率為變壓器原邊的測試結(jié)果。因此，錄像中TFTLCD上所顯示的效率較實測數(shù)據(jù)偏低。3方案比較與論證3.1主電路拓?fù)浞桨敢唬簡蜗喟霕蚰孀冸娐酚梢粚虮垡约耙粋€帶有中點的直流電源構(gòu)成（如圖3-1所示），在實際中，通常用一個直流電源與兩個足夠大的電容器串聯(lián)代替帶有中點的直流電源，其輸出電壓幅值為Ud/2，在輸出工頻電壓時，電容的容量要取得大。圖3-1單相橋式逆變拓?fù)浞桨付簡蜗鄻蚴侥孀冸娐肥莾蓚€單相半橋逆變電路的組合，其電路如圖3-2所示。橋式電路的輸出波形與單相半橋的輸出波形相同，諧波成分也相同，但是幅值增大了一倍。圖3-2單相橋式逆變拓?fù)?方案三：采用D類功放芯片，可實現(xiàn)本題目要求的DCAC驅(qū)動、變換及SPWM波，輸出可以很好地跟蹤輸入電壓uREF，效率高，失真小，外圍電路簡單，只需按要求設(shè)計低通濾波器即可。此方案簡單，但與實際并網(wǎng)發(fā)電的概念有差異，故放棄此方案。經(jīng)論證比較：單相半橋電路輸出幅值低，直流利用率低，且需要很大的電容來保證電容電壓的均衡與恒定，很難達(dá)到題目的要求，故采用方案二作為DC-AC主電路拓?fù)洹?.2正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM的方案方案一：采用SPWM專用芯片進(jìn)行SPWM波的發(fā)生。方案二：模擬方法產(chǎn)生SPWM波。用模擬比較器比較生成SPWM波，如果用信號波正弦作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比較器的反相端輸入信號，便實現(xiàn)了自然法生成SPWM波。方案三：規(guī)則采樣算法產(chǎn)生SPWM波。可以采用軟件算法全數(shù)字化實現(xiàn)。規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波，是由經(jīng)過采樣的正弦波與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。當(dāng)然，這種經(jīng)過采樣的正弦波實際上是階梯波，只在三角波的頂點位置或底點位置對正弦波進(jìn)行采樣，其原理如圖3-3所示。由于階梯波與三角波的交點所確定的脈沖寬度在一個采樣周期Ts（Ts=Tt)內(nèi)的位置是對稱的，所以稱為對稱規(guī)則采樣。由圖3得，111sin41sin4soffsonTtMtTtMt（3-1）脈沖寬度為：111sin1sin22stpwTTtMtMt（3-2）式（3-1）中，1t為采樣點(此處為頂點采樣)的時刻。式（3-2）中，采樣點時刻1t只與載波比N有關(guān)，而與幅度調(diào)制比M無關(guān)，且1ttkT,0,1,.,1kN。圖3-3對稱規(guī)則采樣算法示意圖TMS320F28335帶有ePWM波形產(chǎn)生單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形或空間矢量PWM波形。具有可編程的死區(qū)控制性能，以防止橋式驅(qū)動主電路的7上下橋臂短路。同時DSP還具有強大的運算能力，因此用DSP實現(xiàn)SPWM功能更強，編程更靈活，且有更快的運算速度。經(jīng)論證比較：方案一存在開關(guān)頻率較低，且控制不靈活的缺點，且成本較高，方案二需要搭建較高頻率的三角波發(fā)生器，且要求比較器速度快，精度高，方案三控制靈活，無需外加電路，且可以實現(xiàn)高頻率開關(guān)信號的發(fā)生，雖然需要處理的數(shù)據(jù)量較大，但是TMS320F28335芯片上150M的主頻完全可以實現(xiàn)SPWM波形的數(shù)字化產(chǎn)生。綜合考慮控制精度及性價比等因素，系統(tǒng)采用方案三產(chǎn)生SPWM波。4理論分析與計算4.1最大功率點跟蹤MPPT的控制方法與參數(shù)計算光伏方陣的最優(yōu)工作點稱為最大功率點,它主要取決于電池板的工作溫度和當(dāng)時的光照水平。從圖4.1可以看到在不同的光照強度下光伏方陣的最大功率點不同，其中四個大功率點所對應(yīng)的光伏陣列輸出電壓是近似相等的，根據(jù)光伏陣列的這一特性可以在日照變化時使光伏陣列輸出電壓鎖定在輸出最大功率的一點以實現(xiàn)光陣列的近似最大功率點跟蹤，這種最大功率點的跟蹤方式稱作CVT(ConstantVoltageTracking)方式。對于光伏最大功率跟蹤(MPPT)，可以把最大功率線近似地看成電壓為常數(shù)的一根垂直線，使光伏電池板工作于恒壓跟蹤狀態(tài)，這是目前商用光伏發(fā)電采用的方法。電池板工作于最大功率點附近，工作電壓在Ud變化之前時保持不變。與其他MPPT算法相比，恒壓跟蹤法具有算法簡單易行，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，跟蹤速度快的優(yōu)點。圖4-1不同光強下光伏方陣P-V特性為了盡量減少模擬器件實現(xiàn)MPPT所產(chǎn)生的偏差和溫漂，提高系統(tǒng)控制的可靠性和靈活性，系統(tǒng)采用DSP快速的運算功能實現(xiàn)MPPT的數(shù)字化控制，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，也便于調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)。MPPT控制原理如圖4.2所示。8圖4-2MPPT控制原理框圖給定值Uset默認(rèn)為30V，Ud為實際采樣值，由DSP芯片的ADC采集后經(jīng)計算得到。偏差為：eUdUset，通過軟件PI算法實現(xiàn)PI控制后，控制SPWM的調(diào)制比M，再經(jīng)過正弦波調(diào)制后給驅(qū)動電路。4.2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算系統(tǒng)采用軟件鎖相環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)的同頻，同相控制，將Uref與Uf的信號經(jīng)過電壓比較器比較后整形送入DSP，由DSP芯片定時器的捕捉模塊CAP1和CAP2捕捉其上升沿，測量其頻率及相位差，進(jìn)而判斷頻率是否相同，如不同則重新計算開關(guān)頻率，使頻率等于fREF。同相控制算法由DSP判斷其延遲時間t，調(diào)整SPWM波表的指針至相應(yīng)位置，從而實現(xiàn)兩個信號的同相。在設(shè)計中，SPWM載波頻率為30KHz，SPWM中斷時間間隔大約為33us，正弦表格為128個點，每個點對應(yīng)的電角度為2.8度，CPU時鐘頻率為125MHz。從實驗結(jié)果來看，按上述方法設(shè)計的鎖相環(huán)的鎖相誤差不超過一個PWM中斷時間，即1/128個工頻周期，可見鎖相誤差不超過0.5%，完全可以滿足本系統(tǒng)中的諧波檢測和光伏并網(wǎng)需要。4.3提高效率的方法提高整個裝置效率的方法主要有一下幾個方面：1）減小開關(guān)管的損耗為了提高整機(jī)效率，并考慮濾波器的體積，逆變電路的開關(guān)頻率不能太低，太低濾波困難，失真度大；開關(guān)頻率也不能太高，太高所需要的驅(qū)動功率就越大，我們確定開關(guān)頻率為30kHz。從橋式逆變的結(jié)構(gòu)看，選擇導(dǎo)通電阻Ron小、開啟速度快的N溝道MOS管，能夠在較高的頻率下工作，且保持較低的驅(qū)動功耗。由于選取的開關(guān)頻率不是很高并且電路功率較低，其功率MOSFET管的功率損耗主要是導(dǎo)通電阻的損耗和開關(guān)損耗。作為功率MOSFET來說，有兩項參數(shù)是最重要的，一個是RDS(ON)，即通態(tài)時的漏源電阻，另一個是柵極電荷QG。我們選擇N溝道MOS管IRFB4110作為開關(guān)管，該管Qg典型值為150nC，RDS典型值為3.7m，VGS=20V。一個MOSFET管完全導(dǎo)通時的功耗（傳導(dǎo)損耗）Pon可近似為：Pon=Id2RDSton/（ton+toff）（4-1）其中Id為漏極電流3A，RDS=3.7m，ton為MOSFET完全導(dǎo)通時間，可按開關(guān)周期占空比為50%計算。則可計算出Pon=16.65mW。一個MOSFET管的驅(qū)動損耗主要是柵極電荷的充電和放電的損耗PC，可近似為：PC=QGVGSf（4-2）其中QG為柵極電荷150nC，VGS為柵源電壓12V，f為開關(guān)頻率30kHz。則PC=54mW。PI控制器SPWM驅(qū)動+-MX給定值UsetY被控電壓Ud偏差eEpiancSintDSP控制器92）減小驅(qū)動電路的損耗功率MOSFET開關(guān)時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大。在開關(guān)管開和關(guān)時狀態(tài)切換的中間過渡狀態(tài)時開關(guān)損耗的值是很大的，因此要確保柵極驅(qū)動的內(nèi)阻要夠小，驅(qū)動功率足夠大，以加快上升沿和下降沿的速度，減少處于中間狀態(tài)的切換時間。即降低MOSFET驅(qū)動電路內(nèi)阻以減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度，可減小開關(guān)損耗。驅(qū)動電路直接采用TI公司的N溝道MOSFET驅(qū)動芯片UCC27200，其最高引導(dǎo)電壓為120V，最高VDD電壓為20V，工作頻率超過1MHz，傳輸延遲時間為20ns，3A輸入3A輸出電流，負(fù)載為1000pF