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(jì)以TMS320F28027DSP為控制芯片，制作了一臺(tái)單級(jí)式光伏并網(wǎng)模擬裝置。本裝置采用電壓型全橋?yàn)橹麟娐吠負(fù)洌\(yùn)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(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。樣機(jī)的系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。關(guān)鍵詞：DSP、逆變器、鎖相，最大功率點(diǎn)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(diǎn)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(jì)94.1全橋功率電路94.1.1開(kāi)關(guān)管設(shè)計(jì)94.1.2濾波電感和電容的設(shè)計(jì)104.2DSP調(diào)理電路設(shè)計(jì)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(jì)144.3.2DSP時(shí)鐘電路144.3.3開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào)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(jì)165.1整體結(jié)構(gòu)說(shuō)明165.2程序流程圖176.測(cè)試結(jié)果與分析216.1測(cè)試儀器216.2測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果216.2.1最大功率點(diǎn)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(guò)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(tái)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，且輸出信號(hào)具有頻率跟蹤功能。能源是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)以及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。近年來(lái)隨著能源短缺以及長(zhǎng)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(shì)的嚴(yán)重威脅，為此開(kāi)發(fā)利用綠色能源成為全球積極探索研究的課題。太陽(yáng)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(guó)際光伏市場(chǎng)開(kāi)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?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法、簡(jiǎn)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(lái)越多得到運(yùn)用。DSP作為一種能快速高效處理數(shù)字信號(hào)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(jì)基于TMS320F28027DSP平臺(tái)，完成了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的制作與測(cè)試。2.系統(tǒng)指標(biāo)本設(shè)計(jì)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(jì)所達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)在表1中進(jìn)行比較。類(lèi)型序號(hào)項(xiàng)目與指標(biāo)測(cè)試記錄基本要求(1)最大功率點(diǎn)跟蹤功能RL=30時(shí)，測(cè)量RS=30和RS=36時(shí)的Ud，分別記為Ud1和Ud2US=60VUd1=29.7330.18V，Ud2=29.730.2VRL=36時(shí)，測(cè)量RS=30和RS=36時(shí)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(shí)，測(cè)量不同fREF下的fFfREF=45HzfF=45.09HzfREF=50HzfF=50.20HzfREF=55HzfF=55.05Hz(3)RS=RL=30時(shí)，測(cè)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(shí)，測(cè)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(dòng)作電壓Ud（th）=25V(6)過(guò)流保護(hù)功能過(guò)流保護(hù)功能（有）；動(dòng)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(shí)，測(cè)uF與uREF的相位差測(cè)量不同fREF下的REF45Hzf：1=05REF50Hzf：2=05REF55Hzf：3=05測(cè)量容性負(fù)載下的REF45Hzf：1=05REF50Hzf：2=05REF55Hzf：3=05(4)自動(dòng)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(kāi)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(guò)全橋逆變成交流電后再經(jīng)過(guò)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(dòng)電路。RsLCQ1Q2Q3Q4MPPTVpvIpv+-VrefPIUref+-PISPWMVmVpvVoVe并網(wǎng)開(kāi)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(guò)MPPT子程序得出光伏電池在最佳工作點(diǎn)處對(duì)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(hào)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(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制全橋逆變器各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3.2鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)的功能是實(shí)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(shí)際系統(tǒng)中，很難直接判斷正弦信號(hào)之間的相位差，而判斷方波信號(hào)的周期以及方波信號(hào)之間的相位差則比較簡(jiǎn)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(hào)與電網(wǎng)電壓同頻同相。在程序中，正弦波被分為了400個(gè)點(diǎn)，全橋的開(kāi)關(guān)頻率是20kHz，如果模擬電網(wǎng)參考信號(hào)的周期是0.02s，那么只需調(diào)整正弦波的起始點(diǎn)是捕獲模擬市電的正向過(guò)零點(diǎn)，即可保證與市電同頻同相。如果模擬電網(wǎng)參考信號(hào)的周期不是50Hz，那么就需要相應(yīng)的調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率的大小，使得srefNffN是正弦波的點(diǎn)數(shù)，fs是開(kāi)關(guān)頻率，fref是模擬電網(wǎng)頻率。調(diào)整的瞬態(tài)過(guò)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(guò)程3.3最大功率點(diǎn)跟蹤控制原理最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)是光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。太陽(yáng)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(huì)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(yáng)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(dòng)觀察法是借以周期性的改變負(fù)載大小來(lái)改變太陽(yáng)能電池的輸出電壓及功率，也就是改變太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)，并且觀察比較變動(dòng)前后兩次的輸出功率和輸出電壓的大小，來(lái)決定下個(gè)周期負(fù)載的變動(dòng)是增載還是減載。方法基本原理優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用擾動(dòng)觀察改變太陽(yáng)能板的端電壓，觀察、比較變動(dòng)前后輸出功率的大小來(lái)決定下一步電壓增、減動(dòng)作來(lái)達(dá)到跟蹤目的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要觀測(cè)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(dòng)觀察法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、需要測(cè)量的參數(shù)較少、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT，下面來(lái)著重分析討論擾動(dòng)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(gè)日照及溫度環(huán)境下，唯一的工作電壓對(duì)應(yīng)唯一的輸出功率，那么就可以通過(guò)控制光伏電池工作的工作電壓來(lái)控制太陽(yáng)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(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的中心任務(wù)就是找到最大功率點(diǎn)處的工作電壓值。如圖3.3.1所示，將采樣計(jì)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(gè)周期改變變化的方向，如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察和比較，使太陽(yáng)能達(dá)到其最大功率點(diǎn)。控制框圖如圖3.3.2所示，采樣PV的輸出電壓、電流計(jì)算出輸出功率，通過(guò)對(duì)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(lái)調(diào)節(jié)變換器以達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤。前一次太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)當(dāng)前次太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)變動(dòng)方向PVVn+1=Vn+VVn+1=Vn-VVn+1VnV當(dāng)前次工作點(diǎn)電壓前一次工作點(diǎn)電壓電壓變化量圖3.3.1擾動(dòng)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(dòng)觀察法控制框圖在看到擾動(dòng)法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有其難以避免的問(wèn)題：太陽(yáng)能電池不可能一直工作在最大工作點(diǎn)上，只能在附近震蕩運(yùn)行，導(dǎo)致擾動(dòng)損耗；在日照突變的情況下，會(huì)發(fā)生誤判現(xiàn)象。由于日照會(huì)發(fā)生瞬間的突然變化，比如云彩的遮擋，這時(shí)對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，其P-V曲線就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)使用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT時(shí)，如圖3.3.3(a)所示，假定系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)輸出電壓Va，輸出功率Pa，按照擾動(dòng)算法，電壓擾動(dòng)向右移動(dòng)到Vb，如果日照無(wú)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(duì)應(yīng)的輸出功率為Pc，而PcPa，系統(tǒng)就會(huì)誤判電壓的擾動(dòng)方向，從而控制輸出電壓往左擾動(dòng)，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(yáng)能電池的P-V特性曲線，假定初始工作點(diǎn)在A點(diǎn)，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(diǎn)處，但是由于此時(shí)日照強(qiáng)度變強(qiáng)，所以在下次采樣得到的功率B的功率比A點(diǎn)還大，則會(huì)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(yáng)能電池的輸出電壓就會(huì)一直增大，不過(guò)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(huì)回到正常的最大功率跟蹤過(guò)程去。對(duì)于這兩種由于日照變化造成的誤判，可以通過(guò)加大擾動(dòng)的頻率和減小擾動(dòng)的步長(zhǎng)來(lái)盡可能消除。PVPaPbPcVaVb(a)PABC(b)圖3.3.3擾動(dòng)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(shí)PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)關(guān)頻率上升，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗的增大。因此，實(shí)際控制中常采用單級(jí)倍頻式SPWM技術(shù)，即橋臂的PWM頻率是逆變橋功率器件開(kāi)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(shí)現(xiàn)僅需適當(dāng)安排逆變器件的控制脈沖時(shí)序。圖3.4.1給出了倍頻式SPWM控制信號(hào)產(chǎn)生原理圖。從圖上可以看出倍頻式PWM信號(hào)的產(chǎn)生比傳統(tǒng)方式更加復(fù)雜，但本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故并沒(méi)有對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)有額外的要求。需要注意的是產(chǎn)生的PWM門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與橋式逆變器中四個(gè)功率管必須是對(duì)應(yīng)的，否則會(huì)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(shí)現(xiàn)的控制框圖如圖3.4.2所示。0V3V1gsv2gsv3gsv4gsv圖3.4.2DSP中實(shí)現(xiàn)單極性倍頻SPWM3.5偏磁校正使用全橋作為逆變器拓?fù)洹⑤敵龆私庸ゎl變壓器時(shí)，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(zhǎng)的問(wèn)題，只能保留運(yùn)算結(jié)果的若干有效位，在進(jìn)行數(shù)字PI運(yùn)算時(shí)會(huì)引起截?cái)嗾`差（運(yùn)算結(jié)果丟失部分值），且數(shù)字PI中積分環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)截?cái)嗾`差不斷累積，導(dǎo)致數(shù)字調(diào)制信號(hào)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(huì)導(dǎo)致輸出變壓器或?yàn)V波電感的偏磁。在本設(shè)計(jì)通過(guò)軟件調(diào)零方式來(lái)消除調(diào)理電路基準(zhǔn)浮動(dòng)對(duì)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(hào)的截?cái)嗾`差積累引起的偏磁，設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)算衰減及限幅平均值計(jì)算adcKdcU