基于TMS320F28027DSP光伏并網發(fā)電模擬裝置.doc

基于TMS320F28027DSP光伏并網發(fā)電模擬裝置摘要：本設計以TMS320F28027DSP為控制芯片，制作了一臺單級式光伏并網模擬裝置。本裝置采用電壓型全橋為主電路拓撲，運用軟件鎖相環(huán)技術進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。樣機的系統(tǒng)測試，驗證了裝置設計的可行性和可靠性。關鍵詞：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73.5偏磁校正84.系統(tǒng)硬件設計94.1全橋功率電路94.1.1開關管設計94.1.2濾波電感和電容的設計104.2DSP調理電路設計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理電路124.2.4全橋輸出電流采樣調理電路124.2.51V基準產生電路134.2.6捕獲電路144.3DSP核心控制板電路144.3.1供電電路設計144.3.2DSP時鐘電路144.3.3開關機信號電路154.4電源管理模塊154.5保護電路165系統(tǒng)軟件設計165.1整體結構說明165.2程序流程圖176.測試結果與分析216.1測試儀器216.2測試項目及結果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輸出接容性負載256.2.6欠壓及過流保護266.3結論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。能源是人類經濟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用石油、煤礦3等燃料資源而引起的溫室效應、全球變暖等可怕趨勢的嚴重威脅，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農村和特殊應用向并網發(fā)電和與建筑結合供電的方向發(fā)展。數字控制因為能實現(xiàn)較為復雜的控制算法、簡化硬件電路結構、較為方便的系統(tǒng)調試，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)使用外圍設備，適合控制領域，本設計基于TMS320F28027DSP平臺，完成了光伏并網發(fā)電模擬裝置的制作與測試。2.系統(tǒng)指標本設計達到題目要求的基本指標及部分發(fā)揮指標。現(xiàn)將題目的要求指標和本設計所達到的各項指標在表1中進行比較。類型序號項目與指標測試記錄基本要求(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)欠壓保護欠壓保護功能（有）；動作電壓Ud（th）=25V(6)過流保護功能過流保護功能（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測量容性負載下的REF45Hzf：1=05REF50Hzf：2=05REF55Hzf：3=05(4)自動恢復功能有(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構圖如圖1所示：包括模擬光伏電池（PV）、全橋逆變器、濾波器、并網開關、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過濾波輸出；控制電路方面主要就是DSP采樣調理電路和驅動電路。RsLCQ1Q2Q3Q4MPPTVpvIpv+-VrefPIUref+-PISPWMVmVpvVoVe并網開關CUsRLuo1:2平均值-圖3.1樣機電路結構圖本系統(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的電壓值Vm，將此Vm作為光伏電池輸出電壓的基準，Vm與Vpv做差再做PI調節(jié)，將調節(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減去電壓內環(huán)調節(jié)器輸出的平均值，結果再與輸出電壓反饋Vo相比較得到Verr，最后通過PI調節(jié)后作為調制波送入PWM產生電路，產生SPWM波通過驅動電路來控制全橋逆變器各開關管的開關狀態(tài)。3.2鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)的功能是實現(xiàn)并網電流始終與電網電壓同頻同相，從而達到功率因數始終為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，因此鎖相的目標是控制并網逆變器的電流給定正弦信號與電網電壓同頻同相。在程序中，正弦波被分為了400個點，全橋的開關頻率是20kHz，如果模擬電網參考信號的周期是0.02s，那么只需調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。如果模擬電網參考信號的周期不是50Hz，那么就需要相應的調整開關頻率的大小，使得srefNffN是正弦波的點數，fs是開關頻率，fref是模擬電網頻率。調整的瞬態(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是光伏發(fā)電的關鍵技術。太陽能電池的輸出電壓與輸出電流成非線性關系，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，因此必須根據太陽能電池所能產生最大功率調節(jié)輸出，才能達到最大的功率轉換效率。擾動觀察法是借以周期性的改變負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，來決定下個周期負載的變動是增載還是減載。方法基本原理優(yōu)缺點應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、減動作來達到跟蹤目的結構簡單，需要觀測參數較少；在最大功率附近存在振蕩損耗多變環(huán)境，是目前應用較多的方法介于擾動觀察法的結構簡單、需要測量的參數較少、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，本設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Pn+1Pn，那么將工作電電壓基準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，如此反復的擾動、觀察和比較，使太陽能達到其最大功率點。控制框圖如圖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、電壓的比較關系給出參考基準量送入控制器來調節(jié)變換器以達到最大功率點跟蹤。前一次太陽能電池的工作點當前次太陽能電池的工作點變動方向PVVn+1=Vn+VVn+1=Vn-VVn+1VnV當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。當使用擾動觀察法進行MPPT時，如圖3.3.3(a)所示，假定系統(tǒng)已經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SPWM(SinusoidalPWM)調制技術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制技術。這種技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了SPWM技術。逆變電路時PWM控制技術最為重要的應用場合。逆變控制中引入SPWM技術所起的重要作用是它較好地抑制了諧波。根據理論分析，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頻率上升，從而導致開關損耗的增大。因此，實際控制中常采用單級倍頻式SPWM技術，即橋臂的PWM頻率是逆變橋功率器件開關頻率fs的2倍。倍頻技術的應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控制信號產生原理圖。從圖上可以看出倍頻式PWM信號的產生比傳統(tǒng)方式更加復雜，但本文所設計的系統(tǒng)是基于DSP來實現(xiàn)的，故并沒有對硬件電路設計有額外的要求。需要注意的是產生的PWM門極驅動信號與橋式逆變器中四個功率管必須是對應的，否則會導致逆變的失敗。8圖3.4.1單極性倍頻SPWM產生機理上圖中單極性倍頻SPWM調制在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撲、輸出端接工頻變壓器時，各種因素導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。在數字控制逆變器中，DSP存在字長的問題，只能保留運算結果的若干有效位，在進行數字PI運算時會引起截斷誤差（運算結果丟失部分值），且數字PI中積分環(huán)節(jié)會對截斷誤差不斷累積，導致數字調制信號發(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，調理電路的直流基準漂移在控制變量的采樣結果中引入直流分量，同樣會導致輸出變壓器或濾波電感的偏磁。在本設計通過軟件調零方式來消除調理電路基準浮動對變壓器偏磁的影響，而為了消除數9字電壓調節(jié)器輸出信號的截斷誤差積累引起的偏磁，設計中將電壓調節(jié)器輸出的平均值注入電壓基準中，使電壓調節(jié)器的輸出信號中心值不發(fā)生偏移。偏磁調節(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