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(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018)

DSPIC30F4011的模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

郭婕，蘇杰，王淼，金海

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018)

為了滿足模擬光伏并網(wǎng)對(duì)于頻率相位相同的基本要求，且具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)和欠壓過流保護(hù)功能，設(shè)計(jì)了以DSPIC30F4011為核心的控制系統(tǒng)，結(jié)合簡單的模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點(diǎn)、頻率及相位的跟蹤。逆變器采用SPWM控制方式，將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)單相正弦波交流電。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有效率高、總諧波失真低、跟蹤性能優(yōu)異和保護(hù)完善的特點(diǎn)。

MPPT；SPWM控制；DSPIC30F4011；頻率跟蹤；相位跟蹤

引 言

太陽能發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)電的有益補(bǔ)充，有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電兩種方式，其中光伏發(fā)電具有維護(hù)簡單、功率可大可小等突出優(yōu)點(diǎn)，作為中、小型并網(wǎng)電源得到較廣泛應(yīng)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本必要條件是，逆變器輸出正弦波的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同。

本研究是基于DSPIC30F4011微控制器的光伏并網(wǎng)的模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能、頻率和相位跟蹤功能。逆變器采用SPWM控制方式，主電路采用全橋結(jié)構(gòu)將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)參考信號(hào)同頻同相的單相正弦波交流電。本研究主要難點(diǎn)在于對(duì)同頻同相的控制，采用運(yùn)算放大器和微控制器捕獲功能相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)該功能。由于頻率的偏差對(duì)相位的調(diào)節(jié)有比較大的影響，所以調(diào)頻采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，使頻率做到完全同步，從而消除相位差的累積，有利于同相的控制。該研究中所有的調(diào)節(jié)均由DSPIC30F4011微控制器完成，速度和精確度可以達(dá)到很高。

1 原理與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)用直流穩(wěn)壓源US和電阻RS模擬光伏電池，US為60 V，RS為30～60 Ω；Uref為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，頻率為45～55 Hz；主電路由MOSFET全橋電路、LC濾波電路構(gòu)成；控制電路以DSPIC30F4011為控制核心，產(chǎn)生4路SPWM控制波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橋臂上的4個(gè)MOSFET，通過調(diào)節(jié)SPWM信號(hào)得到所需要的正弦波。通過輸入電壓的采樣來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；經(jīng)電流互感器的電流采樣實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)；利用相頻檢測電路對(duì)參考信號(hào)的頻率以及相位差進(jìn)行采集，再經(jīng)DSPIC30F4011的捕獲功能采集數(shù)據(jù)后，調(diào)節(jié)輸出SPWM波的頻率和初始相位來使逆變器的輸出與電網(wǎng)參考信號(hào)同頻同相。

1.1 同頻同相的控制原理

1.1.1 同頻控制原理

由于頻率的微小偏差隨著時(shí)間的推移會(huì)累積成相位的偏差，嚴(yán)重影響同相的調(diào)節(jié)，所以采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。首先并網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生幅值5 V的方波參考信號(hào)。再利用DSPIC30F4011的IC1捕獲模塊捕獲參考信號(hào)的上升沿，并鎖存此時(shí)定時(shí)器IC1 BUF的值，通過兩次差值計(jì)算出參考信號(hào)頻率。最后根據(jù)求得的頻率改變PWM的周期PTPER，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。

1.1.2 同相控制原理

同相控制時(shí)，將逆變輸出正弦波經(jīng)過過零比較器轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，然后與并網(wǎng)方波參考信號(hào)一起經(jīng)過異或門產(chǎn)生相位差參考信號(hào)，由DSPIC30F4011的IC2捕獲模塊，采用上升下降沿捕獲模式，并經(jīng)過判斷區(qū)分求得方波占空比，根據(jù)占空比大小可以計(jì)算出相位差大小，從而整體移動(dòng)SPWM波實(shí)現(xiàn)快速調(diào)相，由于存在系統(tǒng)延遲，每一秒進(jìn)行一次相位檢測、調(diào)節(jié)。

1.2 頻率相位采集電路硬件設(shè)計(jì)

逆變產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過電壓互感器隔離后通過一個(gè)由LM358搭建的同相比例放大電路放大10倍后再進(jìn)行整型得到方波。該方波與逆變產(chǎn)生的正弦波同頻率同相位，將該信號(hào)送給單片機(jī)，經(jīng)過處理即可得到該正弦波的頻率。放大整形電路如圖2所示。

圖2 放大整形電路

模擬電網(wǎng)電壓的參考信號(hào)經(jīng)過一個(gè)過零比較器得到同頻同相的方波信號(hào)。同樣用單片機(jī)的捕獲功能對(duì)頻率進(jìn)行采樣。過零比較器電路如圖3所示。

圖3 過零比較器電路

圖4 相位差檢測電路

將上述兩路方波共同輸入一個(gè)異或門(該異或門由集成4路與非門74LS00N搭建)，異或門的輸出反映了逆變正弦波與模擬信號(hào)之間的相位差，當(dāng)兩者相位相同時(shí)，異或門輸出為周期沖激信號(hào)，兩者存在相位差時(shí)，輸出為帶有占空比的方波。相位差檢測電路如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

開關(guān)管選用TI公司的N溝道場效應(yīng)管CSD18532KCS，通態(tài)電阻為3.3 mΩ，極大地減小了開通期間的導(dǎo)通損耗。耐壓為60 V，大于電源電壓并且留有一定的裕量，持續(xù)漏極電流ID=100 A。柵極驅(qū)動(dòng)電阻設(shè)置為22 Ω，可以有效抑制尖峰電流，同時(shí)不會(huì)對(duì)開關(guān)速度造成嚴(yán)重影響。

驅(qū)動(dòng)芯片的選擇：選擇IR2110，其是一種高壓高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，有獨(dú)立的高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)通道，可驅(qū)動(dòng)同橋臂的兩個(gè)MOSFET，保證開關(guān)管快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。芯片的自舉二極管采用快恢復(fù)二極管FR307，自舉電容取值4.7 μF。

濾波電路電感采用鐵硅鋁為磁芯的繞制電感，電感值為5 mH，濾波電容為10 μF的CBB電容，能實(shí)現(xiàn)較好的濾波效果，額定負(fù)載電阻為10 Ω。主電路原理圖如圖5所示。

圖5 主電路原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)波形

開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖6(a)所示，圖為兩個(gè)橋臂下管的驅(qū)動(dòng)波形，上管的波形與下管的互補(bǔ)。將波形展開后如圖6(b)所示，可以清楚地看到，在開關(guān)管導(dǎo)通的每個(gè)周期內(nèi)，SPWM的占空比都是以正弦規(guī)律變化的。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

最終異或門輸出的相位差信號(hào)與逆變正弦波輸出如圖7所示，根據(jù)異或門輸出的方波占空比可以直接測得相位的偏差。由波形可看出逆變輸出正弦波幾乎無畸變。

圖6 驅(qū)動(dòng)SPWM信號(hào)

圖7 相位差及逆變波形

多次實(shí)驗(yàn)測得最大相位差為1.08°。頻率的偏差如表1所列。

表1 頻率跟蹤測試

圖8 FFT頻譜

結(jié) 語

[1] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:97-103.

[2] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2002:165-189.

[3] 王淑娟,蔡惟錚,齊明，等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2009:206-230.

[4] 黃艷剛,劉嬌.基于TMS320F28027光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置[J].科協(xié)論壇,2010(8):93-94.

[5] 吳玉蓉,張國琴.基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].繼電器,2008,36(4):51-53,78.

[6] 王旭昊,李紅剛.一種基于逆變器特性的光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子,2017,35(2):51-54.

[7] 葛鵬江,李怡,郭文科.無變壓器型單相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)[J].中國電力,2016,49(S1):144-147.

[8] 焦靜靜,康明才,張?zhí)m紅.基于DSP的1kW光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017(2):87-90,101.

[9] 張安堂,張偉.一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的相位跟蹤技術(shù)[J].電測與儀表,2011,48(1):39-41,54.

[10] 盧慧芬,顧云杰,禹紅斌,等.基于DSP的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2013,34(8):1335-1339.

郭婕，主要從事電力電子與現(xiàn)代電源技術(shù)方面的研究。

SimulatePhotovoltaicGridSystemBasedonDSPIC30F4011

GuoJie,SuJie,WangMiao,JinHai

(Zhejiang Sci&Tech University,Hangzhou 310018,China)

In order to meet the basic requirements of the analog photovoltaic grid-connected inverter for frequency and phase,and to make the system have the functions of MPPT,undervoltage protection(UVP) and overcurrent protection(OCP),the control system based on DSPIC30F4011 is designed,which combining with the simple analog circuits and the digital circuits.It can realize the maximum power point tracking,frequency and phase tracking.The inverter adopts SPWM control mode,which inverts the direct current to the standard single phase sinusoidal alternating current.The experiment results show that the system has the characterises such as high efficiency,low total harmonic distortion,excellent tracking performance and perfect protection.

MPPT;SPWM control;DSPIC30F4011;frequency tracking;phase tracking

TM464；TM615

A

2017-07-31)