徐夢(mèng)明,朱建良

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094)

功率優(yōu)化器連接于光伏組件的兩端，可實(shí)現(xiàn)組件級(jí)MPPT，使光伏組件的輸出功率最大。采樣模塊是功率優(yōu)化器的重要組成部分，當(dāng)前的功率優(yōu)化器要滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控組件的電壓、電流和故障與否等工作狀態(tài)的需求，這也對(duì)其采樣模塊采集數(shù)據(jù)的速度和精確度提出了更高的要求。

本文主要介紹了基于SM72295采樣模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，在不同電壓和電流條件下進(jìn)行實(shí)際樣機(jī)測(cè)試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，旨在提高功率優(yōu)化器的采樣精度，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，為功率優(yōu)化器大規(guī)模應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 工作原理

功率優(yōu)化器連接于光伏組件和逆變器(或負(fù)載)之間，主控芯片選用STM32F013C8T6，其主電路DC/DC電路采用橋式Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心算法為MPPT，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 功率優(yōu)化器系統(tǒng)框圖

采樣電路將光伏組件輸出的工作電壓和工作電流，轉(zhuǎn)換為可被控制芯片讀取的信號(hào)形式，傳輸給控制芯片[1]。驅(qū)動(dòng)電路的核心是SM72295芯片，該芯片將開關(guān)管的控制信號(hào)(PWM)傳遞給DC/DC電路，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，控制光伏電池工作電壓，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，使光伏組件輸出功率最大[2]。

通過比較輸入和輸出電壓，來選擇Buck-Boost電路工作在升壓、降壓或直通模式；同時(shí)MPPT算法的實(shí)現(xiàn)基于輸入電壓和功率。因此Buck-Boost結(jié)構(gòu)的功率優(yōu)化器的采樣電路共4路包括：輸入、輸出電壓采樣電路和輸入、輸出電流采樣電路。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 SM72295芯片

功率優(yōu)化器的驅(qū)動(dòng)芯片選用德州儀器(Texas Instruments)公司的SM72295，該芯片能夠驅(qū)動(dòng)全橋連接的4個(gè)MOSFET管，提供3A的峰值電流，其主要功能如下：

1)集成了高速的100 V自舉二極管，自舉二極管獨(dú)立的高電平和低電平驅(qū)動(dòng)邏輯輸入電源電壓范圍高達(dá)115 V。

2)在故障狀態(tài)下的關(guān)機(jī)功能，具有過電壓保護(hù)和低電壓鎖定功能。

3)具有外部可編程增益放大器(PGA)和緩沖輸出的功率放大器，可用于檢測(cè)充放電電流，并能去掉波紋電流為控制電路提供平均電流信息，不需要添加額外的放大器，這是SM72295區(qū)別于其他產(chǎn)品的主要特征。

SM72295引腳圖如圖2所示，由輔助電源電路提供3.3 V和10 V兩種等級(jí)的電壓，SIA，SOA，BIN和IIN是輸入電流檢測(cè)模塊的引腳，SIB，SOB，IOUT和BOUT是輸出電流檢測(cè)模塊的引腳。

圖2 SM72295引腳圖

設(shè)計(jì)基于SM72295的采樣電路，充分利用驅(qū)動(dòng)芯片SM72295的電流檢測(cè)功能，簡(jiǎn)化了電流采樣電路的硬件電路結(jié)構(gòu)。

2.2 電流采樣電路

常用的電流檢測(cè)方法有磁傳感器(霍爾元件等)檢測(cè)、串聯(lián)電阻檢測(cè)等。功率優(yōu)化器連接于單個(gè)的光伏電池兩端，市面上的光伏電池工作電流多數(shù)在50 A以下，電流較小的條件下，優(yōu)先選用串聯(lián)電阻檢測(cè)法。

串聯(lián)電阻檢測(cè)法在電流路徑中串聯(lián)電阻，形成差分電壓，從而把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電阻稱為分流電阻器[3]。此方法解決了控制芯片ADC不能直接采樣電流的問題，具有采樣精度高、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

分流電阻器兩端的差分電壓的幅值較小，難以直接精確檢測(cè)，采用模擬前端(AFE)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，單端信號(hào)放大后接入ADC，通常選用運(yùn)算放大器或者專用電流檢測(cè)放大器來實(shí)現(xiàn)。造成采樣電路的誤差的影響因素：分流電阻器實(shí)際阻值與標(biāo)注阻值的偏差、運(yùn)放的失調(diào)電壓和ADC的失調(diào)等[4]。

SM72295具有電流檢測(cè)功能，電流檢測(cè)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。SIA和SOA接入PGA，根據(jù)分流電阻器兩端電壓的正常工作范圍合理選擇增益放大倍數(shù)，提高采樣精度。IIN引腳的電壓經(jīng)過電壓跟隨器后由BIN引腳接入到控制芯片的ADC，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的性質(zhì)，對(duì)IIN和BIN引腳所連的線路部分起到了緩沖和隔離的作用，提高了采樣的精度。

圖3 SM72295電流檢測(cè)模塊原理圖

輸入與輸出電流采樣電路的結(jié)構(gòu)類似，輸入電流采樣電路如圖4所示。分流電阻器的兩端經(jīng)過大電阻接入SM72295的電流檢測(cè)端口SIA和SOA，經(jīng)內(nèi)部的放大器轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，BIN為電流采樣引腳。

圖4 輸入電流采樣電路

根據(jù)芯片資料，SIA和SOA串聯(lián)電阻為R，BIN連接電阻為R0，BIN端的采樣電壓為V0，分流電阻器兩端的差分電壓為Vsense，差分電壓與采樣電壓關(guān)系如下所示：

分流電阻器為Ri，電流I的計(jì)算公式如下：

根據(jù)公式(1)和公式(2)可知，實(shí)際電流與引腳BIN處采樣電壓的關(guān)系如下：

2.3 電壓采樣電路

功率優(yōu)化器的輸入與輸出電壓工作范圍在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中大于3.3 V，不能直接接入控制芯片，需要經(jīng)過電阻分壓處理，才能被控制芯片所識(shí)別。電壓采樣電路如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路

控制芯片ADC采樣的電壓信號(hào)是實(shí)際電壓經(jīng)過串聯(lián)的電阻按照一定比例分壓，再由運(yùn)算放大器放大后的電壓。功率優(yōu)化器的輔助電源模塊為運(yùn)算放大器提供3.3 V的電源電壓。ADC采樣處電壓VSVD與實(shí)際電壓VIN的比值為分壓系數(shù)KU，計(jì)算公式如下：

2.4 電阻選擇原則

控制芯片的ADC各引腳的輸入電壓范圍為0～3.3 V，電壓過大會(huì)降低控制芯片采樣的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞控制芯片。選擇采集電路中的分壓電阻和分流電阻器時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合功率優(yōu)化器的工作電壓和電流區(qū)間，不超過ADC模塊的輸入電壓范圍[5]。

在電壓采樣電路中，功率優(yōu)化器輸入電壓工作范圍10～50 V，輸出電壓工作范圍為0～50 V。該電路中電壓是給定的，分壓電阻應(yīng)選用阻值較大的電阻，防止電阻消耗功率過大，通常為千歐級(jí)。只需在最大工作電壓50 V時(shí)，滿足ADC引腳電壓小于3.3 V，電阻選擇應(yīng)使分壓系數(shù)滿足下式：

在電流采樣電路中，分流電阻器本身會(huì)產(chǎn)生功率損耗，降低功率優(yōu)化器的效率，電流較大時(shí)，電阻甚至可能會(huì)發(fā)燙，不利于電路的長(zhǎng)期運(yùn)行。因此分流電阻器不宜過大，選用低阻值精密電阻，通常為毫歐級(jí)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，放大器的偏移電壓固定不變，差分電壓大時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)比較??；分流電阻器越小，兩端電壓越小，放大器的固定偏移誤差在待檢測(cè)電阻器兩端電壓中的占比越大，電流采樣誤差越大[6]。

電流檢測(cè)放大器具有固定增益，需根據(jù)輸入電流和ADC滿量程輸入范圍更好地優(yōu)化與分流電阻器的配對(duì)[7]。功率優(yōu)化器電流范圍0～10 A，各電阻的選擇滿足下式：

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是Keil4，選用STM32F103的官方庫簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。直接存儲(chǔ)器存取(DMA)提供了外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通過DMA快速地傳輸，不需要中央處理器(CPU)參與此過程，為其它程序節(jié)約了CPU資源。為了提高處理器的使用效率，在配置ADC模塊時(shí)直接將采樣的結(jié)果通過DMA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[8]。

樣機(jī)測(cè)試中ADC采樣的電壓和電流數(shù)據(jù)不是恒定值，受到脈沖信號(hào)等的干擾在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)較大時(shí)影響MPPT算法對(duì)前后兩個(gè)采樣時(shí)刻功率大小的判斷。因此需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提高采樣的精確度和穩(wěn)定度，減小MPPT算法的誤差。

數(shù)字濾波算法有均值濾波、限幅濾波、中位值平均濾波和中位值濾波等。本文采用中位值平均濾波，可以較好地抑制周期性的噪聲，平滑度高，但是算法本身耗時(shí)較長(zhǎng)、計(jì)算速度較慢[9]。采樣和濾波算法流程圖如圖6所示。

圖6 采樣和濾波算法流程圖

首先通過ADC完成采樣，并用DMA緩存n個(gè)采樣數(shù)據(jù)，將結(jié)果放在緩存數(shù)組中，對(duì)n個(gè)采樣數(shù)據(jù)按照從大到小的順序進(jìn)行冒泡法排序，對(duì)排序后的數(shù)據(jù)去除m個(gè)最大值和m個(gè)最小值，求出剩余的n-2m個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為本次的采樣結(jié)果，完成一次數(shù)據(jù)采樣和濾波。

4 實(shí)驗(yàn)

樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括UNI-T公司直流電壓源(30 V-6 A)、滑動(dòng)圓盤電阻(5 Ω-500 W)和電壓表等。功率優(yōu)化器輸入端接直流電壓源，輸出端接滑動(dòng)圓盤電阻，串口模塊通過USB轉(zhuǎn)TTL電平轉(zhuǎn)換電路將采樣數(shù)據(jù)打印到上位機(jī)(PC端)。

電壓和電流采樣的基本原理類似，都是將實(shí)際待檢測(cè)數(shù)據(jù)按照一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為0～3.3 V可被單片機(jī)采集的電壓數(shù)據(jù)。

以電壓采樣電路為例，根據(jù)公式(4)和圖5可知，保留一定裕度，分壓系數(shù)為：

(7)

設(shè)置電源電壓為20 V，根據(jù)公式(7)可知單片機(jī)ADC端口電壓為1.1 V，分壓前后電壓波形圖如圖7所示。

其中CH1為輸入電壓波形，CH2為主控芯片ADC端口電壓波形。由圖7知輸入電壓20 V，ADC端口電壓1.1 V，與理論計(jì)算結(jié)果一致，且ADC端口電壓的紋波較小，近似一條直線，便于單片機(jī)采集，降低軟件濾波難度，提高采樣精確度。

圖7 分壓前后電壓波形圖

調(diào)節(jié)電源電壓分別為15，20和25 V，記錄采樣電壓數(shù)據(jù)及其與實(shí)際電壓的誤差，電壓采樣數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電壓采樣數(shù)據(jù)

由表1可知，電壓分別為15，20和25 V時(shí)，電壓的采樣值均與實(shí)際值基本相同，采樣誤差低于0.2%，誤差較小，說明所設(shè)計(jì)的電壓采樣電路精度高，能在較大的電壓變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓采樣，滿足功率優(yōu)化器的工作電壓隨著光照和溫度在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的要求。

分流電阻器分別選用并聯(lián)10 mΩ和單個(gè)50 mΩ精密電阻，限制輸入電流從2.5 A增加到4 A，步長(zhǎng)0.5 A，采樣數(shù)據(jù)分別如表2和表3所示。

表2 并聯(lián)10 mΩ電流采樣數(shù)據(jù)

表3 單個(gè)50 mΩ電流采樣數(shù)據(jù)

由表2可知，分流電阻器為并聯(lián)10 mΩ精密電阻時(shí)，采樣電流在2.5～4 A區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，其兩端電壓變化范圍為12.5～20 mV，電流采樣值與實(shí)際值誤差約為-6.5%，誤差較大。

由表3可知，分流電阻器為單個(gè)50 mΩ精密電阻時(shí)，采樣電流在2.5～4 A范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，其兩端電壓在125～200 mV范圍波動(dòng)，電流采樣值與實(shí)際值誤差約為1%，誤差較小。

在所需采樣的電流較小的情況下，分流電阻器取值較小，電壓的幅值也較小，容易受到其他電路或者噪聲等的干擾。因此，應(yīng)根據(jù)功率優(yōu)化器所連接的光伏電池工作電流的范圍來選擇合適的采樣電阻的阻值，本文選用50 mΩ-0.1%的精密電阻。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于SM72295的功率優(yōu)化器采樣模塊，主要包含了電壓采樣電路和電流采樣電路兩部分，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的電壓和電流檢測(cè)，通過中位值平均濾波對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，減小采樣誤差。通過多次在直流電壓源下的采樣測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該采樣模塊具有較高的精確度和良好的抗干擾能力，滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需求。