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    活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專題---節(jié)能增效 電力新發(fā)展

  摘要：本文主要探討了以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為控制核心的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)其控制系統(tǒng)和逆變器控制電路的分析設(shè)計(jì)。本文闡述了逆變電路相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)方法與元器件的選擇，以及基于DSP的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

   關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器控制；DSP；并網(wǎng)

   光伏發(fā)電，即太陽能發(fā)電，是一項(xiàng)將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。目前我國光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)基本完善，在能源緊缺的全球背景下，發(fā)展光伏發(fā)電并網(wǎng)勢(shì)在必行。

    本系統(tǒng)采用的主控處理器DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。本設(shè)計(jì)利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)電網(wǎng)電壓電流的相位、幅值、頻率進(jìn)行跟蹤反饋，與逆變出來的電壓電流的參數(shù)進(jìn)行比較并作出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)送電上網(wǎng)。DSP芯片還可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波功能，使外圍電路大大減少，既節(jié)省了成本，又提高了可靠性，加強(qiáng)了人機(jī)互動(dòng)性。

   1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理

    光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，即通過太陽能電池（光伏電池）將太陽光能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過DC-DC斬波電路和DC-AC逆變電路將直流電變換成交流電供給負(fù)載或并入電網(wǎng)。發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括太陽能電池組（光伏陣列）、DC-DC斬波電路、DCAC逆變電路、蓄電池，其中蓄電池是否需要根據(jù)具體情況而定。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)簡要框圖如圖1所示。
     
                 
                                   圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)簡要框圖  

   太陽能電池陣列是由太陽能電池組合而成的太陽能電池板排列在一起形成的，為的是盡可能多的吸收太陽光能。蓄電池的作用主要是在太陽光能消失時(shí)，例如陰天、雨天等，暫時(shí)代替太陽光能提供能量，為減少成本，可以免去。圖中可去除的變壓器作用是對(duì)逆變而來的交流電進(jìn)行隔離，可以實(shí)現(xiàn)升壓、降壓或者濾波的功能。

   DC-AC電路，即逆變電路，是整個(gè)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中最重要的部分，它的設(shè)計(jì)控制的好壞直接影響到輸出電能質(zhì)量和并網(wǎng)是否成功。

   逆變電路控制框圖如圖2所示。
     
                  
                           圖2 逆變電路控制框圖

   2 硬件設(shè)計(jì)

   2.1 DSP芯片TMS320F28016簡介

   本設(shè)計(jì)采用美國TI公司DSP芯片TMS320F28016作為主控CPU，可提供60MHz超高性能，即16.67ns的周期，低功耗設(shè)計(jì)（1.8V-CPU核心，3.3V-I/O口），不僅具備32位DSP性能，而且實(shí)現(xiàn)了與MCU相似的外設(shè)集成，是集成CAN通信接口的最低成本數(shù)字信號(hào)控制器，支持JTAG邊界掃描，片上集成了16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、267ns高速AD轉(zhuǎn)換、片內(nèi)存儲(chǔ)器16K×16 FLASH、6K×16 SARAM、片內(nèi)振蕩器、看門狗模塊、128位的安全鎖、低功耗模塊，空閑、備用、停止模塊支持、三個(gè)32位CPU計(jì)時(shí)器、16 路獨(dú)立的脈寬調(diào)制（PWM）輸出通道，可方便實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)集成控制功能。通信接口包括CAN、I2C、UART以及SPI端口等。

   2.2 控制電路的設(shè)計(jì)
     
                   
                                  圖3 控制結(jié)構(gòu)框圖  

    其中：AD—模數(shù)轉(zhuǎn)換；SCIA — 串行通信接口；CAN — CAN總線；GPIO —通用I/O口

   圖3是光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)框圖，由圖3可知本研究是以DSP芯片為核心，由電流電壓采樣、線路測溫、按鍵信號(hào)以及以單片機(jī)STC89C516RD+為中心的液晶顯示小系統(tǒng)共同組成。在信號(hào)送入DSP芯片方面，電流電壓采樣、線路測溫、按鍵模塊通過DSP芯片的A/D引腳將信號(hào)輸入，它們都是先將外部信號(hào)通過硬件電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)由DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，使DSP芯片對(duì)外部負(fù)載運(yùn)行情況能實(shí)時(shí)檢測控制。利用DSP芯片的外設(shè)CAN總線可以將多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成局域網(wǎng)，并靠Internet進(jìn)行整體控制，使各個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息共享。在DSP芯片發(fā)出命令方面，DSP芯片從其多達(dá)35個(gè)的GPIO口送出命令，發(fā)出指令信號(hào)對(duì)裝置整體進(jìn)行控制。CAP模塊則主要進(jìn)行相位檢測。DSP芯片還與單片機(jī)STC89C516RD+、上位機(jī)共同構(gòu)成一個(gè)環(huán)形通信系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的液晶顯示、上傳總機(jī)進(jìn)行控制。

   2.3 逆變電路的設(shè)計(jì)

   逆變器的設(shè)計(jì)是光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究的重要部分之一，它設(shè)計(jì)的成功與否直接影響著并網(wǎng)能否成功。針對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，本系統(tǒng)逆變電路的設(shè)計(jì)有如下要求 ：（1）具有較高的效率；（2）要求具有較高的可靠性；（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍；（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。
  
                      
                                   圖4 單相并網(wǎng)逆變主電路圖

    逆變電路中最重要的莫過于開關(guān)器件，目前常有的開關(guān)器件主要有電力MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT。電力MOSFET具有驅(qū)動(dòng)方便、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)通后呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，在電流較大時(shí)的壓降較高，而且器件的容量較小，僅能適用于小功率裝置。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管IGBT是把MOSFET與GTR復(fù)合形成，除具有MOSFET的電壓型驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有GTR飽和壓降低、可耐高電壓和大電流等優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)頻率雖低于MOSFET，但高于GTR。鑒于IGBT應(yīng)用上的種種優(yōu)越性，本系統(tǒng)的逆變器的開關(guān)器件選用IGBT。

   3 軟件設(shè)計(jì)

    由于DSP芯片TMS320F28016的Flash僅有16K×16，為了達(dá)到響應(yīng)時(shí)間盡量短的要求，DSP芯片的程序設(shè)計(jì)選擇使用匯編語言實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件程序主要由基于DSP的主控單元和利用單片機(jī)89C516控制的LCD、LED顯示兩大部分組成。下面分別給出這兩部分的程序流程圖，如圖5、圖6所示。
       
                                            
                                   圖5 主程序流程圖  

                        
                              圖6 顯示程序流程圖

    基于DSP的主程序流程圖如圖5所示，首先通過狀態(tài)判斷選擇進(jìn)入兩種不同的系統(tǒng)初始化狀態(tài)。當(dāng)狀態(tài)判斷為正常時(shí)，進(jìn)入初始化狀態(tài)1，即DSP正常啟動(dòng)工作；當(dāng)狀態(tài)判斷為故障時(shí)，進(jìn)入初始化狀態(tài)2，即針對(duì)故障初始化相應(yīng)的功能模塊。然后一旦遇到中斷，經(jīng)過控制命令巡檢后，通過對(duì)采集而來的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和與預(yù)設(shè)值對(duì)比，發(fā)出中斷以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和故障保護(hù)。

    單片機(jī)89C516控制的LCD、LED顯示程序的流程圖如圖6所示，它是一個(gè)依靠DSP主程序控制進(jìn)行工作的輔助程序。在進(jìn)行完數(shù)據(jù)空間的定義和串口的初始化后，通過判斷接到串口的通訊請(qǐng)求與否，在進(jìn)行發(fā)送或接受請(qǐng)求的甄別后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接受、校驗(yàn)。

    4 結(jié)語

    光伏發(fā)電并網(wǎng)是國家政策支持的，也是目前世界各國解決能源危機(jī)的有效途徑之一，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)非常具有潛力的研究項(xiàng)目，同時(shí)由于其逆變電路控制實(shí)時(shí)性的要求很高，所以它也是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本文旨在對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的單相并網(wǎng)逆變電路的控制原理、軟硬件設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了一定的理論分析和研究。

   參考文獻(xiàn)：

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   范永剛（1976-）男，漢，河南義馬人，電氣工程師，現(xiàn)任河南煤業(yè)化工集團(tuán)煤氣化公司義馬氣化廠電氣車間副主任。
   
    陳 曦（1976-）男，漢，福建福州人，電氣工程師，現(xiàn)任福建東南電化股份有限公司熱電廠電氣主任。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期