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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(yáng)能發(fā)電，是一項(xiàng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。目前我國(guó)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(lái)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(guò)太陽(yáng)能電池（光伏電池）將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過(guò)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(yáng)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(jiǎn)要框圖如圖1所示。
     
                 
                                   圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖  

   太陽(yáng)能電池陣列是由太陽(yáng)能電池組合而成的太陽(yáng)能電池板排列在一起形成的，為的是盡可能多的吸收太陽(yáng)光能。蓄電池的作用主要是在太陽(yáng)光能消失時(shí)，例如陰天、雨天等，暫時(shí)代替太陽(yáng)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(lái)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(jiǎn)介

   本設(shè)計(jì)采用美國(guó)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(cè)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(cè)溫、按鍵模塊通過(guò)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(guò)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(cè)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(lái)，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(cè)。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(guò)于開(kāi)關(guān)器件，目前常有的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(yǔ)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(guò)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(guò)控制命令巡檢后，通過(guò)對(duì)采集而來(lái)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(guò)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(yǔ)

    光伏發(fā)電并網(wǎng)是國(guó)家政策支持的，也是目前世界各國(guó)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(wèn)題進(jìn)行了一定的理論分析和研究。

   參考文獻(xiàn)：

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    [4] 王兆安等.電力電子技術(shù)（第4版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

   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