DSPIC30F4011的模擬光伏并網發電系統

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(浙江理工大學 信息學院，杭州 310018)

DSPIC30F4011的模擬光伏并網發電系統

郭婕，蘇杰，王淼，金海

(浙江理工大學 信息學院，杭州 310018)

為了滿足模擬光伏并網對于頻率相位相同的基本要求，且具有最大功率點跟蹤(MPPT)和欠壓過流保護功能，設計了以DSPIC30F4011為核心的控制系統，結合簡單的模擬電路和數字電路實現了太陽能電池的最大功率點、頻率及相位的跟蹤。逆變器采用SPWM控制方式，將直流電逆變為標準單相正弦波交流電。研究結果表明，該系統具有效率高、總諧波失真低、跟蹤性能優異和保護完善的特點。

MPPT；SPWM控制；DSPIC30F4011；頻率跟蹤；相位跟蹤

引 言

太陽能發電是傳統發電的有益補充，有光伏發電和太陽能熱發電兩種方式，其中光伏發電具有維護簡單、功率可大可小等突出優點，作為中、小型并網電源得到較廣泛應用。光伏發電系統并網的基本必要條件是，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的模擬系統，該系統具有最大功率點跟蹤(MPPT)功能、頻率和相位跟蹤功能。逆變器采用SPWM控制方式，主電路采用全橋結構將直流電逆變為與電網參考信號同頻同相的單相正弦波交流電。本研究主要難點在于對同頻同相的控制，采用運算放大器和微控制器捕獲功能相結合的辦法實現該功能。由于頻率的偏差對相位的調節有比較大的影響，所以調頻采用閉環調節方式，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。該研究中所有的調節均由DSPIC30F4011微控制器完成，速度和精確度可以達到很高。

1 原理與設計

系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

該系統用直流穩壓源US和電阻RS模擬光伏電池，US為60 V，RS為30～60 Ω；Uref為模擬電網電壓的正弦參考信號，頻率為45～55 Hz；主電路由MOSFET全橋電路、LC濾波電路構成；控制電路以DSPIC30F4011為控制核心，產生4路SPWM控制波，經過驅動芯片IR2110來驅動兩個橋臂上的4個MOSFET，通過調節SPWM信號得到所需要的正弦波。通過輸入電壓的采樣來實現最大功率點跟蹤；經電流互感器的電流采樣實現過流保護；利用相頻檢測電路對參考信號的頻率以及相位差進行采集，再經DSPIC30F4011的捕獲功能采集數據后，調節輸出SPWM波的頻率和初始相位來使逆變器的輸出與電網參考信號同頻同相。

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間的推移會累積成相位的偏差，嚴重影響同相的調節，所以采用閉環調節方式。首先并網信號經過過零比較器，產生幅值5 V的方波參考信號。再利用DSPIC30F4011的IC1捕獲模塊捕獲參考信號的上升沿，并鎖存此時定時器IC1 BUF的值，通過兩次差值計算出參考信號頻率。最后根據求得的頻率改變PWM的周期PTPER，從而實現調頻。

1.1.2 同相控制原理

同相控制時，將逆變輸出正弦波經過過零比較器轉換成方波信號，然后與并網方波參考信號一起經過異或門產生相位差參考信號，由DSPIC30F4011的IC2捕獲模塊，采用上升下降沿捕獲模式，并經過判斷區分求得方波占空比，根據占空比大小可以計算出相位差大小，從而整體移動SPWM波實現快速調相，由于存在系統延遲，每一秒進行一次相位檢測、調節。

1.2 頻率相位采集電路硬件設計

逆變產生的正弦波經過電壓互感器隔離后通過一個由LM358搭建的同相比例放大電路放大10倍后再進行整型得到方波。該方波與逆變產生的正弦波同頻率同相位，將該信號送給單片機，經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

模擬電網電壓的參考信號經過一個過零比較器得到同頻同相的方波信號。同樣用單片機的捕獲功能對頻率進行采樣。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之間的相位差，當兩者相位相同時，異或門輸出為周期沖激信號，兩者存在相位差時，輸出為帶有占空比的方波。相位差檢測電路如圖4所示。

2 實驗過程與結果

2.1 主電路結構

開關管選用TI公司的N溝道場效應管CSD18532KCS，通態電阻為3.3 mΩ，極大地減小了開通期間的導通損耗。耐壓為60 V，大于電源電壓并且留有一定的裕量，持續漏極電流ID=100 A。柵極驅動電阻設置為22 Ω，可以有效抑制尖峰電流，同時不會對開關速度造成嚴重影響。

驅動芯片的選擇：選擇IR2110，其是一種高壓高速功率MOSFET驅動器，有獨立的高端和低端輸出驅動通道，可驅動同橋臂的兩個MOSFET，保證開關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，能實現較好的濾波效果，額定負載電阻為10 Ω。主電路原理圖如圖5所示。

圖5 主電路原理圖

2.2 實驗波形

開關管的驅動波形如圖6(a)所示，圖為兩個橋臂下管的驅動波形，上管的波形與下管的互補。將波形展開后如圖6(b)所示，可以清楚地看到，在開關管導通的每個周期內，SPWM的占空比都是以正弦規律變化的。

2.3 實驗結果與討論

最終異或門輸出的相位差信號與逆變正弦波輸出如圖7所示，根據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 驅動SPWM信號

圖7 相位差及逆變波形

多次實驗測得最大相位差為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 語

[1] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2009:97-103.

[2] 林渭勛.現代電力電子技術[M].杭州:浙江大學出版社,2002:165-189.

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

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

[5] 吳玉蓉,張國琴.基于DSP控制的單相光伏并網逆變系統的設計[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功率控制系統[J].機械與電子,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逆變器的設計[J].中國電力,2016,49(S1):144-147.

[8] 焦靜靜,康明才,張蘭紅.基于DSP的1kW光伏并網逆變器設計[J].實驗室研究與探索,2017(2):87-90,101.

[9] 張安堂,張偉.一種光伏并網發電系統中的相位跟蹤技術[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的光伏并網發電模擬裝置的研究[J].太陽能學報,2013,34(8):1335-1339.

郭婕，主要從事電力電子與現代電源技術方面的研究。

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)