活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專(zhuān)題---節能增效 電力新發(fā)展

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

   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，是一項將太陽(yáng)光能轉化為電能的發(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)勢在必行。

    本系統采用的主控處理器DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。本設計利用其強大的計算能力對電網(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)的電壓電流的參數進(jìn)行比較并作出調整，從而實(shí)現送電上網(wǎng)。DSP芯片還可以方便地實(shí)現數字濾波功能，使外圍電路大大減少，既節省了成本，又提高了可靠性，加強了人機互動(dòng)性。

   1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統的工作原理

    光伏發(fā)電并網(wǎng)系統，即通過(guò)太陽(yáng)能電池（光伏電池）將太陽(yáng)光能轉化為不穩定的直流電，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載或并入電網(wǎng)。發(fā)電并網(wǎng)系統主要包括太陽(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具體情況而定。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統簡(jiǎn)要框圖如圖1所示。
     
                 
                                   圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統簡(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逆變而來(lái)的交流電進(jìn)行隔離，可以實(shí)現升壓、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)系統中最重要的部分，它的設計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 硬件設計

   2.1 DSP芯片TMS320F28016簡(jiǎn)介

   本設計采用美國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，低功耗設計（1.8V-CPU核心，3.3V-I/O口），不僅具備32位DSP性能，而且實(shí)現了與MCU相似的外設集成，是集成CAN通信接口的最低成本數字信號控制器，支持JTAG邊界掃描，片上集成了16通道的12位模數轉換器（ADC）、267ns高速AD轉換、片內存儲器16K×16 FLASH、6K×16 SARAM、片內振蕩器、看門(mén)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計時(shí)器、16 路獨立的脈寬調制（PWM）輸出通道，可方便實(shí)現完整的系統集成控制功能。通信接口包括CAN、I2C、UART以及SPI端口等。

   2.2 控制電路的設計
     
                   
                                  圖3 控制結構框圖  

    其中：AD—模數轉換；SCIA — 串行通信接口；CAN — CAN總線(xiàn)；GPIO —通用I/O口

   圖3是光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的控制結構框圖，由圖3可知本研究是以DSP芯片為核心，由電流電壓采樣、線(xiàn)路測溫、按鍵信號以及以單片機STC89C516RD+為中心的液晶顯示小系統共同組成。在信號送入DSP芯片方面，電流電壓采樣、線(xiàn)路測溫、按鍵模塊通過(guò)DSP芯片的A/D引腳將信號輸入，它們都是先將外部信號通過(guò)硬件電路轉化為電壓信號，再經(jīng)由DSP芯片內部的A/D轉換器變?yōu)閿底中盘?，使DSP芯片對外部負載運行情況能實(shí)時(shí)檢測控制。利用DSP芯片的外設CAN總線(xiàn)可以將多個(gè)光伏發(fā)電系統聯(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)電系統之間實(shí)現信息共享。在DSP芯片發(fā)出命令方面，DSP芯片從其多達35個(gè)的GPIO口送出命令，發(fā)出指令信號對裝置整體進(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STC89C516RD+、上位機共同構成一個(gè)環(huán)形通信系統，對相關(guān)數據的液晶顯示、上傳總機進(jìn)行控制。

   2.3 逆變電路的設計

   逆變器的設計是光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究的重要部分之一，它設計的成功與否直接影響著(zhù)并網(wǎng)能否成功。針對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統自身的特點(diǎn)，本系統逆變電路的設計有如下要求 ：（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范圍；（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統中，逆變電源的輸出應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具有驅動(dòng)方便、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但導通后呈現電阻性質(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80年代出現的絕緣柵雙極型晶體管IGBT是把MOSFET與GTR復合形成，除具有MOSFET的電壓型驅動(dòng)、驅動(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應用上的種種優(yōu)越性，本系統的逆變器的開(kāi)關(guān)器件選用IGBT。

   3 軟件設計

    由于DSP芯片TMS320F28016的Flash僅有16K×16，為了達到響應時(shí)間盡量短的要求，DSP芯片的程序設計選擇使用匯編語(yǔ)言實(shí)現。本系統軟件程序主要由基于DSP的主控單元和利用單片機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)入兩種不同的系統初始化狀態(tài)。當狀態(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；當狀態(tài)判斷為故障時(shí)，進(jìn)入初始化狀態(tài)2，即針對故障初始化相應的功能模塊。然后一旦遇到中斷，經(jīng)過(guò)控制命令巡檢后，通過(guò)對采集而來(lái)的參數進(jìn)行計算和與預設值對比，發(fā)出中斷以實(shí)現系統功能和故障保護。

    單片機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)行完數據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求與否，在進(jìn)行發(fā)送或接受請求的甄別后，進(jìn)行數據的發(fā)送或接受、校驗。

    4 結語(yǔ)

    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的有效途徑之一，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)系統是一個(gè)非常具有潛力的研究項目，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)具有挑戰性的研究課題。本文旨在對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統中的單相并網(wǎng)逆變電路的控制原理、軟硬件設計等問(wèn)題進(jìn)行了一定的理論分析和研究。

   參考文獻：

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

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

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期