基于TMS320F28027光伏并网发电模拟装置

摘要:该系统采用TI公司的DSP微控制器TMS320F280277作为光伏并网发电模拟装置的控制核心。DC-AC电路采用由控制器TMS320F28027产生的SPWM波控制的电压型全桥式电路,开关功率元件选用功率场效应管IRF3205。输入30V直流电压,经过逆变器DC-AC转换后用工频隔离变压器进行升压。系统具有最大功率点跟踪功能,输出电压的频率与模拟电网电压的正弦参考信号的频率以及相位保持一致,即具有频率跟踪和相位跟踪功能。DC-AC变换器的效率η≥80%,输出电压失真度THD≤5%。系统具有过流、欠压保护功能以及故障排除后自动恢复功能。

关键词:DC-AC MPPT频率跟踪相位跟踪

中图分类号:TM2文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-093-02

随着社会生产的日益发展,对能源的需求量在不断增长,全球范围内的能源危机也日益突出。在一些生物能源开发殆尽的同时,一些新型能源正在受到重视。其中逐步展开对太阳能的开发,一些光伏并网发电系统已经产生。但是对该系统的研制,最重要的是转变效率的高低。所以,我们可以先设计和制作模拟装置来测试某种算法以及设计的参数。

光伏并网发电模拟装置如下:

该装置核心电路有DC-AC和控制电路,下面对这二者进行方案的选择与验证。

1系统方案选择

1.1控制电路选择和控制信号生成方案

方案一:由脉宽调制集成电路来产生占空比可变的PWM脉宽调制波形.此类芯片有SG3525A、TL494等。但其产生的SPWM波频率很难实现实时调节,整体电路控制不是十分灵活,导致整个并网模拟装置很难达到题目指标要求。

方案二:由TMS320F28027产生SPWM波。其内部具有PWM波产生的功能,可以通过改变其占空比来产生SPWM波,采用电压型全桥逆变电路,控制全桥逆变电路的两对开关管交替导通。信号精确,电路简单,控制灵活。通过反馈来改变输出SPWM波的占空比,使电路保持稳定。并且能够很好的完成频率调节和相位跟踪等功能。

综上分析选用方案二。

1.2DC-AC电路设计和开关器件的选择

方案一:采用绝缘门极双极晶体管IGBT。IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,在高电压场合有很多应用。

方案二:采用功率MOSFET作为开关器件。其优点是具有很高的输入阻抗,对驱动电路要求很低,并且具有很宽的安全工作区而不会产生热点。具有很高的开关速度,在开关电源领域有广泛的应用,所以可以比较容易的完成对输出正弦波失真度的要求。

在本模拟装置中,使用MOSFET就可以满足对失真度和其他的参赛要求,所以综上分析选择方案二。

2理论分析与论证

随着经济的发展,人们对效率的要求越来越高。目前已经有多种提高光伏并网逆变器效率的方法。通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪(MPPT) ,是提高光伏发电系统的发电量、降低发电成本的有效措施。

2.1MPPT的控制方法与参数计算

如图1所示,计算消耗在负载 上的功率为:

(1)

然后,式(1)两边对要求导可得:(2)

由式(2)可得,当时,, 此时取最大值。

由于模拟光伏电池的内阻以及负载电阻变化,MPPT需要及时准确地采样当前电压Ud,与前一时刻的采样电压值比较,调节SPWM的占空比,如图1所示。而使 。

2.2同频、同相的控制方法与参数计算

采用TMS320F248027事件管理器中的捕获功能测量并网信号的频率和并网信号与输出信号的相位差,从而调节SPWM的周期,进而实现同频同相。

TIMER0的计数器记录并网信号的周期,TIMER1的计数器记录误差信号的脉冲宽度。由于TIMER0设置低频时钟32768Hz,测量的并网信号频率为32768,相位差为32768。

2.3提高效率的方法

(1)选择合适的开关频率

开关损耗是影响逆变器效率的主要因素之一。其开关损耗随着开关频率的增加而增加。所以选择合适的开关频率是提高系统效率的重要环节。但考虑到题目对失真度的要求,开关频率也不能过低。结合实际电路的多次测试,选用2.5KHz作为开关频率。

(2)选择合适的场效应管作为开关元件

开关元件的导通损耗也是不可忽略的。功率场效应管IRF3205作为开关元件,其导通电阻只有8mΩ,导通压降很低,损耗较小。而其它功率场效应管如IRF9450的导通电阻为200mΩ,IRFP450的导通电阻为400mΩ。这些场效应管均满足耐压条件,故选用IRF3205作为开关元件。

2.4滤波参数计算

根据题目对失真度的要求,选择输出滤波器的截止频率为开关频率2.5KHz的1/10,即250Hz。这样可以使开关频率中的交流分量衰减40dB以上,从而满足题目对失真度小于5%的要求。传统的RC滤波器损耗过大,使系统效率降低,故采用单极点LC低通滤波器。输出滤波器电容器的电容量为:选用两个10uF/50V电容并联。输出滤波器的电感量为:

3电路与程序设计

3.1DC-AC主回路与器件选择

如图1所示。由DSP产生的SPWM波等效于用三角波作为载波来调制一个预期得到的正弦波。Q1、Q2的通断状态互补,Q3、Q4的通断状态互补。主要器件选择如下。

开关元件的选择:由于Ud的电压在30V左右,考虑到开关管在开关的过程中,寄生电感会产生感生电势并加到开关管上。同时处于安全考虑,开关管的的耐压要为最高电源电压的1.5倍,至少为45V。同时应该在满足耐压值的条件下尽可能的减小导通电阻,减少导通损耗,以满足题目中对系统的效率的要求。所以选用功率场效应管IRF3205(VDSS = 55V,RDS(on) = 8.0mΩ,ID = 110A)。

驱动电路的选择:选用两片IR2103芯片,驱动电路见DC-AC主体电路图。内置死区设置时间为520ns,保证了系统的安全运行。省去了专门的死区时间设定电路。芯片自举二极管采用快恢复二极管IN4007,自举电容采用4.7uF。

DC-AC主体电路图

3.2控制程序

(1)SPWM控制程序

本系统的SPWM波的产生主要用TMS320F28027软件控制产生。采用等面积采样法,在正弦波的半个周期内采样32点,将对应的值转化为对应的高电平时间,由TMS320F28027产生两路相差180度的SPWM波。

由DSP的EV模块产生SPWM波的基本思想就是在初始化时将PWM周期值设定,然后定时器定时,每个周期产生一次中断,调整脉宽,从而得到不断变化的SPWM波。

在软件设计中,将TIMER0和TIMER1模块作为PWM输出口。首先建立正弦表,在一个完整正弦周期中,采样64个点,根据等面积法计算出各点的脉宽值,转换成计时步阶,供TIMER0中断子程序调用。计数器不断和TIMER0相应的寄存器中的值比较,达到设定值时产生中断,寄存器重新计时。中断服务子程序用来修改SPWM信号的占空比。

(2)同频、同相控制程序

进行同频控制时,整体思想是测量并网信号的频率,然后根据测量的频率改变TIMER0TCR的数值,从而使输出信号的频率跟踪并网信号的频率。采用TMS320F28027寄存器TIMER1TCR捕获并网信号的上升沿,并由TIMER0TIM计数器记录捕获上升沿的次数。在产生SPWM波的中断程序中,每经过1s的时间,启动一次频率测量功能,测量完毕后,重新计算TIMER0TCR寄存器的值。

进行同相控制时,在并网信号的上升沿时,启动SPWM波控制寄存器,监测K值,在并网信号的下降沿到来时,判断K值,如果K值大于32时,增大TIMER0TCR寄存器的值,如果K值小于32时,TIMER0TCR寄存器的值,如果K值等于32时,TIMER0TCR寄存器的值保持不变,并且同时将K值置为1,然后重新开始新一轮的计数。

3.3保护电路

(1)过流保护电路

要求动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A,不方便直接测量,控制器将电流取样,取样电阻设为2KΩ。后接交流有效值检测电路,将输出直流有效值给接比较器LM393的同相端,用R19,R29分压使反向端设定为1.5V输入。LM393驱动电流不够,后接三极管9013进行放大,当过流时驱动继电器完成电路的关断。电流正常时,比较器输出低电平,系统正常工作。

(2)欠压保护电路

在Ud 输入端,将R1为7.5MΩ、R2为500KΩ的两电阻串接在两端。将R2两端作为电压取样。当欠压时取样输出为1.5V,正常时为1.8V。取样电压接比较器LM311的反向输入端,调节R30的阻值,与R23分压,使Vref电压为1.8V。比较器输出端接三极管。欠压时,比较器输入高电平,驱动三极管使继电器关断。电压正常时则比较器输出低电平,系统正常工作。

4测试方案与测试结果分析

4.1测试方案

(1)测试方法

测试连接图:

4.2测试结果分析

(1)测试数据与设计指标的比较,结果如表1所示。

表1测试结果与设计指标比较

(2)相位跟踪测试产生偏差的原因

在实现相位跟踪功能时,受控制器时钟的限制以及相应的控制方法的影响,导致相位偏差。

参考文献:

[1]王彦,朱卫华.全国大学生电子设计大赛训练教程 [M]. 北京:电子工业出版社, 2005.

[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2005.