基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置.doc

1题目：基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置学校：东南大学指导教师：胡仁杰（教授）参赛队成员名单（含个人教育简历）：仲浩、研究生、东南大学刘千杰、研究生、东南大学谢倩、研究生、东南大学2基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置摘要：本系统由SPWM信号的产生、逆变回路及其控制、欠压过流保护、键盘和显示等部分组成。选择DSPTMS320F28027芯片产生SPWM信号；逆变器主回路是由功率场效应晶体管构成的全桥逆变电路，其控制部分采用基于DSP控制的最大功率跟踪和输出电流跟踪控制策略，使逆变输出电流与参考信号同频同相；并从软硬件两方面进行输入欠压、输出过流保护，增强系统的稳定性和可靠性。对系统的转换效率、畸变率等各项指标的测试结果表明，本光伏并网模拟装置是比较稳定可靠的。关键词：光伏并网模拟装置、最大功率跟踪、频率相位跟踪、F28027Rid-connectedPphotovoltaicSimulatorbasedonTMS320F28027Abstract：ThesystemincludesmodulesofgeneratingSPWMsignals,invertercircuitanditscontroltactic,undervoltageandovercurrentprotection,keyboardanddisplay.DSPTMS320F28027isusedtogenerateSPWMsignals.TheinvertercomposedofMOSFETisoffull-bridgeconstructionandthemaximumpowerpointtrackingandcurrenttrackingstrategybasedonDSPisappliedtothecontrollerofit,makingthefrequencyandphaseoftheexportcurrentthesameasthereferencesignal.Protectionisrealizedbymeansofhardwareandsoftware,whichimprovesthestabilityandreliabilityoftheentiresystem.Theresultofthetestsincludingindexessuchasconversionefficiencyandaberrationrateshowsthestabilityandreliabilityofthisgrid-connectedphotovoltaicsimulator.Keywords：grid-connectedphotovoltaicsimulator；maximumpowerpointtracking；frequencyandphasetracking；F280273目录1引言.12系统指标分析.13系统方案.23.1总体方案.23.2正弦波信号产生方案.23.3MPPT跟踪原理及提高效率方案.33.4频率和相位跟踪方案.43.5过流和欠压保护方案.43.6驱动及逆变主回路方案.44理论分析与计算.54.1SPWM相关分析与参数计算.54.2电压电流数据的分析与算法.64.3MPPT算法分析.74.4频率相位跟踪分析与参数计算.84.5滤波电路的分析与参数计算.94.6FFT变换及THD计算.105系统硬件设计.135.1逆变主电路及DSP最小系统.135.2驱动及其保护电路.145.3频率和相位检测电路.145.4电源管理电路.155.5电压和电流相关检测电路.176系统软件设计.186.1软件总体方案.186.2SPWM产生程序.196.3MPPT程序.206.4频率相位跟踪程序.216.5系统保护及自恢复程序.226.6DIT-FFT变换程序.227系统关键技术及创新.238测试方案及结果分析.248.1测试方案及测试条件.248.2测试结果及其完整性.248.3测试结果分析.26结论.27参考文献.28附录.2911引言本设计选择A题，根据题目要求需设计光伏并网模拟发电装置，可以对给定的光伏模拟电源实施最大功率跟踪，以达到高效传输电能的目的。还需对给定的正弦波进行实时的频率和相位跟踪。为了保护系统的稳定可靠运行，还应增加相应的保护功能。随着当今能源的消耗日益剧增和传统能源的日趋减少，以及使用传统能源所带来的一系列相关问题逐渐增加，如环境污染、温室效应等诸多问题，对于开发新能源的需求越来越大1。当今各国都在致力于新能源的开发，如原子能、风能、太阳能等，在最近十年的发展中，太阳能得到了迅速发展。目前作为基础设施的电力行业正在努力利用太阳能，为电力的发展注入新的生机与活力。光伏并网发电已经成为时代的潮流和制约太阳能应用的关键技术2，本设计主要对光伏并网发电中的一些技术做了相关研究，并使用DSPF28027设计完成了光伏并网模拟装置。本设计主要实现了模拟光伏电源由直流转换为单相交流电源的功能，具有最大功率点跟踪功能和频率相位跟踪功能，另外增加了相关的保护和显示功能。本模拟装置可以在一些高校和科研院所作为实验装置，以作相关参考。它还可以为进一步研究光伏并网提供一个良好的平台，对于研发光伏并网应用装置和产品有着重要的借鉴意义。2系统指标分析本设计除了失真度（THD）未达到发挥部分要求之外，其它都达到了该题目要求的基本指标和发挥部分指标，并在此基础上进行了扩展。本设计不仅可以实现单相光伏并网模拟的要求，还可以在一定情况下实现装置的自检测。现将题目的要求指标（包括基本要求指标和发挥部分指标）和本设计所达到的各项指标在表2.1中进行比较。表2.1系统各项指标对照表项目项目基本指标发挥部分指标本设计达到指标MPPT时间1s1s1s相对误差1%1%0.9%频率时间1s1s1s相对误差1%1%0.2%相位时间无1s1s相对偏差（绝对值）无5°1.6°效率60%80%90%失真度THD5%1%2%保护输入电压Ud（th）=（25±0.5）V25±0.1V输出电流Io（th）=（1.5±0.2）A1.5±0.2A自恢复功能无有有2其他人机接口（键盘和液晶显示）；THD计算及其显示注：表2.1中“本设计达到指标”一栏内均是在题目所要求的测试条件下，并充分考虑了实时性的情况下测得。3系统方案3.1总体方案本光伏并网模拟装置的总体方案采用TI公司的TMS320F28027开发平台，采集输入端的电压和电流，运用合适的最大功率点跟踪（MPPT）算法，实现对功率的实时跟踪功能，满足设计要求。在控制逆变电路时，采集给定信号和输出反馈电压信号，实现对给定信号频率的跟踪。对于相位差则将给定信号与输出反馈信号做比较得到相位差，并且判断输出相位是超前还是滞后，从而给出较准确的控制策略。为了消除逆变器输出波形中的高次谐波，在其输出后增加了滤波电路。为了保证装置的安全性和可靠性，又设计了输入欠压保护和输出过流保护电路。另外，增加了键盘和LCD显示功能，使本装置的相关性能测试和操作更加人性化。其结构框图如图3.1。模拟光伏电源逆变器滤波电路隔离变压器负载电压检测输出电流检测TZA/DEPWMSCIXINT1XINT2XINT3驱动电路iUiIfuoi输入电压电流检测1ouLCD显示键盘F28027信号调理正弦参考信号uref图3.1系统结构框图此方案的优点是能够充分的利用DSPF28027的集成外设资源，并且其最大时钟频率为60MHz，能够满足算法对速度的要求。其集成的A/D为12位，精度较高。此外价格相对于F2407和F2812等产品较低，所以性价比较高，对于设计本并网模拟装置比较合适。并且F28027内部有着丰富的外设资源，具有TZ功能，使得在做SPWM的硬件和软件保护时更加方便，避免使用专用的具有硬件保护的MOSFET驱动芯片，合理利用了F28027的内部资源，提高了装置的资源利用率，降低了成本。3.2正弦波信号产生方案目前对于利用PWM产生正弦波，产生了多种高效可行的技术方法，如正弦波脉宽调制（SPWM）、消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）、电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）等3-5，考虑到本装置是单相正弦逆变，所以采用SPWM或CHBPWM技术比较合适，但3由于CHBPWM技术在实际应用中需要大量高效快速的运算，而SPWM则不需要，所以对于本设计而言，选用SPWM技术生成正弦波是比较合理的。本文采用正弦脉宽调制(SPWM)作为逆变电路的控制策略。为便于软件实现和死区时间的生成，本系统采用的正弦脉宽单极性调制方式（原理图如图2.2所示）如下：图中uc表示载波，ur表示调制波。图3.2单极性SPWM调制原理图在实现SPWM过程中，工程上常使用的方法为自然采样法和规则采样法，本设计中用到的F28027的EPWM模块中的TB可以实现增减计数，所以能完成对称PWM波形的输出，因此选用规则采样法（如图3.3所示）。而规则采样法通常又有两种。规则采样法：在三角波的正峰时刻tC对正弦信号波采样得C点，过C作水平直线和三角波分别交于A、B点，得脉宽为t2的PWM波。但是如果t2偏窄时会出现误差过大的现象。规则采样法：在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断。脉冲宽度t2和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。综合上面的对比分析，选择规则采样法。图3.3规则采样法原理图3.3MPPT跟踪原理及提高效率方案光伏发电逆变的主要性能之一是效率。传统的太阳能光伏发电并网装置多采用两级电路形式，前级DC-DC电路运行中存在多个能量变换过程，能量交换发生在电场能和磁4场能的不同能量形式之间，储能元件电容器和电感器在多次变换时存在多个功率损耗，阻碍逆变效率的提高。如果剔除DC-DC变换电路，直接将光伏电池组件连接到逆变电路作正弦波调制输出，有利于提高逆变器的最大效率以及效率带技术指标，并可提高逆变器的可靠性和减小逆变器生产成本5-7。考虑到本模拟装置的一些要求，选用单级逆变电路拓扑结构，以简化电路的设计与控制。在MPPT跟踪算法上，由于常见的扰动法（即爬山法）在最大功率点附近会不断摆动，在一定程度上增加了系统的能耗。经查阅相关文献及研究，使用了电导增量法，并针对本模拟装置的特殊性做了一些改进，具体算法将在MPPT算法分析中进行阐述。需要采集的变量主要是输入电压和电流。3.4频率和相位跟踪方案在光伏并网过程中，频率和相位的跟踪是一个比较关键的技术环节8。在本设计中考虑到软硬件资源的合理高效配合，使用了F28027的两个外部中断资源，输出波形经信号调理后的波形如图3.4中的Uf所示，输入波形经调理后的波形如图3.4中Ure所示。在外部中断中使用上升沿触发方式，然后借助timer0对输入和输出波形的周期进行测定，即可准确计算出各波形的频率。至于超前滞后以及相位差的测定则在中断服务程序中通过将每次测定的时间值存入相应的变量中，两个相比较即可求出结果。图3.4待检测波形3.5过流和欠压保护方案为了使系统运行稳定可靠，并根据相关设计要求，增加了过流和欠压保护。介于保护的速动性要求，在硬件上设计相关的保护电路，并通过软件算法的优化提高保护动作的准确性。硬件上主要是将调理好的信号经过比较器LM393与相关的临界值进行比较，比较后的结果送至TZ，以控制SPWM的输出或禁止。软件主要通过采集输出电流和输入电压的值来计算输出电流的有效值和输入电压的平均值判断保护动作响应与否，对于采集数据的处理采用了一定的算法，具体见理论分析与计算中的相关阐述。3.6驱动及逆变主回路方案对于系统的主回路而言，本装置模拟的是单相光伏并网，所以使用常规的单相全桥（H桥）电路即可，主要在于器件的选择和MOSFET触发端的电路设计上。在电路设计时对MOSFET的G极做了一定的硬件处理，使其能够快速关断，在软件设计上则为了防止出现直通现象，加了死区控制9。UrefUfDelta5本装置为并网模拟装置，所以从功率角度划分，应属于小型电力电子装置，所以选用MOSFET作为逆变的开关器件比较合适。对于MOSFET的驱动，常用的方案主要有以下几个：(1)栅源浮动电源驱动，每个MOSFET高压侧需要一个隔离电源，电平转换电路错综复杂。(2)变压器隔离驱动，虽然简单便宜，但运用于宽占空比范围时，技术复杂，且在频率下降时，变压器尺寸显著增加。(3)自举电路，简单便宜但具有与变压器隔离驱动相同的缺点，即占空比与开通时间都受自举电容刷新的限制。(4)集成电路驱动，使电路省去了繁杂的独立元件，且功能齐全，有很好的驱动及控制性能。鉴于以上几种方案，考虑电路设计的简洁性和便于软件控制性，使用IR2110MOSFET驱动芯片。IR2110相对于相关的芯片而言，控制比较简便，所需的辅助电源少，性价比较高。F28027输出的PWM信号经过高速光电耦合器输出，这样既达到了保护F28027又增强系统的抗干扰能力。4理论分析与计算4.1SPWM相关分析与参数计算由于本装置是要模拟并网的，所以频率波动范围比较小，一般在45-55Hz之间。因此在SPWM调制方式上可以选择同步调制，即载波比N（计算公式如公式（4.1）所示）为常数，变频时三角波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。对于单相逆变的光伏并网系统，载波比N可以不为3的倍数。考虑到相位跟踪是通过调整产生SPWM信号正弦波离散值发生的时刻而实现的，为了使相位差控制在1度以内，每个周期所取的点数应该不少于180个（即N>=180）。但开关频率提高开关损耗就会上升，所以开关频率不能太高。综合以上两点，本设计取N=400。这样理论上可以实现的相位跟踪精度为0.45度（50HZ）。远小于指标中的5度。/crNff（4.1）cf载波频率；rf调制波频率单相逆变光伏系统主电路中含有4个MOSFET，因此需要4路控制信号来分别控制。有的设计方案中利用同一信号来控制同时导通的两个管子，这样实际上只需要2路控制信号。在试验中发现，这种方法会产生比较严重交越失真。其原因是同时导通的两个管子在同一信号的作用下不能同时导通（每个管子导通及关断时间长度不一样），特别是占空比比较小的时候更加明显。为了克服交越失真，要让每次同时导通的两个管子中的一个一直导通，另一个接受SPWM信号控制。这样只需要2路SPWM信号和2路频率较低的控制信号。2路SPWM信号是由EPWM1产生，2路控制信号由普通I/O口产生。程序中定义一个EPWM1中断次数统计全局变量EPwmTimerIntCount。此变量值代表SPWM信号正弦波离散点序号，因为每个周期都有400个点，所以当计数到400时，让其清零。在0和200时做相应操作来完成换向，并在换向时加上一段死区时间。每个离散点所对应的低电平时间可查询数组spwm得到。spwm中的数据可由式(4.2)得到。1_*(1(sin(*/200)*)spwmnEPWMTIMERTBPRDfabsPInm（4.2）6其中EPWM1_TIMER_TBPRD为周期寄存器所对应的数值，m为调制比。每次周期及调制比m变化时，都需要重新计算spwmn。在每次匹配中断发生时，执行EPwmTimerIntCount+，且更新下一周期的占空比。为了产生对称的SPWM信号，EPWM1计数器配置为增减模。那么，此时的SPWM周期为：(EPWM1_TIMER_TBPRD*2*400)/60000000。例如要产生50HZ的正弦波，EPWM1_TIMER_TBPRD要为1500。由于需要时刻跟踪电网的频率及相位，EPWM1_TIMER_TBPRD的数值可由检测到的电网频率经简单的计算确定。相位的调整可通过操作变量EPwmTimerIntCount超前或滞后来完成。4.2电压电流数据的分析与算法本设计需要实时检测输入电压、输入电流和输出电流的大小。F28027含有12位的A/D转换器，精度比较的高，分辨率为：3.3V/4096=0.8mV。由于开关器件等强干扰源的存在，A/D转换的数值会不停的变动。尽管在硬件上做了一些工作（加了许多滤波环节），A/D转换的数值仍在变动。虽然变动范围很小（在2mV以内），但也会影响一些算法的效果，需要在软件对数据处理。A/D转换是由EPWM触发的，所以每个SPWM周期，采400次数据。由于本设计滞后性比较的强，不需要快速的A/D转换结果，所以把400次的输入电流和输入电压的A/D转换结果平均处理，这样大大提高了A/D转换精度。利用精密电阻分压，把输入的大电压转换成基准电压范围内的小电压加以测量。最后通过函数关系准确的计算出输入电压的数值。为了能够得到函数关系，做了大量的实验，最后利用MATLAB做了相关数据处理，求出了输入电压值与测得的A/D转换数值之间的线性关系。如图4.1所示，其中绿色的直线是拟合得到的，而“*”则是实际的测量值。由图可以看出，求出的拟合值与实际值是非常接近的，完全满足本设计对电压测量精度的要求。通过MATLAB拟合求得A/D采集值与输入电压的函数关系：_0.0213.3797()iisignalUUV（4.3）其中_isignalU表示AD采集的值，而iU则表示是电压值。图4.1输入电压函数曲线利用电流传感器ACS712把输入电流转化成相应的电压值，再通过DSP的A/D转换及函数关系算出电流大小。ACS712的电源电压不是双极性时，其基准值为电源电压的一半，本设计中ACS712电源电压为5V，所以基准值为2.5V。流入芯片的电流为正时，输出电压从2.5V往下减小，输入电压越大，输出电压减小的越多直到零为止。反之，输出电压从2.5V往上增加，增到5V为止。本设计把ACS712输出的电压放大3.3倍，使其有610mV/A的转化精度。输入电流是直流即单向的，为了提高系统的安全性，把输入电流正向接入，使电流升高时，电压下