基于TMS320F2808光伏并网发电模拟装置.doc

基于TMS320F2808光伏并网发电模拟装置摘要：本系统涉及三大关键技术：全桥驱动电路、H桥功率变换电路、低通滤波器。系统以全桥驱动电路为核心，以TMS320F2808数字信号控制器为主控制器和SPWM信号发生器。根据输出电压采样值，调整SPWM信号幅度，实现最大功率点跟踪。根据鉴相器得到的输出信号和参考信号的频率信息和相位信息，对SPWM信号做出调整，实现频率跟踪和相位跟踪。关键词全桥驱动H桥功率变换变频低通滤波器TMS320F2808SPWMGridsimulatorbasedonTMS320F2808Abstract：Thesystemcontainsthreekeytechnology:fullbridgedrivingcircuit、Hbridgepowerconvertercircuitandvariablelowpassfilter.ThecoreofthesystemisthefullbridgecircuitandthemaincontrolleristheTMS320F2808.ThemagnitudeofSPWMisadjustedbasedontheoutputvoltagesampling,sothattheoutputpowerkeepbeingthelargest.Theoutputfrequencyisfollowingthereferencefrequencybasedfrequencyinformationandphaseinformationfromphasedetector.KeyWordsfullbridgedrivingHbridgevariablelowpassfilterTMS320F2808SPWM1.引言我们的题目是设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，将模拟光伏电池发出的直流电转化为与电网模拟参考信号同频同相的交流电而实现模拟并网。尽管寻找新能源的工作已经有悠久的历史了，但是能源的日益短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在这个过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。光伏发电以其能源清洁性、资源的充足性及潜在的经济性等优势，在世界范围内受到高度重视。随着造价日益降低，其应用越来越广泛。在工业控制领域，外设丰富，性能强大的通用控制处理器已经成为主流。TI公司生产的c2000系列DSP便是其中的典型代表，本系统采用TMS320F2808作为主处理器，完成平台的各项处理功能。2.系统指标本设计达到了该题目要求的所有基本指标和的发挥部分指标，并在此基础上进行了扩展。其测试记录如表2.1。表2.1光伏并网发电模拟装置测试记录类型序号项目与指标测试记录基本要求(1)最大功率点跟踪功能RL=30时，测量RS=30和RS=36时的Ud，分别记为Ud1和Ud2US=60.0VUd1=29.8V，Ud2=29.8VRS=30时，测量RL=30和RL=36时的Ud，分别记为Ud1和Ud2US=60.0VUd1=29.8V，Ud2=29.8V(2)频率跟踪功能：RS=RL=30时，测量不同fREF下的fFfREF=45HzfF=44.75HzfREF=50HzfF=50.30HzfREF=55HzfF=55.25Hz(3)RS=RL=30时，测量效率：60%满分，每降低1%扣1分Uo1=29.4VIo1=0.86AUd=29.9VId=0.95A=82.9%(4)RS=RL=30时，测量uo的失真度：THD5%满分，每增加1%扣1分THD=0.77%(5)欠压保护欠压保护功能（有）；动作电压Ud（th）=24.9V(6)过流保护功能过流保护功能（有）；动作电流Io（th）=1.45A工艺基本要求总分发挥部分(1)80%满分，每降低1%扣0.5分=82.9%(2)THD1%满分，每增加1%扣1分THD=0.77%(3)相位跟踪功能：RS=RL=30时，测uF与uREF的相位差测量不同fREF下的REF45Hzf：1=(<3°)REF50Hzf：2=(<3°)REF55Hzf：3=(<3°)测量容性负载下的REF45Hzf：1=(<3°)REF50Hzf：2=(<3°)REF55Hzf：3=(<3°)(4)自动恢复功能有(5)其他参数显示，异常报警3.系统方案3.1方案论证由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，故光伏并网发电模拟装置主要是完成DC-AC逆变。1)逆变方案方案一：电压型逆变电路。以大容量电容为储能元件，直流电源电压稳定，输出电压为矩形波或阶梯波，电流波形根据负载电阻，电感，电容属性而有所不同。方案二：电流型逆变电路。直流电源输出端串接大容量电感，电源输出电流稳定。输出交流电流为矩形波或阶梯波，电压波形近似为正弦波。方案三：正弦脉冲宽度调制（SPWM）逆变电路。利用脉冲宽度调制技术，以多个脉冲对应一个周期的交流波形，且按正弦规律控制每个脉冲的宽度，可使负载得到相当接近正弦波的输出电压和电流。方案比较：一方面由于方案三输出是正弦波，可以减小谐波分量，另一方面其采用开关电源技术，功率因数高，因此本系统采用方案三。SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现。因此SPWM信号的产生决定了整个系统的组成。SPWM信号产生有以下三种方案。2)SPWM方案方案一：采用分立元件搭建三角波产生电路，正弦波产生电路，通过比较器比较产生正弦脉宽调制信号，通过逆变电路，完成功率放大，实现逆变。方案二：采用专用集成SPWM芯片，产生SPWM信号，通过逆变电路，实现逆变。方案三：采用软件产生SPWM信号，经逆变电路，实现逆变。方案比较：方案一模块明确，分立元件成本低，但是电路设计复杂，并且不方便对逆变器的控制，调试时间长。方案二电路简单，易于控制，但是需要控制电路的设计，增加了系统的成本。方案三硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。综合考虑成本及效率问题，本系统选用方案三。系统总体框图如图3.1所示。本系统采用软件产生SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现，实现逆变。处理器采用数字信号控制器（DSC）TMS320F2808，用软件实现正弦脉宽调制（SPWM）。根据脉宽调制原理，软件计数产生高频三角波，与缓变的正弦波数据进行比较，当计数值大于正弦波数值时，输出高电平，当计数值小于正弦波数值时，输出低电平，从而产生SPWM信号。SPWM信号通过浮栅驱动器IR2010驱动MOS管(IRFB23N15D)全桥，实现功率放大，由低通滤波器滤出功率正弦波，即完成了DC-AC逆变。通过PID算法调节输出脉冲宽度可以改变输出电压的幅值，调节调制信号频率可以改变输出电压的频率，实现了对逆变的控制。其中TMS320F2808的EPWM模块用来产生SPWM信号；ECAP模块用来接收逆变后正弦信号的频率信息以及其和参考正弦信号之间的相位差；ADC模块用来采样直流源Ud和uf的有效值进行欠压和过流检测；GPIO模块可以和LCD和按键接口实现人机交互。Tn1n2RLioio1uouo1LC滤波器DC-ACH电桥TMS320F2808DSC有效值检测电路鉴相器电压检测电路IR2010开关驱动器USRSIdUdufn3SPWM过流关断开启EPWMADCECAPADCGPIOLCD按键UdUref图3.1系统总体框图3.2SPWM产生算法tttPWM1PWM2图3.2SPWM产生示意图为了驱动后级H桥电路，SPWM采用双节性调制方法，如图3.2所示。通过缓变的正弦和高频锯齿波比较产生一对互补对称的SPWM波，然后送往后级电路。正弦波数据可以直接由F2808的BOOTROM的正弦表查出，三角波的载波频率可以通过设置F2808的EPWM模块的周期寄存器（TBPRD）来实现，在每个三角波周期结束将新的正弦数据置入计数比较器（CMPA），并采用增减计数和互补模式产生对称的PWM波形，这样可以方便正弦信号的调整和提高电路的效率。本系统中采用F2808的EPWM4通道产生一对互补对称的SPWM信号。3.3MPPT的控制方法图3.1中的电压检测模块用来实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，由F2808的AD采样输入电压Ud，与最大功率点（30V）进行比较，采用PI算法进行调节。当Ud大于30V时，减小SPWM调制信号的幅度，当Ud小于30V时增大SPWM调制信号的幅度，从而使实现最大功率点跟踪功能。积分环节，I比例环节，P输入电压UduPuI30Vu(t)c(t)e(t)图3.3PI控制器的原理框图PI控制器的原理框图如3.2所示。PI控制算法采用增量式PI控制算法，它的目标输入量是输入电压Ud的幅值为30V时的AD输入，实际输入量是输入的电压Ud的AD输入，它们之间的相减得到偏差信号e（t），然后用PI算式（式3-1）得到控制量的偏差，最后将控制量转换为SPWM的控制数据，使整个系统成为一个闭环系统，实现对SPWM的控制。()()(1)()(1)()ukPekIekukukuk（式3-1）其中：)(ku表示控制量，k表示时间；)(ku表示两次控制量的偏差；)(ke表示目标输入和实际输入偏差，k表示时间；P表示比例系数；I表示积分系数。比例系数P加大，可以使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。P太大时，系统会趋于不稳定。P太小，又会使系统的动作缓慢。积分系数I使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。因此实际中根据具体的数据不断调节比例系数P和积分系数I，使系统达到要求的指标。3.4同频同相的控制方法tttUrefufCAPin图3.4频率相位信息图鉴相器模块可实现同频同相的控制。同频同相的控制方法如图3.3所示，鉴相器通过硬件电路将反馈信号uf和参考信号Uref的频率和相位信息通过矩形脉冲的形式反映出来，然后送往F2808的捕捉单元模块（ECAP），ECAP对上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的时间进行计数，上升沿和下降沿的时间差就是uf和Uref的相位差，上升沿到上升沿的时间就是uf的频率信息，然后通过软件不断的改变SPWM步长与累加器的数值，便可实现频率跟踪，通过对SPWM输出起始地址不断进行修正，实现相位跟踪。3.5提高效率的方法1）选用合适的MOS管，其中MOSFET选用IR的IRFB23N15D，它具有较低的栅漏极电流，可以有效的减小开关损耗。2）使用较低的开关频率，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带来损耗，使用可以满足DCAC逆变需求的尽可能低的PWM频率，本系统采用12.8KHz，可以有效降低开关管和滤波电感的损耗，3）本系统采用铁硅铝磁芯制作的电感，铁硅铝磁芯是一种高频损耗较低的磁性材料用它做滤波电感可以降低系统的损耗。4）本设计使用了低损耗的0.35mm硅钢片的C型变压器。变压器的损耗包含铜损和铁损，采用电流密度较低的绕组可以降低变压器的铜损，而是用较薄硅钢片的变压器可以降低铁损，从而降低了变压器损耗。3.6滤波参数计算LCRSPWM图3.5频率相位信息图经过H桥后的SPWM信号含有大量的高频谐波，一般采用LC滤波器滤除输出电压中的高频谐波成分，从而可以降低输出电压的总谐波失真（TotalHarmonicDistortion,THD）。有用信号频率为45Hz55Hz。为使有用信号输出衰减小，需使滤波器在低频时输出幅度衰减极小，采用LC型滤波器，其3dB带宽频率为LCf2533.1，选截止频率为2KHz，得810529.1。由于LC的参数计算复杂并且准确度低，所以决定采用软件模拟的方法来选择电感和电容的参数，模拟软件用NI公司的Multisim，最后实际选择L=1.6mH，C=9.4uF。4.系统硬件设计4.1处理器模块以TMS320F2808作为核心的小系统板，加上外围的LCD及键盘等人机交互设备组成了处理器模块。其中处理器板主要将所有引脚引出，并通过接口和扩展板进行通信。一扩展板扩展板主要实现了对处理器子板的供电和各种接口和功能的扩展其中包括±12V和5V的电源接口，LCD接口，4×4按键管理，双路ADC/DAC接口，UART接口，PWM接口，GPIO接口，蜂鸣器，等扩展接口。处理器需要用到的外设有5V的电源供电，LCD接口，按键管理，UART接口及蜂鸣器。1)电源外部±12V和+5V为系统板供电。使用LM1117电压转化芯片把5V电压转换为3.3V为LCD、蜂鸣器、键盘和与PC机串行通信接口芯片部分电路供电。2)液晶显示LCD选择低功耗HS12864-12，控制芯片st7920；显示格式：128点（行）X64点（列）；工作电压3.3V；8位并行数据传输；内部自建振荡源；具有加电复位功能。3)16键键盘采用4×4键盘形式，可采用中断方式或按键扫描方式获取键值。4)UART采用电平转换芯片SP3232后可以实现处理器和PC机通信。5)蜂鸣器采用三极管驱动蜂鸣器。二、处理器小系统板1）电源扩展板上的5V电源可以为处理器板提供所有供电，然后通过电源管理芯片TPS70151来为处理器TMS320F2808提供1.8V的核电压和3.3V的I/O电压，处理器上的模拟电源供电直接由数字电源部分滤波得到（如图2.1）。TPS70151的通道一最大提供500mA的电流，通道二提供最大250mA的电流，而TMS320F2808全速工作时两个电压均不超过250mA，所以可以满足供电要求，并且TPS70151电路提供了F2808需要的上电顺序和复位信号。NC1VIN12VIN13MR14MR25EN6SEQ7GND8VIN29VIN210NC11VOUT212VOUT213VSENSE2/FB214RESET15PG116VSENSE1/FB117VOUT118VOUT119NC202121U1TPS70151GNDVCC0.1uFC30.1uFC710uFC110uFC5250KR1VDD33VCC18RESETL1FerriteBeadAVDD33L2FerriteBeadAVDD18S110uFC210uFC6AGNDNCBLM31PG391SN1BLM31PG391SN1图4.1F2808的电源管理电路2）主处理器如图2.2，主处理器TMS320F2808采用外部20MHz无源晶振作为时钟产生电路，并通过JTAG接口电路实现与仿真器的接口设计。所有GPIO和ADC输入引脚通过接插件引出，从而方便电路的设计和调试。GPIO和外部电路连接实现以下功能：EPWM产生、ECAP、LCD控制、按键扫描、以及GPIO等等。通过跳线编程F2808的GPIO18、GPIO29、GPIO34引脚可以实现设备引导模式的选择。TRST84TCK75TMS74TDI73TDO76EMU080EMU181XCLKOUT66XCLKIN90X188X286XRS78TEST1(NC)97TEST2(NC)98ADCINA023ADCINA122ADCINA221ADCINA320ADCINA419ADCINA518ADCINA617ADCINA716ADCINB027ADCINB128ADCINB229ADCINB330ADCINB431ADCINB532ADCINB633ADCINB734ADCLO24ADCRESEXT38ADCREFIN35ADCREFP37ADCREFM36VDD3VFL96VDDA215VSSA214VDDAIO26VSSAIO25VDD1A1812VSS1AGND13VDD2A1840VSS2AGND39VDD10VDD42VDD59VDD68VDD85VDD93VDDIO3VDDIO46VDDIO65VDDIO82VSS11VSS41VSS49VSS55VSS62VSS69VSS77VSS87VSS89VSS94VSS2GPIO0/EPWM1A47GPIO1/EPWM1B44GPIO2/EPWM2A45GPIO3/EPWM2B48GPIO4/EPWM3A51GPIO5/EPWM3B53GPIO6/EPWM4A56GPIO7/EPWM4B58GPIO860GPIO961GPIO1064GPIO1170GPIO121GPIO1395GPIO148GPIO159GPIO1650GPIO1752GPIO18/BMS054GPIO1957GPIO2063GPIO2167GPIO2271GPIO2372GPIO24/ECAP183GPIO25/ECAP291GPIO26/ECAP399GPIO27/ECAP479GPIO28/SCIRXDA92GPIO29/BMS1/SCITXDA4GPIO306GPIO317GPIO32100GPIO335GPIO34/BMS243U2TMS320F2808GNDVCC18VDD33RESETAVDD18AVDD33AGNDTMS1TRST2TDI3GND4PD(VCC)5NoPin6TDO7GND8TCK_RET9GND10TCK11GND12EMU013EMU114P7JTAG250KR10250KR9GND250KR11VDD3312Y120MHz39pFC1739pFC18GND0.1uFC310.1uFC32250KR13AGND0.1uFC90.1uFC200.1uFC19A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7GPIO0GPIO1GPIO2GPIO3GPIO4GPIO5GPIO6GPIO7GPIO8GPIO9GPIO10GPIO11GPIO12GPIO13GPIO14GPIO15GPIO16GPIO17GPIO19GPIO20GPIO21GPIO22GPIO23GPIO24GPIO25GPIO26GPIO27GPIO30GPIO31GPIO32GPIO33GPIO34GPIO28GPIO29GPIO18图4.2处理器TMS320F2808电路4.2DC-AC逆变电路DC-AC逆变电路完成将SPWM信号功率放大的功能，并且要求很高的放大效率。本系统选用IR2010浮栅驱动器对H桥进行驱动，该驱动芯片耐压高达200V，输出电流3.0A，输出电压10-20V，开通关断典型时间分别为95ns和65ns。功率管选用高耐压，导通电阻小，开关损耗小的高效MOS管IRFB23N15D。高效率的驱动电路和MOS管可以保证系统的整体效率。一、全桥驱动电路如图2.3，用两个半桥驱动器IR2010组成一个全桥驱动电路。IR2010采用3.3V的逻辑电源和12V的低端驱动通道电源，直接将处理器产生的一对互补对称的SPWM信号加到IR2010的逻辑信号输入端，IR2010的驱动通道输出端的SPWM信号是和输入逻辑同相位的，因此可以实现对H桥的开关控制。IR2010的关断控制端（SD）可以接收过流保护电路的关断信号，来实现过流保护功能。LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U1IR2010+12V10UfC2104C3GNDLO1HO110uFC7104C8GNDVS1LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U2IR2010LO2HO210uFC12104C13GNDVS2104C9GNDLIN1HIN1+3.3V10uFC5GND104C6GATEKILL47R410KR110KGND47R510KR810KGNDHIN2LIN2+3.3V10uFC10GND104C11GATEKILL47R1210KR1110KGND47R1410KR1510KGNDD2D3图4.3全桥驱动电路二、H桥功率变换电路H桥功率变换电路如图2.4所示，它由4个MOS功率管（IRFB23N15D）Q1Q4构成，每个MOS管构成H桥的一个桥臂，OUT1、OUT2可以外接负载。由F2808产生的互补对称的SPWM信号经过全桥驱动电路实现对H桥的开关控制：当Q2、Q3同时导通，Q1、Q4同时截止时，输出电流方向由OUT1到OUT2；当Q1、Q4同时导通，Q2、Q3同时截止时，输出电流方向由OUT2到OUT1，从而实现了DC-AC逆变。Q2IRF640Q4IRF640Q1IRF640Q3IRF64010R21010R91010R31010R1010OUT1OUT2HO1LO1HO2LO2POWERGND100V/470uFC4GND10R610VS110R710VS2100mR13VOL100V/470uFC1104-250V-CBBC20图4.4H桥开关电路4.3过流检测电路如图2.5，VOL管脚输入来自H桥低端取样电阻上的电压，由电阻R16、R18、R20、R21决定预置的门限电压，当采样电压高于门限时，比较器LM2903输出上升沿，将触发器74HC74的1D端高电平锁存到1Q端，而1Q端连接至IR2010的SD端，从而关闭整个H桥输出，实现过流保护。1Q端同时接到F2808的GPIO上，通过软件检测过流信号，一旦过流可以通过CLR信号将1Q清零，实现过流的自动恢复。