智能型高效风光互补控制器的设计.doc

第四章 智能型高效风光互补控制器的设计4.1 控制器的总体设计框图智能型高效风光互补控制器的总体设计框图如图4.1所示，该控制器由主电路板和控制电路板两部分组成。主电路板主要包括不控整流器、dc/dc变换器、防反充二极管等。控制电路板中的控制芯片为pic16f877a单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。图4.1 风光互补控制器总体设计框图4.2主电路设计4.2.1主电路结构控制器的硬件电路主体部分如图4.2所示。风力发电机输出的三相交流电接u、v、w，经三相不控整流器整流和电容c0稳压后给蓄电池充电。图中sp、sn分别为太阳能电池板的正、负极接线端子， d1为防反充二极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。r0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲（pwm）来控制q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管d2和保险丝f1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过d2与f1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的buck型dc/dc变换器，为了抑制mosfet管因过压、du/dt或者过流、di/dt产生的开关损耗，本设计的dc/dc变换器采用具有缓冲电路的buck变换器。图4.2 硬件主电路结构4.2.2主电路参数设计由图4.2可知，主电路是由两个互相独立输出端并联的buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。1. 光伏发电部分实验中采用光伏电池组件的最大功率点电压为17.6v，开路电压为21.6v，一共使用了4块太阳能光伏电池，选择的太阳能光伏电池组件输出电压范围为6090v，参数设计指标如下：buck变换器的输入电压6090v，输出电压v, 占空比，开关频率，输出电流平均值，纹波电流不超过20%。(1) 功率器件的选择根据buck电路中开关管的电压应力要求40vt = vs，即vt等于最大直流输入电压90v，考虑到需要留有一定的电压裕量，耐压值选用100v即可，本文中功率器件实际选择ir公司的开关管irfp150n，其相关参数为：耐压值，导通电阻，额定电流值。(2) 滤波电感的设计41电路工作有两种模式，电感电流连续模式ccm(continuous current mode)和电感电流断续模式dcm(discontinuous current mode)。前者输出电压仅由占空比d决定，而后者与d和负载r相关，本文选择电感电流连续工作模式。设buck电路的开关周期为t，占空比为d，在电感电流连续工作模式下，图4.3(a)所示的buck电路只有两种开关状态。在()时，如图4.3(b)所示，开关管q导通，电源对电容充电，同时向负载供电。此时输出电压，输出电流呈指数曲线上升；在()时，开关管关断，电容c放电，经续流二极管d1续流，此时，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动小，串联的电感必须足够大，电感量越大，滤波效果越明显，但是电感量过大时，会使滤波器的电磁时间常数变大，使得输出电压对占空比响应速度变慢。(a) buck变换器电路图 (b) 开关管q导通时等效电路 (c) 开关管q关断时等效电路 (d) 电感电流连续波形图4.3 buck变换器的电路图及电感电流连续时波形由图4.3(d)可知在 时，开关管开通，的增量为： (4-1)在时，开关管关断，的减少量为： (4-2)稳态时，一个开关周期内，滤波电容c的平均充电电流与放电电流相等，故变换器的输出的负载电流平均值就是的平均值，即： (4-3) (4-4) (4-5)根据电感电流连续模式时总是大于0，且，有： (4-6)由式(4-1)、(4-6)得：，即，由此可知电感电流的临界电感量，考虑到纹波系数，一般取0.10.3，则有临界电感量 (4-7) 电感的设计本文采用法，即计算出磁芯窗口面积和磁芯有效截面积的乘积值，根据值查找相应表格，找出所需磁性材料编号4243。a.确定磁芯规格计算电感储能量： (4-8)计算值： (4-9)在式(4-9)中，为铁氧体最大工作磁感应强度取0.3, 为窗口有效使用系数，为电流密度系数，为常数 取。故选用的铁氧体磁环的参数为：外径, 厚度, 内径，有效磁路面积，有效磁路长度，。b.计算电流密度： (4-10)式(4-10)中，电流密度系数，常数。c.计算裸线面积： (4-11)选取导线，裸线面积加上绝缘外皮面积为0.0117，直径为。d.计算线圈匝数： (4-12) (4-13) (3) 输出电容的设计buck变换器的最大输出电压为48v，所以选择电解电容的耐压值应比这一值大，考虑到纹波电压，本文取纹波电压为 (4-14)因此，图4.2中的c1取100uf，耐压值为100v的电解电容。(4) 续流二极管的选择计算流过二极管的峰值电流： (4-15)式(4-15)中，为光伏发电和风力发电输出电流之和，即，纹波电流不超过20%，即上限值不能超过0.2。为保证电路工作时安全可靠，选取续流二极管mbrf15100ct，反向耐压100v，允许通过峰值电流为15a。2. 风力发电部分实验中用市电经三相调压器调压代替风力发电机输出三相交流电，经不控整流器整流输出电压范围为6090v(dc)，即buck变换器的输入电压6090v，输出电压还是v，风力发电部分的参数设计原理与光伏发电部分相同，功率器件选择ir公司的开关管irfp150n，滤波电感l2取0.2mh，输出电容c2取100uf，耐压值为100v的电解电容。4.2.3缓冲电路由于电路中存在分布电感和感性负载，当mos管关断时，将会在mos管上产生很大的浪涌电压。为了消除浪涌电压的危害，提高mos管工作可靠性和效率，常用的方法是使用缓冲电路。本文采用rcd型缓冲电路，如图所示。图4.4 rcd型缓冲电路缓冲电路器件参数计算： (4-16)式(4-16)中，为开关管q1关断时流过电容c29的瞬间电流，即；为c29的充电与放电时间之和，；为电容c29上的钳位电压，当开关管q1关断时，输入电源给开关管的漏源极间电容和电路中的其他杂散电容充电，直到漏源电压达到，二极管导通，箝位电容电压逐渐上升，即漏源电压也逐渐上升，而且箝位在数值，即。根据(4-16)计算，取c29，开关频率，则有： (4-17)故r21可以取1，d13采用desi60-10a。4.3 控制电路设计控制电路是指控制主电路的控制回路，通常包括检测电路、驱动电路和保护电路等。本文设计选择美国microchip公司开发生产的pic16f877a单片机作为控制芯片，由于其计算速度等性能比普通单片机高，且价格比高级信号处理器（dsp）低，所以得到广泛应用。pic16f877a具有以下功能和特点44：(1) 属于精简指令集(risc)的计算机结构，只有35个汇编语言指令，且每一条指令都固定为14位长；(2) 采用哈佛总线结构，它的程序存储器、数据存储器以及堆栈可以灵活设计；(3) 工作频率范围为dc20mhz，具有上电复位和掉电锁定复位两种重置功能；(4) 3个定时器(timer)，除了具有最基本的定时器功能外，还有捕捉、比较、产生pwm信号等功能；(5) 12个外部中断源，共享一个中断向量(位于程序存储器的004h处)；(6) rs232串行通信接口；(7) 8个8位模拟数字转换器(a/d)；(8) 采用flash程序存储器芯片，产品可以多次编程，可以随意擦写芯片程序；(9) i/o端口驱动负载能力较强，输出引脚可以驱动2050ma的负载。此外，pic16f877a单片机还有外接电路简洁、驱动能力强、寻址空间设计简洁、代码压缩率高等特点，这些功能和特点已足够一般控制器的各种应用需求45 46。4.3.1单片机外围电路单片机及其外围电路如图4.5所示，该单片机共有40个引脚，采用双列直插式封装。本文选择20m的晶体，晶振两侧的电容c27、c28均选择经验值15pf。复位是任何单片机必需的一个过程，通过复位可以让单片机以一种特定的状态开始运行47。图4.5中符号各自定义如下：adin0：采样光伏电池输出电压；adin1：采样风力发电机整流输出电压；adin2：采样蓄电池端电压；adin3：采样光伏电池输出电流；adin4：采样风力发电机整流输出电流；adin5：采样蓄电池的充电电流；icsp：模块接口电缆，将mplab-icd2模块连接到开发面包板上；rest1：复位按钮；pwm1、pwm2、pwm3、xhdl：均为驱动输出端。图4.5 单片机及其外围电路4.3.2开关管驱动电路mosfet是一种单极型的电压型控制器件，没有少数载流子的驱动效应47。本控制器一共用到四个mosfet开关管，它们分别是风力发电中dc/dc变换电路、光伏发电dc/dc变换电路、卸荷电路和蓄电池放电电路中的功率开关管，每个开关管都对应一个驱动电路，这些驱动电路结构相同，如图4.6所示。图4.6 开关管的隔离驱动电路本文mosfet驱动电路采用东芝公司生产的tlp250隔离型光耦驱动电路，tlp250适合用于mosfet、igbt的门极驱动电路，其内部集成有光电耦合单元、功率放大单元，tlp250具有以下特点：(1)较宽的供电电压范围，10v-35v；(2)输出电流高达1.5a；(3) 最大交换时间1.5us；(4) 最大隔离电压2500v。当pwm输入信号为高电平时，光耦的原边输入电流为0，输出为低电平，功率器件反向截止；当pwm输入信号为低电平时，光耦的原边光电二极管上有电流流过，输出为高电平，驱动功率器件导通。4.3.3电压检测和电流检测电路风光互补控制器需要对太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压、光伏充电电流和风力发电充电电流等进行实时检测，才能实现控制功能。由于太阳能电池板、风力发电机、蓄电池三者的电压检测电路设计基本相同，电流检测电路也基本相同，故本文只介绍蓄电池电压检测和电流检测电路，其电路设计如下：(1) 蓄电池电压检测电路48 49蓄电池电压检测如图4.7所示，蓄电池端电压由 r21 和 r22 分压后，经过a203b组成的电压跟随器输出，然后将输出送到单片机的 ad 采样引脚，该环节的主要功能是完成对蓄电池端电压的检测。adin2为最终检测到的蓄电池电压信号。由于电流的采样电阻r34很小，可忽略其电压降，所以对蓄电池端电压的采样，可以通过采样蓄电池正极和地之间的电压得到。为了减小采样的损耗，r21、r22应取较大阻值，本文取r21=40k，r22=10k，。图4.7 蓄电池电压检测电路(2) 蓄电池电流检测电路蓄电池电流检测电路如图4.8所示，该环节主要完成对蓄电池充电电流的检测。在蓄电池和地之间串联一个阻值为0.05的精密电阻r34，根据欧姆定律可知，充电电流和电阻r34的电压具有线性关系，这样蓄电池电流就可以通过r34两端的电压间接得到。由于串联电阻r34两端的电压比较小，检测的信号先通过a303a隔离，再经过a303b组成的同相比例放大器放大进入后控制芯片。本文取放大倍数为10，r44=45k，vr3=5k， 。图4.8 蓄电池电流检测电路4.4 风光互补控制器软件设计4.4.1 maplab开发环境microchip公司为pic系列单片机专门配备了功能强大的mplab工具，由于它提供了一种单一的集成环境为嵌入式单片机开发程序代码，因此被称为集成开发环境(intergrated development environment，ide)。maplab-ide把文本编辑器(editor)、汇编器(assembler)、连接器(linker)、模块库管理器(library maker)、项目管理器(project manager)和程序调试器(debugger)等一些在编程和调试过程中必不可少的软件工具全部集成到一个仿真开发环境下，形成一套功能丰富而且方便使用的软件包，为学习和应用pic系列单片机的人们提供了一种虚拟的实战环境。mplab-ide软件开发环境如图4.9所示。为了生成可由目标pic单片机执行代码，需要将源文件放入同一个项目中，然后用所选择的语言工具编译代码。在mplab-ide中，项目管理器负责管理这一过程。创建一个项目，将源代码添加到此项目中，并为此项目制订语言工具，然后编译和测试代码。通过观察watch窗口即可监测程序的运行状态。图4.9 maplab软件开发环境4.4.2系统软件设计本文的软件设计使用microchip公司的mplab-ide开发环境，mplab-icd2仿真器，使用c语言编写软件程序。在软件程序设计中，通常要求程序具有灵活性和通用性，将公用的程序编写成子程序，即模块化程序设计。本系统就是采用此种方法来编写程序。(1) 系统总体软件流程图图4.10为系统总体设计流程图，系统通过对采样光伏电池电压的判断来决定程序进入何种工作状态。图中usp为光伏电池输出电压，ud为蓄电池开启充电电压阀值（本文取典型值15v），udark为天黑判断电压阀值（本文取典型值2v）。若uspud，光伏电池开始对蓄电池充电，程序执行白天子程序；若uspudark，即光伏电池输出电压小于等于天黑判断电压阀值时，执行夜晚子程序；若udarkuspud，执行udarkusppe时，即风