（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp2407的光伏方阵仿真电源的设计与研究.pdf

主璺型兰堕皇王竺塞垦堡主兰篁堡奎一垒堕! 坚 d e v i s ea n dr e s e a r c h o nap h o t o v o l t a i c s i m u l a t o rb a s e do nd s p 2 4 0 7 z h a n g x i l i n r e s e a r c h s u p e r v i s e db y ： x u ，h o n g h u a ，p r o f e s s o r , i n s t i t u t e o fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ， c h i n e s e a c a d e m y o fs c i e n c e s a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo fap h o t o v o l t a i cs i m u l a t o rw h i c he m u l a t e st h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fp va r r a y s t h ea l g o r i t h m ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h e s i m u l a t o ra r ed e v i s e da n dt h er e s e a r c h e s a l ec a r r i e do u ti nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e e x p e r i m e n t si np r i n c i p l e t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi sc o m p o s e do fm a i nc i r c u i tb a s e do nb u c kc h o p p e r 、t h e c o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft e x a si n s t r u m e n t sa n dm e a s u r e m e n t c i r c u i t t h ep o w e ro ft h es i m u l a t o rc a nr e a c h3 0 0 w t h ea l g o r i t h md i v i d e st h ec u r v e o ft h ep va r r a y si n t os e v e r a ll i n e s ，w h i c hs i m p l i f i e st h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i z e st h e o u t p u tp e r f o r m a n c eo fp va r r a y s i nr e g a r d t ot h es o f t w a r e ，i ti s p r o g r a m m e db y a s s e m b l yl a n g u a g et of u l f i l lt h ea l g o r i t h ma n d c o n t r o lt h eo u t p u to fm a i nc i r c u i t t h e s o f t w a r ea n dm a i nc i r c u i ta r et h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m a l s o ，t h em a i nr e s e a r c h t l o c u s e so nt h i s t h o u g ht h ee x p e r i m e n t st h ee x a c t i t u d eo f t h es y s t e mi si l l u s t r a t e d ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m u l a t o ra r ev e r yc l o s et ot h o s eo f 中国科学院电工研究所硕士学位论文 a b s t r a c t a c t u a lp v a r r a y s ，a n dt h es i m u l a t o r h a sa g o o dd y n a m i cr e s p o n s e a sw e l l i tc a ns e a r c h t h ew o r k i n gp o i n ta u t o m a t i c a l l ya n ds t a b i l i z et h eo u t p u ta c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f t h el o a d s b e s i d e s ，t h ep o w e ro ft h es i m u l a t o rc a nb es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ed e s i r e d p o w e r o ft h ep v a r r a y sw h i c h a r es i m u l a t e d t h e r e f o r e ，t os o m ee x t e n t ，t h es i m u l a t o r c a nb eu s e di nr e p l a c e m e n to fa c t u a lp v a r r a y st op r o v i d ea c o n t r o l l a b l ee n v i r o n m e n t f o rr & do fp vi n v e r t e r sa n dc o n t r o l l e r s ，w h i c ha v o i d st h ep ve x p e r i m e n t so ft h e i n f l u e n c eo ft h ec l i m a t e ，i r r a d i a t i o na n ds oo n m e a n t i m e ，i tp r o v i d e sa ni d e at o s i m u l a t es i m i l a rs p e c i a lp o w e rs o u r c e s k e j a 秆o r d s ：p va r r a y s ，c h a r a c t e r i s t i c sc u r v e ，s i m u l a t o r , b u c k ，p w m ，d s r 2 4 0 7 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景 1 1 1 可再生能源的开发和利用 随着人类的发展，对能源的消耗也越来越多，当前在世界能源结构中充当主 角的是石油。化石能源的使用已经深深渗透到人类社会生活的各个方面，自从 2 0 世纪7 0 年代以来。已经有不少的专家学者和世界能源机构、企业对传统化石 能源的储量和开采年限做出种种估算和预测，得出的结论几乎是一致的：化石能 源的耗尽不可避免1 ，例如以目前的技术水平和需要来看，石油、天然气已经不 足百年的开采量。世界上许多国家出于能源战略考虑，一方面限制化石能源的消 费，包括限制本国化石能源的开采而更多的依靠进口，另一方面许多国家已经加 强了对新能源尤其是可再生能源技术的支持。 加快开发可再生能源具有广泛而深远的意义。一方面加快开发可再生能源可 以缓解化石能源的压力，逐步解决能源危机，调整能源结构。另一方面可再生能 源是保证能源供应安全、促进经济发展的需要。同时利用可再生能源也是减少温 室气体排放，防止全球气候变暖的重要举措。在可再生能源中，太阳能、风能、 生物质能等具有突出的优势和可供广泛开发的前景，属于重点研究开发的可再生 能源。直接利用太阳能是可再生能源中重要的一种，目前在许多国家兴起了开发 和利用的热潮。 1 1 2 太阳能的利用和太阳能系统 太阳能取之不尽，用之不竭，对太阳能的开发和利用是可再生能源中很有前 景和实用性的方向。 太阳能的利用有三个途径：光热转换、光电转换和光化转换”。 光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来，用收集到的热能为人类服务。 最广泛的太阳能热应用是将水加热，其他包括太阳能采暖、太阳能住宅等等。 光电转换即将太阳能转换成电能。这是太阳能利用的重要方向。目前，太阳 能用于发电的途径有二：一是热发电，就是先用聚热器把太阳能变成热能，再通 过汽轮机将热能转变为电能；二是光伏发电，就是利用太阳能电池的光电效应， 将太阳能直接转变为电能。是太阳能发电的主流方向。 光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其他能量。 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电灏的设计与研究 1 1 1 3 我国的太阳能资源和利用的意义 我国幅员辽阔，东西、南北跨度都在5 0 0 0 k m 以上。我国拥有丰富的太阳能 资源，全国各地太阳能总辐射量为3 3 4 0 8 4 0 0 m j ( m 2 a ) ，尤以西藏自治区的太 阳能资源最为丰富，总辐射量最高值可达8 4 0 0m j ( m 2 a ) ，居世界第二位。和 同纬度的其他国家相比，我国绝大多数地区太阳能资源相当丰富”。 开发利用太阳能对于我国具有重要的意义。我国自从9 3 年开始成为能源净 进口国以来。进口能源的比重逐步增多。经济的发展离不开能源，能源问题关系 到我国的战略安全和国家的经济命脉。我国环境、生态问题日益突出。大力发展 可再生能源是解决能源问题的有效途径和出路所在。同时，在西部广大无电地区， 用独立运行的可再生能源方案可以解决无电人口的用电问题。 12 光伏发电系统概要 光伏发电是当今太阳能发电的主流。它是利用以光生伏打效应为原理工作的 太阳电池将太阳能直接转化为电能。其系统组成如图l - 1 所示。 太阳能裳电系统 图1 - l 光伏发电系统图 1 2 1 光伏方阵 光伏方阵由光伏组件构成，组件又由电池单体构成，太阳电池单体尺寸一般 为4 1 0 0 c m 2 。工作电压为o 4 5 0 5 v ，工作电流为2 0 2 5 m a c m 2 。将其进行 串联、并联封装后构成光伏方阵。作为光伏发电系统的电源。 光伏方阵作为整个系统的电源，是光伏发电系统中最重要的部分。一个组件 2 中冒科学院电工研究所硕士学位论文第一章引言 上，太阳电池的标准数量是3 6 个或者4 0 个。也就是一个组件能够产生大约1 6 v 的电压。可以为1 2 v 的蓄电池进行有效的充电 i t 。多个组件即组成了光伏方阵。 光伏方阵的输出特性是本课题所研究的重点问题之一。 1 2 2 系统其它装置 完整的光伏发电系统还具有以下装置： 1 蓄电池组：蓄电池组的作用是储存光伏方阵受光照时发出的电能并随时 向负载供电。对蓄电池组的要求是自放电率低，使用寿命长，深放电能力强，充 电效率高。可以少维护或免维护1 。 2 ，充放电控制器：能自动防止蓄电池组过充和过放的设备。控制器的主要 功能是控制蓄电池组的充放电，并进行有关参数的检测、处理以及发电系统运行 的控制。按控制方式可分为开关控制和p w m 控制型。主要保护功能有：充电电 流、电压检测控制；过放报警、保护控制；过流及短路保护控制等。检测和处理 的数据包括：充电总电流、电压( 蓄电池端电压) ：放电电流；环境温度：蓄电 池组输出电量等1 2 6 1 3 逆变器：由于光伏方阵和蓄电池输出的是直流电，当用于交流负载时， 逆变器便不可缺少。逆变器分为独立运行逆变器和并网逆变器两种。 1 3 课题研究内容和意义 1 3 1 课题研究内容 本课题要完成的任务是设计独立的电源，基于特定的算法，用于仿真光伏方 阵的输出特性，即用所设计的电源仿效光伏方阵在标准测试条件下的电流一电压 特性，使箕输出的电流一电压特性基本符合光伏方阵。同时达到一定的功率要求 和精度要求。 本课题着重于如下设计和研究： 1 算法部分 为了尽可能准确的仿真光伏方阵的曲线，需要对曲线进行算法研究。已 有的类似仿真电源基本上是基于查表法，这是一种传统的较为准确的方案， 但是需要事先人为输入大量数据，占用存储空间，比较麻烦。而且检测数据 的获得并非易事。本课题首次提出用计算法解决这个问题。在算法上尝试创 新。 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方畦鱼塞皇塑箜塑盐量受堑 2 硬件部分 硬件部分包括主电路，控制电路和检测电路三部份。主电路完成从普通 电源的输入到光伏方阵输出特性的转化，其输出按照光伏方阵的i - v 特性， 主要完成d c d c 的转换；控制电路采用控制器完成对主电路的控制作用，使 主电路的输出符合要求。检测电路用于实时检测外电路的情况，用于反馈， 采集控制电路所需要的信息。 3 控制软件部分 软件部分主要是控制电路d s p 的程序设计。程序设计的任务是根据外电 路的实时情况计算相应的工作点，产生控制主电路的信号，完成对主电路的 控制，使主电路按光伏方阵特性输出。是本课题的重点。 4 实验分析部分 由于本设计基于一种特定的算法，通过实验验证系统原理的正确性，同 时分析算法可行性，误差产生原因，系统的效果等。 设计中的难点和要求在于： 所设计的电源应该基于合理的而且动态响应快的算法，使得电源能够 在误差允许的范围内较为准确的模拟光伏方阵的工作点。 有易于修改的部分，使其能够通过简单的修改仿真不同外界条件( 光 强、温度、不同数量的组件) 下的方阵的输出。 控制方案应能满足快速动态响应的需要，当负载变化时，能够迅速找 到新的工作点并维持在工作点的稳定输出。 考虑负载的使用情况和合理的容量。 课题的重点是提出并验证一种完成此功能的新算法，设计所需要的硬件电路 和软件，完成整个系统的设计与研究，为进一步研究开发类似仿真系统以及采用 相似控制方案模拟复杂电气特性打下基础。 1 3 2 课题的意义 研究光伏发电系统的各部分必然需要做各种实验，其中光伏方阵作为整个系 统的电源。 由于较高的成本，在研发过程中所用的电池组价格昂贵需要很大的投资，另 一方面，实际情况下，太阳光辐射强度并不稳定，处在不断的变化中，这就给光 4 中国科学院电工研究所硕士学位论文第一章引言 伏实验带来许多困难和不便。光伏实验受到了诸如天气、辐照度等因素的限制， 难以在标准条件下完成( 光谱辐照度1 0 0 0 w m 2 ，光谱a m l 5 ，温度2 5 。c ) “”。 本课题的完成旨在提出一种解决这个问题的方法，设计出光伏方阵仿真电 源，按照实际的光伏方阵电流电压特性输出，从而能够代替实际的光伏方阵在 室内进行各种光伏实验，并且能够满足易于修改组合的要求。使光伏实验在一定 程度上不再受到气候、地域等的限制。加速研发过程，降低研发成本。 1 3 3 课题相关现状 光伏方阵的电源仿真在国内外已有一定的研究，并有一些样品机和装置问 世，从丽为光伏系统的研发提供了良好的实验平台。例如加拿大u n i v e r s i l y o f n e w b r u n s w i c k 的研究人员采用基于d c d cb u c k 斩波电路和由微处理器构成的控制 电路做出了仿真电源，其输出能够模拟特定的电池板( v l x 8 0 ( 2 ) ) 在不同的光 照强度下的多部分特性曲线，完成实验功能。在国内合肥工业大学用变压器隔 离的斩波电路加上位机控制所完成的仿真电源，也能够较好的仿真系统，同时可 以在上位机系统上对所仿真的曲线以及仿真时实际的情况做出显示。 通过比较分析现有文献上的同类研究结果，发现它们基于类似的主电路和不 同的控制算法来控制硬件，都可以较好的完成仿真光伏方阵输出特性的任务。它 们的基本思路是基于由普通微处理器( 例如8 0 c 1 9 6 k c ) 完成控制部分或基于l 位机的控制，而对于主电路尤其是斩波电路采用较为成熟可靠的p w m 控制方 法，这需要另外采用相关的p w m 发生电路( 芯片) ，例如u c 3 8 4 5 。利用控制器 查表产生的信号经过d a 后送入p w m 发生电路作为参考，电路瞬时电压、电 流作为反馈信号也送入p w m 生成电路，完成对参考电压的跟踪。本课题的研 究在此基础上做出改进，尝试一种新的方法，将采用性能更全面、处理速度更快 的d s p 控制器件将反馈信号的采集，p w m 的计算和发生与简单而有效的算法有 机结合在一起，即采用计算法拟合曲线，舍弃传统的查表法，使得系统更为优化， 简单，控制更为方便，可靠。同时具有良好的动态响应。从一种较新的角度设计 出光伏方阵的仿真电源，满足科研需要。 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 第二章系统整体原理设计 2 1 光伏方阵输出特性 本课题重点研究的内容是关于光伏方阵输出特性的仿真，因此在此须对光伏 方阵做重点介绍。 2 1 1 光伏方阵输出特性 太阳电池具有独特的i v 特性，该特性由太阳电池材料的物理特性所决 定。下图是太阳电池单体工作的输出特性曲线。 图2 1 太阳电池单体输出特性曲线 图中曲线为太阳电池不同的测量点所组成。直线是负载电阻的i v 特性，二 者的交点即为太阳电池的工作点。也即工作点的电压电流既符合太阳电池的i v 特性又符合负载自身的i v 特性。当工作负载发生变化时，工作状态亦发生变化， 但是变化的轨迹沿着特定的曲线完成t 2 1 1 3 1 。不同的曲线代表不同光强下的变化。 在实际使用时，负载往往工作在最大功率点附近。 太阳电池的等价回路如下图所示： 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第二章系统整体原理设计 i p h v 图2 2 太阳电池等价回路 其解析表达式为： i ( 1 + r ；r 。) = ip h io ( e x p ( k 。( v + l r 。) ) 一1 ) - - v r 。 式中，i 太阳电池输出电流 v 太阳电池输出电压 i 。h 光生电流 i o 二极管饱和电流 k o = q a k t , q 电子的电荷量1 6 e 一1 9 ，a 二极管特性因 子，k 玻尔兹曼常数，卜太阳能电池温度 r 。太阳电池的串联电阻 r 。h _ 一太阳电池的并联电阻 该方程描述了光伏方阵的工作特性。式中的参数来源于物理特性。该方程系 统地从数学角度描述了光伏方阵的i v 特性1 4 。其图像与图2 1 相同。光生电流、 光伏方阵的串并联电阻和温度决定了不同情况下同一光伏方阵的输出曲线族。 2 1 2 关于该方程的数学分析 我们在方程中可以注意到，作为光伏方阵输出特性的i 、v 出现在方程式的 两边，即该方程属于隐式方程。无法将其转化成分离开j 、v 的显式方程式。也 即只从上式无法将i 、v 互相表示成函数的形式。r 。，r 。i 。i 。，k 。五个未知参 数取决于光伏方阵的物理特性，很难从实验中得到，但是，该方程精度很高，因 此具有很好的理论分析意义m 川4 m 柏。 对于光伏特性曲线隐式方程在文献中有很多种处理方案1 2 “5 1 2 9 l ， 最常见的是迭代法。例如采用牛顿迭代法可使其快速收敛，可以解决两方面的问 题：1 ) 己知实际情况下的光伏方阵i 、v 值( 一组) ，可以用迭代法得到r 。，r 。 i 。，i 。五个未知参数，从而确定方程；2 ) 方程确定下来后就可以再次用牛顿 7 中国科学院电工研究所硬士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 迭代法计算出其他未知的点1 。基于这种方法，可设计程序完成算法，当己知曲 线上若干点时，就可先得出方程，继而再次迭代得出任意一个所需要的点。这种 方案的缺点是需要做多次迭代计算，尤其是在第二步时需要逐步按照设定的步长 改变迭代的参数，仍然需要做出许多步计算。在用控制器实现时并不是理想的方 法。 考虑到实际的情况，在做仿真和设计时并不需要理论上的精度，对上式可以 做出几种近似处理，最常用的是光伏方阵的计算机模型“”。 v = l o g ( ( i s c + i s c * c t i ) i s c c 1 ) * c 2 * v o c c 2 = ( v m p v o c 一1 ) l o g ( 卜i m p i s c ) ： c l = ( 卜i m p i s c ) * e x p ( 一l * v m p ( c 2 * v o c ) ) 很明显，此方程不再基于r 。，r 。，i 。等取决于光伏方阵物理特性的参数，而 是基于开路电压v o c ，短路电流i s c ，光伏方阵工作最大功率点的电压电流v m p 和i m p ，而这些参数非常易于得到，一般光伏方阵产品说明书上都会有这些参数。 同时，上式是显函数形式，大大简化了计算的复杂度。此模型为最常用的光伏方 阵计算机模型。误差较小，能够比较精确的模拟曲线“钉1 2 8 1 。 但是此模型如果用在控制器编程里仍有其不可克服的缺点，主要是参数和方 程的计算涉及到多次对数运算，对于d s p 等控制器来说完成对数运算并非易事： 或者采用查表法需要输入繁琐的数据表而且在本系统中失去意义：或者调用系统 库函数从而占用大量计算时间，降低系统的动态响应速度。在本课题计算法的完 成中也并非是理想的选择。因此在数学上需要做进一步简化，本文第五章将给出 具体的数值表达式。 2 2 系统整体设计 如前所述，本系统最终的目的是用来完成对光伏方阵输出i v 特性的模拟， 考虑到三方面的要求：1 系统能够按照光伏方阵的特性完成输出，当外电路负 载一定时，系统能够在工作点上保持稳定的输出：2 当外电路负载发生变化时， 系统能够尽快变化到新的工作点并稳定在该点。3 系统能够提供一定的功率。 由于系统的本质是将普通的电源转换成特殊的电源，为方便其使用，输入端 接入普通的直流或交流电源，输出端为特殊的直流电源。系统在主电路上即采用 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第二章系统整体原理设计 d c d c 或者a c d c d c 转换，通过对d c d c 环节的控制，使其按照特定的要求 输出。 系统框图如下所示： 图2 3 系统原理框图 为稳定的验证并实现设计的原理，系统主电路采用d c d c 的方式，即从普 通直流稳压电源作为后级斩波电路的输入，斩波采用技术成熟的单管非隔离式的 b u c k 电路，拓扑简单，控制较为方便。如果系统设计合理，需要扩大功率时， 可以考虑采用隔离式或桥式d c ，d c ，但是控制原理相同。 控制部分采用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心的控制电路，该芯片主要用 于电力电子、电机控制的场合。l f 2 4 0 7 内部有丰富的资源，并能够较为容易的 完成高频采样计算和p w m 控制波的生成。具有优秀的控制功能。 整个系统的模块突出了电路成熟，方便以及控制功能的强大的要求。在相关 研究的基础上融入新的控制软硬件。 23 系统工作原理设计 如图2 1 ，系统输出端接入阻性负载，其i v 特性必然符合欧姆定律，而且 要同时满足光伏方阵的i v 特性，系统的任务是使其跟踪到相应的工作点上。 由电压、电流传感器将外电路的电压、电流传入d s p ，d s p 在本系统中作 9 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 为核心控制器。d s p 根据外电路的电压、电流计算出负载电阻值，从图2 - 1 不难 看出，光伏方阵特性曲线上每一点都有对应的负载电阻，d s p 中事先存有光伏方 阵特性曲线的数据或者计算公式。当d s p 算得负载电阻后，根据此电阻和特性 曲线的数据找到曲线上相应此电阻的那一点。该点即为特定负载时光伏方阵的工 作点，然后由工作点不难得到其对应的电压、电流。这时的电压、电流即为系统 应该输出的值。随后，d s p 完成主电路要求输出电压值的占空比计算，然后产生 p w m 波形，经由驱动电路后送入主电路完成控制，使主电路输出对应特定负载 的电压。由于负载是纯阻性，当电压符合要求时，电流也必然满足要求。即稳定 在曲线上的工作点。 当负载发生变化时，原先稳态被打破，b u c k 电路的输出电压和电流会发生 变化，负载的工作点偏离了光伏方阵曲线。但是此时负载两端的电压和电流仍然 满足欧姆定律。d s p 利用由传感器送入控制电路的i 、v 值可以即时完成新的负 载电阻计算，由算得的新负载电阻值寻找光伏方阵特性曲线上与此电阻值对应的 新的工作点，然后计算新的占空比，通过软件修改p w m 控制波，完成对主电路 的控制。使主电路的输出过渡到新的工作点。保持较高的采样频率，当负载发生 变化时，系统就可以完成快速的动态响应。 如果主电路设计合理，检测电路工作准确，采用此控制方案从理论上可以达 到较理想的精度“1 。在设计和实验时，首先保证每部分单独的稳定和正确，然后 可以进行联调。 2 4 系统仿真 为验证上述工作原理设计的合理性，首先进行系统原理仿真。 仿真采用电力电子p s i m 软件进行，该软件的特点是系统构建简单易行，结 构清晰，能够较好的分析复杂系统。缺点是仿真状态比较理想化。 仿真系统图如图2 - 4 ：交流输入经过整流滤波后作为b u c k 电路拓扑的输入 端。反馈电路从原理上模拟d s p 和设计算法的控制：由电压、电流传感器传回 负载电路的工作情况，计算电阻和对应的电压值，算得电压值后按照要求发出控 制主电路的p w m 波，从而完成对主电路的控制。 中国科学院电工研究所硕士学位论文第二章系统整体原理设计 图2 - 4 仿真系统原理图 改变负载电阻的值，进行不同的仿真，就可以得出在设计原理控制下主电路 的输出波形。为验证原理，此处忽略了其它相关部分。仿真结果如下： 负载为1 0 ，8 3 0 。理论输出5 2 v 八 图2 - 5 负载1 0 8 3 0 仿真结果 负载为1 6 2 2o ，理论输出7 0 4 v ，最大功率点 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 1 。弋、八一 图2 - 6 负载1 6 2 2 q 仿真结果 负载为2 8 0 7 0 ，理论输出为8 0 v n ： 、j r 、l ，6 、_ ，1 一“ 图2 7 负载2 8 0 7 0 仿真结果 从仿真结果可以看出，当负载电阻不同时，主电路能够在较短的响应时间内 稳定在对应于该负载的工作点输出。仿真验证了系统原理设计的可行性。 2 5 光伏方阵具体测量数据及曲线 课题的完成首先要得到光伏方阵标准情况下外特性数据作为系统仿真的对 中国科学院电工研究所硕士学位论文第二章系统整体原理设计 象。检测数据由中科院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心提供。经 过修正和排除粗大误差，光伏组件短路电流为4 8 a ，开路电压为2 2 o v ，最大功 率点对应的电压为1 7 6 0 v ，4 3 4 a 。最大输出功率7 6 4 w 。设计系统时，考虑四 块两块组件串连，则光伏方阵的开路电压为8 8 v 4 4 v ，短路电流为4 8 a ，最大 功率点为( 7 0 4 v 3 5 2 v ，4 3 4 a ) ，最大输出功率为3 0 5 5 w 1 5 2 7 w ，对于光伏 组件的这些参数，在其产品说明书中不难得到，而且易于检测。 在本文的控制算法研究一章中，将给出此光伏方阵的实测特性曲线。 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电潦的设计与研究 第三章仿真电源主电路与检测电路 3 1 b u c k 电路基本工作原理 b u c k 电路为d c d c 变换中最常见的种类。是一种输出电压等于或小于输 入电压的单管非隔离直流变换器。如图3 一l 所示，b u c k 变换器主要由开关管q ， 二极管d ，输出滤波电感l 和输出滤波电容c 构成。 b u c k 电路有两种工作方式，电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e c c m ) 和电感电流断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n t m o d e d c m ) ，前者指输出滤波 电感l 的电流总是大于0 ，后者指在开关管关断期间有一段时间l 的电流降为0 。 在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关 管关断期末，l 的电流刚好降为0 9 1 0 在连续工作状态时，电感电流为一个三角波，周期性的在i l 和1 1 。a x 之间变 化，q 导通期间i l 的增长量n ”等于它在q 截止期间的减少量a i lc - 由电路 图不难看出： 生当i d r ：堡f 1 一d 1 t 三三 c c m 状态下b u c k 电路的输入输出电压的关系：v 。= d + v 。 在d c m 状态下，会出现电感电流断续的情况，此时负载由输出电容供电， 可以得到输入输出电压的关系为v 。= ( d ( d + d ) ) t v 。其中a d i d ，为电感电流 从最大值下降到0 的时间所占的周期比值。进一步计算可以得到： ，1 “2 ，。+ 吃t d 2 从上式可以看出，当电感电流出现断续时，输出电压不在仅仅取决于占空比 d 和输入电压v 。而且还和负载电流有关。在讨论中虽然忽略了电感电阻和晶 体管压降，但由于变化器存在很高的非线性内阻。如果设计变换器工作在这一区 域，为了维持一定的输出和输入电压比，占空比的改变非常大。通常功率管在轻 载时存储时间长，这样很容易在低输出电流时失控，而且由上式可以看出，准确 掌握输入输出电压之间的关系将非常困难1 1 6 1 同时，功率器件和续流二极管必 须具有较高的峰值电压和电流，由于这个和其他重要原因，b u c k 应避免不连续 工作状态( 即使这样做它的电感较大和成本提高) 1 2 3 1 本系统中b u c k 电路设 计工作在连续状态。 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第三章仿真电源主电路与检测电路 由以上分析不难看出，在b u c k 电路设计时应该以最小输出电流作为电感 电流临界连续值来设计电感参数。 3 2 主电路总体设计 常见的b u c k 电路设计时应该首先知道输入直流电压的额定值及变化范围， 输出电压、输出电流的最大和最小值，另外还需要知道输出电压的稳定度和纹波 电压要求等。本设计中，输入电压不再变化，稳定在固定值，考虑到要仿真的功 率和输出电压情况，将输入电压设定为1 0 0 v ( 或5 0 v ) 。b u c k 斩波器的工作频 率一般在数千赫兹到数百千赫兹，这样可以大大减少电感、电容元件的体积和重 量，也减少了对输入滤波的要求| 1 6 l 。b u c k 变换器作为低通滤波器，因此开关频 率要远远高于低通滤波器的频率f c 。考虑到本设计基于原理性验证，选定变换器 的工作频率在5 k h z 。 选定电路的工作频率后，就可以按照输出纹波幅值，电感电流连续的要求综 合考虑设计元件参数。 需要指出的是，一般在b u c k 电路设计时，电路输出均有电流最小值，基 于此值可以完成对电感电流不断续的参数设计。而本设计具有一定的特殊性，即 在负载变动较大的场合，电流要求从短路电流( 最大值) 到零或者接近零值之间 变化，这就给设计带来一定难度1 2 3 1 对于电流很小的情况需要做出处理。如果 要保证很小的电流f 电感电流连续，则电感的设计就因感值、体积较大很难实现。 因此在设计时要兼顾最小连续电流和电感体积可行性两方面。 由阵列输出特性曲线图可以得出参数如下：b u c k 电路最大输出电流设计 5 a ，输出最高电压9 0 v ，功率设计在3 0 0 w 。主电路图如下： 】 吼” 三4 w u 2 “亍4 ” jp d d e ih 1。_ 【) 图3 1 主电路拓扑( b u c k ) 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光欹方阵仿真电源的设计与研究 3 3 电感和电容设计 初始设计时，从输出电压的脉动a v 。入手，由b u c k 电路电压脉动公式： 岈皆 可以看出：增大l c 的值可以减少脉动幅值。选择合理的a v 。值，得到l c 乘积值。当所选的c 能达到所需的滤波要求时，l 可以选得足够大，以便使开关 变换器工作在连续状态。但实际中电容没有完美的电气性能，内部的等效电阻将 消耗一些功率，等效电阻压降会产生纹波，欲减小这些纹波电压，只能减小等效 串联电阻和动态电流，选择c 经常由纹波要求决定1 2 3 | 。在实际设计时要综合考 虑选取l 和c 。另外，当负载固定时，增大频率可以减小l 。 首先完成电感的设计，结合几何参数k g 法，按照最小电流保证电感电流临 界连续的条件，导出电感的感值。当电感电流连续时，有 m = 半研，而护。 d f l d ) v y 2 三 从此式可以看出，电感值和输出电流，占空比均有关系。在本设计中，由于 占空比和输出电流满足光伏方阵特性曲线，多个变量同时不同趋势改变，在d = o 5 之前，d o d ) 单调递增，i l 不变，故l 值单调递增，当输出电压超过5 2 v 时， d ( j d ) 和l l 均下降，所以可以采用一定的试探法。计算几处关键点如下表 电压v 。 5 07 047 58 38 48 6 ( v ) 电流i 。 4 8 4 3 43 6 31 7 814 2 5 0 7 1 2 5 ( a ) 占空比 o 5 00 7 0 40 7 508 3o 5 6o8 6 d 电感l o 5 20 4 8 0o 5 170 7 9 30 9 3 71 6 9 ( m h ) 由计算可以看出，输出电压增大时，电流的影响更为明显。设计的难点在于： 系统的控制方案要求b u c k 电路尽量工作在c c m 状态，这样控制简单，易于计 算而且系统稳定。但是由于系统的特殊性( 电流逐渐减小、负载加大时总会出现 断流情况) ，电感设计时要求取较大值，但是损耗又不能太大1 2 3 1 。综合考虑电感 6 中国科学院电工研究所硕士学位论文第三章仿真电源主电路与检测电路 的情况，初始设计为2 0 m h 。 结合工程经验，电容初选4 7 0 心，根据实际电路效果调整。 电路截止频率：f ，= ；一= 1 6 4 h z 5 k h z 二巧吖l l 计算出电感的感值后，下一步即为通过计算电感的工作状况的极大值具体设 计电感。在连续工作状态模式下，电感电流的最大值为： 。= l + 芝笋= 厶+ 警 同样的，v 。和l d 及i o 均同时改变，当处于恒流段时，i 。恒定，显然二次 函数d ( 1 一d ) 在o 5 ( 5 0 v 输出，转折点) 取得最大，进入曲线时，d ( 1 一d ) 减小， i o 亦减小，所以最大电流出现在输出电压5 0 v 处。计算为6 0 5 a 。 电感应储能量：e l = l ( 1 。+ i ，2 ) 2 2 最大电感电流出现在曲线从恒流源到电流下降的转折点。设计时将电感电流 增加合理的预留量，预留导线为8 a ，选择导线电流密度为5 a j m m 2 ，则导线的线 径约为1 4 3 r a m ，经计算铜导线在5 k h z 工作频率时，穿透深度为o 9 3 4 6 m m ，所 选线径小于两倍铜导线穿透深度。 根据工程经验初步选择常用的e e 8 5 型磁芯。计算b u c k 电路电感气隙： 拈面0 4 n 纠 p o ( 1 l u - d ) 。( 一) ，肚学 ， 式中s 。是铁芯截面积，而b ( 1 + k ) = ( o 6 0 8 ) b 。 民驳6 0 0 0 g s ，e e 8 5 型铁芯s 。为2 6 4 2 8 r a m 2 ，经过计算气隙长度大约o 9 5 m m 23 r a m 。利用下式计算匝数最大值为6 5 匝。校核窗口面积符合规定。 电感设计在具体电路制作时可以根据需要对参数多次调整至结果合理。 3 4 功率器件 电路中的功率二极管和开关管选择相对简单，流经开关管和二极管的最大电 流即为电感最大电流，承受的最大电压为输入电压，在选择元器件时，采用2 倍 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 最大电流值和1 5 倍最大电压值选择功率器件。m o s f e t 选用i r f p 4 6 0 a ，d s 间耐 压值v o s 为5 0 0 v ，最大电流i d 为2 0 a 。g s 间阈值电压最大4 v ，驱动电压最大 值为3 0 v 损耗2 8 0 w 。功率二极管选用b y v 3 4 - - 4 0 0 ，最大电流2 0 a ，耐压值 4 0 0 v 。 3 5 隔离及驱动电路 系统功能的实现由控制电路控制主电路完成，控制电路生成所需要的p w m 波，主电路( b u c k ) 按照p w m 波实现开关动作。控制电路属于弱电信号，在后 面章节波形图中可以看出：由d s p 2 4 0 7 产生的p w m 方波信号幅值电压为3 3 v ， 输出电流在毫安级别( 小于1 0 m a ) ；主电路为功率电路，一方面必须和控制电 路信号实现良好的电气隔离，另一方面d s p 产生的控制信号对于直接驱动 m o s f e t 也是无能为力。因此，在控制电路和主电路之间必须设计良好的隔离 和驱动电路以完成二者的结合。 3 5 ，1 光耦6 n 1 3 6 简介 在有强电和弱电的电路中，为防止功率电压电流对控制、测量回路的损坏， 其信号输入通常采用光一电隔离技术，因为光信号的传送不受电的干扰。在电力 电子系统中，使用光耦隔离开关，可以隔离高，低压电路。实现低压控制高压。 本系统采用常见光祸器件6 n 1 3 6 ，其原理篱图如下： 晷3 2 光耦6 i 4 1 3 6 原理图 光耦的原边和副边均要独自供电且要求严格隔离，原边采用5 v 供电：副边 1 5 v ，根据光耦驱动的电流合理选择原、副边上拉电阻值。实验中发现：光耦副 边输出的波形质量很大程度上取决于供电的电压稳定性。为保证原副边供电的可 中国科学院电工研究所硕士学位论文第三章仿真电源主电路与检测电路 靠性，采用三端稳压器7 8 0 5 和7 8 1 5 芯片供电。 3 5 2 驱动电路 经过光耦后，原边的信号将和副边严格隔离，同时被适当放大，经过光耦输 出的信号还需要在电位上进行放大才能有效驱动和关断，将信号的高电平进行抬 升，低电平下拉。 开关元器件特性及其驱动是变换器中很关键的问题，开关管的损耗与基极的 驱动电压、电流波形有很直接的关系。作为理想的驱动波形，最好在波形起始部 分前沿陡峭带点尖锋脉冲，以加快开关的接通，减少其损耗。关断时，最好加反 向偏压。将导通时存储在基区内的载流子吸出来，以提高关断速度。因为电路的 工作频率不是很高，故而忽略高频寄生振荡的问题1 2 3 1 。另外一点，m o s f e t 的 栅一源之间的耐压是有限的，为此采用了隔离推挽式驱动电路。电路如下图： 当原边为高电平，经过耦合后光耦开通。光耦中三极管饱和，6 号引脚低电 平，推挽中p n p 管导通，a 点近似接地，b 点电位恒为5 v ，g s 间则形成- - 5 v 的电压，可以用来可靠的关断功率器件；当原边电平变低，光耦关断，推挽公共 基极由3 k 上拉电阻形成高电平，n p n 管导通，a 点电位约为1 5 v ，g s 间形成 约 0 v 电压。这样在推挽之后，形成了1 0 - - 5 v 的高低电平方波，可以用于有 效的开通和关断功率管。其占空比取决于光耦输入信号的占空比。如用于克服 寄生振荡。 7 r 1e 9 中国科学院电工研究所硕士学位论文基于d s p 2 4 0 7 的光伏方阵仿真电源的设计与研究 图3 3 隔离驱动电路图 需要指出的一点是，该电路形成了负逻辑，原副边恰好处于相反的逻辑，当 然这一点无妨于控制的完成。因为控制电路可以完成对称的双路p w m 输出，只 需在控制电路连接时考虑到这一点即可。 在实验结果一章中给出了电路工作时，控制电路的波形和经过隔离驱动电路 后的波形。从波形图可以看出，该驱动电路可以很好的实现驱动功能。 3 6 检测电路 检测电路的功能是从负载端检测出负载的工作状况，并将其转换为合理的信 号送入控制电路处理，检测电路作为反馈部分的输入环节。 3 6 1 传感器电路 传感器的作用是检测外电路负载的工作状况，将其转换成合适的信号供d s p 芯片处理。本系统中共用到直流电压、直流电流2 种传感器，采用北京科海传感 器模块。在此处对其工作原理和连接电路做出介绍。 电压传感器让4 1 k v 5 0 a p 型磁平衡式电压传感器利用霍耳效应，被测电流所产生的磁场通 过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使内部的霍耳器件处于检 9 1 4 零磁 通的条件下工作。原边电路和副边电路绝缘。被测电路通过电阻r 与传感器相 连。可用于测量o 1 0 0 0 v 的电压。其电气特性如下表： 2 0 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第三章仿真电源主电路与检测电路 电压传感器连接示意图 图3 - 4 传感器连接示意图 输入电流满偏值为1 0 m a ，对应的输出电流满偏值为5