【《光伏系统最大功率点跟踪系统设计与分析案例》3300字】

X光伏系统最大功率点跟踪系统设计与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6634光伏系统最大功率点跟踪系统设计与分析案例 1294721.1最大功率点跟踪系统总体结构设计 259701.2样机的设计 2134211.2.1Boost电路设计 2134311.2.2STM32F334最小系统设计 443501.2.3电流电压采样电路设计 6321051.2.4光耦隔离驱动电路设计 7108391.2.5辅助电源设计 893281.3系统软件设计 9279471.3.1主程序设计 92111.3.2ADC转换子程序设计 108981.3.3PWM生成子程序设计 10278851.4实验结果与分析 11为实现本文提出的基于CAHHO算法在光伏MPPT系统中的实际应用，设计了一套基于Boost电路的MPPT系统，设计系统的软硬件部分并对实验结进行分析。1.1最大功率点跟踪系统总体结构设计MPPT控制系统框图如图1.1所示。光伏阵列输出端连接Boost变换器的输入端，Boost变换器输出端连接电阻负载。采集光伏阵列的输出电压UPV和输出电流IPV，经采样电路后通过STM32F334内模数转换器将采集的模拟量转化为数字量，MPPT算法计算后输出PWM信号，经光耦驱动电路将PWM信号放大处理，最后送至Boost电路上的开关器件，调节Boost电路的占空比D改变Boost电路的等效阻抗，当光伏阵列内外阻抗相等时，即完成光伏系统最大功率点跟踪过程。图1.1MPPT控制系统框图Figure1.1BlockdiagramofMPPTcontrolSystem1.2样机的设计1.2.1Boost电路设计（1）电感L根据电感电流连续与否分为连续工作模式和非连续工作模式[64]，其中临界情况为式（1.1）：（1.1）式中为电感纹波电流，电感工作在电流连续工作模式满足式（1.2）：（1.2）根据前面内容可得式（1.3）：（1.3）此时计算电感为式（1.4）： （1.4）式中为开关频率。电感电流纹波不超过电流峰值的20%，可得式（1.5）：（1.5）此时计算电感为式（1.6）：（1.6）光伏电池最大功率点电压为26.4V，电流为7.58A，开关频率为200Khz，计算L为39.15uH，为保留一定裕度，本文采用50uH，饱和电流12A的电感，这样能确保电感工作在连续模式且具有较小的纹波。（2）输入电容C1输入电容具有降低输入端电压的波动和滤除纹波等作用，为后级电路提供一个安全的运行环境[65]。纹波电压计算如式（1.7）：（1.7）纹波电压小于2%时，计算得电容值为31.8uF，为留有一定裕度，选用5颗容值为10uF的MLCC电容并联，总容值为50uF。（3）输出电容C2输出电容具有滤波和稳定输出电压的作用，其容值的选取和系统工作频率，电压纹波等有关，计算公式如式（1.8）、式（1.9）与式（1.10）：（1.8）（1.9）（1.10）其中为电容电压纹波，取纹波小于1%，输出电压52.8V，输出电流3.79A时，电容值为17.99uF。为保留一定裕度，选用5颗容值为10uF的MLCC电容并联，总容值为50uF。（4）MOS管MOS管具有开关速度快，导通压降低的特点，并且考虑电路中会出现电流电压激增的特装，耐压和电流取2倍余量以上，最终选取型号为IRF540N的N沟道MOS管，其耐压可达100V，最大电流33A。（5）功率二极管肖特基二极管具有较低的导通压降，是高速开关电路的理想器件。Boost电路二极管选取型号为MBR20100CT，其耐压值为100V，电流最大为20A，满足本设计要求。在二极管两端并联RC电路，可以滤除开关瞬间的尖峰。Boost电路图如图1.2所示：图1.2Boost电路图Figure1.2BoostCircuitdiagram1.2.2STM32F334最小系统设计STM32F334C8T6芯片是ST公司开发的32位处理器，STM32F334微控制器提供两个快速12位ADC（5Msps），最多三个超高速比较器，一个运算放大器，三个DAC通道，一个高分辨率定时器，一个通用32位定时器。STM32F334微控制器主频为72MHz，具有强大的数据处理功能。STM32F334最小系统主要包括时钟电路、复位电路、BOOT电路等[66]。（1）时钟电路采用8MHz的无源晶振Y1作为外部高速时钟，电容C29和电容C30起过滤谐波作用，取值22pF，可降低晶振电路起振时的振荡，时钟电路如图1.3所示：图1.3时钟电路Figure1.3Clockcircuit（2）复位电路RC复位电路如图1.4所示：图1.4复位电路Figure1.4Resetcircuit上电期间，VCC3.3V电源为电容C31充电，复位引脚RST被拉低，当电容充电完成后，RST恢复高电平位；外部按键按下后，复位引脚接地，按键抬起后，RST恢复高电平。图1.5最小系统电路图Figure1.5MinimumSystemCircuit最小系统电路图如图1.5所示，其中SWDAT为仿真器信号，SWCLK为仿真器时钟。STM32F334工作时需从外部Flash启动，BOOT0通过4.7K的电阻接地。1.2.3电流电压采样电路设计（1）电流采样电路电流采样电路采用采样电阻和差分放大电路相结合。电流流过采样电阻会产生相应的压降，采样电阻阻值很小，只有10mΩ，因此电阻产生的压降非常低，需经过差分电路进行放大。电流采样电路如图1.6所示：图1.6电流采样电路Figure1.6Currentsamplingcircuit放大倍数K由公式（1.11）可得：（1.11）电阻R7和电容C1起低通滤波器的作用。偏置电压Vref取值1.65V，即3.3V的一半。则电压VADC_I与电流I的关系为式（1.12）：（1.12）（2）电压采样电路电压采集电路包括输入电压采集电路和输出电压采集电路。其中输入电压采集电路采用电阻分压原理，电路图如图1.7所示：图1.7输入电压采样电路Figure1.7Inputvoltagesamplingcircuit其中电容C3起滤波作用，衰减倍数K由公式（1.13）计算：（1.13）则电压VADC_V_IN与电压VIN的关系式如式（1.14）：（1.14）输出电压采样电路采用差分放大电路将输出电压调整至ADC模块的输入电压范围内，电路图如图1.8所示：图1.8输出电压采样电路Figure1.8Outputvoltagesamplingcircuit放大倍数由式（1.15）可得：（1.15）电阻R20和电容C4起低通滤波器的作用。电压VADC_V_OUT与电压VOUT的关系式为式（1.16）：：（1.16）1.2.4光耦隔离驱动电路设计单片机输出的PWM信号电压只有3.3V，无法直接驱动开关管，以至于Boost电路无法工作。Boost正常工作要求MOS管能够快速响应PWM的变化，具有很强的驱动能力，即具有很大的灌电流和拉电流。本文设计的光耦隔离驱动电路采用HCPL-3120光耦，其最小驱动电流可达到2.0A，最大开关时间为500ns，绝缘耐压15KV。光耦隔离驱动电路如图1.9所示：HCPL-3120光耦的2引脚接PWM输入，电阻R23用于滤除PWM路径上的高频干扰；8引脚和5引脚为光耦的电源正负极，其供电范围0-35V，本文采用15V供电；引脚6和7是输出端，接在一个互补推挽电路的输入端，进一步提高驱动能力，降低输出阻抗；整个光耦驱动电路的真值表如表1.1所示：图1.9驱动电路Figure1.9Drivecircuit表1.1光耦驱动电路真值表Table1.1TrueTableofOptocouplerDriveCircuits输入输出电平变化高电平高电平低电平低电平1.2.5辅助电源设计辅助电源从Boost输入端获取电压，经一系列转换后像控制系统的元器件供电，辅助电源电路图如图1.10所示：(a)辅助电源电路a(b)辅助电源电路b图1.10辅助电源电路Figure1.10Auxiliarypowersupplycircuit降压转换器选用XL7005A，可获得15V的电压，为驱动电路供能，计算公式如式（1.17）；线性稳压器选型SPX1117M3-L-3-3/TR，可获取3.3V的电压，主要为控制芯片和运放供能。其中REF_1V65作为偏置电压为电流采样电路供能。（1.17）1.3系统软件设计1.3.1主程序设计整个软件设计开发环境是Keil，在主程序设计中，首先需要进行系统的参数初始化，其次进行开机自检，如有故障发生，则调用故障处理子函数，否则关闭所有中断，清除标志位，接着进行各模块的初始化，包括GPIO，ADC，PWM，SCI等，打开中断，进入主循环等待中断，中断由EPWM1出发，当标志位有效时，进入中断服务函数响应中断，否则，继续等待中断。主程序流程图如图1.11所示：图1.11主程序流程图Figure1.11Mainprocedureflowchart1.3.2ADC转换子程序设计MPPT算法运行时，需要不断的对输入输出电压电流进行采集，而STM32F334具有丰富的AD处理资源，ADC转换子程序的流程如下：首先执行初始化程序，等待ADC中断到来，中断发生后等待转换完成。转换完成后，首先清除中断标志位，其次读取转换结果，并进行软件滤波，本文的软件滤波思路是，采集50个数据，并进行排序，去掉最大值和最小值，最后求平均，经过软件滤波之后的数据，更稳定，没有尖峰值，最后返回转换结果。流程图如图1.12所示：图1.12ADC转换子程序的流程图Figure1.12FlowchartADCthetransformationsubroutine1.3.3PWM生成子程序设计STM32F334产生的PWM波经驱动电路送至MOS开关管，调节Boost电路的占空比，从而完成光伏系统输出最大功率跟踪。经微处理器的算法计算后得到合适的占空比，将比较寄存器中数据更新，输出的PWM经驱动电路送到功率电路的开关管中[67]，PWM生成子程序设计如图1.13：图1.13PWM生成子程序图Figure1.13PWMGenerationsubroutinediagram1.4实验结果与分析整体实验平台如图1.14所示：图1.14光伏系统实验平台Figure1.14Experimentalplatformforphotovoltaicsystems首先测试Boost电路的升压性能，给定Boost输入电压24V，调节占空比D为0.5时，Boost输出电压波形如图1.15所示：图1.15Boost电路输出电压Figure1.15Boostcircuitoutputvoltage可以发现Boost输出电压为48V，Boost电路工作正常。用PV模拟器代替太阳能电池板进行实验，PV模拟器型号PVS1010，其输出电压为0-600V，输出电流为0-20A。直流负载采用0-900欧姆的可调电阻。PV模拟器模拟单峰均匀光照情况，其中光伏电池开路电压48V，最大功率点电压24V。分别用HHO算法和C