1題目：基于TMS320F28027的光伏并網(wǎng)模擬裝置學校：東南大學指導教師：胡仁杰（教授）參賽隊成員名單（含個人教育簡歷）：仲浩、研究生、東南大學劉千杰、研究生、東南大學謝倩、研究生、東南大學2基于TMS320F28027的光伏并網(wǎng)模擬裝置摘要：本系統(tǒng)由SPWM信號的產(chǎn)生、逆變回路及其控制、欠壓過流保護、鍵盤和顯示等部分組成。選擇DSPTMS320F28027芯片產(chǎn)生SPWM信號；逆變器主回路是由功率場效應晶體管構(gòu)成的全橋逆變電路，其控制部分采用基于DSP控制的最大功率跟蹤和輸出電流跟蹤控制策略，使逆變輸出電流與參考信號同頻同相；并從軟硬件兩方面進行輸入欠壓、輸出過流保護，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率、畸變率等各項指標的測試結(jié)果表明，本光伏并網(wǎng)模擬裝置是比較穩(wěn)定可靠的。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)模擬裝置、最大功率跟蹤、頻率相位跟蹤、F28027Rid-connectedPphotovoltaicSimulatorbasedonTMS320F28027Abstract：ThesystemincludesmodulesofgeneratingSPWMsignals,invertercircuitanditscontroltactic,undervoltageandovercurrentprotection,keyboardanddisplay.DSPTMS320F28027isusedtogenerateSPWMsignals.TheinvertercomposedofMOSFETisoffull-bridgeconstructionandthemaximumpowerpointtrackingandcurrenttrackingstrategybasedonDSPisappliedtothecontrollerofit,makingthefrequencyandphaseoftheexportcurrentthesameasthereferencesignal.Protectionisrealizedbymeansofhardwareandsoftware,whichimprovesthestabilityandreliabilityoftheentiresystem.Theresultofthetestsincludingindexessuchasconversionefficiencyandaberrationrateshowsthestabilityandreliabilityofthisgrid-connectedphotovoltaicsimulator.Keywords：grid-connectedphotovoltaicsimulator；maximumpowerpointtracking；frequencyandphasetracking；F280273目錄1引言.12系統(tǒng)指標分析.13系統(tǒng)方案.23.1總體方案.23.2正弦波信號產(chǎn)生方案.23.3MPPT跟蹤原理及提高效率方案.33.4頻率和相位跟蹤方案.43.5過流和欠壓保護方案.43.6驅(qū)動及逆變主回路方案.44理論分析與計算.54.1SPWM相關(guān)分析與參數(shù)計算.54.2電壓電流數(shù)據(jù)的分析與算法.64.3MPPT算法分析.74.4頻率相位跟蹤分析與參數(shù)計算.84.5濾波電路的分析與參數(shù)計算.94.6FFT變換及THD計算.105系統(tǒng)硬件設計.135.1逆變主電路及DSP最小系統(tǒng).135.2驅(qū)動及其保護電路.145.3頻率和相位檢測電路.145.4電源管理電路.155.5電壓和電流相關(guān)檢測電路.176系統(tǒng)軟件設計.186.1軟件總體方案.186.2SPWM產(chǎn)生程序.196.3MPPT程序.206.4頻率相位跟蹤程序.216.5系統(tǒng)保護及自恢復程序.226.6DIT-FFT變換程序.227系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新.238測試方案及結(jié)果分析.248.1測試方案及測試條件.248.2測試結(jié)果及其完整性.248.3測試結(jié)果分析.26結(jié)論.27參考文獻.28附錄.2911引言本設計選擇A題，根據(jù)題目要求需設計光伏并網(wǎng)模擬發(fā)電裝置，可以對給定的光伏模擬電源實施最大功率跟蹤，以達到高效傳輸電能的目的。還需對給定的正弦波進行實時的頻率和相位跟蹤。為了保護系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，還應增加相應的保護功能。隨著當今能源的消耗日益劇增和傳統(tǒng)能源的日趨減少，以及使用傳統(tǒng)能源所帶來的一系列相關(guān)問題逐漸增加，如環(huán)境污染、溫室效應等諸多問題，對于開發(fā)新能源的需求越來越大1。當今各國都在致力于新能源的開發(fā)，如原子能、風能、太陽能等，在最近十年的發(fā)展中，太陽能得到了迅速發(fā)展。目前作為基礎(chǔ)設施的電力行業(yè)正在努力利用太陽能，為電力的發(fā)展注入新的生機與活力。光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為時代的潮流和制約太陽能應用的關(guān)鍵技術(shù)2，本設計主要對光伏并網(wǎng)發(fā)電中的一些技術(shù)做了相關(guān)研究，并使用DSPF28027設計完成了光伏并網(wǎng)模擬裝置。本設計主要實現(xiàn)了模擬光伏電源由直流轉(zhuǎn)換為單相交流電源的功能，具有最大功率點跟蹤功能和頻率相位跟蹤功能，另外增加了相關(guān)的保護和顯示功能。本模擬裝置可以在一些高校和科研院所作為實驗裝置，以作相關(guān)參考。它還可以為進一步研究光伏并網(wǎng)提供一個良好的平臺，對于研發(fā)光伏并網(wǎng)應用裝置和產(chǎn)品有著重要的借鑒意義。2系統(tǒng)指標分析本設計除了失真度（THD）未達到發(fā)揮部分要求之外，其它都達到了該題目要求的基本指標和發(fā)揮部分指標，并在此基礎(chǔ)上進行了擴展。本設計不僅可以實現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)模擬的要求，還可以在一定情況下實現(xiàn)裝置的自檢測?，F(xiàn)將題目的要求指標（包括基本要求指標和發(fā)揮部分指標）和本設計所達到的各項指標在表2.1中進行比較。表2.1系統(tǒng)各項指標對照表項目項目基本指標發(fā)揮部分指標本設計達到指標MPPT時間1s1s1s相對誤差1%1%0.9%頻率時間1s1s1s相對誤差1%1%0.2%相位時間無1s1s相對偏差（絕對值）無51.6效率60%80%90%失真度THD5%1%2%保護輸入電壓Ud（th）=（250.5）V250.1V輸出電流Io（th）=（1.50.2）A1.50.2A自恢復功能無有有2其他人機接口（鍵盤和液晶顯示）；THD計算及其顯示注：表2.1中“本設計達到指標”一欄內(nèi)均是在題目所要求的測試條件下，并充分考慮了實時性的情況下測得。3系統(tǒng)方案3.1總體方案本光伏并網(wǎng)模擬裝置的總體方案采用TI公司的TMS320F28027開發(fā)平臺，采集輸入端的電壓和電流，運用合適的最大功率點跟蹤（MPPT）算法，實現(xiàn)對功率的實時跟蹤功能，滿足設計要求。在控制逆變電路時，采集給定信號和輸出反饋電壓信號，實現(xiàn)對給定信號頻率的跟蹤。對于相位差則將給定信號與輸出反饋信號做比較得到相位差，并且判斷輸出相位是超前還是滯后，從而給出較準確的控制策略。為了消除逆變器輸出波形中的高次諧波，在其輸出后增加了濾波電路。為了保證裝置的安全性和可靠性，又設計了輸入欠壓保護和輸出過流保護電路。另外，增加了鍵盤和LCD顯示功能，使本裝置的相關(guān)性能測試和操作更加人性化。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1。模擬光伏電源逆變器濾波電路隔離變壓器負載電壓檢測輸出電流檢測TZA/DEPWMSCIXINT1XINT2XINT3驅(qū)動電路iUiIfuoi輸入電壓電流檢測1ouLCD顯示鍵盤F28027信號調(diào)理正弦參考信號uref圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖此方案的優(yōu)點是能夠充分的利用DSPF28027的集成外設資源，并且其最大時鐘頻率為60MHz，能夠滿足算法對速度的要求。其集成的A/D為12位，精度較高。此外價格相對于F2407和F2812等產(chǎn)品較低，所以性價比較高，對于設計本并網(wǎng)模擬裝置比較合適。并且F28027內(nèi)部有著豐富的外設資源，具有TZ功能，使得在做SPWM的硬件和軟件保護時更加方便，避免使用專用的具有硬件保護的MOSFET驅(qū)動芯片，合理利用了F28027的內(nèi)部資源，提高了裝置的資源利用率，降低了成本。3.2正弦波信號產(chǎn)生方案目前對于利用PWM產(chǎn)生正弦波，產(chǎn)生了多種高效可行的技術(shù)方法，如正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）、消除指定次數(shù)諧波的PWM（SHEPWM）、電流滯環(huán)跟蹤PWM（CHBPWM）等3-5，考慮到本裝置是單相正弦逆變，所以采用SPWM或CHBPWM技術(shù)比較合適，但3由于CHBPWM技術(shù)在實際應用中需要大量高效快速的運算，而SPWM則不需要，所以對于本設計而言，選用SPWM技術(shù)生成正弦波是比較合理的。本文采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)作為逆變電路的控制策略。為便于軟件實現(xiàn)和死區(qū)時間的生成，本系統(tǒng)采用的正弦脈寬單極性調(diào)制方式（原理圖如圖2.2所示）如下：圖中uc表示載波，ur表示調(diào)制波。圖3.2單極性SPWM調(diào)制原理圖在實現(xiàn)SPWM過程中，工程上常使用的方法為自然采樣法和規(guī)則采樣法，本設計中用到的F28027的EPWM模塊中的TB可以實現(xiàn)增減計數(shù)，所以能完成對稱PWM波形的輸出，因此選用規(guī)則采樣法（如圖3.3所示）。而規(guī)則采樣法通常又有兩種。規(guī)則采樣法：在三角波的正峰時刻tC對正弦信號波采樣得C點，過C作水平直線和三角波分別交于A、B點，得脈寬為t2的PWM波。但是如果t2偏窄時會出現(xiàn)誤差過大的現(xiàn)象。規(guī)則采樣法：在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度t2和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。綜合上面的對比分析，選擇規(guī)則采樣法。圖3.3規(guī)則采樣法原理圖3.3MPPT跟蹤原理及提高效率方案光伏發(fā)電逆變的主要性能之一是效率。傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置多采用兩級電路形式，前級DC-DC電路運行中存在多個能量變換過程，能量交換發(fā)生在電場能和磁4場能的不同能量形式之間，儲能元件電容器和電感器在多次變換時存在多個功率損耗，阻礙逆變效率的提高。如果剔除DC-DC變換電路，直接將光伏電池組件連接到逆變電路作正弦波調(diào)制輸出，有利于提高逆變器的最大效率以及效率帶技術(shù)指標，并可提高逆變器的可靠性和減小逆變器生產(chǎn)成本5-7?？紤]到本模擬裝置的一些要求，選用單級逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)，以簡化電路的設計與控制。在MPPT跟蹤算法上，由于常見的擾動法（即爬山法）在最大功率點附近會不斷擺動，在一定程度上增加了系統(tǒng)的能耗。經(jīng)查閱相關(guān)文獻及研究，使用了電導增量法，并針對本模擬裝置的特殊性做了一些改進，具體算法將在MPPT算法分析中進行闡述。需要采集的變量主要是輸入電壓和電流。3.4頻率和相位跟蹤方案在光伏并網(wǎng)過程中，頻率和相位的跟蹤是一個比較關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)8。在本設計中考慮到軟硬件資源的合理高效配合，使用了F28027的兩個外部中斷資源，輸出波形經(jīng)信號調(diào)理后的波形如圖3.4中的Uf所示，輸入波形經(jīng)調(diào)理后的波形如圖3.4中Ure所示。在外部中斷中使用上升沿觸發(fā)方式，然后借助timer0對輸入和輸出波形的周期進行測定，即可準確計算出各波形的頻率。至于超前滯后以及相位差的測定則在中斷服務程序中通過將每次測定的時間值存入相應的變量中，兩個相比較即可求出結(jié)果。圖3.4待檢測波形3.5過流和欠壓保護方案為了使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，并根據(jù)相關(guān)設計要求，增加了過流和欠壓保護。介于保護的速動性要求，在硬件上設計相關(guān)的保護電路，并通過軟件算法的優(yōu)化提高保護動作的準確性。硬件上主要是將調(diào)理好的信號經(jīng)過比較器LM393與相關(guān)的臨界值進行比較，比較后的結(jié)果送至TZ，以控制SPWM的輸出或禁止。軟件主要通過采集輸出電流和輸入電壓的值來計算輸出電流的有效值和輸入電壓的平均值判斷保護動作響應與否，對于采集數(shù)據(jù)的處理采用了一定的算法，具體見理論分析與計算中的相關(guān)闡述。3.6驅(qū)動及逆變主回路方案對于系統(tǒng)的主回路而言，本裝置模擬的是單相光伏并網(wǎng)，所以使用常規(guī)的單相全橋（H橋）電路即可，主要在于器件的選擇和MOSFET觸發(fā)端的電路設計上。在電路設計時對MOSFET的G極做了一定的硬件處理，使其能夠快速關(guān)斷，在軟件設計上則為了防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象，加了死區(qū)控制9。UrefUfDelta5本裝置為并網(wǎng)模擬裝置，所以從功率角度劃分，應屬于小型電力電子裝置，所以選用MOSFET作為逆變的開關(guān)器件比較合適。對于MOSFET的驅(qū)動，常用的方案主要有以下幾個：(1)柵源浮動電源驅(qū)動，每個MOSFET高壓側(cè)需要一個隔離電源，電平轉(zhuǎn)換電路錯綜復雜。(2)變壓器隔離驅(qū)動，雖然簡單便宜，但運用于寬占空比范圍時，技術(shù)復雜，且在頻率下降時，變壓器尺寸顯著增加。(3)自舉電路，簡單便宜但具有與變壓器隔離驅(qū)動相同的缺點，即占空比與開通時間都受自舉電容刷新的限制。(4)集成電路驅(qū)動，使電路省去了繁雜的獨立元件，且功能齊全，有很好的驅(qū)動及控制性能。鑒于以上幾種方案，考慮電路設計的簡潔性和便于軟件控制性，使用IR2110MOSFET驅(qū)動芯片。IR2110相對于相關(guān)的芯片而言，控制比較簡便，所需的輔助電源少，性價比較高。F28027輸出的PWM信號經(jīng)過高速光電耦合器輸出，這樣既達到了保護F28027又增強系統(tǒng)的抗干擾能力。4理論分析與計算4.1SPWM相關(guān)分析與參數(shù)計算由于本裝置是要模擬并網(wǎng)的，所以頻率波動范圍比較小，一般在45-55Hz之間。因此在SPWM調(diào)制方式上可以選擇同步調(diào)制，即載波比N（計算公式如公式（4.1）所示）為常數(shù)，變頻時三角波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，因而輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。對于單相逆變的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，載波比N可以不為3的倍數(shù)?？紤]到相位跟蹤是通過調(diào)整產(chǎn)生SPWM信號正弦波離散值發(fā)生的時刻而實現(xiàn)的，為了使相位差控制在1度以內(nèi)，每個周期所取的點數(shù)應該不少于180個（即N=180）。但開關(guān)頻率提高開關(guān)損耗就會上升，所以開關(guān)頻率不能太高。綜合以上兩點，本設計取N=400。這樣理論上可以實現(xiàn)的相位跟蹤精度為0.45度（50HZ）。遠小于指標中的5度。/crNff（4.1）cf載波頻率；rf調(diào)制波頻率單相逆變光伏系統(tǒng)主電路中含有4個MOSFET，因此需要4路控制信號來分別控制。有的設計方案中利用同一信號來控制同時導通的兩個管子，這樣實際上只需要2路控制信號。在試驗中發(fā)現(xiàn)，這種方法會產(chǎn)生比較嚴重交越失真。其原因是同時導通的兩個管子在同一信號的作用下不能同時導通（每個管子導通及關(guān)斷時間長度不一樣），特別是占空比比較小的時候更加明顯。為了克服交越失真，要讓每次同時導通的兩個管子中的一個一直導通，另一個接受SPWM信號控制。這樣只需要2路SPWM信號和2路頻率較低的控制信號。2路SPWM信號是由EPWM1產(chǎn)生，2路控制信號由普通I/O口產(chǎn)生。程序中定義一個EPWM1中斷次數(shù)統(tǒng)計全局變量EPwmTimerIntCount。此變量值代表SPWM信號正弦波離散點序號，因為每個周期都有400個點，所以當計數(shù)到400時，讓其清零。在0和200時做相應操作來完成換向，并在換向時加上一段死區(qū)時間。每個離散點所對應的低電平時間可查詢數(shù)組spwm得到。spwm中的數(shù)據(jù)可由式(4.2)得到。1_*(1(sin(*/200)*)spwmnEPWMTIMERTBPRDfabsPInm（4.2）6其中EPWM1_TIMER_TBPRD為周期寄存器所對應的數(shù)值，m為調(diào)制比。每次周期及調(diào)制比m變化時，都需要重新計算spwmn。在每次匹配中斷發(fā)生時，執(zhí)行EPwmTimerIntCount+，且更新下一周期的占空比。為了產(chǎn)生對稱的SPWM信號，EPWM1計數(shù)器配置為增減模。那么，此時的SPWM周期為：(EPWM1_TIMER_TBPRD*2*400)/60000000。例如要產(chǎn)生50HZ的正弦波，EPWM1_TIMER_TBPRD要為1500。由于需要時刻跟蹤電網(wǎng)的頻率及相位，EPWM1_TIMER_TBPRD的數(shù)值可由檢測到的電網(wǎng)頻率經(jīng)簡單的計算確定。相位的調(diào)整可通過操作變量EPwmTimerIntCount超前或滯后來完成。4.2電壓電流數(shù)據(jù)的分析與算法本設計需要實時檢測輸入電壓、輸入電流和輸出電流的大小。F28027含有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，精度比較的高，分辨率為：3.3V/4096=0.8mV。由于開關(guān)器件等強干擾源的存在，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值會不停的變動。盡管在硬件上做