基于DSP28035的通信基站2kW光伏电源设计

2012-09-20孔祥新刘敬科闫绍敏

电气自动化 2012年1期

孔祥新刘敬科闫绍敏

（曲阜师范大学电气信息与自动化学院，山东日照 276826）

0 引言

目前，我国通信运营商对基站的覆盖要求越来越高，从市区、乡村逐步向地处偏远的高山海岛覆盖。由于地理原因这些地区往往无法接入市电，一般采用小水电供电，有些地区甚至根本没有电力供应。总体来看，这些地区的基础设施落后、供电质量低，此外，由于通信基站分布面广，维护工作量大，且不易到达。为满足这种特殊需要，新能源发电就成为这些通信基站的最佳选择，基站通信设备大多数为直流供电设备，而太阳能供电系统中，光伏太阳能板可以通过串联、并联或串并联的形式满足这些设备供电要求。随着太阳能发电系统在移动通信基站中的应用越来越广泛，市场上对其中最关键的设备—光伏电源的需求也将越来越多，具有广阔的应用前景［1－4］。

本文从智能控制角度出发，通过现代控制理论和现代电力电子技术，利用高速DSP优化控制策略和系统配置，在功率控制中加入最大功率点跟踪技术，有效地提高光伏电池的利用效率;蓄电池充电控制中采用分阶段光伏充电技术，可有效地提高充电速率，延长电池循环寿命，从而达到最佳的充电效果，实现了独立发电系统中电能的最优控制，提高太阳能输出电能质量及系统可靠性。

1 2kW光伏电源整体构成及蓄电池充电策略

1.1 光伏电源整体构成

该光伏电源采用Buck变换技术，将DC70V－110V的光伏输入电压转换到DC48V，将绿色能源直接引到通讯用电负荷，减少中间环节，集成度高、保护功能全，提高应用可靠性，改善运行效率。光伏电源整体结构如图1所示，分为一次回路部分、主控部分与通信监控部分。

图1 光伏电源整体结构图

通信基站用光伏电源应具有完善的蓄电池充电管理和蓄电池充放电保护功能;太阳能光伏组件最大功率跟踪（MPPT）功能，使太阳能发电得到高效率的转换利用。针对不同的蓄电池类型，可以设定不同的管理参数，以达到蓄电池的最优化使用［5，6］。

1.2 光伏电源蓄电池充电控制策略

根据阀控密封铅酸蓄电池的充放电特点，利用DSP28035对蓄电池进行充放电管理。若太阳能电池正常充电时给蓄电池充电，并给负载提供电源;若在夜间或太阳能电池不充电时切断蓄电池的充电回路，由蓄电池向负载提供电源。当充电电压高于保护电压时，自动关断对蓄电池的充电;此后当电压掉至维护电压时，蓄电池重新进入充电阶段。当蓄电池电压低于保护电压时，控制器自动切除负载，以保护蓄电池不受损坏。若出现过放，应先进行提升式均充充电，使蓄电池的电压恢复到提升电压后再保持一定时间，防止蓄电池出现硫化。通过DSP调节PWM控制充电电路（结合MPPT算法的智能三阶段充电），可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率［7－9］。

光伏控制器以DC－DC变换电路的电压、电流为控制对象，采用闭环负反馈数字PI控制系统。由电压环和电流环共同作用于PWM调节器。按照连续系统的工程设计方法，首先设计电流PI调节器和电压调节器，然后根据蓄电池的三阶段充电策略，在不同的阶段选择相应的PWM控制环节，系统的控制框图如图2所示。

图2 闭环负反馈控制框图

2 光伏电源硬件及软件设计

2.1 光伏电源硬件电路设计

2.1.1 一次回路

一次回路中太阳能电池将光能转化为电能，并通过电力电子器件降压，在天气晴朗有日照时向负载提供供电电源，同时补充无日照时由蓄电池向负载供电所释放的电量;无日照、阴雨天时由蓄电池向负载提供供电电源。主控部分的作用是实时采集光伏发电系统的各种相关运行状态信息，对光伏电源的正常运行进行自动控制，与上位机进行数据通信和执行上位机的操作指令。通信监控部分是连接用户与控制器的桥梁，是用户检测和操作控制器的平台。通信监控部分主要实现DSP和单片机的SPI通信、单片机和液晶屏的SPI通信、DSP和现场监控的SCI通信、单片机和上位机的RS485通信以及远程监控的GSM通信。其中监控部分分为远程监控部分和现场监控部分，远程监控通过GSM/GPRS实现，现场监控模块通过RS485实现主机与下位机间的多机数据通讯，获取存储独立光伏发电系统的运行状态信息，传递用户对主控模块的操作指令。

2.1.2 系统主控电路

系统主控电路结构如图3所示。主控部分的核心器件为DSP28035，检测电路实时采集光伏阵列输出电压、蓄电池组的电压、充放电电流、蓄电池组的温度信息，经信号调理电路进入DSP进行AD转化得到数字信号。DSP根据采集得到的数字信号对系统状态进行判断，并通过隔离驱动电路对主电路的功率开关管进行相应控制。同时DSP将系统的运行参数和运行状态信息通过SPI通信传递到STC单片机，数据进行存储和处理后送到触摸屏进行显示。

2.1.3 采样调理电路

在控制电路中，光伏电池的输出电压、电流和DC/DC变换器输出电压电流以及蓄电池的端电压和充放电电流的精确采样是非常重要的。采样误差较大的情况下会降低MPPT跟踪的准确性，影响控制器在蓄电池过欠压时的动作。因此在设计检测电路时，必须采用高精度、高可靠性的采样调理电路。由于DSP28035的A/D模块内部基准输入电压范围是0～3.3V，因此采样信号经过信号调理电路到DSP28035A/D输入电压必须为正且小于3.3V，另外还要对输入信号电压进行限幅以保护DSP芯片。本设计中采用霍尔电压电流传感器进行电压电流的信号采集，并进行了硬件滤波处理。

2.1.4 通信监控电路

系统的通信监控系统、人机交互部分，通过STC单片机和触摸屏来实现。如图4所示，用户通过触摸屏向系统发送操作指令;LED由单片机控制显示系统的运行状态，LCD显示单片机内存储的系统运行参数并保存光伏发电系统的历史数据，为用户提供了可靠直观的人机交互界面，RS485通信接口用于实现现场监控模块与主控模块之间的通信，GSM通信接口用于后台远程监控模块和主控模块之间的通信。

图3 系统主控电路结构图

图4 通信监控系统、人机交互部分结构图

2.2 软件设计

（1）主控程序设计。主要完成系统初始化，变量初始化，采样数据的处理以及触摸屏按键设置功能数据的接受等;

（2）充电控制程序。根据充电算法，调整Buck电路占空比，通过改变 DSP中 ePWM2比较计数寄存器 EPwm2Regs.CMPA.half.CMPA的值来控制IGBT的驱动信号输出从而控制IGBT的导通和关断，完成蓄电池的充放电控制和负载的控制，并实现MPPT控制;

（3）通讯程序。DSP控制板和STC控制板之间的SPI数据通信，完成DSP采集变量在LCD的实时显示、触摸屏菜单的设置信息传递;DSP控制板和上位机之间的SCI数据通信，完成DSP采集变量在现场监控上位机界面的实时显示。

（4）MPPT控制程序。在本设计中在满足以下判据条件下采用MPPT算法。一是，当光伏电池和蓄电池一起为负载供电的情况下采用MPPT算法，此时光伏能量不足，采用MPPT尽量提高光伏利用率;二是，当光伏能量充足，不仅能够为负载提供电源，而且能将多余的电能供给蓄电池充电的情况下采用MPPT，此时考虑到对蓄电池充电保护，在蓄电池三阶段充电中的恒流充电阶段实现MPPT。既充分利用了太阳能，又能保证蓄电池拥有最大的充电效率。

在蓄电池充电过程中，采用MPPT算法找到最大功率点所对应的电压，作为太阳能电池的电压基准，并且通过数字PI算法使太阳能电池功率工作在最大点。假设理想情况下，充电器没有损耗，太阳能电池输出的功率全部用于蓄电池充电，当太阳能电池实现MPPT时，蓄电池也就是最大功率充电，由于蓄电池电压变化比较缓慢，可以认为短时间内是不变的，而且最大功率在短时间内也是不变的，因此一段时间内充电电流基本上是不变的，从而实现了恒流充电。MPPT流程图如图4，5所示，△P为输入功率的差值，程序采用了变步长扰动观察法。