基于dsPIC的通用型光伏发电控制模块的研究

2015-01-12李学哲邓永红张全柱宫新勇

华北科技学院学报 2015年6期

李学哲，邓永红，张全柱，宫新勇

(华北科技学院机电应用技术研究所，北京东燕郊 101601)

0 引言

随着经济的快速发展，能源问题日益严重。太阳能作为一种安全可靠、无污染的可再生能源，越来越受到各国的重视，已经成为各国可持续发展战略的重要组成部分。目前，各国的太阳能光伏发电技术已经取得了长足的发展，但仍有亟待完善的地方，尤其是控制模块的可靠性和灵活性问题更是突出。现场迫切需要研制出一种稳定、可靠的光伏发电控制方案。本系统正是基于这样的实际应用背景和需求而进行立项开发的，采用先进的数字控制技术和现代传感技术，提高了系统的稳定性和可靠性。本文针对该模块的软硬件进行了研究与设计，实验结果证明了设计方案的可行性。

1 光伏发电系统总体设计

太阳能光伏发电系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电，用于向负载供电或向电网馈电的装置，它实际上是一个有源逆变系统[1]。典型的太阳能光伏发电系统主要包括主电路、驱动电路、检测电路和控制电路。主电路通过电力电子器件的开通与关断，完成太阳能向正弦交流电的转换，包括光伏组件、直流斩波电路、逆变电路和滤波电路；控制系统电路用于检测状态参数、产生变换控制信号，是整个系统的核心，包括对直流斩波电路的控制和对逆变电路的控制等；控制电路与主电路之间需要设计驱动电路，实现低压控制信号向IGBT驱动信号的转换，用于主电路电力电子器件的控制；检测电路主要用于直流母线电压、输出电压、电流等状态参数的检测。典型的太阳能光伏发电系统结构示意图如图1 所示。

图1 太阳能光伏发电系统结构框图

2 控制电路的结构及工作原理

本文所设计的控制电路由dsPIC30F6010A单片机芯片及外围电路、PWM输出电路、SPWM输出电路、检测电路和保护电路组成，如图2所示。

图2 控制电路组成框图

其中，dsPIC30F6010A是控制电路的核心，设计完成的功能包括：①采集直流母线电压、交流输出电压和电流等模拟量用于监测和控制；②向功率器件驱动电路提供脉宽和频率可实时改变的PWM信号(控制直流斩波)和SPWM信号(控制逆变电路)；③检测电网电压的频率和相位实现并网控制；④接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护功能。此外，dsPIC30F6010A还通过RS232接口，与键盘盒通讯，实现参数设置和状态显示等功能。

控制电路的工作原理为：由于太阳能为间歇性能源，系统的输入功率会随着外在因素变动[2]，因此利用dsPIC30F6010A产生PWM输出信号，控制直流斩波，针对太阳能光伏电池来实现最大功率点跟踪功能；利用SPWM信号，控制逆变电路，实现输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。检测电路主要对升压斩波电路中的直流母线侧电压和交流输出电压、电流进行检测，然后输送给控制系统进行分析、比较，进而调整PWM和SPWM信号输出。IGBT驱动电路在驱动逆变器运行的同时，也提供了对IGBT进行短路检测和保护的功能，IGBT一旦发生短路故障，它将故障信号传给单片机，并关断SPWM信号输出。

3 关键电路设计与实现

3.1 CPU电路设计

CPU电路也就是一个单片机最小系统，由CPU、供电电源、复位电路、时钟电路和程序调试下载电路等组成。本系统中CPU采用dsPIC30F6010A设计，该单片机是一款高效微控制器，具有技术成熟可靠、灵活方便等优点，其软硬件资源丰富，内部集成有12位高精度AD转换器、8个电机专用PWM输出模块、CAN通讯接口等，可以满足设计要求[3]。

3.2 PWM波输出电路设计

PWM波输出电路实质上是一个数模转换器。将单片机输出的占空比可调的方波信号转换成模拟的直流电压信号，实现斩波控制。单片机输出信号占空比变化范围为1%～99%，对应的输出电压范围为-10V～+10V，占空比与输出电压成线性关系。电路原理如图3所示，电路输入输出关系如表1所示。

图3 PWM输出电路原理图

占空比(DIn)1%10%20%30%40%50%60%70%80%90%99%模拟量(AOut)-10-8.5-6.3-4.2-2.102.14.26.38.510

3.3 SPWM波输出电路设计

SPWM波输出电路主要由单片机、MC54HC244、NPN三极管MMBT5551、供电电源、电容和电阻等组成，如图4。该电路功能是输出6路脉冲SPWM波，控制逆变器。

图4 SPWM输出电路原理图

单片机输出6路SPWM波经MC54HC244隔离缓冲后，在使能信号/G为低电平时输出到IGBT驱动器的输入端INX，驱动逆变器运行。当逆变器正常工作时，

IGBT驱动器反馈信号SC为高电平，使能端/G为低电平，允许SPWM波输出；当逆变器发生短路等故障时，SC为低电平信号，使能端/G为高电平，封锁SPWM信号输出，实现硬件保护功能。

3.4 检测电路设计

检测电路需要对光伏模块的直流端电压、交流输出电压、电流等信号进行采样，交给单片机处理，是构成闭环控制不可缺少的部分[4]。检测电路由各种传感器和运放构成，将被测信号调整成为能够被单片机识别的一定电压级别的信号。检测电路应该满足如下条件：

(1) 增益可调，即被测信号变化时，通过检测电路增益的调整，使输出信号调整到适合A/D采样的范围，从而提高A/D转换的精度；

(2) 电平转换，即将系统输入的高电压、大电流、双极性信号调整成适合CPU采样的0到3.3 V单极性电压信号；

(3) 滤波功能，光伏系统采样信号中含有大量的高频干扰成分，为了防止这些高次谐波对CPU的影响，必须在检测电路中设计低通滤波电路，以滤掉高频干扰信号，保证CPU的可靠工作。

按照上述条件设计如图5、6所示的信号检测电路。其中，图5为直流电压检测电路，电路采用差动输入，单端输出，放大倍数为100∶1，实现将斩波升压后的高直流电压经两级放大后，调整成0～3.3 V的直流电压供单片机采样。图6为交流

电压、电流检测电路，传感器输出-4 V～+4 V的交流信号，经过二极管整流、电容滤波，调整成为0～3.3 V的直流电压信号。

图5 直流电压检测电路

图6 交流电压、电流检测电路

3.5 用户接口设计

为了方便用户的使用，系统专门设计了键盘盒，用于完成系统的状态显示与参数设置。键盘盒与控制模块之间采用RS232串口通信，用户通过操作键盘盒，与控制模块通讯，方便的查询系统的状态参数。键盘盒采用STC12C5A60S2单片机设计。键盘盒的设计增加了系统的灵活性和通用性，方便系统调试与维护。

4 系统软件设计

4.1 软件总体设计

系统的软件采用模块化设计，主要包括四个部分：主程序，定时器中断程序，串口中断程序，功率跟踪程序。其中，主程序主要是检测装置的运行状态是否正常及上位机发来的命令，同时等待中断的到来；定时器中断主要是完成AD检测及SPWM的产生；串口中断程序主要实现与键盘盒的通信，完成状态的显示与参数的设置；功率跟踪程序主要是完成AD检测及PWM波的产生，实现最大功率点的跟踪。

4.2 死区时间的设计

因为功率输出器件不可能瞬时完成开关，所以在互补输出模式中，必须在一个晶体管的关断事件和另一个晶体管的导通事件之间提供一段时间，以防止两个晶体管同时导通，造成短路。

dsPIC30F6010A有DTCON1和DTCON2两个可编程的死区时间控制寄存器，可以为互补输出地高低脉冲灵活的设置不同的死区时间和插入方式。死区时间的标准范围为0.5 μs

5 系统实验及分析

5.1 SPWM信号实验及分析

针对设计的控制模块，进行了SPWM信号调试实验。图7为单片机输出的SPWM波形图，作为逆变器驱动电路的输入信号，经驱动电路放大后驱动三相逆变器工作，将斩波电路输出的直流母线电压逆变为与电网电压同频率同相位的220 V交流电压。对于单片机输出脉冲的死区时间如图8所示。从图中可以看出互补驱动脉冲之间的间隙就是死区时间，经过测量大约为3 μs，满足设计要求。