基于MSP430单片机的光伏并网模拟装置设计

占文兵， 王文虎

基于MSP430单片机的光伏并网模拟装置设计

占文兵， 王文虎

（湖南文理学院 电气与信息工程学院， 湖南 常德， 415000）

根据光伏并网发电实验测试的需要， 设计了一种基于MSP430F1611单片机的光伏并网发电模拟装置。模拟装置通过MSP430F1611的A/D转换器检测输入电压， 根据检测结果选择DC/DC变换的结构， 使用驱动芯片TL494对DC/DC变换进行控制， 实现最大功率点跟踪（MPPT）； 利用MSP430F1611的定时器B比较输出功能产生SPWM波， 控制单相全桥逆变； 利用定时器A的捕获功能， 对频率与相位进行检测， 完成频率与相位跟踪； 利用A/D转换器对系统的电压、电流进行采样， 实现幅值跟踪和输入欠压保护及输出过流保护。在IAR平台下开发了 SPWM 发生程序、A/D转换子程序、相位与频率跟踪程序、人机接口子程序等。借助Matlab/Simulink对主电路及孤岛效应进行仿真分析， 结果表明模拟装置性能良好； 实物实现了并网和孤岛检测等功能， 且并网电流的总谐波失真小。

光伏并网发电； 微处理器； 逆变器； 最大功率点跟踪； 孤岛检测

1　系统结构

光伏并网发电模拟装置分为主电路和控制电路2部分。主电路主要由DC/DC变换和DC/AC逆变组成， 其中DC/DC变换部分实现最大功率点的跟踪。控制电路包括信号检测、隔离驱动和保护电路、人机接口电路等。其中信号检测主要包括直流电压检测、逆变输出交流电压、电流和电网电压检测以及频率检测。信号检测电路不仅用于检测指示及保护控制， 其更主要作用是满足并网同步的需求。系统结构如图1所示。

图1　系统结构框图

2　硬件设计

2.1主电路

主电路DC/DC变换是Buck-Boost型电路， 通过降压或升压使DC变换的输出电压为直流电压源的1/2， 实现最大功率点跟踪功能（MPPT）［5］。DC/AC采用的是全桥逆变， 通过控制4个MOS管的导通和截止组合顺序， 使负载两端电压发生周期性改变， 以实现逆变。

2.2控制电路

控制核心采用了TI公司的MSP430F1611微处理器实现系统的检测及控制。MSP430F1611有着丰富的片上资源： 2组定时器（TA和TB）， 定时器具有定时、比较和捕获功能； 6个I/O端口， 其中1、2端口具有中断功能， 每个端口8个引脚； 2个USART和SPI； 6个12位A/D转换器。丰富的片上资源为硬件实现光伏并网奠定了基础。最小应用系统包括时钟电路、复位电路和下载电路。

（1） 直流电压检测。对DC/DC变换的输入电压和输出电压进行分压检测， 经由OP07构成的跟随器送到微处理器的AD采样口， 以满足精确测量。

（2） 交流检测。为了实现并网功能， 必须对DC/AC逆变的输出交流电与待并网的交流电进行有效监测， 且在同幅、同频、同相时实现并网。交流电压与电流的幅值检测均采用霍尔传感器实现， CHV-25P霍尔电压传感器， 原边额定有效值电流为10 mA， 副边额定有效值电流为50 mA， 转换率为5∶1。其原边采用47 kΩ电阻限流， 输出侧采用75 Ω电阻提供电压输出。CHB-25NP霍尔电流传感器， 原边额定电流为12 A， 原、副边的输出电流比为1∶500， 霍尔电流传感器输出侧采用1 kΩ电阻提供电压输出。

交流电压、电流的检测， 先经过霍尔传感器把强电与弱电分开， 且把被测点电压降到-3.30～+3.30 V以内。再通过分压把被测点电压变到-1.65～+1.65 V内。最后通过叠加电路对已处理的电压叠加+1.65 V直流偏置， 使输出电压的最小值不小于0 V。叠加电路输出端通过2个二极管把输入单片机的电压嵌在0～+3.30 V之间。

（3） 频率和相位检测。逆变输出电压、电流以及电网电压经霍尔检测， 并通过过零比较转换成+3.30V脉冲信号， 以利于微处理器对信号的采集。采用滞环比较器来实现过零检测， 可以消除系统的振零效应。滞环比较器中， 设VH和VL分别为比较器输出由低电平VOL变到高电平VOH时的阀值和由高电平跳变到低电平时的阀值。则电压阀值表达式为VH= V-（1 + R11/R12） - VOLR11/R12， VL= V-（1 + R11/R12） -VOHR11/R12， R11/R12为滞回电压比。

滞环比较器通过改变 R11/R12的值来改变回差值， 但必须确保比较器输出脉冲信号的上升沿与电网电压正向过零点重合。通过调节反相输入端的电阻来改变反相端输入电压， 以实现比较器输出脉冲信号上升沿稳定在电网电压正向过零点［6］。

2.3驱动电路

图2　DC/AC逆变MOS管驱动电路

DC/DC变换电路中MOS管的驱动采用了专用的驱动芯片 TL494， 它是固定频率的脉冲宽度调制专用芯片。其振荡频率可通过外接电阻RT和电容CT进行调节，振荡频率为fosc≈ 1.1/（RTCT）。

DC/AC逆变 MOS管的驱动电路图如图 2所示，MOS管驱动采用的是专用芯片IR2110［7］。图2中C35，V32分别为自举电容和二极管。假定在 V3关断期间，C35充到近似与 VCC相等电压。当 HIN为高电平时，VM1开通， VM2关断。VC35加到V3的门极和发射极之间， C35通过VM1、R64和V3门极栅极电容放电， 此时VC35可视为一个电压源。当HIN为低电平时， VM2开通，VMl断开， V3栅极电荷经R64、VM2迅速释放， V3关断。经极短的死区时间之后， LIN为高电平， V6开通， VCC经V32、V6给C35迅速充电。

3　软件设计

图3　主程序流程图

MSP430F1611的P6.0～P6.4口作为AD功能口， 用于对电压、电流进行采样； P2.4～P2.6口用于控制12864液晶显示； P2.1～P2.3口与键盘连接， 用于控制系统的工作模式； P5.0～P5.4口与继电器相连， 用于对电路的控制和保护；P4.1～P4.4口用作定时器功能口， 用于输出SPWM波。程序包括主程序、SPWM产生子程序和孤岛检测子程序。

3.1主程序

主程序流程如图3所示。系统初始化包括对IO口的定义、时钟设置、定时器和AD转换的基本设置。AD转换包括直流输入电压、DC变换后的直流电压、逆变输出电压与电流、待并网的电压等。系统初始化后， 首先进行 AD转换， 判断直流输入是否欠压。如果欠压则进行欠压保护； 如果电压正常则判断直流输入电压是否大于30 V， 当大于30 V时， DC/DC变换将采用 BUCK变换， 否则 DC/DC变换采用BOOST变换。再对逆变输出的电压频率和相位进行检测， 判断频率是否在正常范围内， 如果超出了正常范围， 表明形成了孤岛［8-10］， 则将进行孤岛保护， 以保护整个系统安全。

在独立模式时， 系统采用的是电压型控制； 在并网模式时， 系统采用的是电流型控制。如果不并网，则对逆变输出电压的幅值、相位和频率随参考信号进行跟踪； 如果并网， 则对逆变输出电流的相位和频率随电网电压的相位和频率进行跟踪。当逆变输出电流的波形与电网电压波形同步时， 在下一个正向过零点时进行合闸并网。

3.2SPWM产生子程序

SPWM调制方式需要控制器产生一个正弦波与三角波进行比较， 采用查表法实现PWM调制波输出。用Matlab编程［11］， 计算出各采样点对应PWM的占空比值， 生成正弦表。在定时器中断中读取数据指针， 根据指针从正弦表中查找对应的脉宽数据。把脉宽数据赋给 MSP430F1611定时器 B中的TBCCR1或TBCCR2寄存器， 从而改变输出PWM的占空比。

3.3孤岛检测程序

采用周期性双向扰动AFDPF孤岛效应检测方法， 分正、反2个方向施加频率值相同的扰动信号cf1和cf2。在扰动信号的扰动作用下会导致逆变器输出电压的频率发生变化， 产生频率变化Δf1和Δf2。假设频率变化量与2个扰动信号关系为|Δf1|＜|cf1|和|Δf2|＞|cf2|， 那么系统将选择cf2作为反馈信号， 并持续对逆变器输出电压的频率进行扰动， 在这个过程中扰动信号不断积累。当f2＜f（电网频率）时， 表明系统已形成孤岛， 保护电路将被触发， 逆变器进行脱网。

4　仿真与调试

利用Matlab中可视化仿真工具Simulink对DC/AC逆变和孤岛检测进行仿真分析。DC/AC逆变系统仿真模型如图4所示。

为实现周期性双向扰动的AFDPF孤岛检测仿真， 编写了检测控制的S函数。在仿真时， 电网电压峰值取110 V， 直流电压为最大功率点时的 DC变换输出电压， 逆变器输出电流峰值为 2 A； 频率保护高阀值和低阀值设为fH= 45 Hz和fL= 55 Hz； 滤波电感L = 5.6 mH， 电容C = 1.5 μF， 负载为30 Ω。为了能直观地观察仿真结果， 将电流的幅值增大为原值的20倍， 把电网电压缩小1半在示波器上显示。

由图5可知， 系统运行到0.20 s左右时， 将电网断电， 经过4T（周期）后并网电流减少近似为0。在0.36 s时公共耦合点的电压变为0， 检测出孤岛只需要0.16 s。从图6可以看出， 并网电流的总谐波失真为1.43%， 满足交流输出谐波的要求。

图4　系统仿真模型

图5　孤岛效应检测算法仿真结果

图6　并网电流谐波总畸率（THD）

对光伏并网发电模拟装置进行实物制作， 并上电测试。图7为实物光伏并网发电模拟装置实现频率和相位跟踪的波形图。由图7可知， 实物测试结果表明系统性能良好， 能较好地实现最大功率点的跟踪、孤岛检测及保护、输入欠压保护和输出过流保护等功能。

图7　频率和相位跟踪波形图

5　总结

设计了基于MSP430F1611的光伏并网发电模拟装置， 系统硬件结构紧凑， 软件模块化有利于移植与集成。仿真结果表明设计可行， 实物测试结果显示系统能较好地实现最大功率点跟踪、频率和相位跟踪、孤岛检测及保护、输入欠压和输出过流保护等功能。设计达到了预期目的。

［1］ 郑诗程. 光伏发电系统及其控制的研究［D］. 合肥： 合肥工业大学， 2004.

［2］ 潘建. 基于DSP的光伏并网发电系统研究［D］. 无锡： 江南大学， 2008.

［3］ 黄瑶. 基于TMS320F2812的光伏并网发电系统的设计［D］. 南宁： 广西大学， 2008.

［4］ 曹建博. 光伏并网系统最大功率跟踪及反孤岛运行控制方法研究［D］. 北京： 北方工业大， 2011.

［5］ 王厦楠. 独立光伏发电系统及其MPPT的研究［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2008.

［6］ 曹玲玲. 基于定频积分的逆变器数字化并网控制研究［D］. 秦皇岛： 燕山大学， 2005.

［7］ 高吉祥. 模拟电子线路设计［M］. 北京： 高等教育出版社， 2013.

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（责任编校： 江河）

Design of photovoltaic grid connected simulation device based on MSP430 MCU

Zhan Wenbing， Wang Wenhu
（College of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Arts and Science， Changde 415000， China）

To satisfy the demand for test of photovoltaic grid connected power generation， a simulation device of photovoltaic grid connected power generation underlying MSP430F1611 MCU is devised. The simulation device aims to detect the voltage of inputs through A/D converters of MSP430F1611， choose the structure of DC/DC converters according to the test results and use the driver chip of TL494 to control DC/DC converters and realize the max power point tracking （MPPT）. Besides， with the output-comparing function of timer B of MSP430F1611， the SPWM waves are produced to control the single-phase invertion of full bridge. As regards to timer A， by using it’s capturing function and detecting frequency and phase， the frequency and phase of the system can be tracked. Furthermore， by sampling the voltage and current of the system through A/D converters， the functions of amplitude tracking as well as under-voltage input and over-current output protecting are realized. Under the platform of IAR，procedures of SPWM wave producing and phase and frequency tracking as well as sub procedures of A/D converters and human-machine interfaces are well developed. With the help of Matlab/Simulink， the simulation of main circuits and island effects is analyzed， the performance of system verified by the physical production has been proved to be good and the expected goal has been achieved.

photovoltaic grid connected power generation； microprocessor； inverter； MPPT； isolated island detection

TP 368； TM 464

1672-6146（2016）03-0014-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.03.004

占文兵， 578209160@qq.com； 王文虎， cdwwh@126.com。

2016-06-08

国家自然科学基金（61403136）； 湖南省自然科学基金（14JJ5008）。的研究。文献［1-2］介绍了采用 DSP-TMS320F2407作为主控制器实现光伏并网发电； 文献［3-4］研究了光伏并网发电系统， 采用DSP-TMS320F2812作为主控制器， 提出了采用电导增量法和电压频率检测法，实现最大功率点跟踪和孤岛检测功能。在实验室开展光伏并网实验仿真， 需要模拟系统功能齐全、结构可靠稳定， 且性价比高， 针对这些需要， 本文提出了一种基于MSP430芯片的新型光伏并网模拟装置。

光伏发电是利用太阳能的一种途经。光伏并网发电就是将分散的光伏能源点融入到电网的过程， 是对传统能源结构的补充。由于光伏能源具有无污染、成本低的特点， 因此， 业界开展了大量的光伏并网