基于MSP430和组态王的光伏阵列模拟器的设计

2017-12-20公茂法王万乐李志樊淑娴冯洁

电测与仪表 2017年6期

公茂法，王万乐，李志，樊淑娴，冯洁

（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590）

0 引言

可再生能源由于能够可再生、分布广泛以及对环境危害小等特点成为21世纪世界各国能源发展的重要选择［1］。太阳能资源由于其清洁环保、取之不尽、用之不竭的可再生特性［2］，已经成为当今世界发展最为迅速的可再生能源资源之一。光伏阵列是利用太阳能资源的一种重要形式。如果以5%的转化率转化地球表面0.1% 的太阳能资源，每年的发电量足够地球使用40年［3］。光伏阵列的输出特性很大程度上取决于外界环境的变化，比如光照强度、环境温度等因素。在对真实光伏阵列进行现场试验时，无法在短时间内得到光伏阵列随光照强度和环境温度等外部环境条件变化的输出特性，还会浪费很多的人力、物力。文中设计了一种光伏阵列模拟器，用来模拟不同环境条件下光伏阵列的输出特性，从而解决上述问题。

1 光伏阵列的数学模型

根据光电效应以及光伏阵列受外界影响的变化特性，一般认为光伏阵列的物理模型如图1所示。光伏阵列可以看做是一个电流源，文章采用的是单二极管模型，模型中包含一个二极管以及两个电阻。二极管表示极化现象，RS和RP表示电池损耗。

一般光伏电池出厂时厂家会提供以下电气参数，开路电压VOC，短路电流ISC，最大功率点处的电压Um，最大功率点处的电流Im，根据光伏阵列的模型结合厂家所给数据将模型化简［4］如下：

其中：

图1 光伏阵列简化等效电路Fig.1 Simplified equivalent circuit of PV array

考虑到光伏电池的负载特性，温度特性以及光照特性等外部特性，可以进一步对模型进行优化处理。取：

2 光伏阵列模型的Simulink仿真

我们使用Simulink软件对上述光伏阵列的数学模型进行建模仿真，如图2所示。该模型考虑了光照强度、环境温度、负载特性等外部环境因素，建立了如图3所示的光伏阵列仿真模型的封装子系统，并将开路电压、短路电流、最大功率点处的电压和最大功率点处的电流等参数进行了封装［5］，在封装模块内部对部分参数进行计算求解，设置了两个示波器，分别展示光伏阵列的I-V特性和P-V特性。

图2 光伏电池的仿真模型Fig.2 Simulation model of photovoltaic cells

图3 封装子系统内部模型Fig.3 Internalmodel of package subsystem

图4 输出I-V、P-V特性曲线Fig.4 I-V and P-V output characteristic curve

图4（a）、图4（b）分别是设置环境温度为25℃，短路电流为5.45 A，开路电压为22.2 V，光照强度由上到下分别为 1 000、800、600、400、200时的 Simulink模拟输出I-V和P-V特性曲线，与实际光伏阵列的曲线相吻合。从图中可以看出，当控制电压不变时，随着光照强度的降低输出电流和功率都会下降，由此证明仿真模型的动态模拟性能良好。

3 装置的总体设计思路

所设计的光伏阵列模拟器采用美国德州仪器生产的高性能、超低功耗的MSP430F1121芯片作为主控芯片，采用基于BUCK电路的数字电源作为直流电源调压电路，通过数字PID控制电压输出与所建立的模型所产生的输出一致。上位机使用北京亚控科技公司的组态王软件设计，在上位机中建立光伏阵列模型的同时，设计装置的人机交互界面。系统结构整体框图如图5所示。

系统以MSP430模块为核心，在上位机中建立光伏阵列的模型，输入相对应的参数，寻找出工作点。单片机在通过信号调理模块接收负载端电压、电流数据的同时，通过RS-232通信接收上位机的控制指令，进一步通过控制MOSFET驱动模块来控制数字直流转换电源的输出电压。

图5 系统结构整体框图Fig.5 Overall block diagram of system structure

本装置具有以下特点：

（1）采用MSP430作为主控芯片，高效，低功耗且运行可控；

（2）采用数字电源作为输出直流电压的电压源，易于开发，对输出口的控制调节只需要编程就可以实现。同时数字电源对无源器件的敏感性较低，降低了无源器件对输出的影响，使输出电压更准确；

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（3）以组态王软件作为上位机软件，集人机交互界面和模型建立、软件编程为一体，降低了装置的成本，提高了效率，同时组态王软件还可以实现实时数据和历史数据的记录以及实时曲线、历史曲线的绘制，便于试验之后进行数据分析。

4 光伏阵列模拟器的硬件设计

模拟器的硬件模块主要包括MSP430单片机模块、电源模块、时钟模块、存储模块、信号调理模块、MOSFET驱动模块以及直流电源转换模块等。

4.1 数字电源的设计

数字电源采用基于buck电路的DC/DC控制器，原理如图6所示。开关T1导通时，T2反向截止，电源向负载传递能量，同时电感充能，电感电流不断增加，此时负载电压上正下负，T1导通的时间记为TON。当T1关断时，T2导通。电压源不再向负载提供能量，由于电感电流不能突变，将持续向负载提供电能，电感电流减小，极性反转，负载电压仍是上正下负，T1关断的时间记为TOFF。当电容的滤波特性很强时，可以认为输出电压一直是平直的。稳态时电感平均电流等于输出平均电流，所以电容平均电流为0。连续导电模式下，两个连续周期的电感电流会保持连续。

AD模块将电压电流互感器采集到的输出端电压的模拟信号转换成数字信号，单片机根据所收集的数字信号以及上位机传来的指令控制PWM波形输出，从而达到控制BUCK电路调节输出端电压的效果。数字补偿器通过PID模块将ADC模块转换过来的电压差转换为占空比，使用PID模块可以减小系统的稳态误差，增加系统的稳定性［6］。

图6 BUCK电路的基本控制原理图Fig.6 Basic control principle diagram of BUCK circuit

4.2 MSP430电路设计

选用具有16位RISC结构的FLASH型芯片MSP430F112作为主控芯片［7］。芯片有14个带有中断功能的双向I/O口和一个模拟电压比较器，可以作为采集的模拟信号的输入口。由于I/O口输出高电平时电压接近Vcc，输出低电平接近Vss，因此可以用作DAC。MSP430芯片具有PWM功能，且能够产生没有软件误差的PWM信号或定时脉冲。MSP测量电路图如图7所示。

图7 MSP430测量电路图Fig.7 Measurement circuit diagram of MSP430

预充电完成后，P2.0继续输出脉冲，并对总脉冲数N和高脉冲数n进行计数，VOUT＝VIN，当VOUT＜VIN时，比较器输出为低时，P2.0输出高脉冲，当VOUT＞VIN比较器输出为高，P2.0输出低脉冲。输出高脉冲数n与输入电压VIN成正比，设基准电压为3 V则VIN＝3n/N。

MSP430芯片利用定时器a产生PWM信号，可以通过软件编程实现对PWM波形占空比和周期的控制。而且PWM波形的维持不需要中断，在不需要控制占空比和时间时，定时器a可以自动输出PWM波。定时器a工作在上升方式时，占空比通过捕获/比较通道CCR1控制，PWM周期通过捕获/比较通道CCR0控制。

5 光伏阵列模拟器的软件设计

5.1 软件设计总体思路

光伏阵列模拟器的软件设计部分主要包括单片机控制程序的设计和外部程序的设计。其中单片机程序设计的主要部分是PI控制和PWM波形发生器控制程序，外部程序设计主要包括单片机与组态王通信程序的设计和组态王软件的调试。本装置软件设计采用模块化设计，各部分模块程序结构化，功能模块化有利于系统功能的后续扩展和升级。装置主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图Fig.8 Flow chart ofmain program

电压、电流采样值的精确性会受到来自硬件和软件上面的各种干扰，为了减小干扰对主程序的影响，装置在硬件上对采样电路使用RC滤波器和有源滤波器，软件方面在程序中使用滑动平均滤波法。把连续八个采样值作为一个数组，将每次采样后最新得到的数据作为采样的第八个数据，并与紧挨的前面七个数据相加求算术平均值，得到的数据作为滤波后的采样值［8］。这种方法所产生的数据的平滑度高，可以很好的抑制干扰。

5.2 组态王交互界面设计

本装置使用北京某自动化软件有限公司开发的组态王软件设计上位机。Kingview（组态王）可以提供资源管理式的主界面，能够以数据库的形式实现历史、实时数据对比记录，同时可以绘制曲线对比，方便制作活泼的多媒体工程，并且不受行业的限制。组态软件的最主要作用是在生成所需要的应用系统时可以尽可能少的编制软件程序的源代码，减少了软件运行过程中产生误差的可能行，使程序的制作更为简单、方便。整个上位机的设计完全通过PC机软件完成，上位机软件的设计主要包括：变量规划、用户主界面配置优化、通信调试、界面优化等。

5.3 组态王软件与单片机的通信

组态王软件与单片机通讯可以通过两种逻辑设备关系，第一种是DDE设备，一个DDE设备一般由一个独立的Windows应用程序构成，组态王软件先通过DDE协议与DDE设备交换数据，然后DDE设备再与单片机设备进行数据交换，DDE设备在整个数据交换的过程中充当一个媒介的作用。组态王与DDE设备之间的关系如图9（a）所示。这种方式的特点是对开发人员的要求比较低，但是通讯效率比较低。第二种是串口类逻辑设备，串口类逻辑设备不是一个单独Windows应用程序，一个串口类逻辑设备对应于一个连接在计算机上的I/O设备，组态王软件以DDL形式调用它，它在本质上是组态王软件内嵌的串口驱动程序。串口类逻辑设备与组态王之间的关系如图9（b）所示。这种方式能够以紧凑的程序结构高效的完成通讯，但是需要开发人员的具有较高的专业性，开发的过程比较缓慢。我们选择第二种方式。