《自动化博览》

    活动链接：2013年控制网行业专题---节能增效 电力新发展

  摘要：本文主要探讨了以数字信号处理器DSP为控制核心的光伏发电并网系统，对其控制系统和逆变器控制电路的分析设计。本文阐述了逆变电路相关硬件电路的设计方法与元器件的选择，以及基于DSP的控制系统的设计方案。

   关键词：光伏发电；逆变器控制；DSP；并网

   光伏发电，即太阳能发电，是一项将太阳光能转化为电能的发电技术。目前我国光伏发电技术已经基本完善，在能源紧缺的全球背景下，发展光伏发电并网势在必行。

    本系统采用的主控处理器DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。本设计利用其强大的计算能力对电网电压电流的相位、幅值、频率进行跟踪反馈，与逆变出来的电压电流的参数进行比较并作出调整，从而实现送电上网。DSP芯片还可以方便地实现数字滤波功能，使外围电路大大减少，既节省了成本，又提高了可靠性，加强了人机互动性。

   1 光伏发电并网系统的工作原理

    光伏发电并网系统，即通过太阳能电池（光伏电池）将太阳光能转化为不稳定的直流电，再经过DC-DC斩波电路和DC-AC逆变电路将直流电变换成交流电供给负载或并入电网。发电并网系统主要包括太阳能电池组（光伏阵列）、DC-DC斩波电路、DCAC逆变电路、蓄电池，其中蓄电池是否需要根据具体情况而定。光伏发电并网系统简要框图如图1所示。
     
                 
                                   图1 太阳能发电系统简要框图  

   太阳能电池阵列是由太阳能电池组合而成的太阳能电池板排列在一起形成的，为的是尽可能多的吸收太阳光能。蓄电池的作用主要是在太阳光能消失时，例如阴天、雨天等，暂时代替太阳光能提供能量，为减少成本，可以免去。图中可去除的变压器作用是对逆变而来的交流电进行隔离，可以实现升压、降压或者滤波的功能。

   DC-AC电路，即逆变电路，是整个发电并网系统中最重要的部分，它的设计控制的好坏直接影响到输出电能质量和并网是否成功。

   逆变电路控制框图如图2所示。
     
                  
                           图2 逆变电路控制框图

   2 硬件设计

   2.1 DSP芯片TMS320F28016简介

   本设计采用美国TI公司DSP芯片TMS320F28016作为主控CPU，可提供60MHz超高性能，即16.67ns的周期，低功耗设计（1.8V-CPU核心，3.3V-I/O口），不仅具备32位DSP性能，而且实现了与MCU相似的外设集成，是集成CAN通信接口的最低成本数字信号控制器，支持JTAG边界扫描，片上集成了16通道的12位模数转换器（ADC）、267ns高速AD转换、片内存储器16K×16 FLASH、6K×16 SARAM、片内振荡器、看门狗模块、128位的安全锁、低功耗模块，空闲、备用、停止模块支持、三个32位CPU计时器、16 路独立的脉宽调制（PWM）输出通道，可方便实现完整的系统集成控制功能。通信接口包括CAN、I2C、UART以及SPI端口等。

   2.2 控制电路的设计
     
                   
                                  图3 控制结构框图  

    其中：AD—模数转换；SCIA — 串行通信接口；CAN — CAN总线；GPIO —通用I/O口

   图3是光伏发电并网技术的控制结构框图，由图3可知本研究是以DSP芯片为核心，由电流电压采样、线路测温、按键信号以及以单片机STC89C516RD+为中心的液晶显示小系统共同组成。在信号送入DSP芯片方面，电流电压采样、线路测温、按键模块通过DSP芯片的A/D引脚将信号输入，它们都是先将外部信号通过硬件电路转化为电压信号，再经由DSP芯片内部的A/D转换器变为数字信号，使DSP芯片对外部负载运行情况能实时检测控制。利用DSP芯片的外设CAN总线可以将多个光伏发电系统联系起来，形成局域网，并靠Internet进行整体控制，使各个光伏发电系统之间实现信息共享。在DSP芯片发出命令方面，DSP芯片从其多达35个的GPIO口送出命令，发出指令信号对装置整体进行控制。CAP模块则主要进行相位检测。DSP芯片还与单片机STC89C516RD+、上位机共同构成一个环形通信系统，对相关数据的液晶显示、上传总机进行控制。

   2.3 逆变电路的设计

   逆变器的设计是光伏发电并网技术研究的重要部分之一，它设计的成功与否直接影响着并网能否成功。针对光伏发电并网系统自身的特点，本系统逆变电路的设计有如下要求 ：（1）具有较高的效率；（2）要求具有较高的可靠性；（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围；（4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。
  
                      
                                   图4 单相并网逆变主电路图

    逆变电路中最重要的莫过于开关器件，目前常有的开关器件主要有电力MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT。电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。20世纪80年代出现的绝缘栅双极型晶体管IGBT是把MOSFET与GTR复合形成，除具有MOSFET的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具有GTR饱和压降低、可耐高电压和大电流等优点，开关频率虽低于MOSFET，但高于GTR。鉴于IGBT应用上的种种优越性，本系统的逆变器的开关器件选用IGBT。

   3 软件设计

    由于DSP芯片TMS320F28016的Flash仅有16K×16，为了达到响应时间尽量短的要求，DSP芯片的程序设计选择使用汇编语言实现。本系统软件程序主要由基于DSP的主控单元和利用单片机89C516控制的LCD、LED显示两大部分组成。下面分别给出这两部分的程序流程图，如图5、图6所示。
       
                                            
                                   图5 主程序流程图  

                        
                              图6 显示程序流程图

    基于DSP的主程序流程图如图5所示，首先通过状态判断选择进入两种不同的系统初始化状态。当状态判断为正常时，进入初始化状态1，即DSP正常启动工作；当状态判断为故障时，进入初始化状态2，即针对故障初始化相应的功能模块。然后一旦遇到中断，经过控制命令巡检后，通过对采集而来的参数进行计算和与预设值对比，发出中断以实现系统功能和故障保护。

    单片机89C516控制的LCD、LED显示程序的流程图如图6所示，它是一个依靠DSP主程序控制进行工作的辅助程序。在进行完数据空间的定义和串口的初始化后，通过判断接到串口的通讯请求与否，在进行发送或接受请求的甄别后，进行数据的发送或接受、校验。

    4 结语

    光伏发电并网是国家政策支持的，也是目前世界各国解决能源危机的有效途径之一，因此光伏发电并网系统是一个非常具有潜力的研究项目，同时由于其逆变电路控制实时性的要求很高，所以它也是一个具有挑战性的研究课题。本文旨在对光伏发电并网系统中的单相并网逆变电路的控制原理、软硬件设计等问题进行了一定的理论分析和研究。

   参考文献：

    [1] 冯垛生等.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007，7.

    [2] TMS320F28016 Data Manual[Z].文献编号：SPRS230H，2003，10（2006，6修订）.

    [3] 纪鹏.基于DSP的光伏并网逆变器控制系统技术研究[D].武汉大学.

    [4] 王兆安等.电力电子技术（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

   范永刚（1976-）男，汉，河南义马人，电气工程师，现任河南煤业化工集团煤气化公司义马气化厂电气车间副主任。
   
    陈 曦（1976-）男，汉，福建福州人，电气工程师，现任福建东南电化股份有限公司热电厂电气主任。  

    摘自《自动化博览》2012年第三期