基于S3C2410的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

摘要：為了提高光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的效率以及實(shí)用性，采用ARM嵌入式系統(tǒng)中的S3C2410控制芯片，并結(jié)合一定的軟件來控制整個(gè)系統(tǒng)，從而對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用75NF75功率管制作的單向全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)了DC／AC的轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路。該電路不僅功耗小，輸出的信號波形也很接近正弦波，即失真度小，從而提高了系統(tǒng)的效率。
關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤；同頻同相跟蹤；正弦脈沖調(diào)制；S2C2410

0 引言
    太陽能作為一種巨大的可再生能源，可以很好地供人類開發(fā)和利用，因此太陽能光伏利用的技術(shù)在這種形式下進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。太陽能光伏發(fā)電時(shí)太陽能的轉(zhuǎn)換和利用方式的一種，即通過光伏電池將太陽輻射的能量直接轉(zhuǎn)化成電能，同時(shí)與儲能裝置、直流一交流轉(zhuǎn)換裝置以及測量裝置相配套構(gòu)成光伏發(fā)電裝置。近年來，在國內(nèi)外在此項(xiàng)技術(shù)上的發(fā)展非常迅速并取得了可觀的社會效益。本系統(tǒng)采用ARM嵌入式系統(tǒng)的S3C2410控制芯片，結(jié)合SPWM技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。通過硬件和軟件之間的配合，實(shí)現(xiàn)了逆變電壓輸出，最大功率、同頻同相的跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    模擬光伏電池US經(jīng)過DC／AC逆變器。其中SPWM波由S3C2410控制器產(chǎn)生，同時(shí)該控制器還通過調(diào)節(jié)SPWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能。在隔離變壓器之前檢測輸出電壓的頻率和相位，使該電壓的頻率和相位與模擬電網(wǎng)信號Uref的頻率和相位一致。同時(shí)當(dāng)電壓Ud低于設(shè)定電壓，電流I。高于設(shè)定電流時(shí)，軟件控制關(guān)斷SPWM波終止系統(tǒng)工作，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的欠壓過流保護(hù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 MPPT的控制方法與參數(shù)
    (1)MPPT的控制理論基礎(chǔ)。首先計(jì)算消耗在Rin上的功率：
   
    式(1)兩端對Rin求導(dǎo)得：
   
     可得，當(dāng)Rs=Rin，即時(shí)，P可達(dá)最大值。其原理圖如圖2所示。

    (2)MPPT的軟件實(shí)現(xiàn)。將采樣到的電壓輸入控制器中，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，與單片機(jī)中所設(shè)定的初值相比較，調(diào)整PWM的占空比，使來實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。
    (3)參數(shù)計(jì)算。本設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)數(shù)取N=360，開關(guān)頻率fsw=50 Hz，則輸出周期T=20 ms，占空比的范圍為0～359。
   
    式中：n=1，2，…，360為采樣點(diǎn)數(shù)。
    由上式計(jì)算出的SPWM脈寬表是一個(gè)有窄到寬，再到到窄的360個(gè)值的正弦表，將其存入控制器的內(nèi)存中以供調(diào)用。
2．2 同頻、同相的控制方法與參數(shù)計(jì)算
    (1)同頻控制方法。本系統(tǒng)是將參考電壓轉(zhuǎn)換成方波，設(shè)置外部中斷EINT3為上升沿觸發(fā)，通過連續(xù)2次中斷獲得參考電壓的頻率值，并設(shè)置SPWM波的頻率。把A／D口采集的電壓值與最大額定功率的電壓值比較。如果較小，就增大占空比系數(shù)；如果較大，就減小比例系數(shù)，從而調(diào)節(jié)SPWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)增大或減小輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。為了使功率電路小型化，減小失真并保持較高的變換效率，該頻率必須足夠高，綜合考慮為使性能達(dá)更好，采樣點(diǎn)數(shù)取360個(gè)。
    (2)同相的控制方法。將反饋的電流值轉(zhuǎn)換成電壓值，經(jīng)過過零比較器形成方波，單片機(jī)設(shè)為在電壓上升沿出發(fā)，在反饋電壓的上升沿觸發(fā)外部中斷，定時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；同樣將參考電壓經(jīng)過過零比較器形成方波，在參考電壓方波的上升沿停止計(jì)數(shù)，得到兩電壓相位差值，通過逐步調(diào)整差值，實(shí)現(xiàn)同相位跟蹤。
2．3 提高效率的方法
    (1)選擇驅(qū)動功耗低的開關(guān)元件，使用開關(guān)電路，舍棄線性電路，并使上升沿和下降沿盡可能陡，減少供電消耗，從而提高系統(tǒng)的效率。
    (2)增加采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，產(chǎn)生較高開關(guān)頻率，使場效應(yīng)管快速導(dǎo)通、關(guān)斷，減少功耗，從而提高系統(tǒng)的效率。
    (3)用控制器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在許多控制器都具有產(chǎn)生SPWM波的功能，采用控制器可使電路簡單可靠，而且還方便對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、顯示和處理，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便。采用SPWM技術(shù)控制正弦波的產(chǎn)生，輸出波形失真度小，提高了電路的效率。
2．4 濾波參數(shù)計(jì)算
    本設(shè)計(jì)的濾波器采用2個(gè)LC濾波器并聯(lián)。
    開關(guān)頻率：fsw，轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng)濾波器輸出的諧波頻率為轉(zhuǎn)折頻率的100倍時(shí)，諧波電壓被衰減到原來的0．01％，更高的諧波電壓可忽略不計(jì)。
    電容與電感關(guān)系：。

3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    硬件電路由以下幾部實(shí)現(xiàn)。
3．1 DC-AC主回路與器件選擇
    (1)DC-AC主回路如圖3所示。逆變主電路主要由全橋逆變電路、濾波器、高頻升壓變壓器及LC濾波電路構(gòu)成。功率MOSFET管G1，G2，G3，G4構(gòu)成全橋逆變，用于控制每個(gè)開關(guān)周期傳遞到變壓器次級的直流能量。由于逆變電路的橋式結(jié)構(gòu)，使逆變器具有了泄放通道，降低了功率MOSFET管的電壓能力；高頻升壓變壓器具有電氣隔離、調(diào)整電壓比和儲能的作用，把電壓提高到系統(tǒng)需要的電壓等級；兩個(gè)LC濾波器并聯(lián)可濾除逆變輸出SPWM波中的高次諧波分量，使輸出波形正弦化，起到抑制電磁干擾的作用。

    (2)開關(guān)元件的選擇。設(shè)計(jì)采用的MOSFET管，是一種只有多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型器件，由于不存在少數(shù)載流子積蓄效應(yīng)，開關(guān)速度快，而且它是一種絕緣柵器件，基本不需控制電流，因而驅(qū)動功率小，它也沒有二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好。
3．2 控制電路
    控制電路主要實(shí)現(xiàn)控制逆變器的SPWM驅(qū)動信號和過流、欠過壓保護(hù)功能，ARM嵌入式系統(tǒng)中的S3C2410為其核心部件。S3C2410具有豐富的內(nèi)部設(shè)備的高性能、低功耗的8位微處理器。具有8路10位ADC轉(zhuǎn)換通道，4路PWM定時(shí)器通道。減少了所需元器件，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，而且還方便對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、顯示和處理，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便。由該控制器產(chǎn)生的SPWM波形質(zhì)量較好，頻率穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。ARM開發(fā)板中的S3C2410中的其中3個(gè)端口作為A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，可實(shí)現(xiàn)A／D的轉(zhuǎn)換。
    (1)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。電路圖如圖4所示。

    在逆變電路中采用CMOS管作為驅(qū)動管，其功耗低、結(jié)構(gòu)簡化、易于實(shí)現(xiàn)。
    (2)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。保護(hù)電路采用硬件與軟件結(jié)合的方案。硬件方面是對采樣到的輸入電壓和反饋電流經(jīng)分壓信號處理后，送給控制器與設(shè)定的保護(hù)動作值相比較，若電壓比設(shè)定的保護(hù)值小、電流比設(shè)定的保護(hù)值大，則由軟件控制停止PWM的驅(qū)動，關(guān)斷逆變電橋，反之則啟動逆變電路，故障排除動作后，電源再自動恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件的算法部分主要功能是提供控制信號。
    (1)獲取參考電壓頻率值的流程。通過AD口采集到當(dāng)前的電壓和電流值，并與指定的值比較，如果電流大于指定電流，就停止輸出SPWM波，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，如果電壓小于指定電壓值，停止輸出SPWM波，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。將參考電壓轉(zhuǎn)換成方波，設(shè)置外部中斷EINT3為上升沿觸發(fā)，通過連續(xù)2次中斷獲得參考電壓的頻率值，并設(shè)置SPWM波的頻率。把AD口采集的電壓值與最大額定功率的電壓值比較。如果較小，就增大占空比系數(shù)；如果較大，就減小比例系數(shù)，從而調(diào)節(jié)SPWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)增大或減小輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。獲取參考電壓頻率流程圖如圖5所示。

    (2)SPWM波輸出程序流程圖。用輸出的SPWM波來控制逆變橋的工作狀態(tài)，因此調(diào)節(jié)SPWM波的相位、頻率和幅值來改變輸出電壓的頻率、相位和幅值。程序根據(jù)從AD口和中斷程序中獲的參數(shù)調(diào)節(jié)SPWM波的輸出。SPWM波的輸出流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

    通過以上測試，整個(gè)系統(tǒng)的效率為80．1％，略低于理論計(jì)算的結(jié)果。原因是系統(tǒng)功能較多，電路板的制作的限制，影響系統(tǒng)的效率。又實(shí)際器件的參數(shù)具有一定的差異，所以整個(gè)電路的性能和理論分析存在一定的偏差。

6 結(jié)語
    最大功率跟蹤(MPPT)和逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電中一種重要的技術(shù)，但由于光伏電池電壓隨環(huán)境的變化而不斷發(fā)生變化，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變差及轉(zhuǎn)換率降低。本文在原有的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)之上，針對光伏電池、逆變系統(tǒng)以及SPWM的控制特性，設(shè)計(jì)出了一種新的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，此裝置對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性等方面做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，很好地解決了系統(tǒng)的輸出隨外界變化而不穩(wěn)定的狀態(tài)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。