DSPIC30F4011的模拟光伏并网发电系统

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(浙江理工大学 信息学院，杭州 310018)

DSPIC30F4011的模拟光伏并网发电系统

郭婕，苏杰，王淼，金海

(浙江理工大学 信息学院，杭州 310018)

为了满足模拟光伏并网对于频率相位相同的基本要求，且具有最大功率点跟踪(MPPT)和欠压过流保护功能，设计了以DSPIC30F4011为核心的控制系统，结合简单的模拟电路和数字电路实现了太阳能电池的最大功率点、频率及相位的跟踪。逆变器采用SPWM控制方式，将直流电逆变为标准单相正弦波交流电。研究结果表明，该系统具有效率高、总谐波失真低、跟踪性能优异和保护完善的特点。

MPPT；SPWM控制；DSPIC30F4011；频率跟踪；相位跟踪

引 言

太阳能发电是传统发电的有益补充，有光伏发电和太阳能热发电两种方式，其中光伏发电具有维护简单、功率可大可小等突出优点，作为中、小型并网电源得到较广泛应用。光伏发电系统并网的基本必要条件是，逆变器输出正弦波的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。

本研究是基于DSPIC30F4011微控制器的光伏并网的模拟系统，该系统具有最大功率点跟踪(MPPT)功能、频率和相位跟踪功能。逆变器采用SPWM控制方式，主电路采用全桥结构将直流电逆变为与电网参考信号同频同相的单相正弦波交流电。本研究主要难点在于对同频同相的控制，采用运算放大器和微控制器捕获功能相结合的办法实现该功能。由于频率的偏差对相位的调节有比较大的影响，所以调频采用闭环调节方式，使频率做到完全同步，从而消除相位差的累积，有利于同相的控制。该研究中所有的调节均由DSPIC30F4011微控制器完成，速度和精确度可以达到很高。

1 原理与设计

系统整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

该系统用直流稳压源US和电阻RS模拟光伏电池，US为60 V，RS为30～60 Ω；Uref为模拟电网电压的正弦参考信号，频率为45～55 Hz；主电路由MOSFET全桥电路、LC滤波电路构成；控制电路以DSPIC30F4011为控制核心，产生4路SPWM控制波，经过驱动芯片IR2110来驱动两个桥臂上的4个MOSFET，通过调节SPWM信号得到所需要的正弦波。通过输入电压的采样来实现最大功率点跟踪；经电流互感器的电流采样实现过流保护；利用相频检测电路对参考信号的频率以及相位差进行采集，再经DSPIC30F4011的捕获功能采集数据后，调节输出SPWM波的频率和初始相位来使逆变器的输出与电网参考信号同频同相。

1.1 同频同相的控制原理

1.1.1 同频控制原理

由于频率的微小偏差随着时间的推移会累积成相位的偏差，严重影响同相的调节，所以采用闭环调节方式。首先并网信号经过过零比较器，产生幅值5 V的方波参考信号。再利用DSPIC30F4011的IC1捕获模块捕获参考信号的上升沿，并锁存此时定时器IC1 BUF的值，通过两次差值计算出参考信号频率。最后根据求得的频率改变PWM的周期PTPER，从而实现调频。

1.1.2 同相控制原理

同相控制时，将逆变输出正弦波经过过零比较器转换成方波信号，然后与并网方波参考信号一起经过异或门产生相位差参考信号，由DSPIC30F4011的IC2捕获模块，采用上升下降沿捕获模式，并经过判断区分求得方波占空比，根据占空比大小可以计算出相位差大小，从而整体移动SPWM波实现快速调相，由于存在系统延迟，每一秒进行一次相位检测、调节。

1.2 频率相位采集电路硬件设计

逆变产生的正弦波经过电压互感器隔离后通过一个由LM358搭建的同相比例放大电路放大10倍后再进行整型得到方波。该方波与逆变产生的正弦波同频率同相位，将该信号送给单片机，经过处理即可得到该正弦波的频率。放大整形电路如图2所示。

图2 放大整形电路

模拟电网电压的参考信号经过一个过零比较器得到同频同相的方波信号。同样用单片机的捕获功能对频率进行采样。过零比较器电路如图3所示。

图3 过零比较器电路

图4 相位差检测电路

将上述两路方波共同输入一个异或门(该异或门由集成4路与非门74LS00N搭建)，异或门的输出反映了逆变正弦波与模拟信号之间的相位差，当两者相位相同时，异或门输出为周期冲激信号，两者存在相位差时，输出为带有占空比的方波。相位差检测电路如图4所示。

2 实验过程与结果

2.1 主电路结构

开关管选用TI公司的N沟道场效应管CSD18532KCS，通态电阻为3.3 mΩ，极大地减小了开通期间的导通损耗。耐压为60 V，大于电源电压并且留有一定的裕量，持续漏极电流ID=100 A。栅极驱动电阻设置为22 Ω，可以有效抑制尖峰电流，同时不会对开关速度造成严重影响。

驱动芯片的选择：选择IR2110，其是一种高压高速功率MOSFET驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道，可驱动同桥臂的两个MOSFET，保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频振荡。芯片的自举二极管采用快恢复二极管FR307，自举电容取值4.7 μF。

滤波电路电感采用铁硅铝为磁芯的绕制电感，电感值为5 mH，滤波电容为10 μF的CBB电容，能实现较好的滤波效果，额定负载电阻为10 Ω。主电路原理图如图5所示。

图5 主电路原理图

2.2 实验波形

开关管的驱动波形如图6(a)所示，图为两个桥臂下管的驱动波形，上管的波形与下管的互补。将波形展开后如图6(b)所示，可以清楚地看到，在开关管导通的每个周期内，SPWM的占空比都是以正弦规律变化的。

2.3 实验结果与讨论

最终异或门输出的相位差信号与逆变正弦波输出如图7所示，根据异或门输出的方波占空比可以直接测得相位的偏差。由波形可看出逆变输出正弦波几乎无畸变。

图6 驱动SPWM信号

图7 相位差及逆变波形

多次实验测得最大相位差为1.08°。频率的偏差如表1所列。

表1 频率跟踪测试

图8 FFT频谱

结 语

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郭婕，主要从事电力电子与现代电源技术方面的研究。

SimulatePhotovoltaicGridSystemBasedonDSPIC30F4011

GuoJie,SuJie,WangMiao,JinHai

(Zhejiang Sci&Tech University,Hangzhou 310018,China)

In order to meet the basic requirements of the analog photovoltaic grid-connected inverter for frequency and phase,and to make the system have the functions of MPPT,undervoltage protection(UVP) and overcurrent protection(OCP),the control system based on DSPIC30F4011 is designed,which combining with the simple analog circuits and the digital circuits.It can realize the maximum power point tracking,frequency and phase tracking.The inverter adopts SPWM control mode,which inverts the direct current to the standard single phase sinusoidal alternating current.The experiment results show that the system has the characterises such as high efficiency,low total harmonic distortion,excellent tracking performance and perfect protection.

MPPT;SPWM control;DSPIC30F4011;frequency tracking;phase tracking

TM464；TM615

A

2017-07-31)