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    活動鏈接：2013年控制網行業專題---節能增效 電力新發展

  摘要：本文主要探討了以數字信號處理器DSP為控制核心的光伏發電并網系統，對其控制系統和逆變器控制電路的分析設計。本文闡述了逆變電路相關硬件電路的設計方法與元器件的選擇，以及基于DSP的控制系統的設計方案。

   關鍵詞：光伏發電；逆變器控制；DSP；并網

   光伏發電，即太陽能發電，是一項將太陽光能轉化為電能的發電技術。目前我國光伏發電技術已經基本完善，在能源緊缺的全球背景下，發展光伏發電并網勢在必行。

    本系統采用的主控處理器DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。本設計利用其強大的計算能力對電網電壓電流的相位、幅值、頻率進行跟蹤反饋，與逆變出來的電壓電流的參數進行比較并作出調整，從而實現送電上網。DSP芯片還可以方便地實現數字濾波功能，使外圍電路大大減少，既節省了成本，又提高了可靠性，加強了人機互動性。

   1 光伏發電并網系統的工作原理

    光伏發電并網系統，即通過太陽能電池（光伏電池）將太陽光能轉化為不穩定的直流電，再經過DC-DC斬波電路和DC-AC逆變電路將直流電變換成交流電供給負載或并入電網。發電并網系統主要包括太陽能電池組（光伏陣列）、DC-DC斬波電路、DCAC逆變電路、蓄電池，其中蓄電池是否需要根據具體情況而定。光伏發電并網系統簡要框圖如圖1所示。
     
                 
                                   圖1 太陽能發電系統簡要框圖  

   太陽能電池陣列是由太陽能電池組合而成的太陽能電池板排列在一起形成的，為的是盡可能多的吸收太陽光能。蓄電池的作用主要是在太陽光能消失時，例如陰天、雨天等，暫時代替太陽光能提供能量，為減少成本，可以免去。圖中可去除的變壓器作用是對逆變而來的交流電進行隔離，可以實現升壓、降壓或者濾波的功能。

   DC-AC電路，即逆變電路，是整個發電并網系統中最重要的部分，它的設計控制的好壞直接影響到輸出電能質量和并網是否成功。

   逆變電路控制框圖如圖2所示。
     
                  
                           圖2 逆變電路控制框圖

   2 硬件設計

   2.1 DSP芯片TMS320F28016簡介

   本設計采用美國TI公司DSP芯片TMS320F28016作為主控CPU，可提供60MHz超高性能，即16.67ns的周期，低功耗設計（1.8V-CPU核心，3.3V-I/O口），不僅具備32位DSP性能，而且實現了與MCU相似的外設集成，是集成CAN通信接口的最低成本數字信號控制器，支持JTAG邊界掃描，片上集成了16通道的12位模數轉換器（ADC）、267ns高速AD轉換、片內存儲器16K×16 FLASH、6K×16 SARAM、片內振蕩器、看門狗模塊、128位的安全鎖、低功耗模塊，空閑、備用、停止模塊支持、三個32位CPU計時器、16 路獨立的脈寬調制（PWM）輸出通道，可方便實現完整的系統集成控制功能。通信接口包括CAN、I2C、UART以及SPI端口等。

   2.2 控制電路的設計
     
                   
                                  圖3 控制結構框圖  

    其中：AD—模數轉換；SCIA — 串行通信接口；CAN — CAN總線；GPIO —通用I/O口

   圖3是光伏發電并網技術的控制結構框圖，由圖3可知本研究是以DSP芯片為核心，由電流電壓采樣、線路測溫、按鍵信號以及以單片機STC89C516RD+為中心的液晶顯示小系統共同組成。在信號送入DSP芯片方面，電流電壓采樣、線路測溫、按鍵模塊通過DSP芯片的A/D引腳將信號輸入，它們都是先將外部信號通過硬件電路轉化為電壓信號，再經由DSP芯片內部的A/D轉換器變為數字信號，使DSP芯片對外部負載運行情況能實時檢測控制。利用DSP芯片的外設CAN總線可以將多個光伏發電系統聯系起來，形成局域網，并靠Internet進行整體控制，使各個光伏發電系統之間實現信息共享。在DSP芯片發出命令方面，DSP芯片從其多達35個的GPIO口送出命令，發出指令信號對裝置整體進行控制。CAP模塊則主要進行相位檢測。DSP芯片還與單片機STC89C516RD+、上位機共同構成一個環形通信系統，對相關數據的液晶顯示、上傳總機進行控制。

   2.3 逆變電路的設計

   逆變器的設計是光伏發電并網技術研究的重要部分之一，它設計的成功與否直接影響著并網能否成功。針對光伏發電并網系統自身的特點，本系統逆變電路的設計有如下要求 ：（1）具有較高的效率；（2）要求具有較高的可靠性；（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍；（4）在中、大容量的光伏發電系統中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。
  
                      
                                   圖4 單相并網逆變主電路圖

    逆變電路中最重要的莫過于開關器件，目前常有的開關器件主要有電力MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT。電力MOSFET具有驅動方便、開關速度快等優點，但導通后呈現電阻性質，在電流較大時的壓降較高，而且器件的容量較小，僅能適用于小功率裝置。20世紀80年代出現的絕緣柵雙極型晶體管IGBT是把MOSFET與GTR復合形成，除具有MOSFET的電壓型驅動、驅動功率小的特點，同時具有GTR飽和壓降低、可耐高電壓和大電流等優點，開關頻率雖低于MOSFET，但高于GTR。鑒于IGBT應用上的種種優越性，本系統的逆變器的開關器件選用IGBT。

   3 軟件設計

    由于DSP芯片TMS320F28016的Flash僅有16K×16，為了達到響應時間盡量短的要求，DSP芯片的程序設計選擇使用匯編語言實現。本系統軟件程序主要由基于DSP的主控單元和利用單片機89C516控制的LCD、LED顯示兩大部分組成。下面分別給出這兩部分的程序流程圖，如圖5、圖6所示。
       
                                            
                                   圖5 主程序流程圖  

                        
                              圖6 顯示程序流程圖

    基于DSP的主程序流程圖如圖5所示，首先通過狀態判斷選擇進入兩種不同的系統初始化狀態。當狀態判斷為正常時，進入初始化狀態1，即DSP正常啟動工作；當狀態判斷為故障時，進入初始化狀態2，即針對故障初始化相應的功能模塊。然后一旦遇到中斷，經過控制命令巡檢后，通過對采集而來的參數進行計算和與預設值對比，發出中斷以實現系統功能和故障保護。

    單片機89C516控制的LCD、LED顯示程序的流程圖如圖6所示，它是一個依靠DSP主程序控制進行工作的輔助程序。在進行完數據空間的定義和串口的初始化后，通過判斷接到串口的通訊請求與否，在進行發送或接受請求的甄別后，進行數據的發送或接受、校驗。

    4 結語

    光伏發電并網是國家政策支持的，也是目前世界各國解決能源危機的有效途徑之一，因此光伏發電并網系統是一個非常具有潛力的研究項目，同時由于其逆變電路控制實時性的要求很高，所以它也是一個具有挑戰性的研究課題。本文旨在對光伏發電并網系統中的單相并網逆變電路的控制原理、軟硬件設計等問題進行了一定的理論分析和研究。

   參考文獻：

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    [4] 王兆安等.電力電子技術（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

   范永剛（1976-）男，漢，河南義馬人，電氣工程師，現任河南煤業化工集團煤氣化公司義馬氣化廠電氣車間副主任。
   
    陳 曦（1976-）男，漢，福建福州人，電氣工程師，現任福建東南電化股份有限公司熱電廠電氣主任。  

    摘自《自動化博覽》2012年第三期