基于TMS320F28335的太阳能模拟发电系统的设计与实现

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题 目： 基于TMS320F28335的太阳能模拟发电系统的设计与实现 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类

平台：C2000

基于TMS320F28335的太阳能模拟发电系统的设计与实现

摘要：本设计以TMS320F28335DSP为控制芯片，设计了一个三相光伏发电系统模拟装置。本系统首先采用动态阻抗匹配法对Buck电路进行控制，实现最大功率点跟踪；之后，采用滑模控制技术对下级Boost电路进行控制，实现直流电压的升压稳压控制；最后，逆变部分采用电压型全桥逆变电路，应用改进的闭环SVPWM波形跟踪控制技术实现直流到交流的逆变。 关键词：DSP 光伏发电系统 MPPT 逆变 SVPWM

Abstract: A three-phase photovoltaic generation analog system was developed based on DSP TMS320F28335. Dynamic impedance matching method was used to control Buck converter to achieve maximum power point tracking in the system. Then the following Boost converter was controlled by using sliding-mode control method to realize rise and stabilization of DC voltage. At last, the improved closed-loop SVPWM waveform tracking control method was used to control three-phase full bridge voltage-type inverter to realize the inversion of DC/AC.

Key words: DSP Photovoltaic generation system MPPT Inverter SVPWM 1. 引言

太阳能不仅是当今能源的一个重要组成部分，更具备成为未来主要能源来源的潜力。三相光伏并网发电系统将太阳能转换为电能，这种方式可以最大限度利用太阳能，将是太阳能利用的主要应用形式。我国西北部地区土地辽阔，居民居住分散，常规电网难以覆盖且送电成本很高，解决这一地区的供电问题是摆在面前的紧要问题，从这一地区有丰富的太阳能资源来看，发展太阳能发电系统是解决以上问题的不错选择。本文设计了一个光伏发电模拟系统，应用最大功率点跟踪控制技术，实现太阳能电池板始终处于最高工作效率；应用滑模控制技术实现太阳能电池板输出电压更高效快速的稳压控制；逆变部分应用改进的闭环空间矢量控制技术使逆变输出波形能更好的跟踪指令波形，并且提高了直流侧电压利用率，降低了系统输出谐波。 2. 系统方案 2.1 系统整体介绍

系统的整体设计方案如图2.1.1所示，包括太阳能电池板、Buck电路、Boost电路、全桥逆变电路、采样电路和控制电路等。首先太阳能电池板将太阳能转变为直流电能，采样电路采集太阳能电池的输出电压和电流，DSP通过最大功率点跟踪控制技术相关算法，控制Buck电路，使得太阳能电池板的内阻与其外接系统等效电阻相等，实现太阳能电池板最大功率工作。之后，DSP通过采用滑模控制算法控制Boost电路，实现太阳能电池板输出电压的升压稳压控制。最后，DSP通过改进的闭环空间矢量控制（SVPWM+PID）算法，控制全桥逆变电路，得到所需的三相交流电。

太阳能电池板电压全桥逆变电路Boost电路Buck电路升压并稳压直流电压负载电压、电流直流电压交流电采电压、电流采电压PWM控制信号PWM控制信号采样采样PWM控制信号采样采电压、电流MPPT滑模控制算法闭环SVPWM指令直流电压三相正弦指令信号TMS320F28335采电压 图2.1.1 太阳能发电模拟系统整体框图

2.2 最大功率点跟踪控制技术

国内外研究MPPT的算法很多，比较成熟的有恒定电压法、扰动观测法/爬山法、电导增量法等，但是这些方法都存在着一定的缺点。恒定电压法(CVT)跟踪精度差，对外界条件的适应性差；扰动观测法(P&O)和爬山法(Hill Climbing)步长是固定的，步长设置不合适就会导致输出效率低或系统震荡，并且在日照强度变化时会产生误判现象；电导增量法不能轻易确定调节强度的大小，从而影响了调整速度和控制质量，并且控制算法较复杂，对控制系统性能和传感器精度要求较高，硬件实现难。

本设计采用动态阻抗匹配法实现最大功率点跟踪法。首先给出定义：无损耗电阻是在输入端呈现电阻性且与负载无关，并且将输入端吸收的能量全部转移到输出端的二端口网络。这种算法应用阻抗匹配理论（即当电源内阻和外电路等效电阻相等时输出功率为最大），并采用开关器件实现的无损耗电阻元件，实现最大功率点跟踪控制。该方法先通过采样太阳能电池板的输出电压和电流，根据此

，将两者做差后，和外电路的等效电阻R计算出太阳能电池板的动态等效内阻r通过滑模控制器来调节DC-DC变换器的占空比，使得电池板内阻与外部电阻等效阻抗动态匹配，从而使输出功率朝着最大功率点的方向运行，最终实现最大功率点跟踪控制。该方法的目的性强，克服了传统方法步长设定具有盲目性的缺点，从控制速度，跟踪效果，以及稳定性几方面来看，效果优于传统的固定电压法、电导增量法、以及扰动观察法。 2.3 滑模控制技术

滑模控制技术是变结构系统的一种有效控制方法，特别适用于具有变结构特点的开关变换器，以获得良好的鲁棒性和瞬态特性。滑模控制技术的思想是通过控制作用将系统始于任何位置的状态轨线引导至预先设计好的轨道(滑模面)上，进而实现滑模控制系统卓越的动态品质。滑模控制原理如图2.3.1所示，图中s0为输出误差一阶导数。滑模控制系统在为切换面，e为变结构系统输出误差，e经过正常运动和滑模运动两个阶段后，最终进入稳态（s=0）。

图2.3.1 滑模控制原理

考虑一般的非线性系统，设非线性系统为：

fxxxRn

（2-1）

状态空间中存在一个切换面sxsx1,x2,xn0，把状态空间分成上下两部分s>0，s<0。对于切换面上的运动点，分三种情况如图2.3.2所示：

图2.3.2 滑模切换面上3种点的特征

在滑模变结构控制中，A点和B点并没有多大意义，关键在于C点，我们称所有C点的集合为滑动模态区，简称滑模区。

按照滑动模态的要求，该区域内所有点都是终止点，当运动点到达切换面

0，即滑动模态的存在条件和能达条件是：0和limss(x)0时，必有：lims

x0x00 （2-2） limssx0滑模变结构控制的基本问题如下： 设控制系统

f(x,u,t) xRn,uRm,tR （2-3） x需要切换函数

s(x) sRm （2-4）

求解控制函数

ut(x),st(x)0 （2-5） utut(x),st(x)0其中，ut(x)utx，且sx满足式（2-2）。 2.3.1 滑模控制Boost变换器

一阶滑模电压控制Boost变换器如图2.3.3所示。

LVinCRVo滞环比较du/dtVref一阶滑模控制

图2.3.3 一阶滑模电压控制Boost变换器

选取参考电压与输出电压之差x1VrefVo，及其变化率x2c为状态变

C量，则其误差状态方程为：

i1x2x （2-6） Vin12xux2LCRC其中，u表示开关空置量，u0,1。

选取切换面为sx1x20，(大于零，可确保滑模运动稳定)，从而得到切换函数为：

sx1x2 （2-7）

根据两个状态量的定义，切换函数产生的开关切换控制律为：

1s0 （2-8） u0s02.4 空间矢量调制技术

2.4.1 空间矢量调制技术基本原理

空间矢量调制技术来源于交流调速中准圆形磁通的控制思想，主要用于三相三桥臂逆变系统。三相三桥臂逆变器电路如图2.4.1所示。由于主电路共由6个开关元件组成，定义开关函数Sxxa、b、c，如式(2-9)所示。

图2.4.1 三相三线制PWM变流器主电路

开关函数Sxxa、b、c共有8种组合，包括6个非零矢量U1001、

U2010、U3011、U4100、U5101、U6110和两个零矢量U0000、U7111。

1，上桥臂导通 （2-9） Sx0，下桥臂导通根据空间矢量调制的思想，将abc坐标系下的三相输出电压ua、ub、uc转换成复平面坐标系下的合成矢量Uref。实现abc转换公式如（2-10）

Ua1U2UCUb30UcU1/2aUb （2-10）

3/23/2Uc1/2由数学知识可知，6个非零矢量在-空间均匀分布，将-复平面分成6个扇区（I、II、III、IV、V和VI），如图2.4.2所示。

U3T6U2UrefU4U0U7T4U1U5U6

图2.4.2 空间矢量电压分布图

合成矢量Uref在一个周期内的运动轨迹是以合成矢量的模为半径的圆，在每个扇区内，都可以利用伏秒平衡等效原则用两个相邻的电压矢量以及零矢量来拟合合成矢量Uref，即：

UrefTsUxTxUyTyU0*T0* （2-11）

其中，Uref为期望电压矢量；Ux、Uy为扇区内两个相邻的电压矢量；U0*为零矢量，包括U0和U7；Ts为采样周期，也为SVPWM作用周期；Tx、Ty、T0*分别为Ux、Uy和U0*在该采样周期中的作用时间。通过式（2-11）即可得到两个非零矢量和一个零矢量的作用时间，再将得到的作用时间转化为相应的桥臂的通断时间即可实现空间矢量的逆变控制。 3. 系统硬件设计

系统硬件包括：Buck电路、Boost电路、采样电路、全桥功率电路、滤波电路、驱动电路和供电模块电路等。 3.1 Buck电路设计

Buck电路用于实现太阳能电池板的最大功率点跟踪控制，由于使用的太阳能电池板最大输出功率为150W，最大输出电压为24V，所以设计Buck电路的输入电压为24V，输出电压最小为6V，即占空比最小为25%，最大占空比设计为80%，由于设计负载电阻为10欧姆左右，所以最大输出电流为2A，开关频率设计为12KHz，则根据相关公式可以计算电路中电感L为：LUo(1D)，即L

2fsIo大于等于313uH，一般选择临界电感的1.2倍，所以选用L=400uH。因为电容的

大小直接影响到输出电压纹波的大小，电容越大，输出电压纹波越小，所以Buck电路中选用了1000uF/50V的电容。功率管的选取综合考虑开关频率、耐压和额定电流等因素，本设计选用MOSFET IRFP460。 3.2 Boost电路设计

Boost电路用于太阳能电池输出电压的升压和稳压控制，各个电子器件的选取原则与Buck电路类似，输出电压设计稳定在20V，输出电流最大为2A，占空比最大为80%，最小为20%，开关频率为12KHz，电路中电感计算公式为：

L2UinD(1D)，即电感值应选取124uH以上，一般选取临界值的两倍，所以

fsIo电感L=250uH，电容、功率管选取与Buck电路一样。 3.3采样电路设计

由于采样电路需要采集逆变输出的交流电压，采样频率设计为12KHz，本设计选用美国Analog Device公司生产的一种可以采集负电压的高速、低功耗、四通道同步采样的14位A/D转换器AD7865作为采样芯片。由于太阳能电池板输出电压、升压电路输出电压以及逆变电路输出电压都较高，不能直接进行采样，所以在采样之前需要对这些电压进行相应的处理：采用电阻分压法，将高电压转换为低电压。对太阳能电池板输出电流采样，通过设计一个互感器，将电流转换为电压进行采样，如图3.2.1所示。为了采集电压、电流同时达到隔离、滤波和保护等功能本文还设计了电流调理电路，如图3.2.2所示。

图3.2.1 电流互感电路

图3.2.2 电流调理电路

接入端采用放大器件LM224组成的电压跟随器，提高带负载能力，并隔离保护，然后采用一个井型滤波器对输入信号的高频部分进行滤除。输出端并联反接二极管钳位电路把输出电压钳制在-5V~+5V范围内，保护AD芯片不会高压损坏。

3.4 全桥功率电路设计

因为全桥逆变电路的直流供电电压由前一级的Boost电路提供，为20V的稳定直流电，所以每个开关管的耐压值应该选择大于20V，一般选择可承受最大电压的2倍。系统最大供电功率为150W，则功率管的额定电流应该大于8A。设计的PWM波频率为12KHz，即功率管的工作频率要高于12KHz。综合考虑以上因素，我们选用功率模块PS21564作为全桥逆变电路主电路拓扑。 3.5 驱动电路设计

考虑到PS21564内部功率管为IGBT，需要15V左右的电压作为驱动，而DSP输出电压只有3.3V左右，故需要设计驱动电路。本文设计的驱动电路如图3.5.1所示，驱动电路中光耦6N137起到DSP相关端口输出的PWM电平转化和隔离保护的作用。

图3.5.1 驱动电路

3.6 滤波电路设计

输出滤波器选用常见的LC滤波。滤波电路L、C参数设计是根据森荣二（日本）所著的《LC滤波器设计与制作》中所介绍的根据归一化LPF来设计定K型滤波器的方法设计的。所谓归一化LPF是指特征阻抗为1欧且截止频率为

1/(2)Hz的滤波器，其各项参数都是已知的，设计实际的滤波器只需根据书中

所示的方法算出相应的L、C的值将其替换就可以了。方法中涉及到的相关参数意义及计算方法如下：

MK待设计滤波器截止频率基准滤波器截止频率 待设计滤波器特征阻抗基准滤波器特征阻抗 L(new)=L(old)KM

C(new)C(old)MK2阶定K型LPF电路如图3.6.1所示。

图3.6.1 2阶K型LPF电路

根据实际情况，逆变电路后一级的滤波电路的截止频率设计为70Hz，特征阻抗为50欧姆，则由上述方法可知：M=440，K=50，L=114mH，C=45uF。依据以上计算得出的数据，再结合实际电路的调试，最终确定L选用了两个100mH的电感串联，C选用47uF/50V的电容。 3.7 供电模块电路设计

由于外扩AD7865及其外围电路以及驱动电路等需要用到诸多电源：+5V，-5V，+15V，-15V。因此必须设计一个电源供电模块为系统提供符合要求的直流电源。本设计选用了市场上常用的电源模块：ZA15-2S15WE为系统提供+15V和-15V电压，ZT22552为系统提供+5V电压，-5V电压通过电压转换电路实现的。

图3.7.1 电压转换电路

4. 系统软件设计 4.1 整体结构说明

本设计为全数字控制，需要用到直流电压、电流采样，逆变输出电压采样。控制器选用TMS320F28335，主要用到了EPWM模块、定时器、外部中断、外部扩展等。

软件系统大概分为：最大功率点跟踪控制、升压稳压控制和全桥逆变跟踪控制三部分。

4.2 系统软件设计流程图

（1） 系统主程序主要是进行系统的初始化设置、系统相关应用外设的基本设置

等，流程图如图4.2.1所示：

开始初始化系统设置中断地址初始化GPIO设置相关外设（定时器、AD等）的相关寄存器清除中断和PIE开启PIE3级中断初始化中断向量表设置相应端口输出为零循环等待

图4.2.1 系统主程序流程图

（2） AD中断服务子程序主要执行采样结果读取，MPPT控制，Boost电路升

压稳压控制，闭环空间矢量控制算法的运行以及根据计算值设置相应EPWM模块比较寄存器的值等操作。程序流程图如图4.2.2所示。

AD中断子程序读取AD采样值MPPT控制算法护膜控制算法闭环SVPWM控制算法修改相关EPWM模块相关量 图4.2.2 AD中断服务子程序

最大功率点跟踪控制算法程序流程图如图4.2.3所示。

结束

开始采样upv、Ipv、rR计算)0?Rs(x)k(rYN0u(x)1s(x)hs(x)h占空比d改变更新upv、Ipv

图4.2.3 最大功率点跟踪控制算法程序流程图

Boost电路升压稳压控制算法程序流程图如图4.2.4所示。

升压稳压控制结束偏差e=Vref-Vo偏差e的导数e1=(e-e_1)/T,T为采样周期s=a*e+e1s>0.05Ns<0.05Y相应的GPIO口输出为1Y相应的GPIO口输出为0Ne_1=e结束

图4.2.4 Boost电路升压稳压控制

通过仿真和实际的应用，发现传统的空间矢量控制算法在控制逆变器逆变滤波后得到的波形与指令波形会存在较大的相位的偏移，为了解决这个问题，我们设计了闭环的空间矢量控制算法（PID+SVPWM）实现逆变输出波形快速准确的跟踪指令波形。闭环空间矢量控制算法框图如图4.2.5所示。

直流调节系统全桥逆变电路滤波电路负载PWM采集电压-SVPWMuPIDE+指令电压

图4.2.5 闭环SVPWM框图

闭环空间矢量控制算法的程序流程图如图4.2.6所示。

改进的闭环SVPWM指令三相电压为Ua，Ub，Uc；逆变实际输出三相电压分别为Ua’，Ub’，Uc’V2>0NB=0Y求取差值：Ea=Ua-Ua’；Eb=Ub-Ub’；Ec=Uc-Uc’B=1PID控制算法得到相应的三相控制信号：U1，U2，U3V3>0NC=0YU1U211/21/2U2U303/23/2U3C=1UV23U22UV33U22V1UP=4C+2B+AP==3V1>0NA=0YYA=1NP==1NP==5NP==4NP==6NP==2YYYYY33Ud1122dU2dc03U3d112d2Udc3232UU3203Ud1133Ud2Udc223333UdUd11112222UdUUd2Udc032dc332203Ud11332Ud2Udc2t1=d1*Ts,t2=d2*Ts(Ts=100)t1+t2<=TsNT1=(t1/(t1+t2))*TsT2=(t2/(t1+t2))*TsT0=Ts-T1-T2YT1=t1,T2=t2,T0=Ts-t1-t2Sxata1t1btc1S1aS1bS1cS2aS2bS2cT02T1T2SxbSxcx1或2为根据所确定的面S1bS1c1TT内的扇区的两个相邻的开关矢量，如图中假设电压矢量在1区，则S1a00TS2aS2bS2c(11T0)T根据计算得出的ta,tb,tc改变相应EPWM模块的比较寄存器的值N结束图4.2.6 改进的闭环SVPWM控制算法程序流程图

（3） 定时中断服务子程序，主要是进行定时器相关寄存器重新设置，启动外扩

AD采样，通过定时长短来确定采样频率 5. 系统创新

本系统设计的为三相的太阳能发电模拟系统，较之普遍的单相的太阳能发电系统在硬件系统、软件系统及控制系统的设计都要复杂，系统整体上具有一定的创新之处，同时在硬件电路设计和软件系统设计的细节方面也有一定的创新。 5.1 硬件电路的创新

IGBT的驱动电路设计，并没有采用专用的驱动芯片而是设计了以光耦6N137为主要部分的驱动电路，完成控制器控制信号3.3V电平到逆变器驱动15V电平的转换。这样不仅达到了驱动电路电平转换的目的，同时因为光耦的隔离保护作用，使系统在启动、运行和关断过程中的一些不良影响不会对控制器造成影响，保证了控制器的安全。而且采用光耦的驱动电路在成本上更加的低廉。

在外扩采样电路的设计中，AD芯片与模拟信号间我们设计了一种信号调理电路：在模拟信号的接入端采用放大器LM224组成的电压跟随器，不但提高了带负载能力，而且还起到了隔离保护的作用。然后又设计了一个井型滤波器，这样可以滤除信号输入过程中的高频干扰。输出端并联反接二极管钳位电路把输出电压钳制在-5V~+5V范围内，保护AD芯片。 5.2 软件设计的创新

软件系统是本系统设计的重要部分，同时也有许多创新之处。

最大功率点跟踪控制的创新：本系统的MPPT跟踪方法是通过测量变换器

进行判断和调R的等效负载阻抗与太阳能电池板的动态等效阻抗的差值即r节。可以根据阻抗特性实施恰当的控制律、决定控制量的大小与其他方法的盲目寻找最大功率点的方法相比，跟踪速度更快，精度更高并且本系统采用滑模变结构控制方法，相比于其他控制方法，更适合电力电子系统。优点是方法简单，系统稳定高效，跟踪速度更快，具有较强的鲁棒性。

在系统的升压稳压部分，引入滑模控制技术，使得稳压控制的鲁棒性更强，动态跟随更快。

在逆变控制部分，本设计对传统的空间矢量控制算法进行了改进，成功的将PID控制与空间矢量控制结合在一起，形成一种新型的闭环空间矢量控制算法，

成功的解决了逆变部分输出电压波形在经过滤波电路后的相位偏移的问题，使得经过滤波后的输出电压跟指令电压的同相位，这也为本系统的并网打下了基础。 6. 评测与结论

光伏发电模拟装置的实际效果在独立设计的硬件电路基础上进行了验证。 首先，Boost电路的升压稳压控制效果通过万用表测量输出电压是否为20v，偏差为多少，并分别在天气晴朗的中午、下午2点、下午5点分别进行测量观测Boost电路输出电压是否有变化。

经检测，在上述三种情况下得到的数据分别为：20.23v、20.25v、20.21v，从测量结果看存在一定的误差，但是考虑到测量手段存在误差，电阻分压采样同样存在误差等不可避免的情况，这样的误差可以接受。

逆变部分通过DSP开发板自带的DA模块将程序设计中用到的数字指令信号的波形转换为模拟信号并显示在示波器中，同时将模拟发电系统得到的输出电压波形用示波器监测，观察是否能够得到理想的正弦波，并对比开环空间矢量控制所得结果和闭环控制所得结果。相关的结果如图6.1、6.2所示：

图6.1 传统的SVPWM算法控制逆变得到的输出电压波形与指令波形 由上图可以看到逆变输出电压波形（蓝色）为理想的正弦波形，说明模拟发电系统工作正常，但是较指令波形（黄色）有明显的相位的偏移。

图6.2 改进的闭环SVPWM算法控制逆变输出电压波形与指令波形 由上图可以发现经过改进的闭环空间矢量控制的系统输出波形（蓝色）能够精确快速的跟踪指令波形（黄色），达到与指令波形同相位输出，这一要求是进行太阳能发电系统并网等控制中必须达到的技术指标。

附录

1. 整体实物图

2.DSP开发板：

3.电源模块：

4.Buck和Boost电路：

5.采样板：

6.逆变模块：

7.滤波+负载模块：