摘
源类济文化活动动力源年着源短缺长期应石油煤矿等燃料资源引起温室效应全球变暖等怕趋势严重威胁开发出利绿色源成全球积极探索研究课题太阳作种取安全清洁资源种理想绿色源国际光伏市场开始边远农村特殊应网发电建筑结合供电方发展设计拟制造台单相光伏网发电模拟器具功率点(MPPT)功输出信号具频率踪功
Abstract
第1章 前言
着全球工业化进程逐步展开世界国源需求急剧膨胀煤炭石油天然气三化石源日渐枯竭全球次面源危机时量化石源生态环境造成严重破坏全球变暖例子解决源环境发展间关系已成全球热点问题解决难题实现济社会持续发展造福类
类解决源问题实现持续发展科技进步规模开发利生绿色源包括太阳生源世纪会前未速度发展逐步成类社会基础源重点太阳具独特优势全球源专家致认定:太阳成21世纪重源欧洲JRC预测未2100年太阳整源结构中占68份额太阳资源开发利优点:
1)储量限性太阳取生源利量巨太阳秒钟辐射量约16*1023kW中达球高达8*1013kW相燃烧6*109吨标准煤计算年达球表面太阳总量折合成标准煤约1892*1016亿吨目前世界源探明储量万倍相常规源限性太阳储量限取竭决定开发利太阳类解决常规源匮乏枯竭效途径
2)存普遍性然纬度气候条件差异造成太阳辐射均匀相源说太阳球绝数区具存普遍性取久常规源缺乏国家区解决源问题提供美前景
3)利情节性济性太阳风潮汐等清洁源样开发利产生污染加储量限性类理想代源
第2章 选题背景
21国外光伏网发电研究现状发展趋势
年国际光伏发电快速发展世界已建成10座兆瓦级光伏发电系统6兆瓦级联网光伏电站美国早制定光伏发电发展规划国家1997年提出百万屋顶计划日1992年启动新阳光计划2003年日光伏组件生产占世界50世界前10厂商4家日德国新生源法规定光伏网发电网电价推动光伏市场产业发展德国成继日世界光伏发电发展快国家瑞士法国意利西班牙芬兰等国纷纷制定光伏发展计划投巨资进行技术开发加速工业进程
中国太阳资源非常丰富理储量达年17000亿吨标准煤太阳资源开发利潜力非常广阔中国处北半球南北距离东西距离5000公里中国广阔土着丰富太阳资源数区年均日辐射量方米4千瓦时西藏日辐射量高达米7千瓦时年时数2000时纬度国家相美国相欧洲日优越巨开发潜
中国光伏发电产业20世纪70年代起步90年代中期进入稳步发展时期太阳电池组件产量逐年稳步增加30年努力已迎快速发展新阶段光明工程先导项目送电乡工程等国家项目世界光伏市场力拉动国光伏发电产业迅猛发展已初步建立起原材料生产光伏系统建设等环节组成完整产业链特晶硅材料生产取重进展突破年产千吨关破太阳电池原材料生产瓶颈制约国光伏发电规模化奠定基础
太阳光伏发电远会占世界源消费重席位代部分常规源成世界源供应体预计2030年生源总源结构中占30太阳光伏发电世界总电力供应中占达102040年生源占总耗50太阳光伏发电占总电力2021世纪末生源源结构中占80太阳发电占60数字足显示出太阳光伏产业发展前景源领域重战略位
根生源长期发展规划2020年国力争太阳发电装机容量达18GW2050年达600GW预计2050年中国生源电力装机占全国电力装机25中光伏发电装机占5未十年国太阳装机容量复合增长率高达25太阳发电分光热发电光伏发电产销量发展速度发展前景光热发电赶光伏发电光伏发电普较广基础光热发电较少通常民间说太阳发电指太阳光伏发电简称光电
太阳光伏发电分独立光伏发电网光伏发点独立光伏发电系统离网光伏网发电系统太阳电池组件控制器蓄电池组成交流负载供电需配置交流逆变器网光伏发电系统太阳组件产生直流电网逆变器转换成复合市电电网求交流电直接接入公电网网光伏发电系统集中式型网光伏电站般国家级电站特点发电直接输送电网电网统调配户供电种电站投资建设周期长占面积目前没太发展分散式型网光伏系统特光伏建筑体化发电系统投资建设快占面积政策支持力度等优点目前网光伏发电流
3 光伏网发电模拟装置设计原理
光伏网发电装置利太阳发电电力系统中光伏电池利光转换层电势原理制成发电装置汇流电流送逆变装置中题目求整模拟装置系统模拟光伏电池网逆变器两部分组成模拟光伏电池网逆变器直流电转换成交流电负载提供需电力
设计容包括光伏模拟电池光伏阵列MTTP控制逆变网DCAC转换逆变器设计设计重点
控制系统美国Microchip公司 DSP28335作控制核心
结构框图图21示
图31 网发电模拟装置
系统设计完成功:
(1)频率踪功
(2)醉倒功率(MPPT)踪功
(3)输入欠压保护
(4)输出流保护
(5)RSRL30Ω时DCAC变换器效率h≥60
(6)RSRL30Ω时输出电压uo失真度THD≤5
31 系统控制方案设计
系统采两级式光伏网结构Boost电路 MPPT环节单相逆变桥网环节组成图2
第级 Boost 电路完成光伏电池功率踪第二级单相逆变器完成直流交流变换网两级电路间直流母线电容 C
2 起量缓作电容电压 U dc 作两级电路功率衡参考值 U dc 电压升高时说明时前级电路输入功率级电路输出功率系统通增加网电流增加级电路输出功率降低电压 U dc 相反U dc 电压降低说明时前级电路输入功率级电路输出功率系统通减网电流减级电路输出功率抬高电压 U dc 通控制电容器 C 2 电压 U dc 稳定实现两级电路功率传输衡
图32光伏网逆变器控制框图
32 太阳电池等效电路
清楚描述电路工作状态太阳电池负载系统等效电路模型表示图33示:
图33 太阳等效电池电路
太阳电池表示感光电流源二极联电池材料存缺陷欧姆损耗太阳电池模型必须分串联电阻Rs分流电阻Rsh表示损耗
33 太阳电池输出特性
根硅太阳数学电池模型太阳电池I UP U曲线表示出图34示
图34 光伏电池UI曲线PU曲线
知If(TVS)S日强度太阳电池输出电压电流特性光强度 S电池温度T关
温度光变化输出曲线实际形状相似系列曲线族根定光伏阵列标准测试条件提供参数输入日温度计算前IU曲线定时间间隔离散化成二维浮点数存储单片机RAM中测试器件提供复现真实太阳电池特性曲线非线性电源
34 光伏模拟电源总体设计
太阳电池受外界影响较文中设计基整流滤波开关电源功率点踪硬件电路太阳模拟电池系统图35示
图35 系统总体框架
35 DAAC逆变原理
直流电变换成交流电设备光电池发出直流电法直接提供负载设备需逆变器实现功设计蓄电池代模拟装置型模拟发电装置逆变器整系统部件缺逆变器输出波形分方波逆变器正弦波逆变器设计求采输出交流正弦信号直流输入蓄电池直接输入逆变器逆变器60V直流电转换成220V交流电供电设备电
整逆变器逆变桥滤波电路控制逻辑组成中逆变桥采全桥单桥实现
图36 逆变电路原理图
图37 负载电流电压波形
图36单桥式逆变器原理图S1S2S3S4电力电子器件辅助电路组成开关S1S4断开S2S3闭合时uoUdS1S4合S2S3断开时uoUd桥中臂频率f断开闭合时输出uo电压变交变方波电压幅值Ud频率f波形图图37示电压直流变交流交变电变相频率开关闭合频率相关通改变开关闭合频率改变交流电频率负载阻感时i
o相位滞uo波形负载电阻时io相位uo相波形相
逆变器根性指标分类根直流端分电压型电流型直流侧电流源逆变电路电流型逆变器留段电压源电压型逆变器根交流侧逆变器源源两种根电分果逆变交流侧直接送电网电网负载样逆变器源逆变器逆变程结:直流→逆变器→交流→交流电网种电路常直流逆调速系统变速电机果逆变交流端变调频率交流电直接送交流负载样逆变器源逆变器根输出波形分正弦非正弦逆变器正弦开关功耗适合工作频率较高非正弦开关损耗适合低频率根相数分单相相逆变器根逆变电路器件分关端力半控器件组成半控型逆变器控断力全控型逆变器逆变电路结构分全桥半桥推挽式逆变器
设全控型开关器件V1V2信号周期半周正偏反偏两者互补负载感性时工作波形相位致图33示输出电压uo矩形幅值UmUd2输出电流io根负载变化变化设t2时刻V1通态V1断态时V1断态信号V2通态信号感性负载中io立改变方保持原导通方式t3时刻io降零时VD2截V2开通io开始反
图38 单相半桥电压型逆变电路工作波形
t4时刻V2关断信号V1开通信号时VD1先导通t5时刻V1开通V1V2导通时负载电压电流相直流侧提供电VD1VD2导通时输出电流电压方相反负载中储存量直流侧反馈量暂时储存电容中直流侧电容起缓反馈功量作
图39 电压型全桥逆变原理图波形
电压型全桥逆变器成2半桥组合构成中14桥臂23分成导通断开两交导通半周期输出电压波形图38(b)半桥相矩形幅值UmUd输出电流图39(b)i0相幅值增倍VD1V1VD2V2相继导通区间应VD1VD1VD2VD3V1V4V2V3导通区间
全桥逆变电路单相逆变电路应较广泛电压波形幅值U0矩形波u0展开傅立叶级数
中基波幅值U01m基波效值U01分U01m4Udπ127UdU012√2U0π09Ud
负载RL时输出电流基波分量
u0正负电压180°脉时改变输出电压效值通改变输出直流电压U0改变
单相全桥逆变电路中栅极信号180°正偏反偏力臂信号互补V3基信号V1落αV3V4栅极信号V1V2栅极信号前移180°-α输出电压u0正负位α脉调节α调节输出电压效值 综述全桥逆变电路优点结:求电压低输出功率缺点:驱动复杂开关器件全桥逆变适合功率器件中逆变器
36 正弦脉宽调制SPWM
Pulse Width ModulationPWM(脉宽度调制)通调节输出方波占空改变输出电压SPWMPWM基础改变调制方式脉宽度时间占空正弦排列完成采样控制理出量相等形状窄脉作惯性系统时输出响应基相惯性系统输出响应取决系统量窄脉面积关形状关图310例举种形状量相种窄脉函数图中图310(d)单位脉函数脉渡函数图
图310 形状量相种窄脉
正弦波正半部分波形划分n等分部分等面积矩形波代组等效正弦波等幅等宽矩形脉波种方法逆变器正弦脉调制(SPWM)方法图311示
图311 SPWM代正弦波
SPWM调制信号频率高载波信号调制信号载波倍频附信号外基没谐波信号正弦脉调制信号频率越高谐波含量越少载波频率越高正弦脉调制基波谐波含量越少越接期值正弦脉调制受功率器件允许开关频率限制着频率提高开关损耗换流损耗加时会产生电磁干扰产生尖峰电压击电流SPWM产生控制微机完成常产生SPWM波形算法:规采样然采样踪型SPWM专集成电路微机软件生成SPWM法等
通种采样法分析种采样法优缺点功首先然采样图312示方法计算复杂计算时间较长难实现控制中线计算规采样广泛应工程应中算法然采样计算方法基相中称规采样法应较图313三角波负峰时刻tD正弦波采样D点D点作水线三角波交AB两点两点控制开关器件通断时脉宽然采样接
图312 然采样法
图313 称规采样法
专集成电路产生SPWM法简化控制电路软件设计提高性降低成软件成SPWM法实时计算法查表法实时计算法运行程根变量实时计算运算量查表法根调制度正弦信号角频率计算出开关通断时刻占较存容量实际生产中两种方法结合踪型SPWM法期输出信号作定值实际信号决定逆变器开关通断实际输出信号踪定信号
37 单相全桥逆变中SPWM控制
根脉调制处调制信号脉正负极性分单极性双极性 单极性调制:脉调制信号正半周期者负半周期种极性脉信号称单极性调制图314示单相桥式电压逆变电路开关MOS感性负载Q1Q2Q3Q42互补通断二极Ud0Ud三种电电压u0正半周期时Q1导通Q2关闭Q3Q4交通断负载电流滞电压电流段区间正段区间负正区间Q1Q4导通u0UdQ4关闭负载感性负载电流突变Q1D3续流u00负区间Q1Q4导通i0D1D4流u0UdQ4关闭Q3导通时i0D1Q3续流u00负载电压总两种
图314单相全桥逆变电路
输出负半周Q2直导通Q1直断开Q3Q4交通断Q2Q3导通时u0UdQ3关闭i时u00负载两种电压
控制Q3Q4通断控制输出电压极性控制方法图310示三角载波uc调制信号ur交点处控制MOS通断SPWM方式通断正弦参考信号极性交通断单极性SPWM全桥电路设计采方法进行控制
ur正半周时Q1导通Q2断开ur>ucQ3断开Q4导通u0Udur
图315 SPWM单极性控制方式波形
双极型调制:图316示双极型控制方式双极型控制中调制信号半周期三角载波正负输出正弦脉调制波正负
调制信号ur周期电±Ud交点处控制MOS通断SPWM方式通断进行控制
ur正负半周时Q1导通Q2闭合ur>ucQ1Q4导通Q2Q3断开u0Udi0>0Q1Q4导通i0<0D1D4导通ur
感性负载时Q1Q4导通状态突然加关闭信号Q2Q3立导通D2D3续流i0较时直Q1Q4次导通方变i0较时i0减零前Q2Q3始终未导通i0反D2D3Q2Q3导通始终u
0Ud相反u0Ud出半桥两桥臂MOS驱动信号极性相反互补式
图316 双极型SPWM控制方式波形
38 功率点踪(MPPT)
功率点踪:Maximum Power Point Tracking简称MPPT种通调解电器模块工作状态光伏板够输出更电电气系统够太阳电池板发出直流电效储存蓄电池中效解决常规电网够覆盖偏远区旅游区生活工业电产生环境污染光伏电池输出功率MPPT控制器工作电压关工作合适电压输出功率会唯值
太阳光伏阵列输出特性具非线性特点输出太阳辐度环境温度负载影响某输出电压值时光伏阵列输出功率达值时光伏阵列工作点达输出功率电压曲线高点成功率点(MPPmaximum power point)提高太阳转化效率必须系统保持运行PV面板功率点附
功率点踪控制质寻优程通测量电流电压功率判断出前工作点峰值点位置关系调节工作点电压(电流)峰值功率点拢光伏系统运作峰值功率点附设计求光伏电池定直流电源模拟代逆变器功率点踪功需UdUs2Vs
图317直流电源输出负载特性曲线
负载RL0穷变化时负载VI曲线条抛物线图Rs变调解RL输出工作功率点设功率点PmRLRs曲线点工作点横坐标分应时工作电压电流调节Rs RL保持变做出应VI曲线Pm应Vm值直流电提供负载电压调节Rs应电压值功率点直流电源电压值功率点Rs30Ω~36ΩRl30Ω~36Ω完全理想化点变化范围寻找点进行控制调节负载特性输入直流电压交点功率点电压Um左边通MPPT调节作直流电压升高反降低电压控制程图
图318 MPPT控制程
图319MPPT控制框图
MPPT种算法常见恒压踪法电导增量法干扰观测法(称爬山法)等
(1) 恒压踪法
图中温度定时光强太阳电池板功率点落根垂直线两侧邻功率线似成电压V 常数根垂直线光伏电池板工作某固定电压恒压踪法种似功率踪方法
恒压踪法定功率损失特温度变化时太阳电池板开路电压变化恒压踪法电压恒定值踪效率高
(2)电导增量法
电导增量法通较太阳电池板电导增量瞬间电导输出控制信号输出电导变化量等输出电导负值满足
图320恒压踪法
时太阳电池板工作功率点太阳电池板电导增量瞬间电导0时应增加太阳电池板工作电压达功率点太阳电池板电导增量瞬间电导0时应减太阳电池板工作电压达功率点
电导增量法控制精确响应速度较快适气条件变化较快场合硬件求特传感器精度求较高系统部分响应速度求较快整系统硬件造价会较高
理言电导增量法理表达挑剔传感器精度限时处理器太阳电池板电导增量瞬间电导计算会误差避免产生踪准确情形
(3)干扰观测法
干扰观测法通次太阳电池板输出功率次相较确定增加减少太阳电池板工作电压实现MPPT设某时刻t1太阳电池板输出功率P1处理器输出信号太阳电池板工作电压增ΔV段时间Δt时刻t2(t2t1+Δt)检测太阳电池板输出功率P2 ΔP(ΔPP1P2)正应该太阳电池板工作电压继续增ΔV直ΔP0 ΔP负应该太阳电池板工作电压减ΔV直ΔP0
ΔV应选取合适值果ΔV值太太阳电池板输出会功率点左右浮动果ΔV值太然保证踪精度需更时间功率点变化频繁时效果会变差
4光伏网发电模拟装置总体规划
41 系统总体方案设计
根设计务求设计光伏网发电模拟装置光伏电池直流电源代逆变直流变交流电频率50Hz左右频率电压模拟电网致通调节RSRL输出功率达值定求情况提高效率通MPPTSPWM调节输出功率化波形正弦化
整系统DCAC逆变器核心模拟电网信号基准信号单片机控制通调制逆变整流滤波变压完成设计务求允许范围波动满足整设计务
42 系统总体方案实现手段
设计整系统包括三部分功率转换部分信号采集控制部分
功率转换部分:直流输入端模拟光伏电池UdRs组成直流模块DCAC逆变电路LC低通滤波隔离变压器负载构成
信号采集:逆变部分输入电流电压交流输出电压电流模拟电网正弦参考信号频率相位隔离变压器反馈输出端频率相位
控制部分:DSP28335包含产生SPWM频相控制MPPT踪参数测量显示机交互等
实现附加功系统中逆变控制采模拟控制实现MPPT数字控制实现系统控制采单片机DSP28335实现
43 正弦逆变器控制电路设计
开环正弦逆变器法满足设计求达输出电压畸形响应快精度高等求逆变器控制采电流环加电压外环控制结构电流环检测输出滤波器电容电力作反馈电压环输出进行综合误差信号进调制器SPWM调制信号电流环作逆变器然特性进行源校正具高阻尼稳定性电压外环瞬时值环检测逆变器输出电压瞬时值作反馈定型号进行综合误差信号进调制器控制逆变器达系统求减稳态误差
44 逆变电路设计
采逆变电路推挽式单相半桥式单相全桥式中推挽式需变压器系统效率产生影响半桥式效率高难遇控制中点电位漂移影响输出波形影响MPPT功全桥式会产生问题控制驱动采单极倍频等方法会减波形失真达高效求提高逆变效率逆变输出滤波采非晶态磁芯电感降低电涡流损耗采金属化高频感电容
45 MTTP功设计
实现系统正常工作时输出功率化需系统进行功率踪MPPT功中控制方法:恒定电压法扰动观测导纳增量法恒定电流法控制精度低扰动观测法控制思路简单稳态时功率点波动稳定性差导纳增量法稳定度搞控制算法复杂改变速度缓慢设计中保证逆变器直流环节电压理想电压半设计采扰动法
5方案选择证
51 DCAC逆变方案选择证
DCAC电压输出采电压型逆变电路
方案:电压型半桥逆变电路原理图51图T1T2导通时I0UO相直流侧负载提供量D1D2导通时I0U0反负载储存量直流侧反馈负载吸收功量反馈直流侧反馈量暂存直流电容起缓存功作
图51 电压型电桥逆变电路
方案二电压型全桥逆变电路电路图图52示全控型形状T1T4T2T3分作两力臂两桥臂时通断交导通180°
图52 电压型全桥逆变电路
综合考虑半桥逆变电路结构简单器件少抗干扰力差电压电流求高全桥逆变电路电压求低稳定性效率高选择方案二
52 控制器方案选择证
方案:51单片机系统板键LED显示EEPROM等
方案二:DSP28335系统功强该芯片构成系统资源丰富频率调整范围宽数处理速度快
综合考虑选择方案二作控制器
53 滤波器方案选择证
方案:定K型滤波电路K型滤波电路存截频率准确性较差等问题构成元器件种类少滤波介数容易增加制作简单
方案二:巴特沃斯文型滤波器设计简单性没明显缺点应广泛构成滤波器元器件求低易制作达设计性
综合考虑两种方案优缺点选择方案二作滤波方案
54 正弦脉宽调制SPWM驱动电路方案选择
方案:采输出SPWM波形控制芯片SG3525该芯片直接驱动功率场效应具部基准源运算放器欠压保护功外围电路简单
方案二:采 MSP430F169 单片机输出SPWM波形送IR2110驱动H桥方案控制电路简单软件产生SPWM波成低调试验方案取
方案三图示较器组成正弦脉宽调制电路SPWM波形接正弦波三角波正弦波交点意性脉中心周期等距脉宽表达式超越方程计算繁琐调试困难
综合题目求实现方案选择单片机输出SPWM波选择方案二
第6章 系统实现方案
61驱动电路设计
功率变换装置中根电路结构功率开关器件般采直接驱动隔离驱动两种方式采隔离驱动方式时需路驱动电路控制电路电路互相隔离免引起灾难性果隔离驱动分电磁隔离光电隔离两种方式
光电隔离具体积结构简单等优点存模抑制力差传输速度慢缺点快速光稱速度仅十kHz电磁隔离脉变压器作隔离元件具响应速度快(脉前)原副边绝缘强度高dvdt模干扰抑制力强信号传输宽度受磁饱特性限制信号顶部易传输占空限制50信号宽度受磁化电流限脉变压器体积笨重加工复杂
隔离驱动方式路驱动组辅助电源三相桥式变换器需六组互相悬浮增加电路复杂性着驱动技术断成熟已种集成厚膜驱动器推出EXB840841EXB850851M57959LALM57962LALHR065等等均采光稱隔离受述缺点限制
国IR公司生产IR2110驱动器兼光稱隔离(体积)电磁隔离(速度快)优点中功率变换装置中驱动器件首选品种
IR2110采HVIC円锁抗干扰CMOS制造工艺DIP14脚封装具独立低端高端输入通道悬浮电源采举电路高端工作电压达500Vdvdt±50Vns15V静态功耗仅116mW输出电源端(脚3功率器件栅极驱动电压)电压范围1020V逻辑电源电压范围(脚9) 515V方便TTLCMOS电相匹配逻辑电源功率间允许土5V偏移量工作频率高达500kHz开通关断延迟分120ns94ns图腾柱输出峰值电流2A
IR2110部功框图图37示三部分组成逻辑输入电移输出保护述IR2110特点装置设计带來许方便尤高端悬浮举电源成功设计减少驱动电源数目三相桥式变换器仅组电源
图
IR公司IR2110具保护信号输入端2A驱动电流电路
欠压保护等功采F]锁CMOS技术具典型开通延时时间120ns关断延时时间94ns决定实现工作高达IMHz栅极驱动频率
IR2110驱动半桥电路图38示_图中C1VD1分举电容二极C2VCC滤波电容假定S1关断期间C1已充足够电压VCl≈VCCoHIN高电时VM1开通VM2关断VC1加S1门极发射极间C1通VM1RglS1门极栅极电容Cgcl放电Cgcl充电时VC1等效电压源HIN低电时VM2开通VM1断开S1栅极电荷RglVM2迅速释放S1关断短暂死区时间(td)LIN高电S2开通VCCVD1S2C1充电迅速C1补充量循环反复
IR2110半桥驱动芯片需连接举电容利部举实现桥路驱动采两片IR2110驱动半桥构成全桥逆变电路
61 DCAC回路
DCAC 逆变部分图61示DCAC 逆变设计核心IO驱动力足直接驱动四mosfetIRF540 组成H 桥电路加入 IR2110 驱动芯片该芯片驱动电路简单成低重输出驱动波形利提高电源效率
图61 DCAC回路
62 精密整流电路
该电路实现隔离变压器交流反馈信号变换成直流信号方便数字部分单片机处理外该电路实现阻抗变换降低输入阻抗电路图图62示
63 保护电路
(1)欠压保护电路电路图63示该电路通电阻 R1R2 分压进行 AD 采样送DSP28335处理判断 R2 电压值输入电压 25v时 R2 电压值 12V 时单片机驱动继电器断开极电路起欠压保护功
(2)流保护电路图64示该流保护电路解决方案输出回路中串联绕互感线圈输出电流变换反映互感线圈次级送测量放电路处理送单片机 AD输出电流超2A时起保护作
64 程序流程图误差产生改进
系统软件功实现通DSP28335控制流程图图65示
第7章 DSP28335单片机简介
1简介
DSP8335型数字信号处理器TI公司款TMS320C28X系列浮点DSP控制器定点DSP相该器件精度高成低功耗性高外设集成度高数程序存储量AD转换更精确快速等采部1.9 V供电外部3.3 V供电功耗降低频高达150 MHz处理速度快需浮点运算便携式产品理想选择
DSP28335采176引脚LQFP四边形封装功结构参见参考文献性:
高性静态CMOS技术指令周期6.67 ns频达150 MHz高性32位CPU单精度浮点运算单元(FPU)采哈佛流水线结构够快速执行中断响应具统存理模式C/C++语言实现复杂数学算法 6通道DMA控制器 片256 Kxl6Flash存储器34 Kxl6SARAM存储器.1 Kx16 OTPROM8 Kxl6Boot ROM中FlashOTPROM16 Kxl6SARAM均受密码保护控制时钟系统具片振荡器门狗模块支持动态PLL调节部编程锁相环通软件设置相应寄存器值改变CPU输入时钟频率8外部中断相TMS320F281X系列DSP专门中断引脚GPI00~GPI063连接该中断GPI00GPI031连接XINTlXINT2XNMI外部中断GPl032~GPI063连接XINT3XINT7外部中断支持58外设中断外设中断扩展控制器(PIE)理片外设外部引脚引起中断请求增强型外设模块:18PWM输出包含6高分辨率脉宽调制模块(HRPWM)6事件捕获输入2通道正交调制模块(QEP)332位定时器定时器0定时器1作般定时器定时器0接PIE模块定时器1接中断INTl3定时器2DSP/BIOS片实时系统连接中断INTl4果系统DSP/BIOS定时器2般定时器串行外设2通道CAN模块3通道SCI模块2McBSP(通道缓串行接口)模块1SPI模块1I2C兼容串行总线接口模块12位A/D转换器具16转换通道2采样保持器外部参考电压转换速度80 ns时支持通道转换88编程复GPIO引脚 低功耗模式
1.9 V核3.3 V I/O供电符合IEEEll49.1标准片扫描仿真接口(JTAG)TMS
320F28335存储器映射需注意点:片外设寄存器块0~3数存储区户该存储区写入程序
OTP ROM区(0x38 0000~0x38 03FF)读空间存储AD转换器校准程序户空间写入程序
应eCAN模块应时钟模块eCAN分配RAM空间作般RAM
果设置安全代码存储器区域Ox33FF80~0x33FFF5需全部写入数0x0000存储程序数反0x33FF80~Ox33FEF存储数程序中0x33FFF0~Ox33FFF5存储数
2仿真工具开发环境
TMS320F28335开发工具:标准优化C/C++编译/汇编/连接器CCS集成开发环境评估板XDS510仿真器中CCS界面友功完善集成开发台具编辑汇编编译软硬件仿真调试功
3应系统
采TMS320F28335组成应系统首先考虑TMS320F28335具种功否满足应系统求满足该系统应系统应系统包括复位电路时钟电路电源存储器等TMS320F28335具片Flash0TPROMSARAM存储器设计应系统时需考虑外部存储器接口问题
8理分析计算
81 MPPT 控制方法参数计算
MPPT 控制方法恒定电压控制法扰动观测法导纳增量法模糊控制法题求 Rs RL 定范围变化时 Ud12Us设计恒定电压控制法
图81 MPPT 控制方法参数计算方法原理图
图示: UdUsUlUd12Us通取样电阻网络DSP28335部12位AD采样控制单片机输出SPWM占空改变输出电压 Ud 稳定12Us方案简单容易实现
82 频相控制方法参数计算
DSP28335单片机软件实现锁相环参考频率作基准频率DSP28335单片机外中断定时器测定相位反馈电压信号相位滞参考信号相位时增SPWM频率否减SPWM 频率达相位频率步实际测试中发现真正实现频相电路求非常高 PCB 布线讲究程序查询DSP28335单片机外部中断外部输入信号包含尖峰脉者非标志波形时难实现方案送单片机中断口时加入施密特触发器滤波电路量中断口样效实现频率相位追踪需相关电路8M单片机实现光伏网
83光伏阵列汇流箱设计
光伏阵列设计光伏阵列设计原 满足均气候条件电网电需求设计光伏阵列时首考虑光伏阵列输出功率等电网需求均功率
计算光伏阵列串联数量时应该考虑光伏阵列工作电压逆变器直流输入电压范围合理确定佳串联数获发电量输出
2 kW 光伏网发电系统中光伏阵列10 块晶硅组件构成采200WP 型光伏组件产品具体参数 转换效率18 输出功率200 W 工作电压36 V 工作电流555 A 开路电压44 V 短路电流58 A
10 块晶硅组件通3 种方案进行串联
方案1 10 块晶硅组件直接串联工作点电压36 × 10 360 V 开路电压44 ×10 440 V 工作点电流555 A 短路电流58 A
方案2 10 块晶硅组件直接联工作点电压36 V 开路电压44 V 工作点电流555 × 10 5550 A 短路电流58 ×10 580 A
方案3 5 串2 拓扑结构工作点电压36 × 5 180 V 开路电压44 × 5 220 V工作点电流555 × 2 1110 A 短路电流58 × 2 116 A
方案1 中光伏组件串联光伏阵列工作电压较高直接光伏阵列输出直流电网逆变器转换交流电构成单级光伏网发电系统该结构电路简单耗低性高输出电质量高系统设计灵活性欠佳
方案2 中光伏组件联光伏阵列工作电流较高导致选择直流侧线缆截面积较利工程实施济性较差
方案3 中光伏阵列采5 串2 拓扑结构工作电压电流较合适构成单相两极非隔离型结构功率踪控制功DC DC 变换器中实现网逆变功DC AC 逆变器中实现保障设计灵活性够实现更优化控制功文采该方案
汇流箱设计
光伏网发电系统中汇流箱作减少光伏阵列逆变器间连线提高性设计汇流箱时保证汇流箱结构具备足够机械强度具备防雷流保护功[6]
汇流箱箱体分路开关总开关防雷器件防逆流二极端子板直流熔断器等构成汇流箱电气原理图图4 示
图4 汇流箱电气原理图
逆变电路参数设计
设计研究技术指标 光伏阵列输出功率2 kW DC DC 变换母线电压400 V DC AC 逆变输出电压效值AC 220 V 逆变输出电压频率50 Hz
电路拓扑结构选择
逆变电路拓扑结构种类型目前单端正激式单端反激式半桥式全桥式等设计时根需采拓扑结构次电路前级Boost 电路光伏输出电压进行升压 级逆变器电压逆变电感电容滤波符合条件正弦交流电
功率设计
逆变电源中功率器件晶闸MOSFET( 场效应) IGBT( 绝缘栅双极型晶体) 等次选择IGBT特点体积转换效率高具保护功程控接口适逆变系统伺服系统种理想电力电子器件[
次采网逆变器两级结构功率2 kW网逆变器电路功率器件采IGBT根耐压电流选择IGBT
光伏网发电系统直流侧高电压400 V保证IGBT 工作性安全性IGBT 耐压水400×2 800 V
次设计输出功率2 kW单相网逆变器功功率2 kW考虑11 倍载力流IGBT 功分量电流Imax
已知Pmax 2 kWU 220 VImax 10 A
IGBT 功峰值电流Im
根式( 2) Im 144 A
综合考虑安全系数IGBT 具体规格选择BSM25GB120DN2 型IGBT耐压1 200 V电流25 A
33 电感设计
电感漆包线铁心绕制成组串联轴线匝电路中电感L 作交流信号进行隔离滤波
电感越时电流纹波越系统越稳定反电感越时电流纹波越系统越稳定
假设电路没损耗
式中 PPV———光伏输出功率
PR———等效负载R 消耗功率
IPV———光伏电流均值
IR———等效负载R 电流均值
稳态时电感够保持量衡状态
式中 D———占空
T———开关功率开关周期
整理
式( 3) ~ 式( 5) 式( 7)
电感电流关系 通电感电流纹波
电流纹波系数
式( 8) ~ 式( 10)
式( 11) 知η L 成反保证额定情况满足纹波电流求电感L 取值应满足
令F( D) ( 1 - D)2DD 1 3 时F( D) 取值时L
设计光伏网系统时已知Udc 400 VPR 2 kW开关频率f 20 kHz设电流纹波系数η 25L≥237 mH取L 240 mH
电容设计
电路中电容C 作支撑DC DC 电路输出电压稳定DC AC 电路直流电压电容足够时电压会稳定纹波会降低果逆变器完全等效阻性负载纹波电流通电容均值电流通负载电阻
电容两端电压通电流关系
设电容纹波电压幅值ΔUC
直流侧电压通DC DC 电路控制稳定电容[8]
式中 ηu———电压纹波系数
设计光伏网系统时已知Udc 400 VPR 2 kW开关频率f 20 kHz设电压纹波系数ηu 1Cdc1 38 μF
光伏网系统中前级DC DC 电路实现升压级DC AC 电路实现电压稳定电容
设计光伏网系统时已知Udc 400 V
PR 2 kW设电压纹波系数ηu 1ω 314 rad s 时Cdc2 3796 mF取Cdc2 8 mF
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