基于MSP430F169的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

引言

目前，煤炭、石油等能源正走向枯竭，且環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，新能源和可再生能源的利用已經(jīng)成為世界各國的燃眉之急。作為一種無污染的可再生能源，太陽能越來越受到人們的青睞。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展對(duì)人們提出的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義。本設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán)倍頻、比較器過零觸發(fā)和MSP430F169單片機(jī)DA產(chǎn)生與輸入信號(hào)同頻同相且幅值可控的正弦波，作為DA-AC電路的輸入?yún)⒖夹盘?hào)，其中DA-AC電路采用D類功放中自激反饋模型，利用負(fù)反饋的自激振蕩產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)波，通過硬件之間的配合，實(shí)現(xiàn)了逆變電壓輸出及最大功率、同頻同相的跟蹤。

裝置方案的選用

DC-AC逆變方案：采用D類功放中自振蕩式模型的逆變拓?fù)?，利用?fù)反饋的高頻自激產(chǎn)生所需的PWM開關(guān)信號(hào)。此方案為閉環(huán)系統(tǒng)，在功率電源和負(fù)載變化時(shí)波形基本無失真，且硬件電路簡單。

鎖相鎖頻方案：利用鎖相環(huán)的鎖相鎖頻功能，將參考信號(hào)倍頻，產(chǎn)生與其同步的時(shí)鐘，以此時(shí)鐘調(diào)整輸入輸出的頻相關(guān)系。此方案完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，簡單方便。

最大功率點(diǎn)跟蹤方案：采用經(jīng)典MPPT算法，對(duì)光伏陣列的輸出電壓電流連續(xù)采樣，尋找dP/dU為零的點(diǎn)，即為最大功率點(diǎn)。

裝置的原理框圖如圖1所示。在設(shè)計(jì)中，選用CD4046鎖相環(huán)芯片和功率MOS管IRF540等性價(jià)比較高的器件，采用基于MSP430F169單片機(jī)的經(jīng)典控制算法來控制光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。

圖1 裝置原理框圖

理論分析及參數(shù)設(shè)置

頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)

利用鎖相環(huán)CD4046可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的倍頻和同步，輸入頻率45Hz~55Hz，經(jīng)256倍頻后為11.52kHz~14.08kHz信號(hào)，送給單片機(jī)作為系統(tǒng)同步的時(shí)鐘。單片機(jī)用DDS原理產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號(hào)。此時(shí)鐘作為D/A輸出的時(shí)鐘，即可追蹤輸入信號(hào)的相位和頻率。鎖相環(huán)的原理框圖如圖2所示。CD4046的內(nèi)部電路與外圍電路圖如圖3所示。此正弦信號(hào)送給本設(shè)計(jì)中自閉環(huán)的DA-AC逆變器作為輸入，輸出電壓就可以與參考輸入U(xiǎn)REF同頻同相。為保證快速鎖定，需要調(diào)整R1、R2、C1的值使鎖相環(huán)中心頻率穩(wěn)定在50Hz。

圖2 鎖相環(huán)原理框圖

圖3 CD4046內(nèi)部電路與外圍電路圖

MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用MSP430F169單片機(jī)作為主控芯片。它是TI公司出產(chǎn)的一種具有超低功耗的功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)，具有FLASH存儲(chǔ)器。這款單片機(jī)的程序代碼空間為60KB+256B的FLASH，2KB的RAM，且具有強(qiáng)大的中斷功能，48個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用，在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。該類單片機(jī)具有一個(gè)強(qiáng)大的16位RISC CPU（125ns指令周期），16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度地提高代碼的效率。數(shù)字控制的振蕩器DCO允許在6微秒內(nèi)從低功耗模式喚醒。而且，該芯片還配置了帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器A和定時(shí)器B、12位快速A/D轉(zhuǎn)換器（帶有內(nèi)部參考電平、采樣保持和自動(dòng)掃描特性）、雙12位D/A轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)通用同步/異步串行通訊接口USART、DMA。除此之外，該單片機(jī)還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行在1MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同為0.1μA ~280μA。

MSP430F169的這些特點(diǎn)十分適合開發(fā)的要求，選用MSP430F169可以輕松地實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電壓電流采集。單片機(jī)由此數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)出實(shí)時(shí)功率后根據(jù)MPPT算法自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)dP/dU>0時(shí)通過增加系統(tǒng)的輸入阻抗增加實(shí)際得到的輸入電壓U以提高功率，反之則降低U ，最終達(dá)到dP/dU>0的最大功率點(diǎn)跟蹤。

提高效率的方法

開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)中的主要損耗包括：場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻損耗和開關(guān)損耗；濾波電路中電感和電容的損耗；隔離變壓器的鋼損與鐵損。綜合考慮成本和性能，本電路選用了IRF540，其導(dǎo)通電阻僅為77mΩ，輸入結(jié)電容為1700pF。在帶載額定電流1A時(shí)，全橋的靜態(tài)功耗Pon=4×I2×Ron=0.308W。由于濾波電感和電容工作在高頻下，起儲(chǔ)能釋能作用，因此電感要盡量減小內(nèi)阻，并保留1mm磁隙防止飽和，電容則要選取等效串聯(lián)電阻ESR較小的高頻低阻類型，以減小在電容上產(chǎn)生的功率損耗，本設(shè)計(jì)中所用的電感線圈為多股漆包線并繞，以減小高頻下導(dǎo)線集膚效應(yīng)帶來的損耗，并使用鐵氧體材料的磁芯，以減小其磁滯損耗。電容則選用聚丙烯電容，它具有較好的高頻特性、穩(wěn)定性和較小的損耗。為減小隔離變壓器T的損耗，導(dǎo)線的載流量選2.5A/mm2，選用冷軋鋼帶替代矽鋼片。

濾波參數(shù)的設(shè)置

濾波電感使用直徑36mm磁罐，加1mm磁隙，用0.4mm漆包線5股并繞20匝，實(shí)測電感為200μF左右；為減小通帶衰減，取截止頻率為5kHz，一百倍于基頻，得C=4.7μF。為進(jìn)一步減小正弦波諧波分量，又用60μH鐵粉環(huán)電感與0.68μF電容進(jìn)行了二次濾波，最終效果比較理想。

電路與程序設(shè)計(jì)

DC-AC電路

DC-AC逆變器由振蕩原理的D類功率放大器構(gòu)成，利用負(fù)反饋的高頻自激，產(chǎn)生幅度較弱的高頻振蕩疊加在工頻信號(hào)上，經(jīng)過比較器產(chǎn)生高頻SPWM開關(guān)信號(hào)通過浮柵驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MOS管半橋。自振蕩逆變器框圖如圖4所示。DA-AC逆變器原理圖如圖5所示。

圖4 自振蕩逆變器框圖

圖5 DA-AC逆變器原理圖

由于負(fù)反饋在工頻上是穩(wěn)定的，因此輸出的信號(hào)的放大倍數(shù)由R2與 R4的分壓比決定，而自振蕩（產(chǎn)生的SPWM）頻率可通過微調(diào)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電阻、電容值進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際中綜合考慮損耗和濾波電路的設(shè)計(jì)，選定頻率約為28kHz，保證輸出電壓在功率電源HVDC范圍內(nèi)，比例放大系數(shù)選為12。這種逆變器自身閉環(huán)，整個(gè)電路只使用一個(gè)比較器，可以根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整SPWM的占空比，使輸入/輸出電壓始終成比例關(guān)系。

設(shè)計(jì)時(shí)，使用兩個(gè)上述的自振蕩逆變器構(gòu)成平衡橋式DA-AC變換器，以LM393做逆變的比較器，配合自帶死區(qū)的IR21094浮柵驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IRF540功率MOS管，獲得了較高的效率和極低的失真度。

過流保護(hù)及自恢復(fù)電路

電流I在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓經(jīng)過LM358放大10倍后與參考電壓比較，超過則輸出低電平， C7經(jīng)過二極管迅速放電，使#SD信號(hào)被拉低，浮柵驅(qū)動(dòng)器輸出被關(guān)閉，向單片機(jī)報(bào)警。同時(shí)I變小，運(yùn)放1腳（如圖6）輸出高電平，+5V經(jīng)過R17對(duì)C7充電，經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到浮柵驅(qū)動(dòng)器的高電平門限時(shí)，再次打開場效應(yīng)管。這樣可以保證過流時(shí)迅速關(guān)斷輸出，關(guān)閉一段時(shí)間后自行試探，在故障消除后可自動(dòng)恢復(fù)。

圖6 過流保護(hù)電路圖

欠壓報(bào)警指示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前入口處Ud電壓

欠壓時(shí)MPPT算法將自動(dòng)使輸出為零，功率最小。單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣Ud電壓后在液晶上顯示，小于25V時(shí)報(bào)警。

控制電路與控制程序

在功率電源入口處用470k與20k金屬膜電阻分壓到合適電壓后進(jìn)行電壓采樣，電流則由40毫歐電阻高端采樣后經(jīng)隔離差動(dòng)放大器HCPL7800放大后再由儀表放大器AD620轉(zhuǎn)換成單端電壓，送給A/D采樣，其中HCPL7800和AD620帶有48倍的增益，將電壓放大到2V左右，保證采樣電流有足夠的精度。功率最大時(shí)有，可得，令，，則當(dāng)時(shí)認(rèn)為達(dá)到最大功率點(diǎn)。

經(jīng)典控制算法流程圖如圖7所示。

圖7 經(jīng)典控制算法流程圖

測試方法與數(shù)據(jù)、結(jié)果分析

測試儀器選用：數(shù)字示波器TDS1002；4位半數(shù)字萬用表VC9807A+；20M數(shù)字信號(hào)源RIGOL DG1022；雙路可跟蹤直流穩(wěn)定電源HY1711。測試框圖如圖8所示。

圖8 測試流程圖

測試方法：

①最大功率點(diǎn)跟蹤功能：在60V輸入電壓情況下，根據(jù)測試數(shù)據(jù)表1改變RS與 RL(30Ω~36Ω)，記錄電壓表2與電壓表1的示數(shù)。

②頻率相位跟蹤功能：根據(jù)測試數(shù)據(jù)表2改變輸入信號(hào)UREF從45Hz~55Hz步進(jìn)，從示波器觀察頻率跟蹤的速度和輸出電壓的頻率，以及兩者的相位差，記錄在測試數(shù)據(jù)表2中。

③效率：額定RS=RL =30Ω時(shí)，記錄電壓表1、電壓表2，電流表1、電流表2的示數(shù)，效率=UoIo/UiIi

④失真度：用示波器FFT觀察顯示波形，記錄基波和各次諧波的幅度。

測試數(shù)據(jù)：

①    數(shù)據(jù)記錄：各數(shù)據(jù)列于表1~表3中。

表1 最大功率點(diǎn)跟蹤

表2 頻率相位跟蹤

表3 DA-AC變換器效率

②計(jì)算效率：

③輸出過流保護(hù)和自恢復(fù)功能：將輸出短路，電路進(jìn)入過流保護(hù)，指示燈亮，液晶屏顯示報(bào)警，除去短路后報(bào)警消失，電路恢復(fù)正常。

④輸入欠壓保護(hù)和自恢復(fù)功能：調(diào)節(jié)輸入電壓 ，當(dāng)電壓表2顯示電壓低于25V時(shí)液晶屏顯示報(bào)警。再提高電源電壓，報(bào)警消失，電路重新正常工作。

結(jié)束語

為了較好地實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤、DA-AC逆變、欠壓及過流自恢復(fù)保護(hù)等功能，本設(shè)計(jì)基于MSP430F169單片機(jī)，采用較少元件、較低成本的模擬方案，設(shè)計(jì)了模擬電路，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。