數(shù)字信號控制器在太陽能逆變器中的應(yīng)用

1、數(shù)字信號控制器(DSC)是數(shù)字控制系統(tǒng)的核心

　　數(shù)字信號控制器(DSC)平臺是能將微控制器(MCU)的控制外設(shè)和—流的DSP(數(shù)字信號處理)技術(shù)的處理能力與經(jīng)濟性相結(jié)合，其特點是簡便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成與易用性，優(yōu)異的處理能力、中斷處理功能、控制特定外設(shè)集成能力與經(jīng)濟性的獨特組合為控制系統(tǒng)提供了實質(zhì)性的益處。通過這些優(yōu)勢，諸如改善的系統(tǒng)效率及增加的創(chuàng)新性能，能夠采用更少的外部組件，更低的成本，為空間受限的應(yīng)用推出極小化封裝產(chǎn)品。

　　如今把握當(dāng)前國內(nèi)外受關(guān)注的綠色環(huán)保概念，開發(fā)與生產(chǎn)太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，并不斷開發(fā)適合國際、國內(nèi)市場需求的系列應(yīng)用產(chǎn)品，是符合“讓太陽發(fā)電，地球更清潔，造福人類”的宗旨。而作為數(shù)字信號控制器(DSC)在其開發(fā)應(yīng)用上可謂是恰到好處并且是多方面的，如綠色能源、數(shù)字電源、照明、家用電器、工業(yè)控制、車載產(chǎn)品、醫(yī)療及計量等?；跀?shù)字控制器的技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢，本文將對DSC技術(shù)在太陽能逆變器中的應(yīng)用作分析說明。既然是在太陽能逆變器中應(yīng)用，為此應(yīng)對與太陽能有關(guān)的理念先作介紹。

　　2、與太陽能有關(guān)理念

　　太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，其產(chǎn)品生產(chǎn)從單晶硅棒、硅片、電池片到組件，并在系統(tǒng)工程的設(shè)計與集成獲得了迅速發(fā)展并在新能源發(fā)電、電力、通信、消防、航空和車船等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

　　2.1太陽能光伏技術(shù)

　　太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。光伏電池的基本特征為：當(dāng)光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷成為自由電子，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。圖1(a)為光伏電池框圖。

　　圖1 (a)光伏電池框圖；

(b)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；

(c)獨立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

　　2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與類型

　　一套基本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池板、控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩大類：并網(wǎng)發(fā)電和獨立發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負(fù)載供電，圖1(b)為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；獨立發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)蓄電池充電并經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流電，圖1(c )為獨立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖。

　　應(yīng)該說太陽能光伏系統(tǒng)可在太陽能風(fēng)力發(fā)電控制器、逆變電源、并網(wǎng)逆變電源等多種綠色能源得到廣泛應(yīng)用。值此重點對DSC技術(shù)在太陽能逆變器中應(yīng)用作分析。

　　3、太陽能逆變器系統(tǒng)應(yīng)用方案

　　3.1問題的提出

　　全球范圍內(nèi)能量的未來獲取方式是一個新興的焦點問題。礦物燃料的多個替代解決方案已經(jīng)展開研究，并將在全球各地區(qū)進入了工業(yè)化的生產(chǎn)過程。光伏并網(wǎng)發(fā)電是將太陽能電池陣列所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婐佀碗娋W(wǎng)，是太陽能發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　太陽能是最廣泛的替代能源之一，其重點放在光伏(PV)系統(tǒng)的交付上，這包括用于電力公用事業(yè)、商用建筑以及個人住宅的高性能太陽能逆變器。逆變器是整個太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可將PV電池的可變DC電壓輸出轉(zhuǎn)換成清潔的50Hz或60 Hz正弦電流，適用于商用電網(wǎng)或本地電網(wǎng)供電。

　　作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(如組合型)，整個系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。功率主電路使用大功率智能功率模塊IPM，控制系統(tǒng)以DSP為核心，檢測直流側(cè)及網(wǎng)側(cè)的電量信號，通過最大功率尋優(yōu)，電壓、電流調(diào)節(jié)，以及空間矢量PWM波形發(fā)生控制，向功率驅(qū)動回路發(fā)出控制指令，將太陽能直流轉(zhuǎn)換單元輸出的直流電變換成交流電，并回饋至電網(wǎng)。

　　太陽能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送人電網(wǎng)。為此有必要對逆變電源技術(shù)特征作說明。

　　3.2何謂逆變電源

　　逆變電源是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b置，是太陽能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計情況分為：太陽能、風(fēng)力發(fā)電專用正弦波逆變電源；經(jīng)濟型太陽能、風(fēng)力發(fā)電控制逆變一體機；太陽能并網(wǎng)逆變電源與風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變電源等四類。而其太陽能、風(fēng)力發(fā)電專用正弦波逆變電源是太陽能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，該電源針對新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點來設(shè)計制造，主要應(yīng)用于太陽能電站，風(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)、光、油、蓄互補發(fā)電系統(tǒng)和戶用太陽能供電系統(tǒng)。其工作原理可由框圖2表示。

　　圖2 逆變電源基本工作框圖

　　其性能特點為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性接反等各種保護功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優(yōu)異的EMI/EMC指標(biāo)，可配備RS232/485接口，具有高可靠性、高效率。

　　3.3太陽能并網(wǎng)逆變電源

　　太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設(shè)計方案可用框圖3(a)表示。

　　圖3 (a) 太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設(shè)計方案框圖;

(b) 以TMS320C2000 DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計方案示意框圖

　　該設(shè)計方案的性能特點為：DSC芯片控制，智能功率模塊組裝；MPPT(住宅用運行在最大功率點附近，即MPPT工作方式)控制，適時追蹤太陽能電池板的最大輸出功率；純正弦波輸出，自動同步并網(wǎng)，電流諧波含量小，對電網(wǎng)無污染、無沖擊；具有擾動檢出技術(shù)，實現(xiàn)運行控制；采用LCD、LED顯示功能，其保護和報警功能齊全；RS232/485通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視；具有并網(wǎng)/獨立運行功能。

　　技術(shù)指標(biāo)：功率(例如1kW-50kW)：輸入直流電壓(200V-400V)，輸出諧波失真率≤5%，過載能力150%、10秒，逆變效率>92%，使用環(huán)境溫度-25℃~ +55℃。[!--empirenews.page--]3.2 DSC為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計方案

　　由于DSP芯片是DSC 核心部件，所以太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計方案是基于DSP技術(shù)的設(shè)計方案。值此以TMS320C2000TM DSP為典型應(yīng)用作分析。因為以TMS320C2000TM DSP的平臺能夠最佳地響應(yīng)太陽能逆變器多條實施線路的實時挑戰(zhàn)。故以TMS320C2000TM DSP為典型應(yīng)用作分析。該TMS320028xTM，內(nèi)核32位CPU以150MHz的最高頻率運行，能夠高效地執(zhí)行在最大功率點下操作面板所需的高精度算法，可確保最高的電源轉(zhuǎn)換效率，甚至在最苛刻與不斷變化的條件下也是如此。DC/AC轉(zhuǎn)換器主橋的驅(qū)動由TMS320C 2000器件高度靈活的PWM模塊執(zhí)行并與片上高速12位ADC配合使用，調(diào)節(jié)所需的電流與電壓，從而獲得最常見的正弦波形。圖3(b)為用TMS320C2000 DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計方案示意框圖。太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計方案由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。

　　C2000片上高速12位ADC可對電池電壓、電池溫度、環(huán)境溫度與計量計數(shù)器的模擬量迸行A/D轉(zhuǎn)換。DC/DC變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點，使其跟蹤最大功率點。所以在太陽能電池板后接Boost升壓斬波器，將電壓升到400V，這樣設(shè)計有利于提高系統(tǒng)的效率，也便于后級全橋逆變器并網(wǎng)控制。而DC/AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時獲得單位功率因數(shù)。

　　對于控制系統(tǒng)，當(dāng)控制電路上電后，首先檢測電網(wǎng)參數(shù)和光伏電池的電壓， 當(dāng)網(wǎng)壓正常時，全橋逆變器工作在PWM整流器狀態(tài)，中間電壓為400V左右。逆變器工作過程中，由控制芯片DSP檢測中間電壓、并網(wǎng)電流，如果中間電壓過高或者并網(wǎng)電流超過最大電流時，由控制芯片封鎖全橋逆變器和Boost升壓斬波器的開關(guān)管控制脈沖，同時斷開繼電器。延時一段后再嘗試重新啟動，若故障仍然存在，則斷開逆變器，DSP能快速響應(yīng)命令。

　　太陽能電池輸出的最大功率隨著光照強度和溫度的變化而變化，系統(tǒng)的最大功率跟蹤由前級Boost升壓斬波器控制。為實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流，其由后級全橋逆變器控制。他們的控制都是由DSP芯片TMS320C2000 協(xié)調(diào)完成逆變器的設(shè)計。

　　除上述DSC為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源以外，本文還將對太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用、太陽能及風(fēng)力發(fā)電的控制器及風(fēng)機并網(wǎng)逆變電源等技術(shù)與應(yīng)用作簡介。

　　4、太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

　　太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用自然能源，取之不盡，用之不竭。它的利用不僅解決我國目前8000萬無電居民的用電問題，而且可改善目前全球日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。除此之外，它的利用給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，架設(shè)5公里電線及以后的電費投資，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資。

　　風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)見圖4所示。由于太陽能與風(fēng)能的互補性強，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

　　圖4 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖

　　5、太陽能及風(fēng)力發(fā)電的控制器

　　控制器是有效控制太陽能或風(fēng)機發(fā)出的電力向蓄電池充電，蓄電池向負(fù)載放電，使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內(nèi)工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。

　　5.1全數(shù)字太陽能智能控制器

　　全數(shù)字太陽能智能控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能，廣泛應(yīng)用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島*以及移動場所提供電力。由于太陽能電池的壽命一般均在20年以上，因此系統(tǒng)壽命可靠性較高，并可取代柴油機，實現(xiàn)無人值守。

　　性能特點：控制電路與主電路完全隔離，可正接地也可負(fù)接地；LED、LCD顯示功能，可顯示當(dāng)前蓄電池電壓、太陽能電池陣列輸出電流、負(fù)載電流及蓄電池充電電流、日發(fā)電量、累計發(fā)電量；多路(6路/12路/18路等)太陽能可以同時接入；階梯式控制方式，可使太陽能電池發(fā)出的電能最大限度向蓄電池充電，效率大大提高；各路充電電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止靜態(tài)開關(guān)進入振蕩狀態(tài)；過充、過放、過載、短路、接反、過熱等一系列報警和保護功能；霍爾電流互感器檢測電流；溫度補償調(diào)節(jié)電壓；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，缺電時電量可以存儲；太陽能每天累計發(fā)電量，太陽能歷史累計發(fā)電量，掉電數(shù)據(jù)不丟失；具有RTC功能，可以查尋當(dāng)前時間，在任何時候出現(xiàn)異常(過充、過放、過載、短路等)，會把不同故障發(fā)生的時間分別記錄下來，送上位機顯示；提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口；根據(jù)客戶不同需要，可安裝不同等級防雷器；根據(jù)系統(tǒng)需要，可提供光控、油機、備用電源等功能。

　　5.2全數(shù)字風(fēng)力發(fā)電智能控制器

　　全數(shù)字風(fēng)力發(fā)電智能控制器是控制風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能，廣泛應(yīng)用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島*以及移動場所提供電力。

　　其性能特點與全數(shù)字太陽能智能控制器類同，不同之處如下：多路風(fēng)機可以同時接入；階梯式控制方式，可使風(fēng)機發(fā)出的電能最大限度面向蓄電池充電，充電效率大大提高； 控制器內(nèi)置大功率風(fēng)機卸載電阻，無級調(diào)節(jié)，逐級投入，使蓄電池不會經(jīng)受突變大電流充電，大大提高蓄電池使用壽命；風(fēng)機平穩(wěn)降速，有效防上風(fēng)機飛車；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，沒電時電量可以存儲。

　　5.3無尾翼風(fēng)機控制器原理與特征

　　5.3.1無尾翼風(fēng)機控制器原理可用圖5描述。

　　圖5 無尾翼風(fēng)機控制器原理圖

　　5.3.2無尾翼風(fēng)機控制器特點

　　采用Microchip公司專用微處理芯片；專用的風(fēng)速儀與高性能風(fēng)向傳感器；實時顯示風(fēng)速、風(fēng)向、功率、電壓、電流、手/自動剎車、偏航、變槳等信息；EMI/EMC指標(biāo)優(yōu)異，配備RS232/RS485及上位機監(jiān)管軟件；具有欠/過壓自動切換，可實現(xiàn)三級電動剎車，自動關(guān)槳；防雷擊、過載、短線等各種故障自動保護功能及故障報警；可設(shè)置最佳切入風(fēng)速和切出風(fēng)速，運行中能進行智能控制，自動根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，改變槳距、偏航方向，實現(xiàn)最大功率輸出；工作溫度-20℃～+70℃，可配置微型打印機。其應(yīng)用范圍適用于各種無尾翼風(fēng)力發(fā)電機的控制。

　　5.4風(fēng)光互補智能控制器

　　風(fēng)光互補智能控制器是控制太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機將太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，由于風(fēng)力資源和陽光資源在不同的地域、季節(jié)、天氣條件分布不同，具有一定的互補性。同時充分利用風(fēng)力資源發(fā)電一次性投資較低，而新能源發(fā)電系統(tǒng)維護量低，采用風(fēng)光互補系統(tǒng)，性價比高。兼有太陽能控制器、風(fēng)力發(fā)電控制器的特點。

　　5.5路燈控制器

　　太陽能路燈是一種獨立的照明系統(tǒng)，路燈控制器是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池為道路提供照明的裝置，采用微電腦芯片和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能。

　　性能特點為：照明開/關(guān)燈自動控制(光控、定時可設(shè)定)；時控有1小時、3小時、4小時、5小時、6小時、8小時自由選擇；蓄電池充/放電、欠壓/過壓/反接保護及溫度補償自動控制；負(fù)載開/短路自動保護，保護自復(fù)位。

　　6 風(fēng)機并網(wǎng)逆變電源

　　風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電是將風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變成交流電并饋送電網(wǎng)。與太陽能發(fā)電一樣，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　工作原理可用框圖6表示，其性能特點與太陽能并網(wǎng)逆變電源類同。

　　圖6 風(fēng)機并網(wǎng)逆變電源框圖

　　7 光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)專用上位機軟件

　　該軟件為用戶提供一個遠(yuǎn)程監(jiān)管供電、用電設(shè)備的在線系統(tǒng)，配合多功能離網(wǎng)、并網(wǎng)逆變電源，對系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)顯示與處理、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)事故追憶、各種文檔備份、用戶級別選擇、實現(xiàn)遠(yuǎn)程特定功能控制、新用戶電源使用學(xué)習(xí)、在線幫助等功能。

　　具體功能如下：

　?、賹崟r數(shù)據(jù)顯示與處理：對于系統(tǒng)電量、事故記錄等非實時數(shù)據(jù)，根據(jù)電源系統(tǒng)采集周期，做定時采集，打包。在系統(tǒng)相應(yīng)采集周期設(shè)定時間段內(nèi)進行處理并備份。

　　②事故追憶：具備詳細(xì)的事故記錄(精確到秒，以時間段顯示，同時記錄系統(tǒng)所有運行參數(shù)備查)；多種查詢方式(按站點、時間、日期及起組合方式)；報表生成和打??；數(shù)據(jù)軟件和數(shù)據(jù)硬件備份。

　?、鄹婢δ埽壕邆鋱缶瘏?shù)設(shè)定，告警參數(shù)顯示與保持。提供聲音(內(nèi)容可以自行選擇，滿足個性需求，同時提供pc機內(nèi)部蜂鳴器報警，為用戶節(jié)約電能)、光、短信、郵件、電話等報警方式。

　　④安全模式：對用戶提供權(quán)限管理、密碼登錄、無誤操作設(shè)計，***升級電源知識數(shù)據(jù)庫，新電源用戶學(xué)習(xí)影像資料；對電源設(shè)備實時控制，參數(shù)全面具體，防誤操作處理。

　　⑤附加功能與人性化設(shè)計：數(shù)據(jù)顯示多樣化；避免重復(fù)運行的設(shè)計；還可實現(xiàn)無線監(jiān)控。

　　8 結(jié)束語

　　應(yīng)該說國內(nèi)外許多廠商有很多系列的太陽能及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與產(chǎn)品，上述介紹的應(yīng)用特征僅從共性的角度出發(fā)，因此在選用時應(yīng)根據(jù)實際需要，確定參數(shù)與指標(biāo)，以獲得較高的性價比。