基于dsPIC30F2010控制光伏水泵變頻器的研究

摘  要：設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)結(jié)構(gòu)的光伏水泵系統(tǒng)。系統(tǒng)以Mimochip公司最新推出的dsPIC30F2010芯片為核心，采用一種實(shí)用的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方式,實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池的真正的最大功率跟蹤(TMPPT)功能；系統(tǒng)主電路DC／DC部分采用結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路,DC／AC部分采用具有完善保護(hù)功能的一體化智能功率模塊(ASIPM)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有體積小,重量輕，運(yùn)行可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：變頻器；太陽(yáng)能光伏陣列；推挽正激；恒定電壓跟蹤；最大功率點(diǎn)跟蹤：光伏水泵

0 引言
    我國(guó)西部偏遠(yuǎn)地區(qū)仍有上百萬(wàn)農(nóng)牧民無(wú)電力供應(yīng)，而且該地區(qū)氣候干旱，土地荒漠化，草原退化情況越來(lái)越嚴(yán)重，采用光伏水泵系統(tǒng)合理地開(kāi)發(fā)地下水資源，對(duì)于解決該地區(qū)的飲水和農(nóng)業(yè)用水問(wèn)題，改善生態(tài)環(huán)境，具有重要意義。而光伏水泵技術(shù)的核心是專用變頻器的設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)和太陽(yáng)電池陣列相匹配，具備太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)跟蹤及光伏水泵系統(tǒng)特有的各種保護(hù)功能的變頻器，是本文重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
    由圖1可知，系統(tǒng)利用太陽(yáng)電池陣列將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過(guò)DC／DC升壓，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅(qū)動(dòng)交流異步電機(jī)和水泵負(fù)載，完成向水塔儲(chǔ)水功能。其中主要包括4部分：太陽(yáng)電池陣列；具有TMPPT功能的變頻器；水泵負(fù)載；儲(chǔ)水裝置。

1．2 變頻器主電路及硬件構(gòu)成
    本系統(tǒng)所采用的主電路及硬件控制框圖如圖2所示。主電路DC／DC部分采用性能優(yōu)越的推挽正激式電路進(jìn)行升壓；DC／AC部分采用三相橋式逆變電路。主功率器件采用ASIPM(一體化智能功率模塊)PS12036，系統(tǒng)控制核心由16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F2010構(gòu)成。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測(cè)和水位打干檢測(cè)電路。系統(tǒng)首先通過(guò)初始設(shè)置的工作方式和PI參數(shù)工作，然后由MPPT子程序?qū)崟r(shí)搜索出的電壓值作為內(nèi)環(huán)CVT的給定，通過(guò)PI調(diào)節(jié)得到工作頻率值，計(jì)算出PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT)，并保持異步電機(jī)的V／f比為恒值。系統(tǒng)將MPPT和逆變器相結(jié)合，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測(cè)功能進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。

1．2．1 DC／DC升壓電路簡(jiǎn)述
1．2．1．1主電路選擇
    對(duì)于中小功率的光伏水泵來(lái)說(shuō)，光伏陣列電壓大都是低壓(24v、36v、48V)，對(duì)于升壓主電路的選擇，人們一般選擇推挽電路，因?yàn)橥仆祀娐纷儔浩髟吂ぷ麟妷壕褪侵绷鱾?cè)輸入電壓，同時(shí)驅(qū)動(dòng)不需隔離，因此比較適合輸入電壓較低的場(chǎng)合。但是偏磁問(wèn)題是制約其應(yīng)用的一大不利因素，功率管的參數(shù)差異和變壓器的繞制工藝都有可能使推挽電路工作在一種不穩(wěn)定狀態(tài)?；谥T多因素的考慮，本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路，此電路拓?fù)洳粌H克服了偏磁問(wèn)題，而且閉環(huán)控制也比較容易(二階系統(tǒng))。

1．2.l.2推挽正激電路簡(jiǎn)單分析
    推挽正激電路如圖2所示，由功率管S1及S2，電容C8和變壓器T組成，變壓器T原邊繞組N1及N2具有相同的匝數(shù)，同名端如圖2所示。當(dāng)S1及S2同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候，電容C8兩端電壓下正上負(fù)，且等于陣列電壓，當(dāng)S1開(kāi)通，S1、N2和光伏陣列構(gòu)成回路，N2上正下負(fù)，同時(shí)C8、N1和S1構(gòu)成回路，C8放電，N1下正上負(fù)，此時(shí)的工作相當(dāng)于兩個(gè)正激變換器的并聯(lián)。同理，當(dāng)S2開(kāi)通S1關(guān)斷時(shí)，也相當(dāng)于兩個(gè)正激變換器的并聯(lián)。經(jīng)過(guò)理論分析，推挽正激電路是一個(gè)二階系統(tǒng)，因此閉環(huán)控制簡(jiǎn)單，同時(shí)輸出濾波電感和電容大大減小。

1.2.2 dsPIC30F2010簡(jiǎn)單介紹
    Microchip公司通過(guò)在16位單片機(jī)內(nèi)巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)同時(shí)具有單片機(jī)(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。因?yàn)樗哂械腄SP功能，同時(shí)具有單片機(jī)的體積和價(jià)格，所以本系統(tǒng)采用此芯片作為控制器。此芯片主要適用于電機(jī)控制，如直流無(wú)刷電機(jī)、單相和三相感應(yīng)電機(jī)及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；同時(shí)也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開(kāi)關(guān)電源和功率因數(shù)校正等。dsPIC30F2010管腳示意如圖3所示。

1．2.2．1 主要結(jié)構(gòu)
    12KB程序存儲(chǔ)器；
    512字節(jié)SRAM：
    1024字節(jié)EEPROM；
    3個(gè)16位定時(shí)器；
    4個(gè)輸入捕捉通道；
    2個(gè)輸出比較／標(biāo)準(zhǔn)PWM通道；
    6個(gè)電機(jī)控制PWM通道；
    6個(gè)10位500kspsSA／D轉(zhuǎn)換器通道。

l 2．2．2 主要特點(diǎn)
    A／D采樣速度快且多通道可以同時(shí)采樣；
    6個(gè)獨(dú)立／互補(bǔ)／中心對(duì)齊／邊沿對(duì)齊的PWM：
    2個(gè)可編程的死區(qū)；
    在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；
    最低工作電壓3V；
    A／D采樣和PWM同期同步。

2 光伏水泵最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)設(shè)計(jì)
2．1 常規(guī)恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點(diǎn)與不足
    CVT方式可以近似獲得太陽(yáng)電池的最大功率輸出，軟件上處理比較簡(jiǎn)單。但實(shí)際上日照強(qiáng)度和溫度是時(shí)刻變化的，尤其是在西部地區(qū)，同一天中的不同時(shí)段，溫度和日照強(qiáng)度變化都相當(dāng)大，這些都會(huì)引起太陽(yáng)電池陣列最大功率點(diǎn)電壓的偏移，其中尤以溫度的變化影響最大。在這種情況下，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點(diǎn)。

2．2 TMPPT的原理與實(shí)現(xiàn)
    為克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處。由于逆變器采用恒V／f控制，故水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比，因此，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就等于調(diào)節(jié)了負(fù)載電機(jī)的輸出功率。故本系統(tǒng)采用TMPPT方式使太陽(yáng)電池盡可能工作在最大功率點(diǎn)處，為負(fù)載提供最大的能量。

    由太陽(yáng)電池陣列的特性曲線(見(jiàn)圖4)可知，

    在最大功率點(diǎn)處，dP／dv=O，在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，當(dāng)dP／dV>O時(shí)，P呈增加趨勢(shì)，dP／dV<O時(shí)，P呈減少趨勢(shì)；但在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，當(dāng)dP／dv>O時(shí)，P呈減少趨勢(shì)，dP／d v<O時(shí)，P呈增加趨勢(shì)。據(jù)此可在實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)P-V的變化關(guān)系確定最大功率點(diǎn)。
 
    圖5為TMPPT型最大功率點(diǎn)跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0，反饋值為dP／dV，假定Z3狀態(tài)為+1，則Usp*指令電壓增加，經(jīng)CVT環(huán)節(jié)調(diào)整，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I，經(jīng)功率運(yùn)算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié)，獲得dP／dV值，如dP／dV>0，則Z1為+1，Z2為+1，Z3為+l，Usp*指令電壓繼續(xù)增加。如dP／dV<O，則Z1為-l，Z2為-1，Z3為-1，Usp*指令電壓開(kāi)始減小。穩(wěn)定工作時(shí)，系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近擺動(dòng)，如果擺動(dòng)幅度越小，則精度越高。在具體工作時(shí)，為了防止搜索方向的誤判斷，軟件中設(shè)置了搜索限幅值，使系統(tǒng)的工作可靠性進(jìn)一步提高。由于本系統(tǒng)中采用的ASIPM模塊帶有電流檢測(cè)功能，故在硬件設(shè)計(jì)上可以省去電流檢測(cè)電路，節(jié)約了成本，并進(jìn)一步優(yōu)化了外圍電路。

3 系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)計(jì)

    1)過(guò)流和短路保護(hù)功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻，所以通過(guò)檢測(cè)母線電流可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)電流值超過(guò)給定值時(shí)，被認(rèn)為過(guò)流或短路，此時(shí)下橋臂IGBT門電路被關(guān)斷，同時(shí)輸出故障信號(hào)，dsPIC檢測(cè)到此信號(hào)時(shí)封鎖PWM脈沖進(jìn)一步保護(hù)后級(jí)電路。

    2)欠壓保護(hù)功能 ASIPM檢測(cè)下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓1OMs，則下橋臂各相IGBT均被關(guān)斷，同時(shí)輸出故障信號(hào)，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來(lái)信號(hào)。

    3)過(guò)熱保護(hù)功能 ASIPM內(nèi)置檢測(cè)基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過(guò)檢測(cè)其阻值可以完成過(guò)熱保護(hù)功能。

    以上保護(hù)是利用了ASIPM自身帶有的功能，無(wú)須外加電路，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)除了具有上述保護(hù)功能外，還具有光伏水泵系統(tǒng)特有的低頻、日照低、打干(自動(dòng)和手動(dòng)打干)等保護(hù)功能。對(duì)于泵類負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于下限值時(shí)，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為損耗，長(zhǎng)期低速運(yùn)行，會(huì)引起發(fā)熱并影響水泵使用壽命，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了低頻保護(hù)，對(duì)水泵來(lái)說(shuō)，當(dāng)液面低于水泵進(jìn)水口時(shí)，水泵處于空載狀態(tài)，若不采取措施，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行則會(huì)損壞潤(rùn)滑軸承，而本系統(tǒng)為戶外無(wú)人值守工作方式，故系統(tǒng)為了增加檢測(cè)可靠性，采用了自動(dòng)打干和手動(dòng)打干兩種識(shí)別方式，其中，自動(dòng)打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機(jī)工作頻率來(lái)進(jìn)行判別；手動(dòng)打干則是通過(guò)水位傳感器識(shí)別當(dāng)前水位高低來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于低頻、日照低、打干等功能都是由軟件來(lái)完成，不須增加硬件電路，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

4 結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)DC／DC環(huán)節(jié)采用的推挽正激式電路，在性能、經(jīng)濟(jì)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適用于光伏水泵系統(tǒng)。DC／AC環(huán)節(jié)采用最新的ASIPM模塊大大簡(jiǎn)化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂撇呗陨喜捎肨MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，提高了系統(tǒng)效率、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)本系統(tǒng)還采用了數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)dsPIC30F2010對(duì)于提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，改善系統(tǒng)性能起著重要作用?？傊?，基于上述結(jié)構(gòu)的光伏水泵控制器，無(wú)論在結(jié)構(gòu)、功能、成本和可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)越性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。