基于TMS320F2808光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置.doc

基于TMS320F2808光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要：本系統(tǒng)涉及三大關(guān)鍵技術(shù)：全橋驅(qū)動電路、H橋功率變換電路、低通濾波器。系統(tǒng)以全橋驅(qū)動電路為核心，以TMS320F2808數(shù)字信號控制器為主控制器和SPWM信號發(fā)生器。根據(jù)輸出電壓采樣值，調(diào)整SPWM信號幅度，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。根據(jù)鑒相器得到的輸出信號和參考信號的頻率信息和相位信息，對SPWM信號做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和相位跟蹤。關(guān)鍵詞全橋驅(qū)動H橋功率變換變頻低通濾波器TMS320F2808SPWMGridsimulatorbasedonTMS320F2808Abstract：Thesystemcontainsthreekeytechnology:fullbridgedrivingcircuit、Hbridgepowerconvertercircuitandvariablelowpassfilter.ThecoreofthesystemisthefullbridgecircuitandthemaincontrolleristheTMS320F2808.ThemagnitudeofSPWMisadjustedbasedontheoutputvoltagesampling,sothattheoutputpowerkeepbeingthelargest.Theoutputfrequencyisfollowingthereferencefrequencybasedfrequencyinformationandphaseinformationfromphasedetector.KeyWordsfullbridgedrivingHbridgevariablelowpassfilterTMS320F2808SPWM1.引言我們的題目是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，將模擬光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)模擬參考信號同頻同相的交流電而實(shí)現(xiàn)模擬并網(wǎng)。盡管尋找新能源的工作已經(jīng)有悠久的歷史了，但是能源的日益短缺已經(jīng)迫使人們更加努力的尋找和開發(fā)新能源。在這個(gè)過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。光伏發(fā)電就是其中之一。光伏發(fā)電以其能源清潔性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)受到高度重視。隨著造價(jià)日益降低，其應(yīng)用越來越廣泛。在工業(yè)控制領(lǐng)域，外設(shè)豐富，性能強(qiáng)大的通用控制處理器已經(jīng)成為主流。TI公司生產(chǎn)的c2000系列DSP便是其中的典型代表，本系統(tǒng)采用TMS320F2808作為主處理器，完成平臺的各項(xiàng)處理功能。2.系統(tǒng)指標(biāo)本設(shè)計(jì)達(dá)到了該題目要求的所有基本指標(biāo)和的發(fā)揮部分指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。其測試記錄如表2.1。表2.1光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置測試記錄類型序號項(xiàng)目與指標(biāo)測試記錄基本要求(1)最大功率點(diǎn)跟蹤功能RL=30時(shí)，測量RS=30和RS=36時(shí)的Ud，分別記為Ud1和Ud2US=60.0VUd1=29.8V，Ud2=29.8VRS=30時(shí)，測量RL=30和RL=36時(shí)的Ud，分別記為Ud1和Ud2US=60.0VUd1=29.8V，Ud2=29.8V(2)頻率跟蹤功能：RS=RL=30時(shí)，測量不同fREF下的fFfREF=45HzfF=44.75HzfREF=50HzfF=50.30HzfREF=55HzfF=55.25Hz(3)RS=RL=30時(shí)，測量效率：60%滿分，每降低1%扣1分Uo1=29.4VIo1=0.86AUd=29.9VId=0.95A=82.9%(4)RS=RL=30時(shí)，測量uo的失真度：THD5%滿分，每增加1%扣1分THD=0.77%(5)欠壓保護(hù)欠壓保護(hù)功能（有）；動作電壓Ud（th）=24.9V(6)過流保護(hù)功能過流保護(hù)功能（有）；動作電流Io（th）=1.45A工藝基本要求總分發(fā)揮部分(1)80%滿分，每降低1%扣0.5分=82.9%(2)THD1%滿分，每增加1%扣1分THD=0.77%(3)相位跟蹤功能：RS=RL=30時(shí)，測uF與uREF的相位差測量不同fREF下的REF45Hzf：1=(3)REF50Hzf：2=(3)REF55Hzf：3=(3)測量容性負(fù)載下的REF45Hzf：1=(3)REF50Hzf：2=(3)REF55Hzf：3=(3)(4)自動恢復(fù)功能有(5)其他參數(shù)顯示，異常報(bào)警3.系統(tǒng)方案3.1方案論證由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，故光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置主要是完成DC-AC逆變。1)逆變方案方案一：電壓型逆變電路。以大容量電容為儲能元件，直流電源電壓穩(wěn)定，輸出電壓為矩形波或階梯波，電流波形根據(jù)負(fù)載電阻，電感，電容屬性而有所不同。方案二：電流型逆變電路。直流電源輸出端串接大容量電感，電源輸出電流穩(wěn)定。輸出交流電流為矩形波或階梯波，電壓波形近似為正弦波。方案三：正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）逆變電路。利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，以多個(gè)脈沖對應(yīng)一個(gè)周期的交流波形，且按正弦規(guī)律控制每個(gè)脈沖的寬度，可使負(fù)載得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電流。方案比較：一方面由于方案三輸出是正弦波，可以減小諧波分量，另一方面其采用開關(guān)電源技術(shù)，功率因數(shù)高，因此本系統(tǒng)采用方案三。SPWM信號，經(jīng)過全橋驅(qū)動控制H橋電路的MOSFET管的開關(guān)實(shí)現(xiàn)。因此SPWM信號的產(chǎn)生決定了整個(gè)系統(tǒng)的組成。SPWM信號產(chǎn)生有以下三種方案。2)SPWM方案方案一：采用分立元件搭建三角波產(chǎn)生電路，正弦波產(chǎn)生電路，通過比較器比較產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號，通過逆變電路，完成功率放大，實(shí)現(xiàn)逆變。方案二：采用專用集成SPWM芯片，產(chǎn)生SPWM信號，通過逆變電路，實(shí)現(xiàn)逆變。方案三：采用軟件產(chǎn)生SPWM信號，經(jīng)逆變電路，實(shí)現(xiàn)逆變。方案比較：方案一模塊明確，分立元件成本低，但是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且不方便對逆變器的控制，調(diào)試時(shí)間長。方案二電路簡單，易于控制，但是需要控制電路的設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的成本。方案三硬件少，功耗小，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和改善系統(tǒng)性能。綜合考慮成本及效率問題，本系統(tǒng)選用方案三。系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。本系統(tǒng)采用軟件產(chǎn)生SPWM信號，經(jīng)過全橋驅(qū)動控制H橋電路的MOSFET管的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)逆變。處理器采用數(shù)字信號控制器（DSC）TMS320F2808，用軟件實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）。根據(jù)脈寬調(diào)制原理，軟件計(jì)數(shù)產(chǎn)生高頻三角波，與緩變的正弦波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于正弦波數(shù)值時(shí)，輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于正弦波數(shù)值時(shí)，輸出低電平，從而產(chǎn)生SPWM信號。SPWM信號通過浮柵驅(qū)動器IR2010驅(qū)動MOS管(IRFB23N15D)全橋，實(shí)現(xiàn)功率放大，由低通濾波器濾出功率正弦波，即完成了DC-AC逆變。通過PID算法調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度可以改變輸出電壓的幅值，調(diào)節(jié)調(diào)制信號頻率可以改變輸出電壓的頻率，實(shí)現(xiàn)了對逆變的控制。其中TMS320F2808的EPWM模塊用來產(chǎn)生SPWM信號；ECAP模塊用來接收逆變后正弦信號的頻率信息以及其和參考正弦信號之間的相位差；ADC模塊用來采樣直流源Ud和uf的有效值進(jìn)行欠壓和過流檢測；GPIO模塊可以和LCD和按鍵接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。Tn1n2RLioio1uouo1LC濾波器DC-ACH電橋TMS320F2808DSC有效值檢測電路鑒相器電壓檢測電路IR2010開關(guān)驅(qū)動器USRSIdUdufn3SPWM過流關(guān)斷開啟EPWMADCECAPADCGPIOLCD按鍵UdUref圖3.1系統(tǒng)總體框圖3.2SPWM產(chǎn)生算法tttPWM1PWM2圖3.2SPWM產(chǎn)生示意圖為了驅(qū)動后級H橋電路，SPWM采用雙節(jié)性調(diào)制方法，如圖3.2所示。通過緩變的正弦和高頻鋸齒波比較產(chǎn)生一對互補(bǔ)對稱的SPWM波，然后送往后級電路。正弦波數(shù)據(jù)可以直接由F2808的BOOTROM的正弦表查出，三角波的載波頻率可以通過設(shè)置F2808的EPWM模塊的周期寄存器（TBPRD）來實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)三角波周期結(jié)束將新的正弦數(shù)據(jù)置入計(jì)數(shù)比較器（CMPA），并采用增減計(jì)數(shù)和互補(bǔ)模式產(chǎn)生對稱的PWM波形，這樣可以方便正弦信號的調(diào)整和提高電路的效率。本系統(tǒng)中采用F2808的EPWM4通道產(chǎn)生一對互補(bǔ)對稱的SPWM信號。3.3MPPT的控制方法圖3.1中的電壓檢測模塊用來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，由F2808的AD采樣輸入電壓Ud，與最大功率點(diǎn)（30V）進(jìn)行比較，采用PI算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)Ud大于30V時(shí)，減小SPWM調(diào)制信號的幅度，當(dāng)Ud小于30V時(shí)增大SPWM調(diào)制信號的幅度，從而使實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。積分環(huán)節(jié)，I比例環(huán)節(jié)，P輸入電壓UduPuI30Vu(t)c(t)e(t)圖3.3PI控制器的原理框圖PI控制器的原理框圖如3.2所示。PI控制算法采用增量式PI控制算法，它的目標(biāo)輸入量是輸入電壓Ud的幅值為30V時(shí)的AD輸入，實(shí)際輸入量是輸入的電壓Ud的AD輸入，它們之間的相減得到偏差信號e（t），然后用PI算式（式3-1）得到控制量的偏差，最后將控制量轉(zhuǎn)換為SPWM的控制數(shù)據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對SPWM的控制。()()(1)()(1)()ukPekIekukukuk（式3-1）其中：)(ku表示控制量，k表示時(shí)間；)(ku表示兩次控制量的偏差；)(ke表示目標(biāo)輸入和實(shí)際輸入偏差，k表示時(shí)間；P表示比例系數(shù)；I表示積分系數(shù)。比例系數(shù)P加大，可以使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。P太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。積分系數(shù)I使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I小（積分作用強(qiáng)）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。因此實(shí)際中根據(jù)具體的數(shù)據(jù)不斷調(diào)節(jié)比例系數(shù)P和積分系數(shù)I，使系統(tǒng)達(dá)到要求的指標(biāo)。3.4同頻同相的控制方法tttUrefufCAPin圖3.4頻率相位信息圖鑒相器模塊可實(shí)現(xiàn)同頻同相的控制。同頻同相的控制方法如圖3.3所示，鑒相器通過硬件電路將反饋信號uf和參考信號Uref的頻率和相位信息通過矩形脈沖的形式反映出來，然后送往F2808的捕捉單元模塊（ECAP），ECAP對上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，上升沿和下降沿的時(shí)間差就是uf和Uref的相位差，上升沿到上升沿的時(shí)間就是uf的頻率信息，然后通過軟件不斷的改變SPWM步長與累加器的數(shù)值，便可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，通過對SPWM輸出起始地址不斷進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。3.5提高效率的方法1）選用合適的MOS管，其中MOSFET選用IR的IRFB23N15D，它具有較低的柵漏極電流，可以有效的減小開關(guān)損耗。2）使用較低的開關(guān)頻率，因?yàn)楣β使荛_關(guān)和磁性材料的磁通變化會帶來損耗，使用可以滿足DCAC逆變需求的盡可能低的PWM頻率，本系統(tǒng)采用12.8KHz，可以有效降低開關(guān)管和濾波電感的損耗，3）本系統(tǒng)采用鐵硅鋁磁芯制作的電感，鐵硅鋁磁芯是一種高頻損耗較低的磁性材料用它做濾波電感可以降低系統(tǒng)的損耗。4）本設(shè)計(jì)使用了低損耗的0.35mm硅鋼片的C型變壓器。變壓器的損耗包含銅損和鐵損，采用電流密度較低的繞組可以降低變壓器的銅損，而是用較薄硅鋼片的變壓器可以降低鐵損，從而降低了變壓器損耗。3.6濾波參數(shù)計(jì)算LCRSPWM圖3.5頻率相位信息圖經(jīng)過H橋后的SPWM信號含有大量的高頻諧波，一般采用LC濾波器濾除輸出電壓中的高頻諧波成分，從而可以降低輸出電壓的總諧波失真（TotalHarmonicDistortion,THD）。有用信號頻率為45Hz55Hz。為使有用信號輸出衰減小，需使濾波器在低頻時(shí)輸出幅度衰減極小，采用LC型濾波器，其3dB帶寬頻率為LCf2533.1，選截止頻率為2KHz，得810529.1。由于LC的參數(shù)計(jì)算復(fù)雜并且準(zhǔn)確度低，所以決定采用軟件模擬的方法來選擇電感和電容的參數(shù)，模擬軟件用NI公司的Multisim，最后實(shí)際選擇L=1.6mH，C=9.4uF。4.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1處理器模塊以TMS320F2808作為核心的小系統(tǒng)板，加上外圍的LCD及鍵盤等人機(jī)交互設(shè)備組成了處理器模塊。其中處理器板主要將所有引腳引出，并通過接口和擴(kuò)展板進(jìn)行通信。一擴(kuò)展板擴(kuò)展板主要實(shí)現(xiàn)了對處理器子板的供電和各種接口和功能的擴(kuò)展其中包括12V和5V的電源接口，LCD接口，44按鍵管理，雙路ADC/DAC接口，UART接口，PWM接口，GPIO接口，蜂鳴器，等擴(kuò)展接口。處理器需要用到的外設(shè)有5V的電源供電，LCD接口，按鍵管理，UART接口及蜂鳴器。1)電源外部12V和+5V為系統(tǒng)板供電。使用LM1117電壓轉(zhuǎn)化芯片把5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V為LCD、蜂鳴器、鍵盤和與PC機(jī)串行通信接口芯片部分電路供電。2)液晶顯示LCD選擇低功耗HS12864-12，控制芯片st7920；顯示格式：128點(diǎn)（行）X64點(diǎn)（列）；工作電壓3.3V；8位并行數(shù)據(jù)傳輸；內(nèi)部自建振蕩源；具有加電復(fù)位功能。3)16鍵鍵盤采用44鍵盤形式，可采用中斷方式或按鍵掃描方式獲取鍵值。4)UART采用電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232后可以實(shí)現(xiàn)處理器和PC機(jī)通信。5)蜂鳴器采用三極管驅(qū)動蜂鳴器。二、處理器小系統(tǒng)板1）電源擴(kuò)展板上的5V電源可以為處理器板提供所有供電，然后通過電源管理芯片TPS70151來為處理器TMS320F2808提供1.8V的核電壓和3.3V的I/O電壓，處理器上的模擬電源供電直接由數(shù)字電源部分濾波得到（如圖2.1）。TPS70151的通道一最大提供500mA的電流，通道二提供最大250mA的電流，而TMS320F2808全速工作時(shí)兩個(gè)電壓均不超過250mA，所以可以滿足供電要求，并且TPS70151電路提供了F2808需要的上電順序和復(fù)位信號。NC1VIN12VIN13MR14MR25EN6SEQ7GND8VIN29VIN210NC11VOUT212VOUT213VSENSE2/FB214RESET15PG116VSENSE1/FB117VOUT118VOUT119NC202121U1TPS70151GNDVCC0.1uFC30.1uFC710uFC110uFC5250KR1VDD33VCC18RESETL1FerriteBeadAVDD33L2FerriteBeadAVDD18S110uFC210uFC6AGNDNCBLM31PG391SN1BLM31PG391SN1圖4.1F2808的電源管理電路2）主處理器如圖2.2，主處理器TMS320F2808采用外部20MHz無源晶振作為時(shí)鐘產(chǎn)生電路，并通過JTAG接口電路實(shí)現(xiàn)與仿真器的接口設(shè)計(jì)。所有GPIO和ADC輸入引腳通過接插件引出，從而方便電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。GPIO和外部電路連接實(shí)現(xiàn)以下功能：EPWM產(chǎn)生、ECAP、LCD控制、按鍵掃描、以及GPIO等等。通過跳線編程F2808的GPIO18、GPIO29、GPIO34引腳可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備引導(dǎo)模式的選擇。TRST84TCK75TMS74TDI73TDO76EMU080EMU181XCLKOUT66XCLKIN90X188X286XRS78TEST1(NC)97TEST2(NC)98ADCINA023ADCINA122ADCINA221ADCINA320ADCINA419ADCINA518ADCINA617ADCINA716ADCINB027ADCINB128ADCINB229ADCINB330ADCINB431ADCINB532ADCINB633ADCINB734ADCLO24ADCRESEXT38ADCREFIN35ADCREFP37ADCREFM36VDD3VFL96VDDA215VSSA214VDDAIO26VSSAIO25VDD1A1812VSS1AGND13VDD2A1840VSS2AGND39VDD10VDD42VDD59VDD68VDD85VDD93VDDIO3VDDIO46VDDIO65VDDIO82VSS11VSS41VSS49VSS55VSS62VSS69VSS77VSS87VSS89VSS94VSS2GPIO0/EPWM1A47GPIO1/EPWM1B44GPIO2/EPWM2A45GPIO3/EPWM2B48GPIO4/EPWM3A51GPIO5/EPWM3B53GPIO6/EPWM4A56GPIO7/EPWM4B58GPIO860GPIO961GPIO1064GPIO1170GPIO121GPIO1395GPIO148GPIO159GPIO1650GPIO1752GPIO18/BMS054GPIO1957GPIO2063GPIO2167GPIO2271GPIO2372GPIO24/ECAP183GPIO25/ECAP291GPIO26/ECAP399GPIO27/ECAP479GPIO28/SCIRXDA92GPIO29/BMS1/SCITXDA4GPIO306GPIO317GPIO32100GPIO335GPIO34/BMS243U2TMS320F2808GNDVCC18VDD33RESETAVDD18AVDD33AGNDTMS1TRST2TDI3GND4PD(VCC)5NoPin6TDO7GND8TCK_RET9GND10TCK11GND12EMU013EMU114P7JTAG250KR10250KR9GND250KR11VDD3312Y120MHz39pFC1739pFC18GND0.1uFC310.1uFC32250KR13AGND0.1uFC90.1uFC200.1uFC19A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7GPIO0GPIO1GPIO2GPIO3GPIO4GPIO5GPIO6GPIO7GPIO8GPIO9GPIO10GPIO11GPIO12GPIO13GPIO14GPIO15GPIO16GPIO17GPIO19GPIO20GPIO21GPIO22GPIO23GPIO24GPIO25GPIO26GPIO27GPIO30GPIO31GPIO32GPIO33GPIO34GPIO28GPIO29GPIO18圖4.2處理器TMS320F2808電路4.2DC-AC逆變電路DC-AC逆變電路完成將SPWM信號功率放大的功能，并且要求很高的放大效率。本系統(tǒng)選用IR2010浮柵驅(qū)動器對H橋進(jìn)行驅(qū)動，該驅(qū)動芯片耐壓高達(dá)200V，輸出電流3.0A，輸出電壓10-20V，開通關(guān)斷典型時(shí)間分別為95ns和65ns。功率管選用高耐壓，導(dǎo)通電阻小，開關(guān)損耗小的高效MOS管IRFB23N15D。高效率的驅(qū)動電路和MOS管可以保證系統(tǒng)的整體效率。一、全橋驅(qū)動電路如圖2.3，用兩個(gè)半橋驅(qū)動器IR2010組成一個(gè)全橋驅(qū)動電路。IR2010采用3.3V的邏輯電源和12V的低端驅(qū)動通道電源，直接將處理器產(chǎn)生的一對互補(bǔ)對稱的SPWM信號加到IR2010的邏輯信號輸入端，IR2010的驅(qū)動通道輸出端的SPWM信號是和輸入邏輯同相位的，因此可以實(shí)現(xiàn)對H橋的開關(guān)控制。IR2010的關(guān)斷控制端（SD）可以接收過流保護(hù)電路的關(guān)斷信號，來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U1IR2010+1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