题 目： 基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置 学 校： 东南大学 指导教师： 胡仁杰（教授） 参赛队成员名单（含个人教育简历）：仲 浩、研究生、东南大学刘千杰、研究生、东南大学谢 倩、研究生、东南大学基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置摘要：本系统由SPWM信号的产生、逆变回路及其控制、欠压过流保护、键盘和显示等部分组成。选择DSP TMS320F28027芯片产生SPWM信号；逆变器主回路是由功率场效应晶体管构成的全桥逆变电路，其控制部分采用基于DSP控制的最大功率跟踪和输出电流跟踪控制策略，使逆变输出电流与参考信号同频同相；并从软硬件两方面进行输入欠压、输出过流保护，增强系统的稳定性和可靠性。对系统的转换效率、畸变率等各项指标的测试结果表明，本光伏并网模拟装置是比较稳定可靠的。关键词：光伏并网模拟装置、最大功率跟踪、频率相位跟踪、F28027 Rid-connected Pphotovoltaic Simulator based on TMS320F28027Abstract：The system includes modules of generating SPWM signals, inverter circuit and its control tactic, undervoltage and overcurrent protection, keyboard and display. DSP TMS320F28027 is used to generate SPWM signals. The inverter composed of MOSFET is of full-bridge construction and the maximum power point tracking and current tracking strategy based on DSP is applied to the controller of it, making the frequency and phase of the export current the same as the reference signal. Protection is realized by means of hardware and software, which improves the stability and reliability of the entire system. The result of the tests including indexes such as conversion efficiency and aberration rate shows the stability and reliability of this grid-connected photovoltaic simulator.Key words：grid-connected photovoltaic simulator; maximum power point tracking; frequency and phase tracking; F28027目录1引言12系统指标分析13系统方案23.1 总体方案23.2正弦波信号产生方案23.3 MPPT跟踪原理及提高效率方案33.4 频率和相位跟踪方案43.5 过流和欠压保护方案43.6 驱动及逆变主回路方案44理论分析与计算54.1 SPWM相关分析与参数计算54.2 电压电流数据的分析与算法64.3 MPPT算法分析74.4 频率相位跟踪分析与参数计算84.5 滤波电路的分析与参数计算94.6 FFT变换及THD计算105系统硬件设计125.1 逆变主电路及DSP最小系统125.2 驱动及其保护电路135.3 频率和相位检测电路145.4 电源管理电路145.5 电压和电流相关检测电路156系统软件设计166.1 软件总体方案166.2 SPWM产生程序166.3 MPPT程序176.4 频率相位跟踪程序186.5 系统保护及自恢复程序196.6 DIT-FFT变换程序197系统关键技术及创新208测试方案及结果分析218.1 测试方案及测试条件218.2 测试结果及其完整性218.3 测试结果分析23结论24参考文献25附录261 引言本设计选择A题，根据题目要求需设计光伏并网模拟发电装置，可以对给定的光伏模拟电源实施最大功率跟踪，以达到高效传输电能的目的。还需对给定的正弦波进行实时的频率和相位跟踪。为了保护系统的稳定可靠运行，还应增加相应的保护功能。随着当今能源的消耗日益剧增和传统能源的日趋减少，以及使用传统能源所带来的一系列相关问题逐渐增加，如环境污染、温室效应等诸多问题，对于开发新能源的需求越来越大1。当今各国都在致力于新能源的开发，如原子能、风能、太阳能等，在最近十年的发展中，太阳能得到了迅速发展。目前作为基础设施的电力行业正在努力利用太阳能，为电力的发展注入新的生机与活力。光伏并网发电已经成为时代的潮流和制约太阳能应用的关键技术2，本设计主要对光伏并网发电中的一些技术做了相关研究，并使用DSPF28027设计完成了光伏并网模拟装置。本设计主要实现了模拟光伏电源由直流转换为单相交流电源的功能，具有最大功率点跟踪功能和频率相位跟踪功能，另外增加了相关的保护和显示功能。本模拟装置可以在一些高校和科研院所作为实验装置，以作相关参考。它还可以为进一步研究光伏并网提供一个良好的平台，对于研发光伏并网应用装置和产品有着重要的借鉴意义。2 系统指标分析本设计除了失真度（THD）未达到发挥部分要求之外，其它都达到了该题目要求的基本指标和发挥部分指标，并在此基础上进行了扩展。本设计不仅可以实现单相光伏并网模拟的要求，还可以在一定情况下实现装置的自检测。现将题目的要求指标（包括基本要求指标和发挥部分指标）和本设计所达到的各项指标在表2.1中进行比较。表2.1 系统各项指标对照表项目项目基本指标发挥部分指标本设计达到指标MPPT时间1s1s1s相对误差1%1%0.9%频率时间1s1s1s相对误差1%1%0.2%相位时间无1s1s相对偏差（绝对值）无51.6效率60%80%90%失真度THD5%1%2%保护输入电压Ud（th）=（250.5）V250.1 V输出电流Io（th）=（1.50.2）A1.50.2 A自恢复功能无有有其他人机接口（键盘和液晶显示）；THD计算及其显示注：表2.1中“本设计达到指标”一栏内均是在题目所要求的测试条件下，并充分考虑了实时性的情况下测得。3 系统方案3.1 总体方案本光伏并网模拟装置的总体方案采用TI公司的TMS320F28027开发平台，采集输入端的电压和电流，运用合适的最大功率点跟踪（MPPT）算法，实现对功率的实时跟踪功能，满足设计要求。在控制逆变电路时，采集给定信号和输出反馈电压信号，实现对给定信号频率的跟踪。对于相位差则将给定信号与输出反馈信号做比较得到相位差，并且判断输出相位是超前还是滞后，从而给出较准确的控制策略。为了消除逆变器输出波形中的高次谐波，在其输出后增加了滤波电路。为了保证装置的安全性和可靠性，又设计了输入欠压保护和输出过流保护电路。另外，增加了键盘和LCD显示功能，使本装置的相关性能测试和操作更加人性化。其结构框图如图3.1。图3.1 系统结构框图此方案的优点是能够充分的利用DSPF28027的集成外设资源，并且其最大时钟频率为60MHz，能够满足算法对速度的要求。其集成的A/D为12位，精度较高。此外价格相对于F2407和F2812等产品较低，所以性价比较高，对于设计本并网模拟装置比较合适。并且F28027内部有着丰富的外设资源，具有TZ功能，使得在做SPWM的硬件和软件保护时更加方便，避免使用专用的具有硬件保护的MOSFET驱动芯片，合理利用了F28027的内部资源，提高了装置的资源利用率，降低了成本。3.2正弦波信号产生方案目前对于利用PWM产生正弦波，产生了多种高效可行的技术方法，如正弦波脉宽调制（SPWM）、消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）、电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）等3-5，考虑到本装置是单相正弦逆变，所以采用SPWM或CHBPWM技术比较合适，但由于CHBPWM技术在实际应用中需要大量高效快速的运算，而SPWM则不需要，所以对于本设计而言，选用SPWM技术生成正弦波是比较合理的。本文采用正弦脉宽调制(SPWM)作为逆变电路的控制策略。为便于软件实现和死区时间的生成，本系统采用的正弦脉宽单极性调制方式（原理图如图2.2所示）如下：图中uc表示载波，ur表示调制波。图3.2 单极性SPWM调制原理图在实现SPWM过程中，工程上常使用的方法为自然采样法和规则采样法，本设计中用到的F28027的EPWM模块中的TB可以实现增减计数，所以能完成对称PWM波形的输出，因此选用规则采样法（如图3.3所示）。而规则采样法通常又有两种。规则采样法：在三角波的正峰时刻tC对正弦信号波采样得C点，过C作水平直线和三角波分别交于A、B点，得脉宽为t2的PWM波。但是如果t2偏窄时会出现误差过大的现象。规则采样法：在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断。脉冲宽度t2和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。综合上面的对比分析，选择规则采样法。图3.3 规则采样法原理图3.3 MPPT跟踪原理及提高效率方案光伏发电逆变的主要性能之一是效率。传统的太阳能光伏发电并网装置多采用两级电路形式，前级DC-DC电路运行中存在多个能量变换过程，能量交换发生在电场能和磁场能的不同能量形式之间，储能元件电容器和电感器在多次变换时存在多个功率损耗，阻碍逆变效率的提高。如果剔除DC-DC变换电路，直接将光伏电池组件连接到逆变电路作正弦波调制输出，有利于提高逆变器的最大效率以及效率带技术指标，并可提高逆变器的可靠性和减小逆变器生产成本5-7。考虑到本模拟装置的一些要求，选用单级逆变电路拓扑结构，以简化电路的设计与控制。在MPPT跟踪算法上，由于常见的扰动法（即爬山法）在最大功率点附近会不断摆动，在一定程度上增加了系统的能耗。经查阅相关文献及研究，使用了电导增量法，并针对本模拟装置的特殊性做了一些改进，具体算法将在MPPT算法分析中进行阐述。需要采集的变量主要是输入电压和电流。3.4 频率和相位跟踪方案在光伏并网过程中，频率和相位的跟踪是一个比较关键的技术环节8。在本设计中考虑到软硬件资源的合理高效配合，使用了F28027的两个外部中断资源，输出波形经信号调理后的波形如图3.4中的Uf所示，输入波形经调理后的波形如图3.4中Ure所示。在外部中断中使用上升沿触发方式，然后借助timer0对输入和输出波形的周期进行测定，即可准确计算出各波形的频率。至于超前滞后以及相位差的测定