基于S3C2410的光伏并网发电模拟装置

摘要：为了提高光伏并网发电模拟装置的效率以及实用性，采用ARM嵌入式系统中的S3C2410控制芯片，并结合一定的软件来控制整个系统，从而对系统的运行状态和参数进行实时监控。采用75NF75功率管制作的单向全桥逆变电路实现了DC／AC的转换和驱动电路。该电路不仅功耗小，输出的信号波形也很接近正弦波，即失真度小，从而提高了系统的效率。
关键词：最大功率跟踪；同频同相跟踪；正弦脉冲调制；S2C2410

0 引言
    太阳能作为一种巨大的可再生能源，可以很好地供人类开发和利用，因此太阳能光伏利用的技术在这种形式下进入了快速发展的阶段。太阳能光伏发电时太阳能的转换和利用方式的一种，即通过光伏电池将太阳辐射的能量直接转化成电能，同时与储能装置、直流一交流转换装置以及测量装置相配套构成光伏发电装置。近年来，在国内外在此项技术上的发展非常迅速并取得了可观的社会效益。本系统采用ARM嵌入式系统的S3C2410控制芯片，结合SPWM技术，设计并制作了一个光伏并网发电模拟装置。通过硬件和软件之间的配合，实现了逆变电压输出，最大功率、同频同相的跟踪，最终实现光伏并网发电。

1 系统总体设计
    模拟光伏电池US经过DC／AC逆变器。其中SPWM波由S3C2410控制器产生，同时该控制器还通过调节SPWM波的占空比，实现最大功率点跟踪(MPPT)功能。在隔离变压器之前检测输出电压的频率和相位，使该电压的频率和相位与模拟电网信号Uref的频率和相位一致。同时当电压Ud低于设定电压，电流I。高于设定电流时，软件控制关断SPWM波终止系统工作，来实现系统的欠压过流保护。系统框图如图1所示。

2 理论分析与计算
2．1 MPPT的控制方法与参数
    (1)MPPT的控制理论基础。首先计算消耗在Rin上的功率：
   
    式(1)两端对Rin求导得：
   
     可得，当Rs=Rin，即时，P可达最大值。其原理图如图2所示。

    (2)MPPT的软件实现。将采样到的电压输入控制器中，经A／D转换后，与单片机中所设定的初值相比较，调整PWM的占空比，使来实现最大功率的跟踪。
    (3)参数计算。本设计采样点数取N=360，开关频率fsw=50 Hz，则输出周期T=20 ms，占空比的范围为0～359。
   
    式中：n=1，2，…，360为采样点数。
    由上式计算出的SPWM脉宽表是一个有窄到宽，再到到窄的360个值的正弦表，将其存入控制器的内存中以供调用。
2．2 同频、同相的控制方法与参数计算
    (1)同频控制方法。本系统是将参考电压转换成方波，设置外部中断EINT3为上升沿触发，通过连续2次中断获得参考电压的频率值，并设置SPWM波的频率。把A／D口采集的电压值与最大额定功率的电压值比较。如果较小，就增大占空比系数；如果较大，就减小比例系数，从而调节SPWM波的占空比来实现增大或减小输出电压值，实现最大功率跟踪。为了使功率电路小型化，减小失真并保持较高的变换效率，该频率必须足够高，综合考虑为使性能达更好，采样点数取360个。
    (2)同相的控制方法。将反馈的电流值转换成电压值，经过过零比较器形成方波，单片机设为在电压上升沿出发，在反馈电压的上升沿触发外部中断，定时计数器开始计数；同样将参考电压经过过零比较器形成方波，在参考电压方波的上升沿停止计数，得到两电压相位差值，通过逐步调整差值，实现同相位跟踪。
2．3 提高效率的方法
    (1)选择驱动功耗低的开关元件，使用开关电路，舍弃线性电路，并使上升沿和下降沿尽可能陡，减少供电消耗，从而提高系统的效率。
    (2)增加采样点个数，产生较高开关频率，使场效应管快速导通、关断，减少功耗，从而提高系统的效率。
    (3)用控制器实现。现在许多控制器都具有产生SPWM波的功能，采用控制器可使电路简单可靠，而且还方便对系统的运行状态和参数进行监控、显示和处理，使整个系统的设计非常方便。采用SPWM技术控制正弦波的产生，输出波形失真度小，提高了电路的效率。
2．4 滤波参数计算
    本设计的滤波器采用2个LC滤波器并联。
    开关频率：fsw，转折频率，当滤波器输出的谐波频率为转折频率的100倍时，谐波电压被衰减到原来的0．01％，更高的谐波电压可忽略不计。
    电容与电感关系：。

3 硬件电路设计与实现
    硬件电路由以下几部实现。
3．1 DC-AC主回路与器件选择
    (1)DC-AC主回路如图3所示。逆变主电路主要由全桥逆变电路、滤波器、高频升压变压器及LC滤波电路构成。功率MOSFET管G1，G2，G3，G4构成全桥逆变，用于控制每个开关周期传递到变压器次级的直流能量。由于逆变电路的桥式结构，使逆变器具有了泄放通道，降低了功率MOSFET管的电压能力；高频升压变压器具有电气隔离、调整电压比和储能的作用，把电压提高到系统需要的电压等级；两个LC滤波器并联可滤除逆变输出SPWM波中的高次谐波分量，使输出波形正弦化，起到抑制电磁干扰的作用。

    (2)开关元件的选择。设计采用的MOSFET管，是一种只有多数载流子导电的单极型器件，由于不存在少数载流子积蓄效应，开关速度快，而且它是一种绝缘栅器件，基本不需控制电流，因而驱动功率小，它也没有二次击穿现象，安全工作区宽，热稳定性好。
3．2 控制电路
    控制电路主要实现控制逆变器的SPWM驱动信号和过流、欠过压保护功能，ARM嵌入式系统中的S3C2410为其核心部件。S3C2410具有丰富的内部设备的高性能、低功耗的8位微处理器。具有8路10位ADC转换通道，4路PWM定时器通道。减少了所需元器件，提高了系统的集成度和可靠性，而且还方便对系统的运行状态和参数进行监控、显示和处理，使整个系统的设计非常方便。由该控制器产生的SPWM波形质量较好，频率稳定，满足设计要求。ARM开发板中的S3C2410中的其中3个端口作为A／D转换器的模拟输入端，可实现A／D的转换。
    (1)驱动电路的设计。电路图如图4所示。

    在逆变电路中采用CMOS管作为驱动管，其功耗低、结构简化、易于实现。
    (2)保护功能的实现。保护电路采用硬件与软件结合的方案。硬件方面是对采样到的输入电压和反馈电流经分压信号处理后，送给控制器与设定的保护动作值相比较，若电压比设定的保护值小、电流比设定的保护值大，则由软件控制停止PWM的驱动，关断逆变电桥，反之则启动逆变电路，故障排除动作后，电源再自动恢复到正常状态。

4 系统软件设计
    系统软件的算法部分主要功能是提供控制信号。
    (1)获取参考电压频率值的流程。通过AD口采集到当前的电压和电流值，并与指定的值比较，如果电流大于指定电流，就停止输出SPWM波，实现过流保护，如果电压小于指定电压值，停止输出SPWM波，实现欠压保护。将参考电压转换成方波，设置外部中断EINT3为上升沿触发，通过连续2次中断获得参考电压的频率值，并设置SPWM波的频率。把AD口采集的电压值与最大额定功率的电压值比较。如果较小，就增大占空比系数；如果较大，就减小比例系数，从而调节SPWM波的占空比来实现增大或减小输出电压值，实现最大功率跟踪。获取参考电压频率流程图如图5所示。

    (2)SPWM波输出程序流程图。用输出的SPWM波来控制逆变桥的工作状态，因此调节SPWM波的相位、频率和幅值来改变输出电压的频率、相位和幅值。程序根据从AD口和中断程序中获的参数调节SPWM波的输出。SPWM波的输出流程如图6所示。

5 实验测试结果
    实验测试结果如表1所示。

    通过以上测试，整个系统的效率为80．1％，略低于理论计算的结果。原因是系统功能较多，电路板的制作的限制，影响系统的效率。又实际器件的参数具有一定的差异，所以整个电路的性能和理论分析存在一定的偏差。

6 结语
    最大功率跟踪(MPPT)和逆变器是光伏并网发电中一种重要的技术，但由于光伏电池电压随环境的变化而不断发生变化，使得系统的稳定性能变差及转换率降低。本文在原有的光伏并网发电技术的基础之上，针对光伏电池、逆变系统以及SPWM的控制特性，设计出了一种新的光伏并网发电模拟装置，此装置对系统的稳定性以及实时性等方面做出了进一步的改进，很好地解决了系统的输出随外界变化而不稳定的状态，具有很好的应用价值。