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光伏控制系统毕业论文

光伏控制系统论文

设计总说明I

IntroductionIII

1绪论1

1.1太阳能光伏发电的研究背景1

1.2太阳能光伏发电发展历程与现状1

1.3太阳能光伏发电系统介绍2

2太阳能光伏发电并网装置3

2.1太阳能光伏并网装置总体功能描述3

2.2各电路模块在并网装置中的作用3

2.2.1主电路模块3

2.2.2驱动电路4

2.2.3采样电路4

2.3控制系统在并网装置中的作用4

3控制系统的硬件设计5

3.1控制系统的方案选择5

3.2器件介绍6

3.2.1dsPIC30F6010A介绍6

3.2.2MC54HC244介绍14

3.2.3TLP521介绍14

3.2.42SC0108T介绍15

3.3控制电路功能描述16

3.3.1PWM输出电路17

3.3.2SPWM输出电路18

3.3.3短路保护电路19

3.3.4最大功率点跟踪（MPPT）20

3.4硬件电路小结21

4控制系统的软件设计22

4.1编程要求22

4.2编程环境22

4.3指令介绍26

4.4端口选择26

4.5程序算法和流程图29

4.5.1PWM波算法与流程图29

4.5.2SPWM波算法与流程图30

4.6软件设计小结42

5结论44

参考文献48

致谢49

附录A50

附录B52

1绪论

1.1太阳能光伏发电的研究背景

随着人类文明的发展，燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。

人们对能源需求日益增加以及传统能源日益枯竭成了不可逆转趋势。

这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变现在的能源结构，维持长远的可持续发展，解决人类的能源问题。

与风能等其他可再生能源相比，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

如何高效利用太阳能为人类服务，成了世界的热点课题。

电能是人类社会最广泛最成熟的能源利用模式，将太阳能转换成满足人类各种需求的电能是利用太阳能的有效途径，是解决当前能源问题的最佳对策。

由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。

美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。

日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，欧洲各国对太阳能的热情也日益高涨。

我国也是如此。

根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。

1.2太阳能光伏发电发展历程与现状

目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换和光伏发电利用三种形式。

光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。

光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但以目前人类的科技发展水平还不能很好地利用。

光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且太阳能电池的原料－硅的储量十分丰富。

太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。

70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。

太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风－光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。

但是现在光伏电源能量转换效率比较低，单位发电成本较高，在一定程度上制约了光伏发电系统的发展。

提高转换效率，降低发电成本成了光伏产业的发展趋势。

利用科技的力量，力争使太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都能促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

1.3太阳能光伏发电系统介绍

太阳能光伏发电系统实际上是一种功率变换器，它的作用是将太阳能光伏组件发出的直流电源经过变换、处理后成为满足人们需求的各种电源。

如图1-1。

图1-1光伏发电系统示意图

太阳能光伏发电并网装置是光伏发电系统的并网利用方式，其工作过程为：

光伏组件输出直流电源（DC30—80V）经斩波调压模块升高到DC300—400V，再经逆变模块输出工频220V交流电，滤波后实现并网输送到用户。

整个过程还需要斩波调压模块驱动电路、逆变模块驱动电路、滤波电路、采样电路、保护电路和控制系统的参与。

其中，本次设计主要研究的是光伏电源的控制系统。

下文中，太阳能光伏发电系统、太阳能光伏发电并网装置和光伏电源都是同一个概念，都是本次论文研究的功率变换器。

2太阳能光伏发电并网装置

2.1太阳能光伏并网装置总体功能描述

图2-1太阳能光伏发电并网装置框图

太阳能光伏组件利用半导体器件的电子学特性将太阳辐射能转换成直流电输出，太阳能光伏发电并网装置主要的任务是将光伏组件发出来的直流电变换成三相交流220V50Hz的电能，并使谐波足够小，供负载使用或给公用电网供电。

如图2-1。

2.2各电路模块在并网装置中的作用

2.2.1主电路模块

如图2-2，主电路由升压斩波电路、三相电压型全桥逆变电路和滤波电路构成。

图2-2光伏主电路电路图

本次设计中的升压斩波电路采用典型的升压斩波电路拓扑结构，由一个IGBT与大电容并联组成，电路前端采用大电感进行储能。

电路通过控制IGBT的占空比来实现电压的抬升，在12KHz的工作频率下将光伏组件输出的直流30V-80V电升高到300-400V，供逆变电路使用。

逆变电路采用三相电压型全控桥结构，经3个桥臂上的6个IGBT器件的规律地通断将升压斩波电路输出的300V-400V电压（母线电压）逆变为三相220V50Hz的交流电。

滤波电路为LC滤波电路，其中电感星形连接，电容角型连接，逆变电路输出的交流电经过滤波电路滤除谐波后，成为平滑的正弦波，供给负载使用或经隔离变压器输送到电网。

2.2.2驱动电路

太阳能光伏发电并网装置有两组驱动电路，一组是2SD106驱动电路，它负责驱动斩波电路，其中2SD106驱动电路又由3525电路控制；另一组是2SC0108T驱动电路，它负责驱动逆变电路。

驱动电路架设在主电路和控制电路之间，其作用是放大控制电路发出的控制信号，以驱动主电路工作并提供硬件保护。

2.2.3采样电路

采样电路作为太阳能光伏发电并网装置的神经系统，将系统运行的电流、电压、相位、频率等参数采样回来，交给单片机处理，是构成闭环控制不可缺少的部分。

采样电路有各种传感器和运放构成，将系统参数转换成一定电压级别的方波信号，使单片机能够识别，从而发出准确的信号控制系统安全、稳定运行。

2.3控制系统在并网装置中的作用

控制系统是整个光伏发电并网装置的“大脑”，就像人类的神经中枢一样控制光伏发电并网装置能量转换的整个过程。

控制系统通过闭环控制光伏发电并网装置工作在安全、稳定状态，通过软件控制MPPT实现最大功率输出。

研究光伏控制系统，有利于促进光伏发电系统的研究深度，提高太阳能的利用效率，降低发电成本，有利于缓解和解决人类面临的能源危机，它响应国家号召，顺应发展潮流，将带来巨大的经济效益和环保效益。

接下来，我将详细介绍太阳能光伏发电并网装置控制系统的特点和硬件设计以及软件设计。

3控制系统的硬件设计

3.1控制系统的方案选择

太阳能光伏发电在全世界围得到快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术。

而光伏电源作为太阳能发电利用中主要的能量变换装置，是目前光伏发电研究和发展的重要环节。

作为光伏电源的控制系统，在控制着光伏电源的安全、稳定运行中起着至关重要的作用，需要达到如下要求：

（1）输出SPWM波，控制太阳能光伏发电并网装置的逆变部分

（2）输出PWM波，滤波后控制3525斩波驱动控制电路的给定输入

（3）具有短路（SC）电路，能实现短路保护

选择控制系统的方案，最重要的是选择主控制芯片。

专门的PWM发生器经过多年的开发应用，技术比较成熟，但控制比较单一。

低端控制器如51系列单片机的优势是芯片价格低廉，指令简单，但需要增加大量的外设才能满足本系统要求，所占空间较大。

高端控制器如DSP、凌阳、微芯等都能满足系统需求，考虑到以后的功能扩展以及运行过程中的环境要求，微芯dsPIC30F系列单片机dsPIC30F6010A因拥有丰富的外围模块，集合了单片机和DSP的优点，是本次方案的最佳选择。

由于dsPIC30F6010A拥有丰富的外设，免去了在单片机外面布置实现各种功能的外设，极大的简化了整个系统的电路构造，节省了电路板空间。

单片机输出的SPWM信号控制逆变器驱动电路时，需要进行隔离和信号处理，我们采用MC54HC244芯片以保护单片机和处理信号。

而单片机输出的PWM作为3525斩波驱动控制电路的输入，同样需要隔离和放大，我们选择的是光耦TLP521来实现。

另外，选择CONPECT公司的2SC0108T驱动核来实现开关器件的驱动和短路保护。

从上面要求可以看出，控制系统主要的设计应该包括以下部分：

（1）控制系统由微芯单片机dsPIC30F6010A和外围电路组成，包括dsPIC30F6010A系统、PWM输出电路（控制3525斩波驱动电路）、SPWM输出电路（控制2SC0108T逆变驱动电路）、短路保护电路，以及控制系统的算法程序。

（2）控制系统中单片机通过计算输出PWM波和SPWM波控制光伏电源工作。

（3）控制系统也是实现闭环控制的关键部分，当外部条件变化时（输出负载变化、电网电压变化、光伏组件输入电压变化）将检测电路采样回来的信号经单片机处理后输出控制信号控制光伏电源运行在开环时调整好的工作状态稳定运行。

另外，当光伏系统发生故障时，控制系统还可以实现短路保护，封锁脉冲序列输出，保护太阳能光伏发电并网装置的安全。

下面，我们就对控制系统采用的重要的芯片进行介绍和分析。

3.2器件介绍

3.2.1dsPIC30F6010A介绍

随着电子技术的发展以及集成电路规模的不断扩大，工业等各应用领域对于核心芯片的要求越来越苛刻。

因而，计算机芯片也朝着高速化、专业化、模块化、功能化、低功耗、低电压工作等方向不断地发展、更新。

为此，Microchip公司新推出了dsPIC30F系列16位单片机。

它是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU，不但保留了单片机的基本性能、丰富了外围模块，还兼具DSP的高速运算能力，是嵌入式系统设计的最佳解决方案之一。

dsPIC30F6010A是美国微芯公司开发的一款十分适用于电源、电机控制的主流芯片。

图3-1和图3-2分别为dsPIC30F6010A的引脚图和部框图。

图3-1dsPIC30F6010A引脚图

图3-2dsPIC30F6010A部框图

dsPIC30F6010A的主要特点有：

拥有高性能改进型RISCCPU：

•改进的哈佛架构

•带有灵活寻址模式的优化的C语言编译器指令集架构

•83条基本指令

•24位宽指令，16位宽数据路径

•144KB片上闪存程序空间

•8KB片上数据RAM

•4KB非易失性数据EEPROM

•工作速度最高可达30MIPS：

DC至40MHz外部时钟输入

4MHz-10MHz振荡器输入，带PLL（4倍频、8倍频和16倍频）

7.37MHz部RC，带有效的PLL（4倍频、8倍频和16倍频）

•44个中断源：

5个外部中断源

每一个中断源具有8个用户可选择的中断优先级

4个处理器陷阱源

•16x16位工作寄存器阵列

DSP引擎特性：

•双数据取操作

•DSP运算的累加器回写操作

•模寻址和位反转寻址模式

•两个具备可选饱和逻辑的40位宽累加器

•17位x17位单周期硬件小数/整数乘法器

•所有DSP指令均为单周期指令

•在一个周期可将数据左右移动16位

外设特性：

•高灌/拉电流I/O引脚：

25mA/25mA

•带可编程预分频器的定时器模块：

5个16位定时器/计数器；可选择将16位定时器配对组成32位定时器模块

•16位捕捉输入功能

•16位比较/PWM输出功能

•3线SPI模块（支持4种帧模式）

•I2CTM模块支持多主器件/从模式和7位/10位寻址

•2个带有FIFO缓冲区的UART模块

•2个符合2.0B的CAN模块

电机控制PWM模块特性：

•8个PWM输出通道：

互补或独立输出模式

边沿对齐模式和中心对齐模式

•4个占空比发生器

•专用时基

•可编程输出极性

•互补模式的死区时间控制

•手动输出控制

•A/D转换触发器

正交编码器接口模块特性：

•A相、B相和索引脉冲输入

•16位递增/递减位置计数器

•计数方向状态

•位置测量模式

•输入端上的可编程数字噪声滤波器

•备用16位定时器/计数器模式

•位置计数器计满回零/下溢时产生中断

模拟特性：

•10位模数转换器具4个采样/保持输入：

转换速率为1Msps，16个输入通道，在休眠和空闲模式下可以进行转换

•可编程欠压复位

单片机的特殊性能：

•增强型闪存程序存储器：

对于工业级温度围，最少擦写次数1万次，典型擦写次数10万次。

•数据EEPROM存储器：

对于工业级温度围，最少擦写次数10万次，典型擦写次数100万次。

•上电复位（POR）、上电延时定时器（PWRT）以及振荡器起振定时器（OST）

•灵活的看门狗定时器（WDT）

带有片上低功耗RC振荡器，能保证可靠的运行

•故障保护时钟监视器操作检测时钟故障，并切换到片上低功耗RC振荡器

•可编程代码保护

•在线串行编程（ICSP™）功能

•可选择的功耗管理模式

休眠、空闲和备用时钟模式

CMOS技术：

•低功耗高速度闪存技术

•宽工作电压围为2.5V到5.5V

•工业级温度围和扩展级温度围

•低功耗

•软件控制下，可以自行再编程

dsPIC30F6010A单片机具有80个引脚，其I/O引脚和端口引脚大都具有复用功能，当外设模块需要使用端口时，强制改写端口引脚的数据方向。

引脚功能简介如表3-1。

表3-1dsPIC30F6010A引脚功能

引脚名称

引脚类型

引脚说明

AN0-AN15

I

模拟输入通道。

ANO和AN1还分别用于器件编程数据和时钟输入

AVDD

P

模拟模块正电源

AVSS

P

模拟模块的参考地

CLKI

I

外部时钟源输入。

总是与OSC1引脚功能相关联

CLKO

O

振荡器晶振输出。

在晶振模式下，连接到晶振或谐振器。

在RC和EC模式下，可选择作为CLKO。

总是与OSC2引脚功能相关联

CN0-CN23

I

输入状态变化通知输入。

可通过软件编程设定所有输入为部弱上拉

C1RX

I

CAN1总线接收引脚

C1TX

O

CAN1总线发送引脚

C2RX

I

CAN2总线接收引脚

续表3-1

引脚名称

引脚类型

引脚说明

C2TX

O

CAN2总线发送引脚

EMUD

I/O

ICD主通信通道数据输入/输出引脚

EMUC

I/O

ICD主通信通道时钟输入/输出引脚

EMUD1

I/O

ICD第二通信通道数据输入/输出引脚

EMUC1

I/O

ICD第二通信通道时钟输入/输出引脚

EMUD2

I/O

ICD第三通信通道数据输入/输出引脚

EMUC2

I/O

ICD第三通信通道时钟输入/输出引脚

EMUD3

I/O

ICD第四通信通道数据输入/输出引脚

EMUC3

I/O

ICD第四通信通道时钟输入/输出引脚

IC1-IC8

I

捕捉输入1到8

INDX

I

正交编码器索引脉冲输入

QEA

I

在QEI模式下为正交编码器A相输入，在定时器模式下为辅助定时器外部时钟/门控输入

QEB

I

在QEI模式下为正交编码器B相输入，在定时器模式下为辅助定时器外部时钟/门控输入

UPDN

O

递增/递减位置计数器方向状态

INT0

I

外部中断0

INT1

I

外部中断1

INT2

I

外部中断2

INT3

I

外部中断3

INT4

I

外部中断4

FLTA

I

PWM故障A输入

FLTB

I

PWM故障B输入

PWM1L

O

PWM1低端输出

PWM1H

O

PWM1高端输出

PWM2L

O

PWM2低端输出

PWM2H

O

PWM2高端输出

续表3-1

引脚名称

引脚类型

引脚说明

PWM3L

O

PWM3低端输出

PWM3H

O

PWM3高端输出

PWM4L

O

PWM4低端输出

PWM4H

O

PWM4高端输出

I/P

主复位输入或编程电压输入。

本引脚为低电平有效的器件复位输入端

OCFA

I

比较故障A输入（比较通道1、2、3和4）

OCFB

I

比较故障B输入（比较通道5、6、7和8）

OC1-OC8

O

比较输出1到8

OSC1

I

振荡器晶振输入。

配置为RC模式时，为ST缓冲器，否则为CMOS

OSC2

I/O

振荡器晶振输出。

在晶振模式下，连接到晶振或谐振器。

在RC和EC模式下，可选择作为CLKO

PGD

I/O

在线串行编程数据输入/输出引脚

PGC

I

在线串行编程时钟输入引脚

RA9-RA10

I/O

双向I/O口

RA14-RA15

I/O

双向I/O口

RB0-RB15

I/O

双向I/O口

RC1

I/O

双向I/O口

RC3

I/O

双向I/O口

RC13-RC15

I/O

双向I/O口

RD0-RD15

I/O

双向I/O口

RE0-RE9

I/O

双向I/O口

RF0-RF8

I/O

双向I/O口

RG0-RG3

I/O

双向I/O口

RG6-RG9

I/O

双向I/O口

SCK1

I/O

SPI1的同步串行时钟输入/输出

续表3-1

引脚名称

引脚类型

引脚说明

SDI1

I

SPI1数据输入

SDO1

O

SPI1数据输出

SS1

I

SPI1从同步

SCK2

I/O

SPI2的同步串行时钟输入/输出

SDI2

I

SPI2数据输入

SDO2

O

SPI2数据输出

SS2

I

SPI2从同步

SCL

I/O

用于I2CTM的同步串行时钟输入/输出

SDA

I/O

用于I2CTM的同步串行数据输入/输出

SOSCO

I

32kHz低功耗晶振输出

SOSCI

I

32kHz低功耗晶振输入。

配置为RC模式时，为ST缓冲器；否则为CMOS

T1CK

I

Timer1外部时钟输入

T2CK

I

Timer2外部时钟输入

T4CK

I

Timer4外部时钟输入

U1RX

I

UART1接收

U1TX

O

UART1发送

U1ARX

I

UART1备用接收

U1ATX

O

UART1备用发送

U2RX

I

UART2接收

U2TX

O

UART2发送

VDD

P

逻辑电路和I/O引脚的正电源

VSS

P

逻辑电路和I/O引脚的参考地

VREF+

I

模拟参考电压输入

VREF-

I

模拟参考电压输入

注：

O表示输出，I表示输入，P表示电源

3.2.2MC54HC244介绍

MC54HC244是一款宽电压围工作的8路放大缓冲器，如图3-3，其输出端输出电流可以驱动15个LSTTL负载，适用于CMOS,、NMOS和TTL器件的驱动。

该器件可以工作在DC2-6V电压围，即VCC=2-6V。

一般情况下，我们让MC54HC244工作在VCC=4.5-6V区间，此时，在输入端，即端口A，3.15-4.2V被视为高电平VIH，低于1.8V被视作低电平VIL。

图3-3MC54HC244引脚图

当使能端

为低电平时，输出通道被选通，输出端输出与其对应输入端相同的电平信号。

一旦芯片外部电路发生故

障，经过保护电路处理输出高电平接入

端口，封锁信号输出，以保护芯片及与其连接的单片机。

另外，MC54HC244能在-55-125℃温度稳定工作，满足系统要求。

3.2.3TLP521介绍

TLP521是一款简单的高速光电耦合器，如图3-4，其左端是一个硝化砷红外发射二极管，当正向电流通过时导通，发出红外光触发右端的光电晶体管，使晶体管导通，实现光电转换。

图3-4TLP521示意图

相对于继电器，由于光耦的隔离作用是通过光电转换完成的，避免了频繁通断开关所造成的电弧和谐波，使输出信号更加准确地反应输入信号，达到良好的控制效果。

另外，TLP521最高工作频率为1MHz，可在-55-125℃之间正常工作，满足系统要求。

3.2.42SC0108T介绍

2SC0108T是基于SCALE-2驱动核的双通道驱动器，集低成本，超紧凑于一身，而且有非常宽的应用围。

该驱动器专门为要求高可靠性的应用领域而设计。

2SC0108T通常可以驱动600A/1200V或者450A/1700V的IGBT模块。

这款驱动器嵌的并联功能使得它可以支持驱动器的并联，同时，它还支持多电平拓扑应用。

2SC0108T是目前工业应用中最紧凑的驱动核，尺寸为45mm×34.3mm，高度为16mm，

图3-52SC0108T引脚图

这使得客户的设计可以更加紧凑。

其引脚分布如图3-5所示。

其中，各引脚的意义如表3-2

表3-22SC0108T引脚

原、副方

编号

名称

功能

原

方

1

GND

地

2

INA

信号输入A，同相输入

3

INB

信号输入B，同相输入

4

VCC

电源电压：

15V

5

TB

设置阻断时间

6

SO2

2通道状态输出，正常时为高阻，故障时下拉到地

7

SO1

1通道状态输出，正常时为高阻，故障时下拉到地

8

MOD

模式选择，直接模式或半桥模式

续表3-2

原、副方

编号

名称

功能

副

方

9

GH1

1通道门极上拉；将门极通过开通电阻拉高

10

VE1

1通道发射极；连接到开关管的辅助发射极

11

GL1

1通道门极下拉；将门极通过关断电阻拉低

12

REF1

设置1通道的VCE保护门槛电压；从该管脚接电阻至VE1

13

VCE1

1通道VCE检测；通过电阻网络连接到IGBT集电极

14

空脚

15

空脚

16