0 引言

    隨著人類社會(huì)的發(fā)展，能源的需求量也隨之急劇提高，為了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，人們已經(jīng)努力發(fā)展和使用可持續(xù)能源^[1-5]。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池發(fā)電將成為今后主要的分布式發(fā)電方式^[6-8]。由于光伏發(fā)電隨著太陽的光照強(qiáng)度的變化，輸出功率也隨之變化，所以其提供的能源不能被負(fù)載直接使用，需要經(jīng)過直流并網(wǎng)系統(tǒng)控制，維持直流母線電壓的穩(wěn)定，才能供負(fù)載正常使用^[9-11]。本文所設(shè)計(jì)的分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)，將分布式電源發(fā)出的最大功率通過微控制器、H橋電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路雙閉環(huán)控制、儲(chǔ)能裝置，在負(fù)載或分布式電源輸出功率變化時(shí)，利用雙閉環(huán)系統(tǒng)以穩(wěn)定直流母線電壓，該系統(tǒng)使得最大功率跟蹤模塊能量可以向電網(wǎng)輸送，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。即當(dāng)分布式電源提供的功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，通過直流并網(wǎng)系統(tǒng)將多余的能量儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)分布式電源提供的功率不足時(shí)輸出能量維持直流母線電壓的穩(wěn)定。通過此控制系統(tǒng)能量雙向流動(dòng)，在維持直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，分布式電源發(fā)出的電能也得到了最大利用^[12-16]。

1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

    分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，是由分布式電源、最大功率跟蹤模塊、直流母線、負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)控制器、儲(chǔ)能裝置六個(gè)主要模塊構(gòu)成。此系統(tǒng)使得最大功率跟蹤模塊可以自動(dòng)適應(yīng)跟蹤，且系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，為負(fù)載和儲(chǔ)能裝置提供電能。負(fù)載或分布式電源變化時(shí)，通過電壓電流雙閉環(huán)控制，在分布式電源功率弱的情況下，最大功率跟蹤模塊的功率就會(huì)低于負(fù)載功率，儲(chǔ)能裝置中的功率反向輸送到直流母線上，以穩(wěn)定直流母線電壓并提供給負(fù)載；在分布式電源功率強(qiáng)的條件下，最大功率跟蹤模塊的功率就會(huì)高于負(fù)載功率，能量不僅供給負(fù)載使用而且通過母線給儲(chǔ)能裝置充電，并來穩(wěn)定直流母線的電壓。

1.2 升降壓電路

    控制系統(tǒng)的主電路由MOSFET管、電解電容、二極管等器件組成的H橋電路，完成可控的升降壓功能，如圖2所示。主電路輸入側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容使得輸入側(cè)電壓脈動(dòng)很小，同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)回送功率時(shí)，大電容具有儲(chǔ)能作用，既保護(hù)輸入端電路又可以使電壓很穩(wěn)定。兩個(gè)332小電容可以消除輸出波形的毛刺，使得輸出波形穩(wěn)定。

    H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)1 μs左右，因此，運(yùn)用單片機(jī)產(chǎn)生兩組具有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM波來改變占空比，從而控制四個(gè)MOS管的通斷。

1.3 電流和電壓采樣

    負(fù)載電流理論值范圍大約在-2.5 A～+2.5 A。放大器INA114用來放大0.165 Ω電阻的電壓，為了將0.165 Ω電阻的電壓值和A/D采樣電壓相匹配，采用基準(zhǔn)電壓V_ref使采樣電壓正向偏移。當(dāng)用+3.3 V單電源供電時(shí)，輸給單片機(jī)的電壓就被鉗位在0 V～3.3 V中間，精確可靠地保護(hù)了單片機(jī)正常的工作。

1.4 驅(qū)動(dòng)電路

    在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，將驅(qū)動(dòng)回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，分別控制H橋的上下臂。在驅(qū)動(dòng)電路中，內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離，能夠把兩電路間的地環(huán)回路完全隔斷，更有效地抑制了地線干擾，提高開關(guān)電源的抗干擾能力。單片機(jī)PWM波通過雙通道高速的MOS管驅(qū)動(dòng)芯片TPS2811，使MOS管快速開始工作。

1.5 電源模塊

    分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)的供電部分分為主電路供電與控制電路供電。主電路供電屬于功率流強(qiáng)電范疇，控制電路供電屬于信息流弱電范疇。一般情況下主電路是磁干擾源，控制電路是被干擾對(duì)象。為了使電力電子設(shè)備可靠地運(yùn)行，除了解決主電路與控制電路之間的電氣隔離外，還要解決控制部分的抗電磁干擾等問題。本系統(tǒng)采用IA0512芯片，它通過將+5 V轉(zhuǎn)化為與其相隔離的+12 V和-12 V，不僅將四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相隔離使其相互不受影響，而且還使得控制部分與主電路部分相隔離。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 PI算法程序

    當(dāng)直流母線電壓因?yàn)榉植际桨l(fā)電輸出功率的變化出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，以50 kpbs的速率采樣直流母線的實(shí)時(shí)電壓反饋給單片機(jī)MSP430，單片機(jī)將采樣電壓與母線給定電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生了偏差電壓eu。通過判斷eu的極性來控制電流內(nèi)環(huán)給定電流增減的方向，當(dāng)給定電流發(fā)生改變時(shí)，電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生電流偏差ek。系統(tǒng)為了維持電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，如圖3所示為PI算法程序的流程圖。

2.2 占空比可調(diào)互斥的PWM波的實(shí)現(xiàn)

    PWM波的特點(diǎn)為開關(guān)周期T=300 μs；兩路PWM，并且同步互斥；帶有死區(qū)，死區(qū)時(shí)間1 μs左右，如圖4所示為兩路占空比可調(diào)互斥的PWM波形的中斷服務(wù)子程序流程圖。MSP430 Timer_A的工作模式在具有3個(gè)捕捉/比較模塊的16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器，不僅能完成定時(shí)的基本功能，還能完成對(duì)計(jì)數(shù)值的捕捉功能，同時(shí)可以輸出多路PWM波形。

3 系統(tǒng)的測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試儀器及步驟

3.1.1 測(cè)試儀器

    示波器：TDS 1001B；電源：SS3323可跟蹤直流穩(wěn)定電源；萬用表：FLUKE 15B；信號(hào)發(fā)生器：TFG2015G DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；定制工頻電抗器：10 mH；功率負(fù)載：25 W/5 Ω~50 Ω。

3.1.2 測(cè)試步驟

    (1)觀測(cè)控制器輸出的SPWM信號(hào)，符合要求后接入到60 V DC和負(fù)載中，用萬用表測(cè)U_d、I_d、U₀₁、I₀₁；

    (2)觀察負(fù)載段的輸出波形，查看其頻率、幅值、失真等參數(shù)，并記錄相關(guān)波形；

    (3)設(shè)置欠壓過流故障，測(cè)試欠壓、過流保護(hù)；

    (4)排除欠壓、過流故障，測(cè)試裝置自動(dòng)恢復(fù)功能。

3.2 測(cè)試條件及結(jié)果

3.2.1 維持直流母線電壓穩(wěn)定功能的測(cè)試

    在模擬兩端電壓不變時(shí)，只改變負(fù)載，測(cè)試結(jié)果見表1，可以看出，此時(shí)直流母線上的電壓基本保持不變。

    在負(fù)載不變，改變給定直流母線電壓，測(cè)試結(jié)果見表2，通過計(jì)算，得到直流母線上的電壓精準(zhǔn)度，p=0.013 8。

    經(jīng)過測(cè)試，得到電壓穩(wěn)定度s為：

    s=(15.356 8-15)/15=0.023

    綜上所述：該應(yīng)用于分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定母線電壓并使得在電壓穩(wěn)定度的范圍內(nèi)很小，且達(dá)到很高的穩(wěn)壓精準(zhǔn)度。

3.2.2 最大功率跟蹤部分的測(cè)試

    試驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)如圖5所示，為兩路互斥的PWM波形，其中，開關(guān)周期為300 μs，頻率3.3 kHz。

    死區(qū)時(shí)間為1 μs，如圖6所示。

    測(cè)定功率的傳送過程測(cè)試數(shù)據(jù)見表3，可以得到測(cè)量值和理論值的比較測(cè)定功率的傳送過程。

    當(dāng)光伏電池輸出最大功率時(shí)，光伏電池兩端的電壓U和電流I的比值，即等效電阻R=U/I與電阻的內(nèi)阻r相等時(shí)，光伏電池此時(shí)輸出最大功率為MPP=U×I是最大值。當(dāng)MPP時(shí)，U=V/2。因此，控制系統(tǒng)可以完成光伏電池的最大功率的輸出控制，MPPT太陽能充放電控制器，勢(shì)必會(huì)最終取代傳統(tǒng)太陽能控制器。

4 結(jié)束語

    本文所設(shè)計(jì)的分布式發(fā)電微網(wǎng)控制系統(tǒng)，在MSP430單片機(jī)控制下，以H橋式電路為核心的MPPT設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)通過單片機(jī)發(fā)出的兩路占空比可變，互補(bǔ)的PWM波，控制H橋式電路四個(gè)MOS管的通斷時(shí)間，來改變光伏電池的輸出電流，同時(shí)對(duì)當(dāng)前電流和電壓采樣，待PI調(diào)節(jié)器將電流恒定，計(jì)算當(dāng)前的電流和電壓。利用MPPT的電流擾動(dòng)觀察法，計(jì)算并判斷出最大功率點(diǎn)MPP，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池系統(tǒng)的輸出功率最大。經(jīng)過測(cè)試，控制系統(tǒng)可以完成光伏電池的最大功率的輸出控制，并使得在電壓穩(wěn)定度的范圍內(nèi)很小，且達(dá)到很高的穩(wěn)壓精準(zhǔn)度。

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作者信息:

謝  檬，趙錄懷，王  娟

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安710018）