基于TMS320F28027的单相光伏并网系统设计

基于TMS320F28027的单相光伏并网系统设计
陈立功
【摘要】According to the characteristics of grid-connected photovoltaic system, the paper presents the design of a photovoltaic grid-connected inverter based on the digital signal processor TMS320F28027, and analyzes the formation and control principle of the system. The output waveforms of inverter and DSP output waveform are tested. The experimental results show the grid-connected current wave meets the need. The wave of grid-connected current has the same frequency and phase as the utility voltage. The grid-connected power factor approaches 1.%根据光伏并网发电系统的特点,设计了一套基于数字信号处理器TMS320F28027控制的单相光伏并网逆变器,分析了系统的结构和控制原理,并对系统的逆变输出和DSP输出SPWM波形进行测试.实验结果表明,并网电流波形良好,逆变器输出的电流基本与电网电压同频同相,并网的功率因数近似为1.
【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(030)002
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】光伏并网;TMS320F28027;逆变器
【作者】陈立功
【作者单位】西华大学电气信息学院,四川成都610039
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
光伏并网是太阳能利用的发展趋势。

为了更好地开发和利用这种清洁能源，光伏并网发电系统越来越受到人们的重视，研究者提出了多种光伏发电的方法，系统方案不断改进，并取得了很好经济效益和社会效益。

［1-9］
光伏发电系统通过配合容量适合的逆变器连接到公共电网上实现并网发电。

具有并网功能的光伏发电系统不需要储能环节。

分布式光伏并网发电日渐成为太阳能利用的主要方式之一。

光伏系统受外界温度、光照强度影响显著，导致光伏阵列不能持续工作在最大输出功率点，能量转换效率降低，系统工作稳定性差。

而最大输出功率追踪 MPPT(Maximum Power Point Tracking)是解决此类问题的关键。

MPPT 算法主要包括固定电压法、登山法、增量导纳法等。

将这各种算法与优化控制技术相结合是新近衍生出的一类设计模式。

本文根据光伏并网系统的特点，利用传统的光伏并网系统，采用2级拓扑结构(前级为直流降压环节，后级逆变环节输出与电网电压同相位的工频电流)，实现了并网系统的单位功率因数，并探讨变步长最大输出功率优化跟踪算法的实际应用。

1 系统方案设计
单相光伏并网发电模拟系统主要是完成DCAC逆变，逆变通常有不同的方案。

综合考虑成本及效率问题，本系统采用软件产生SPWM信号，经MOS管全桥功率驱动，实现逆变，其硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。

系统主要由处理器、DC-DC、DC-AC、LC低通滤波器、半桥驱动、保护电路、信号检测及调理电路、光偶隔离几大部分组成，如图1所示。

图1 单相光伏并网系统
TI32位定点DSP处理器 TMS320F28027，主频达到60 MHz，内部集成有系统
上电复位和电源监测功能，看门狗复位功能，3.3 V电源转变为1.8 V电源的模块。

采用TMS320F28027作为控制核心，实现MPPT算法、PID算法、相位及频率
跟随的算法、SPWM的输出以及对输入信号进行A/D转换的程序处理。

DC-DC模块主要由buck电路、半桥驱动电路组成。

DSP输出的信号通过MOS
管驱动芯片来实现对半桥的控制，即将检测到的输出电流的变化送入DSP，并通
过MPPT算法，调节驱动半桥的PWM，使电压信号变化，从而实现电路效率的
最优控制。

DC-AC模块主要是由H桥电路组成，该桥式电路采用的是双极性调制方式。

DSP 输出一个方波信号和PWM信号，分别经一个MOS管驱动芯片，从而实现逆变功能。

LC低通滤波模块是根据LC的滤波原理，对逆变输出信号进行滤波，使信号稳定
输出且不具有高频成分。

半桥驱动模块中，由于外加电压很大，为了能正常驱动半桥的上半桥，选择一块带有自举电路的驱动芯片，因此本系统采用IR公司生产的R2110芯片。

其输出对上半桥驱动时能保证上半桥在导通期间正常运行。

保护电路模块主要包含欠压保护和过流保护。

欠压保护是通过采集输入端的电压，经DSP的分析，如果欠压则关断DC-DC模块中的MOS管，反之则使之正常工作;过流保护是通过电流互感器获得负载电流，然后输出相应的电压信号，再通过
精密整流将过流信号转换成过压信号送进DSP，若判定电路过流，则关断DC-DC 模块的MOS管，反之则使其正常工作。

信号检测及调理模块主要采用的运放是TI的TLO82。

该模块主要完成强弱电隔离、电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制系统对各路信号电平范围和
信号质量的要求。

光偶隔离模块采用的是6N137芯片。

为了防止外部信号的波动对DSP造成影响，甚至烧坏，采用此模块进行电气隔离。

2 系统测试
2.1 逆变模块
本系统在产生SPWM时的载波频率为6.4 kHz，当外加5 V电压后，上半桥栅极
的驱动波形如图2所示。

用示波器测得此时SPWM波形的上升时间为500 ns，
上升时间极短，远远克服了同一半桥同时导通的情况，大大减小了场管的损耗，也防止了同一半桥的同时导通而烧坏场管。

图2SPWM波形
输出波形的检测条件:逆变外加电压5 V，驱动电压15 V，逆变后串联LC滤波，
然后接50 W的隔离变压器，绕组的变比是10∶1。

隔离变压器输出的波形如图3所示。

在检测逆变输出时需要注意以下几点。

图3 变压器输出波形
1)半桥下管的最窄导通时间应保证自举电容能够充足够的电荷，以满足Cge所需
要的电荷量和功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量。

因此从最窄导通时间ton(min)考虑，自举电容应足够小。

也就是在选择自举电容大小时应综合考虑，
既不能太大，影响窄脉冲的驱动性能，也不能太小，影响窄脉冲不能保证功率器件的稳态导通。

2)在选择电感时，首选要注意的是电感的容量。

如果该电感不能工作在有效的电流范围内，就不能起到滤波的作用，甚至会产生振荡现象。

3)在选择电容时，如果电容的容量比较大，可以选用2个电解电容背靠背的连接，其电容值减半。

如果载波频率较高时就不能采用电解电容，因为根据电解电容的内部结构，在高频时呈现电感特色，感抗比较大，发热量比较大，能量损耗也比较大，而且有可能发生振荡;因此，可以用高频特性好而且ESR(等效串联电阻)小的电容，
比如钽电容、CBB电容，本系统中采用CBB电容和电解电容，效果很好。

2.2DSP输出SPWM波形测试
验证正弦波表格是否正确。

采集的点数为128个点，即将正弦波等效的分为128
等分，也就是说DSP输出一个正弦波周期时其内部要改变128次占空比。

将PWM输出引脚直接通过一个低通滤波器，滤波后的图形如图4所示。

图4DSP输出SPWM波形
3 实验结果
本系统实现了最大功率点跟踪(MPPT)、频率跟踪，当Rs=RL=30 Ω时，DC-AC
变换器的效率η≥60%，输出电压Uo的失真度THD≤5%，输入欠压保护功能的
动作电压Ud(th)=(25±0.5)V，输出过流保护功能的动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A，过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复正常状态。

3.1最大功率点跟踪(MPPT)
如表1所示，通过改变Rs和RL在给定范围内(30～36Ω)变换时Ud=1/2Us，相
对偏差的绝对值不大于1%。

表1 最大功率点跟踪测试数据RS/Ω 30 36 30 36 Ud/V 30.3 30.25 30.12 30.15
相对偏差绝对值/% ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 30 30 36 36 RL/Ω
3.2 频率跟踪
如表2所示，当fREF在45～55 Hz范围内变化时，UF的频率fF相对偏差绝对值不大于1%。

表2 频率测试数据fREF/Hz 44.98 49.90 54.95相对偏差绝对值45 50 55 fF/Hz/% 0.04 0.2 0.09
4 结论
本文设计了基于TMS320F28027控制的单相光伏并网模拟实验系统。

当
RS=RL=30 Ω时，DC-AC变换器的效率η≥60%，实现了最大功率点跟踪
(MPPT)，并网的功率因数近似为1，实现了频率跟踪，相对偏差绝对值不大于1%。

另外，通过TMS320F28027芯片的ADC功能可以实时监控外部状态，如欠压、过流保护等。

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