基于DSP28335的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

胡國文 ， 王銀杰 ， 王 林

（1.鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著化石能源的日益消耗與環(huán)境問題的日益突出。發(fā)展新能源技術(shù)和保護環(huán)境已日益引起世界各國的關(guān)注與重視。作為清潔能源的太陽能和風能是目前技術(shù)利用最成熟、最具規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的新興能源[1]。但是太陽能和風能都存在穩(wěn)定性差、常受天氣影響和對周圍環(huán)境依賴性高等缺陷。同時太陽能和風能在時間和地域上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以最大限度地利用風能與太陽能，提高能源的利用率。隨著新能源領(lǐng)域技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為一種靈活、穩(wěn)定的電能供給系統(tǒng)將在今后的新能源領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用[2]。本文提出了基于DSP28335的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)L能和太陽能進行轉(zhuǎn)化、控制和儲存并實現(xiàn)最大功率的輸出。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由基于太陽能與風機組成的電能產(chǎn)生單元、基于DC/DC電路組成的電能變換單元﹑基于鉛蓄電池組成的存儲單元﹑基于逆變器組成的逆變單元和基于DSP28335組成的系統(tǒng)控制單元構(gòu)成。電能變換單元主要通過前級DC/DC變換電路將風機與太陽能產(chǎn)生的電能變成能被蓄電池存儲和逆變器有效轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定電能。系統(tǒng)控制單元主要通過對太陽能輸出電壓電流，風機整流后的輸出電壓電流，DC/DC變換電路輸出電壓電流和蓄電池端電壓的檢測來實現(xiàn)對風光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率的跟蹤和蓄電池充電的合理優(yōu)化[3]。風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 前級DC/DC變換電路

文中采用了基于傳統(tǒng)升降壓電路的一種新型直流斬波電路。改進后的DC/DC變換電路可以保證當風機與太陽能電能輸入較少時系統(tǒng)依然可以保持正常的工作模式。DC/D變換電路的工作原理如圖2所示，通過MOS管m1和m2控制風機與太陽能電能的輸入來實現(xiàn)主電路的升降壓，MOS管m1和m2均采用相同周期的PWM控制，MOS管的導(dǎo)通時序如圖3所示；t1時間段MOS管m1導(dǎo)通m2關(guān)閉，風機獨自為電路提供電能此時電感L吸收的電能為UL=UW-Ur；t2時間段MOS管m1、m2同時導(dǎo)通風機與太陽能同時為電路提供電能電感L吸收的電能為 UL=UW+UP；t3時間段 MOS管 m2導(dǎo)通 m1關(guān)閉太陽能獨自為電路提供電能，電感L吸收的電能為UL=UP；t4時間段MOS管m1、m2同時處于關(guān)閉狀態(tài)，此時無電能輸入電感L釋放存儲的能量則有UL=-Ur[4]。

圖2 前級DC/DC電路圖Fig.2 Former DC/DC circuit diagram

圖3 MOS管導(dǎo)通時序Fig.3 MOS tube conduction timing diagram

對DC/DC變換電路進行分析可得，在一個周期T內(nèi)當電路工作在t1、t3、t4時間段時，電路處于交替工作狀態(tài)，根據(jù)伏秒平衡原則:在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值?？傻?/p>

由式（1）可得：

根據(jù)公式（2）可得該直流斬波電路不僅包含基本DC/DC電路所具有升降壓功能，同時電路的雙輸入模式可以保證當風機與太陽能在輸入電能較低時仍能保證系統(tǒng)的正常工作，能夠充分的利用風能與太陽能可以有效的提高電能的轉(zhuǎn)換效率，同時也可以通過控制MOS管來實現(xiàn)對風機和太陽能輸入的控制，具有很好的實用性與可操作性。

1.2 基于DSP28335的控制系統(tǒng)

本文控制系統(tǒng)以TMS320F28335型DSP為核心，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司推出的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與定點DSP相比，28335型DSP在降低成本減小功耗的同時提高了系統(tǒng)的總體性能，增加了外設(shè)的集成度以及數(shù)據(jù)域程序的存儲量使A/D轉(zhuǎn)換更加精確與快速。TMS320F28335采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)主頻可達150 MHz，同時有多達18路的PWM輸出，12位16通道ADC，可實時快速完成雙向AC/DC變換器的采樣、控制和計算等要求。32位浮點處理單元和哈佛流水線總線結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)，較高的數(shù)據(jù)處理精度可以使用戶快速編寫控制算法從而縮短了開發(fā)周期，降低軟件開發(fā)的復(fù)雜程度[5]。

基于 TMS320F28335DSP的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)包括DSP芯片、輔助電路、檢測電路、PWM控制電路和通信接口電路?？刂破魍ㄟ^實時檢測太陽能電池輸出端電壓電流、風機整流后輸出電壓電流、蓄電池端電壓與溫度的變化來實現(xiàn)對整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控，并通過PWM控制電路適時調(diào)節(jié)前級DC/DC電路中MOS管的導(dǎo)通時序使太陽能電池和風機發(fā)出的不穩(wěn)定能源變?yōu)榭晒┛刂乒芾淼哪茉葱问剑崿F(xiàn)風機與太陽能最大功率的輸出?；贒SP28335的風光互補發(fā)電控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 風光互補發(fā)電控制系統(tǒng)Fig.4 Wind-sola hybrid power control system

2 系統(tǒng)最大功率跟蹤

由于風機和太陽能電池的功率輸出曲線都具有非線性的特征，而且容易受外界環(huán)境和用電負荷的影響。因此，要提高風光互補發(fā)電系統(tǒng)的電能利用率，就需要控制系統(tǒng)不斷的調(diào)整風機與太陽能板的功率輸出點，使系統(tǒng)功率輸出始終保持在最大功率點近。功率跟蹤實質(zhì)是對系統(tǒng)功率不斷檢測與調(diào)整的過程，通過對特定參數(shù)的檢測與調(diào)節(jié)，使風機和太陽能電池實現(xiàn)最大功率的輸出。文中采用了改進擾動法的最大功率跟蹤策略，其既保留了傳統(tǒng)擾動法硬件電路結(jié)構(gòu)簡單且容易實現(xiàn)的優(yōu)點同時可以有效的提高跟蹤精度減少系統(tǒng)振蕩。改進擾動法最大功率跟蹤具體的算法思想是將固定步長的跟蹤變?yōu)榭勺儾介L的跟蹤，通過對太陽能與風機整流后輸出電壓和電流的采集，計算得到此時的輸出功率P（t），然后對輸出電壓施加一個正向的擾動，計算得出施加擾動后的輸出功率 P（t+1），然后對輸出功率 P（t）、P（t+1）做比較，若 P（t+1）＞P（t），則說明施加的擾動方向是正確，可以按此擾動方向繼續(xù)追蹤最大功率點；若 P（t）＞P（t+1），則說明施加的擾動方向是錯誤，需要改變擾動的方向[6－7]。改進擾動法最大功率跟蹤的流程圖如圖5所示。

控制流程圖中d為輸出PWM波形的占空比，Δd為占空比擾動量，§為允許的誤差范圍值。通過對施加擾動前后電壓的采集與功率的計算判斷最大功率跟蹤的方向是否正確，然后進行下一次的采集、計算和判斷，如此循環(huán)直到找到最大功率點。系統(tǒng)最大功率的跟蹤，就是通過不斷地采集、計算和判斷進行自尋優(yōu)的一個過程。在開始時采用較大的步長跟蹤，隨著工作點不斷的接近系統(tǒng)最大功率點，則逐漸地減小擾動步長直到跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點。采用變步長的擾動跟蹤，可以使系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)追蹤到最大功率點；同時在功率變化較小時采用小步長擾動跟蹤，可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差保證最大功率跟蹤的跟蹤速度與跟蹤精度[8]。

圖5 改進擾動法最大功率跟蹤流程圖Fig.5 Improved perturbation method of maximum power tracking char

3 仿真分析

本文應(yīng)用PSCAD電力系統(tǒng)仿真軟件建立了永磁同步風力發(fā)電機和光伏電池的仿真模型并構(gòu)建了基于改進擾動觀察法的小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的仿真模型，如圖 6～8所示。

圖6 光伏電池P－V曲線Fig.6 Photovoltaic cell P－V curve

圖7 永磁同步風力發(fā)電機輸出曲線Fig.7 Permanent magnet synchronous wind turbine output curv

從圖8中可以看出，改進的擾動觀察法能很快地跟蹤到系統(tǒng)最大功率點，太陽能的輸出曲線基本保持平穩(wěn)，風力發(fā)電機的輸出曲線雖然出現(xiàn)了小幅度的波動但是由于風力發(fā)電系統(tǒng)容易受風速與風向的影響，其輸出本身存在不穩(wěn)定性所以出現(xiàn)小幅度波動是允許的。

圖8 系統(tǒng)最大功率跟蹤曲線Fig.8 Curve of maximum power tracking system

4 實驗結(jié)果

通過對DSP28335控制系統(tǒng)PWM輸出信號的采集和DC/DC電路輸出電壓的檢測可以看出在系統(tǒng)運用改進擾動觀察法追蹤最大功率的過程中，輸出PWM的占空比是不斷變化的，同時輸出電壓也隨著占空比的變化而不斷變化如圖9和圖10所示，可見基于改進擾動觀察法的最大功率跟蹤可以快速有效的追蹤到系統(tǒng)的最大功率點。

圖9 電壓波形Fig.9 Voltage waveform

圖10 PWM波形Fig.10 PWM waveform

5 結(jié) 論

在傳統(tǒng)的DC/DC電路的基礎(chǔ)上采用了一種基于DSP28335的新型直流斬波電路，該直流斬波電路具有升降壓功能且可以同時進行能量的雙輸入。同時在輸入能量較低時仍能保證系統(tǒng)的正常工作，可以有效的提高電能的轉(zhuǎn)換效率。同時采用以DSP28335為核心的控制系統(tǒng)可以使基于改進擾動法最大功率跟蹤策略能準確迅速的跟蹤到系統(tǒng)最大功率點，并通過仿真與實驗驗證了設(shè)計的正確性。

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