基于STM32F051控制的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 娜，李 斌，謝衛(wèi)彬

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

太陽(yáng)能是一種天然的可再生能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染并且分布廣泛利用方便。在能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，最大力度地開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能已刻不容緩。近些年來(lái)人們對(duì)太陽(yáng)能的各種利用進(jìn)行了不斷的探索，其中研究課題之一就是利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的應(yīng)用，它分為光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)供電安全穩(wěn)定并且容易控制，已成為許多國(guó)家利用太陽(yáng)能的主要選擇。單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是將光伏電池陣列發(fā)出的直流電通過(guò)控制器轉(zhuǎn)換成交流電輸送給電網(wǎng)，其中控制器是發(fā)電系統(tǒng)的核心?？刂破魇腔贏RM 系列STM32F051單片機(jī)控制的裝置，主要控制變換器和逆變器。變換器是采用LLC 諧振電路實(shí)現(xiàn)直流電的泵升，逆變器是采用全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

1 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)變換器和逆變器兩部分，單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為2級(jí)結(jié)構(gòu)。前級(jí)DC／DC 升壓部分采用全橋LLC諧振變換電路，將光伏電池陣列輸出的低壓43～53V 升高到直流母線電壓400V。后級(jí)DC／AC逆變部分采用電壓型全橋逆變電路，把前級(jí)穩(wěn)定的直流母線電壓逆變成220V／50 Hz的交流電。整個(gè)核心控制系統(tǒng)采用 ARM 系列的STM32F051芯片，一方面控制前級(jí)DC／DC 部分，實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤以及LLC 諧振變換；另一方面控制后級(jí)DC／AC 部分，采用SPWM 驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Structure of photovoltaic system framework

2 最大功率點(diǎn)跟蹤方法（MPPT）

由于各階段的日照強(qiáng)度和溫度不同，太陽(yáng)能陣列開(kāi)路電壓和短路電流受到很大的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，效率降低。所以，太陽(yáng)能電池陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，可以在任何日照下獲得最大功率的輸出。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）即是通過(guò)控制太陽(yáng)能陣列端電壓，使陣列在不同日照和溫度下輸出最大功率。

最大功率點(diǎn)跟蹤方法采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。首先測(cè)量到光伏陣列當(dāng)前的輸出功率，得到輸出電壓，在這個(gè)電壓上施加一個(gè)Δu（擾動(dòng)量），將改變后的功率與改變前的功率相比較，觀察功率的變化情況。若功率增大，則表明擾動(dòng)方向是正確的；若功率減小，則表明擾動(dòng)方向是錯(cuò)誤的，則朝著相反的方向施加擾動(dòng)。擾動(dòng)觀察法就是不斷的進(jìn)行比較。開(kāi)始的時(shí)候采用較大的步長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一定的功率跟蹤后將步長(zhǎng)變小，從而減小輸出最大功率的振動(dòng)。此方法算法相對(duì)簡(jiǎn)單，在硬件上易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，主要應(yīng)用在環(huán)境參數(shù)變化緩慢場(chǎng)合。

3 前級(jí)DC／DC升壓部分

前級(jí)DC／DC 升壓部分采用全橋LLC 諧振變換電路，可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變壓器原邊開(kāi)關(guān)管的零電壓（ZVS）開(kāi)通和副邊整流二極管的零電流（ZCS）關(guān)斷，從而提高了前級(jí)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，也為后級(jí)DC／AC轉(zhuǎn)換提供了較高的直流母線電壓。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟開(kāi)關(guān)特性好，功率損耗低。

3.1 全橋LLC諧振變換電路工作原理

圖2 全橋LLC諧振變換電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Whole bridge structure of LLC resonant conversion circuit

圖2所示為全橋LLC諧振變換電路的結(jié)構(gòu)圖，主要包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、整流網(wǎng)絡(luò)3部分。其中Vin是光伏電池輸出電壓即全橋LLC諧振變換電路的輸入電壓，Vdc是直流母線電壓；開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由開(kāi)關(guān)管Q1－Q4組成的全橋逆變電路；諧振網(wǎng)絡(luò)是由諧振電感Lr、諧振電容Cr與勵(lì)磁電感Lm組成；整流網(wǎng)絡(luò)是由整流二極管D1－D4組成的全橋不可控整流電路。全橋LLC諧振變換電路工作流程大致是光伏電池輸出直流電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為方波的交流電，方波交流電經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成正弦形式的交流電，再經(jīng)變壓器升壓為高頻交流電，高頻交流電通過(guò)全橋整流電路輸出高頻直流電320V 左右。全橋LLC諧振變換電路諧振網(wǎng)絡(luò)工作有2個(gè)諧振頻率，一個(gè)是當(dāng)變壓器副邊導(dǎo)通時(shí)勵(lì)磁電感Lm被短路只有Lr與Cr參與諧振組成的諧振頻率fs；另一個(gè)是當(dāng)變壓器副邊開(kāi)路時(shí)Lr，Cr，Lm共同參與諧振組成的諧振頻率fm。由此可得出式（1）和式（2）：

相應(yīng)的，LLC諧振電路有3種可能的工作頻率范圍，分別是f＞fs，fm＜f＜fs，f≤fm。當(dāng)LLC諧振電路工作在fm＜f＜fs范圍內(nèi)，諧振電路既可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通，又可以實(shí)現(xiàn)整流二極管的ZCS關(guān)斷。

3.2 fm＜f＜fs 時(shí)電路工作過(guò)程的分析

根據(jù)全橋LLC諧振電路的工作原理分析，給出了電路的工作波形如圖3所示。VAB是諧振網(wǎng)絡(luò)兩端 電 壓，ir是 諧 振 電 流，im是 勵(lì) 磁 電 感 電 流，ug 是Q1－Q4的觸發(fā)信號(hào)，iD是流過(guò)二極管的電流。工作過(guò)程分析如下。

圖3 全橋LLC諧振變換電路波形分析Fig.3 Waveform analysis of the full bridge LLC resonant conversion circuit

階段1 ［t0－t1］：在t0時(shí)刻，Q2，Q3關(guān)斷進(jìn)入死區(qū)。此時(shí)Q1和Q4的結(jié)電容C1和C4已充電完畢開(kāi)始放電，Q2和Q3的結(jié)電容C2和C3開(kāi)始充電，諧振電流ir方向?yàn)樨?fù)以正弦形式上升，勵(lì)磁電流im線性上升，即B端放電、A 端充電，B端電量大于A 端電量，則諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓VAB開(kāi)始由－Vin逐漸上升，當(dāng)B端放電的電量與A 端充電的電量相等時(shí)，VAB＝0。因?yàn)橹C振電流ir等于勵(lì)磁電感電流im與流過(guò)變壓器的電流之和，所以諧振電流大于勵(lì)磁電流，二者的差值是流過(guò)變壓器的電流，變壓器的副邊整流二極管D1，D4導(dǎo)通給C6充電。到t1時(shí)刻，B端向A 端放電完畢，此時(shí)VAB為＋Vin，t1時(shí)刻結(jié)束。

階段2 ［t1－t2］：在t1時(shí)刻，C1，C2，C3，C4結(jié)電容充放電完畢，此時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓VAB上升到＋Vin，＋Vin加在Q1和Q4的體二極管兩端使之導(dǎo)通，為Q1和Q4的零電壓開(kāi)通創(chuàng)造了條件。諧振電流和勵(lì)磁電流仍然分別以正弦形式上升和線性上升，二者的差值流過(guò)變壓器，變壓器副邊整流二極管D1，D4導(dǎo)通，給電容C6充電，此時(shí)只有諧振電感Lr和Cr參與諧振，到t2時(shí)刻結(jié)束。

階段3 ［t2－t4］：在t2時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)Q1，Q4，諧振網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓VAB仍是＋Vin，Q1，Q4零電壓開(kāi)通。諧振電流繼續(xù)上升，并在t3時(shí)刻過(guò)零，諧振電流以正弦形式正向增大，勵(lì)磁電流隨后過(guò)零并增大，諧振電流仍然大于勵(lì)磁電流，副邊二極管D1，D4繼續(xù)導(dǎo)通，給電容C6充電，到t4時(shí)刻諧振電流和勵(lì)磁電流相等，流過(guò)理想變壓器電流為零，整流二極管D1，D4關(guān)斷，本階段結(jié)束。

階段4 ［t4－t5］：t4時(shí)刻，諧振電流等于勵(lì)磁電流，變壓器原邊電流減小到零，此時(shí)流過(guò)變壓器的電流為零，副邊整流二極管D1，D4實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。變壓器副邊開(kāi)路，勵(lì)磁電感Lm，Lr與Cr一起參與諧振。由于諧振頻率f工作在fm＜f＜fs，Q1，Q4導(dǎo)通持續(xù)一段時(shí)間，諧振電流和勵(lì)磁電流在本階段時(shí)間近似不變。

同理［t5－t10］時(shí)刻電路進(jìn)入另外半個(gè)周期，工作過(guò)程與前半個(gè)周期相似，不在陳述。

3.3 全橋LLC諧振電路實(shí)驗(yàn)波形與分析

根據(jù)全橋LLC諧振變換器的原理分析，建立了全橋LLC 諧振變換器的MATLAB／Simulink仿真模型，其中功率為1kW，輸入電壓為48V，輸出電壓為311V。

圖4為全橋LLC 諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓與諧振電流仿真波形。橫軸代表時(shí)間，單位是s，縱軸代表電壓與電流，單位分別是V 與A。直流輸入電壓經(jīng)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出方波交流電，諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓超前于諧振電流，變換器工作在原邊主功率器件ZVS狀態(tài)。

圖4 全橋LLC諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓與諧振電流波形Fig.4 Waveform of resonant network voltage and harmonic current of full bridge LLC resonant converter

圖5 諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓與副邊整流電路輸出電流波形Fig.5 Waveform of the resonant network voltage and rectifier circuit output current

圖5為全橋LLC 諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓與副邊不可控整流電路輸出電流仿真波形。橫軸指的是時(shí)間，單位是s，縱軸指的是電壓與電流，單位分別是V 與A。全橋不可控整流電路中上下兩組整流二極管輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了副邊不可控整流二極管的ZCS。

圖6顯示了全橋LLC 諧振變換器諧振電容兩端的電壓與諧振電流的仿真波形。橫軸指的是時(shí)間，單位是s，縱軸指的是電壓與電流，單位是V 與A。此時(shí)，諧振電容兩端的電壓滯后于諧振電流90°，兩者近似正弦波。

圖6 諧振電容兩端電壓與諧振電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of resonance capacitance voltage and harmonic current

4 后級(jí)DC／AC逆變部分

后級(jí)DC／AC逆變部分采用電壓型單相全橋逆變電路，其控制系統(tǒng)采用SPWM 電壓電流雙閉環(huán)系統(tǒng)即電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。在逆變器的輸出側(cè)接LC型濾波器。圖7為單相逆變電路結(jié)構(gòu)圖。其中，VDC為直流母線電壓，大約為400V；V1－V4是功率管，其V1，V4和V2，V3交替導(dǎo)通，向電網(wǎng)輸出交流電流；D1－D4是功率管對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)二極管。

圖7 單相逆變電路結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of single－phase inverter circuit

4.1 電流型輸出控制原理

圖8為并網(wǎng)電路圖，設(shè)逆變橋輸出電壓Ucd、電感L1兩端電壓UL1、電網(wǎng)電壓Uw、電感電流I為逆變電路并網(wǎng)電流。由電路知識(shí)可得：Ucd＝UL1＋Uw，其中UL1＝j(luò)2πfL1i，Ucd＝j(luò)2πfL1i＋Uw。

圖9為并網(wǎng)向量圖。由此可得只需保證輸出電流和電網(wǎng)同頻同相即可完成并網(wǎng)。

4.2 SPWM 電壓電流雙環(huán)控制策略

圖8 并網(wǎng)電路圖Fig.8 Grid circuit diagram

圖9 并網(wǎng)向量圖Fig.9 Grid vector diagram

采用電壓電流雙環(huán)控制即是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制。外環(huán)電壓控制用于穩(wěn)定直流母線電壓；內(nèi)環(huán)電流控制用來(lái)控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。雙環(huán)控制原理：采集直流側(cè)母線電壓Ucd與指定的參考值U＊cd相比較得出差值信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流幅值的參考值I＊，I＊與通過(guò)鎖相環(huán)電路得到電網(wǎng)電壓的相位角的正弦值相乘獲得瞬時(shí)輸出電流的參考信號(hào)I＊＊，采集逆變器交流側(cè)的輸出電流I，與參考值I＊＊相比較得到電流誤差信號(hào)，此誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與三角波相比較，輸出SPWM 控制脈沖并驅(qū)動(dòng)功率管V1－V4，實(shí)現(xiàn)逆變部分并網(wǎng)電流的跟蹤與控制，達(dá)到并網(wǎng)要求。

鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它可以跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位，具有反饋調(diào)節(jié)作用。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器組成。組成框圖如圖10 所示。當(dāng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)存在相位差時(shí)，鑒相器輸出與相位差大小成比例的信號(hào)，通過(guò)環(huán)路濾波器產(chǎn)生的控制電壓作用于振蕩器輸入端，使輸出信號(hào)發(fā)生變化，直到兩者的相位差為零，達(dá)到同頻同相為止。Ur（t）是輸入電壓信號(hào)，Ue（t）是輸入電壓信號(hào)與輸出電壓信號(hào)差，Uy（t）是誤差信號(hào)經(jīng)濾波后的信號(hào)，U0（t）是輸出電壓信號(hào)。

圖10 鎖相環(huán)組成框圖Fig.10 Block diagram of phase－locked loop composition

4.3 逆變電路的仿真與分析

根據(jù)以上逆變電路的分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)MATLAB／Simulink仿真軟件，建立了逆變電路的控制模型，設(shè)定三角波的頻率80 kHz，開(kāi)關(guān)頻率80 kHz，其中Ucd是直流母線電壓，模型控制方式采用電壓電流雙環(huán)控制與鎖相環(huán)控制。采用雙環(huán)電壓電流控制時(shí)的波形如圖11所示，橫軸指的是時(shí)間，單位是s，縱軸指的是電壓與電流，單位分別是V 與A?？梢?jiàn)逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖11 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形Fig.11 Waveform of grid voltage and grid current

5 控制電路部分設(shè)計(jì)

控制電路部分采用控制芯片STM32F051，STM32F051是低容量和中等容量高級(jí)ARM 核32位微控制器，工作頻率為48 MHz，具有高速的嵌入式閃存，并廣泛集成增強(qiáng)型和I／O 口。所有器件提供標(biāo)準(zhǔn)的 通 信 接 口（最 多2 個(gè)I2Cs，2 個(gè)SPI，1 個(gè)I2S，1 個(gè)HDMI CEC，2 個(gè)USART），1 個(gè)12 位ADC，1個(gè)12 位DAC，最多5個(gè)通用16 位定時(shí)器，1個(gè)32 位定時(shí)器和1 個(gè)高級(jí)控制PWM 定時(shí)器。以上這些特點(diǎn)使得STM32F051 微控制器廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中，STM32F051 微控制器對(duì)太陽(yáng)能陣列輸出的電壓、電流、諧振電流、直流母線電壓、并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓不斷的檢測(cè)，前級(jí)通過(guò)PWM 斬波控制LLC 諧振電路功率管的開(kāi)通，后級(jí)通過(guò)SPWM 控制逆變電路功率管的開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)各級(jí)穩(wěn)定輸出、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)功能。此部分控制主要是單片機(jī)結(jié)合軟件編程完成的。軟件編程是采用C語(yǔ)言在Keil開(kāi)發(fā)工具下進(jìn)行的。主要包括初始化程序、主程序、檢測(cè)程序、中斷程序等。STM32F051輸出PWM 波形如圖12所示。

圖12 STM32F051輸出PWM 波形Fig.12 STM32F051output PWM waveform of STM32F051output

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種功率1kW 的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其系統(tǒng)部分進(jìn)行了仿真波形分析。該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括全橋LLC 諧振變換電路和單相電壓型逆變電路。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為合理。

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