基于MSP430單片機的光伏并網(wǎng)模擬裝置設計

占文兵， 王文虎

基于MSP430單片機的光伏并網(wǎng)模擬裝置設計

占文兵， 王文虎

（湖南文理學院 電氣與信息工程學院， 湖南 常德， 415000）

根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗測試的需要， 設計了一種基于MSP430F1611單片機的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。模擬裝置通過MSP430F1611的A/D轉(zhuǎn)換器檢測輸入電壓， 根據(jù)檢測結(jié)果選擇DC/DC變換的結(jié)構(gòu)， 使用驅(qū)動芯片TL494對DC/DC變換進行控制， 實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）； 利用MSP430F1611的定時器B比較輸出功能產(chǎn)生SPWM波， 控制單相全橋逆變； 利用定時器A的捕獲功能， 對頻率與相位進行檢測， 完成頻率與相位跟蹤； 利用A/D轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)的電壓、電流進行采樣， 實現(xiàn)幅值跟蹤和輸入欠壓保護及輸出過流保護。在IAR平臺下開發(fā)了 SPWM 發(fā)生程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、相位與頻率跟蹤程序、人機接口子程序等。借助Matlab/Simulink對主電路及孤島效應進行仿真分析， 結(jié)果表明模擬裝置性能良好； 實物實現(xiàn)了并網(wǎng)和孤島檢測等功能， 且并網(wǎng)電流的總諧波失真小。

光伏并網(wǎng)發(fā)電； 微處理器； 逆變器； 最大功率點跟蹤； 孤島檢測

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置分為主電路和控制電路2部分。主電路主要由DC/DC變換和DC/AC逆變組成， 其中DC/DC變換部分實現(xiàn)最大功率點的跟蹤?？刂齐娐钒ㄐ盘枡z測、隔離驅(qū)動和保護電路、人機接口電路等。其中信號檢測主要包括直流電壓檢測、逆變輸出交流電壓、電流和電網(wǎng)電壓檢測以及頻率檢測。信號檢測電路不僅用于檢測指示及保護控制， 其更主要作用是滿足并網(wǎng)同步的需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設計

2.1主電路

主電路DC/DC變換是Buck-Boost型電路， 通過降壓或升壓使DC變換的輸出電壓為直流電壓源的1/2， 實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能（MPPT）［5］。DC/AC采用的是全橋逆變， 通過控制4個MOS管的導通和截止組合順序， 使負載兩端電壓發(fā)生周期性改變， 以實現(xiàn)逆變。

2.2控制電路

控制核心采用了TI公司的MSP430F1611微處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的檢測及控制。MSP430F1611有著豐富的片上資源： 2組定時器（TA和TB）， 定時器具有定時、比較和捕獲功能； 6個I/O端口， 其中1、2端口具有中斷功能， 每個端口8個引腳； 2個USART和SPI； 6個12位A/D轉(zhuǎn)換器。豐富的片上資源為硬件實現(xiàn)光伏并網(wǎng)奠定了基礎。最小應用系統(tǒng)包括時鐘電路、復位電路和下載電路。

（1） 直流電壓檢測。對DC/DC變換的輸入電壓和輸出電壓進行分壓檢測， 經(jīng)由OP07構(gòu)成的跟隨器送到微處理器的AD采樣口， 以滿足精確測量。

（2） 交流檢測。為了實現(xiàn)并網(wǎng)功能， 必須對DC/AC逆變的輸出交流電與待并網(wǎng)的交流電進行有效監(jiān)測， 且在同幅、同頻、同相時實現(xiàn)并網(wǎng)。交流電壓與電流的幅值檢測均采用霍爾傳感器實現(xiàn)， CHV-25P霍爾電壓傳感器， 原邊額定有效值電流為10 mA， 副邊額定有效值電流為50 mA， 轉(zhuǎn)換率為5∶1。其原邊采用47 k?電阻限流， 輸出側(cè)采用75 ?電阻提供電壓輸出。CHB-25NP霍爾電流傳感器， 原邊額定電流為12 A， 原、副邊的輸出電流比為1∶500， 霍爾電流傳感器輸出側(cè)采用1 k?電阻提供電壓輸出。

交流電壓、電流的檢測， 先經(jīng)過霍爾傳感器把強電與弱電分開， 且把被測點電壓降到-3.30～+3.30 V以內(nèi)。再通過分壓把被測點電壓變到-1.65～+1.65 V內(nèi)。最后通過疊加電路對已處理的電壓疊加+1.65 V直流偏置， 使輸出電壓的最小值不小于0 V。疊加電路輸出端通過2個二極管把輸入單片機的電壓嵌在0～+3.30 V之間。

（3） 頻率和相位檢測。逆變輸出電壓、電流以及電網(wǎng)電壓經(jīng)霍爾檢測， 并通過過零比較轉(zhuǎn)換成+3.30V脈沖信號， 以利于微處理器對信號的采集。采用滯環(huán)比較器來實現(xiàn)過零檢測， 可以消除系統(tǒng)的振零效應。滯環(huán)比較器中， 設VH和VL分別為比較器輸出由低電平VOL變到高電平VOH時的閥值和由高電平跳變到低電平時的閥值。則電壓閥值表達式為VH= V-（1 + R11/R12） - VOLR11/R12， VL= V-（1 + R11/R12） -VOHR11/R12， R11/R12為滯回電壓比。

滯環(huán)比較器通過改變 R11/R12的值來改變回差值， 但必須確保比較器輸出脈沖信號的上升沿與電網(wǎng)電壓正向過零點重合。通過調(diào)節(jié)反相輸入端的電阻來改變反相端輸入電壓， 以實現(xiàn)比較器輸出脈沖信號上升沿穩(wěn)定在電網(wǎng)電壓正向過零點［6］。

2.3驅(qū)動電路

圖2　DC/AC逆變MOS管驅(qū)動電路

DC/DC變換電路中MOS管的驅(qū)動采用了專用的驅(qū)動芯片 TL494， 它是固定頻率的脈沖寬度調(diào)制專用芯片。其振蕩頻率可通過外接電阻RT和電容CT進行調(diào)節(jié)，振蕩頻率為fosc≈ 1.1/（RTCT）。

DC/AC逆變 MOS管的驅(qū)動電路圖如圖 2所示，MOS管驅(qū)動采用的是專用芯片IR2110［7］。圖2中C35，V32分別為自舉電容和二極管。假定在 V3關斷期間，C35充到近似與 VCC相等電壓。當 HIN為高電平時，VM1開通， VM2關斷。VC35加到V3的門極和發(fā)射極之間， C35通過VM1、R64和V3門極柵極電容放電， 此時VC35可視為一個電壓源。當HIN為低電平時， VM2開通，VMl斷開， V3柵極電荷經(jīng)R64、VM2迅速釋放， V3關斷。經(jīng)極短的死區(qū)時間之后， LIN為高電平， V6開通， VCC經(jīng)V32、V6給C35迅速充電。

3　軟件設計

圖3　主程序流程圖

MSP430F1611的P6.0～P6.4口作為AD功能口， 用于對電壓、電流進行采樣； P2.4～P2.6口用于控制12864液晶顯示； P2.1～P2.3口與鍵盤連接， 用于控制系統(tǒng)的工作模式； P5.0～P5.4口與繼電器相連， 用于對電路的控制和保護；P4.1～P4.4口用作定時器功能口， 用于輸出SPWM波。程序包括主程序、SPWM產(chǎn)生子程序和孤島檢測子程序。

3.1主程序

主程序流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化包括對IO口的定義、時鐘設置、定時器和AD轉(zhuǎn)換的基本設置。AD轉(zhuǎn)換包括直流輸入電壓、DC變換后的直流電壓、逆變輸出電壓與電流、待并網(wǎng)的電壓等。系統(tǒng)初始化后， 首先進行 AD轉(zhuǎn)換， 判斷直流輸入是否欠壓。如果欠壓則進行欠壓保護； 如果電壓正常則判斷直流輸入電壓是否大于30 V， 當大于30 V時， DC/DC變換將采用 BUCK變換， 否則 DC/DC變換采用BOOST變換。再對逆變輸出的電壓頻率和相位進行檢測， 判斷頻率是否在正常范圍內(nèi)， 如果超出了正常范圍， 表明形成了孤島［8-10］， 則將進行孤島保護， 以保護整個系統(tǒng)安全。

在獨立模式時， 系統(tǒng)采用的是電壓型控制； 在并網(wǎng)模式時， 系統(tǒng)采用的是電流型控制。如果不并網(wǎng)，則對逆變輸出電壓的幅值、相位和頻率隨參考信號進行跟蹤； 如果并網(wǎng)， 則對逆變輸出電流的相位和頻率隨電網(wǎng)電壓的相位和頻率進行跟蹤。當逆變輸出電流的波形與電網(wǎng)電壓波形同步時， 在下一個正向過零點時進行合閘并網(wǎng)。

3.2SPWM產(chǎn)生子程序

SPWM調(diào)制方式需要控制器產(chǎn)生一個正弦波與三角波進行比較， 采用查表法實現(xiàn)PWM調(diào)制波輸出。用Matlab編程［11］， 計算出各采樣點對應PWM的占空比值， 生成正弦表。在定時器中斷中讀取數(shù)據(jù)指針， 根據(jù)指針從正弦表中查找對應的脈寬數(shù)據(jù)。把脈寬數(shù)據(jù)賦給 MSP430F1611定時器 B中的TBCCR1或TBCCR2寄存器， 從而改變輸出PWM的占空比。

3.3孤島檢測程序

采用周期性雙向擾動AFDPF孤島效應檢測方法， 分正、反2個方向施加頻率值相同的擾動信號cf1和cf2。在擾動信號的擾動作用下會導致逆變器輸出電壓的頻率發(fā)生變化， 產(chǎn)生頻率變化Δf1和Δf2。假設頻率變化量與2個擾動信號關系為|Δf1|＜|cf1|和|Δf2|＞|cf2|， 那么系統(tǒng)將選擇cf2作為反饋信號， 并持續(xù)對逆變器輸出電壓的頻率進行擾動， 在這個過程中擾動信號不斷積累。當f2＜f（電網(wǎng)頻率）時， 表明系統(tǒng)已形成孤島， 保護電路將被觸發(fā)， 逆變器進行脫網(wǎng)。

4　仿真與調(diào)試

利用Matlab中可視化仿真工具Simulink對DC/AC逆變和孤島檢測進行仿真分析。DC/AC逆變系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

為實現(xiàn)周期性雙向擾動的AFDPF孤島檢測仿真， 編寫了檢測控制的S函數(shù)。在仿真時， 電網(wǎng)電壓峰值取110 V， 直流電壓為最大功率點時的 DC變換輸出電壓， 逆變器輸出電流峰值為 2 A； 頻率保護高閥值和低閥值設為fH= 45 Hz和fL= 55 Hz； 濾波電感L = 5.6 mH， 電容C = 1.5 μF， 負載為30 ?。為了能直觀地觀察仿真結(jié)果， 將電流的幅值增大為原值的20倍， 把電網(wǎng)電壓縮小1半在示波器上顯示。

由圖5可知， 系統(tǒng)運行到0.20 s左右時， 將電網(wǎng)斷電， 經(jīng)過4T（周期）后并網(wǎng)電流減少近似為0。在0.36 s時公共耦合點的電壓變?yōu)?， 檢測出孤島只需要0.16 s。從圖6可以看出， 并網(wǎng)電流的總諧波失真為1.43%， 滿足交流輸出諧波的要求。

圖4　系統(tǒng)仿真模型

圖5　孤島效應檢測算法仿真結(jié)果

圖6　并網(wǎng)電流諧波總畸率（THD）

對光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置進行實物制作， 并上電測試。圖7為實物光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置實現(xiàn)頻率和相位跟蹤的波形圖。由圖7可知， 實物測試結(jié)果表明系統(tǒng)性能良好， 能較好地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤、孤島檢測及保護、輸入欠壓保護和輸出過流保護等功能。

圖7　頻率和相位跟蹤波形圖

5　總結(jié)

設計了基于MSP430F1611的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置， 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)緊湊， 軟件模塊化有利于移植與集成。仿真結(jié)果表明設計可行， 實物測試結(jié)果顯示系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)最大功率點跟蹤、頻率和相位跟蹤、孤島檢測及保護、輸入欠壓和輸出過流保護等功能。設計達到了預期目的。

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（責任編校： 江河）

Design of photovoltaic grid connected simulation device based on MSP430 MCU

Zhan Wenbing， Wang Wenhu
（College of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Arts and Science， Changde 415000， China）

To satisfy the demand for test of photovoltaic grid connected power generation， a simulation device of photovoltaic grid connected power generation underlying MSP430F1611 MCU is devised. The simulation device aims to detect the voltage of inputs through A/D converters of MSP430F1611， choose the structure of DC/DC converters according to the test results and use the driver chip of TL494 to control DC/DC converters and realize the max power point tracking （MPPT）. Besides， with the output-comparing function of timer B of MSP430F1611， the SPWM waves are produced to control the single-phase invertion of full bridge. As regards to timer A， by using it’s capturing function and detecting frequency and phase， the frequency and phase of the system can be tracked. Furthermore， by sampling the voltage and current of the system through A/D converters， the functions of amplitude tracking as well as under-voltage input and over-current output protecting are realized. Under the platform of IAR，procedures of SPWM wave producing and phase and frequency tracking as well as sub procedures of A/D converters and human-machine interfaces are well developed. With the help of Matlab/Simulink， the simulation of main circuits and island effects is analyzed， the performance of system verified by the physical production has been proved to be good and the expected goal has been achieved.

photovoltaic grid connected power generation； microprocessor； inverter； MPPT； isolated island detection

TP 368； TM 464

1672-6146（2016）03-0014-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.03.004

占文兵， 578209160@qq.com； 王文虎， cdwwh@126.com。

2016-06-08

國家自然科學基金（61403136）； 湖南省自然科學基金（14JJ5008）。的研究。文獻［1-2］介紹了采用 DSP-TMS320F2407作為主控制器實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電； 文獻［3-4］研究了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)， 采用DSP-TMS320F2812作為主控制器， 提出了采用電導增量法和電壓頻率檢測法，實現(xiàn)最大功率點跟蹤和孤島檢測功能。在實驗室開展光伏并網(wǎng)實驗仿真， 需要模擬系統(tǒng)功能齊全、結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定， 且性價比高， 針對這些需要， 本文提出了一種基于MSP430芯片的新型光伏并網(wǎng)模擬裝置。

光伏發(fā)電是利用太陽能的一種途經(jīng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電就是將分散的光伏能源點融入到電網(wǎng)的過程， 是對傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的補充。由于光伏能源具有無污染、成本低的特點， 因此， 業(yè)界開展了大量的光伏并網(wǎng)