基于嵌入式μC/OS-II的光伏控制器的設(shè)計(jì)

沈　卓，廉小親，李康飛，張曉力，段振剛(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

基于嵌入式μC/OS-II的光伏控制器的設(shè)計(jì)

沈卓，廉小親，李康飛，張曉力，段振剛
(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板串并聯(lián)帶來(lái)的多峰值問(wèn)題，基于自適應(yīng)全局最大功率點(diǎn)追蹤算法設(shè)計(jì)了最大功率追蹤控制器。該設(shè)計(jì)以TMS320F28335 DSP芯片為基礎(chǔ)，采用嵌入式μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并加入了鍵盤(pán)、OLED顯示器等人機(jī)交互界面。測(cè)試結(jié)果表明本控制器可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)全局最大功率追蹤功能。

光伏發(fā)電；最大功率；DSP；操作系統(tǒng)

可再生能源的應(yīng)用可從一定程度上緩解全球能源危機(jī)并極大地減少空氣污染。近年來(lái)，太陽(yáng)能憑借其無(wú)污染、無(wú)地域限制等卓越的優(yōu)勢(shì)從眾多可再生能源中脫穎而出，光伏發(fā)電已成為繼光熱之后利用太陽(yáng)能的新方向。然而當(dāng)串并聯(lián)使用的光伏電池板處于一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境時(shí)，現(xiàn)有設(shè)備就很難保證后續(xù)電路的功能很好地實(shí)現(xiàn)。其主要原因就在于外界環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致總的內(nèi)部阻抗與后級(jí)負(fù)載阻抗不再匹配，進(jìn)而造成光伏電池板最大功率點(diǎn)的改變，無(wú)法保證系統(tǒng)在全局最大功率點(diǎn)輸出，也就更不可能實(shí)現(xiàn)最大限度利用太陽(yáng)能的目標(biāo)。

為了在現(xiàn)有條件下提高光伏電池板轉(zhuǎn)換率，本文提出了基于TMS320F28335 DSP芯片(TI公司C2000系列)設(shè)計(jì)的光伏控制器，并使用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法以實(shí)現(xiàn)全局最大功率追蹤(GMPPT)[1]。另外，考慮到控制器工作時(shí)執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性，將嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)植入到控制器核心中，RTOS是一個(gè)可靠性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，能將CPU時(shí)間、中斷、I/O和定時(shí)器等資源全部封裝起來(lái)[2]，在本設(shè)計(jì)中更加合理地完成CPU對(duì)于GMPPT算法執(zhí)行、OLED顯示、鍵盤(pán)輸入等任務(wù)的時(shí)間分配。

1 光伏控制器工作原理

光伏陣列由多塊光伏電池板串并聯(lián)組成，由于單塊電池板的參數(shù)存在差異以及光照不均勻等原因，光伏陣列的PV特性曲線會(huì)呈現(xiàn)為多個(gè)峰值點(diǎn)[3]，如圖1所示。根據(jù)光伏發(fā)電原理可知，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部阻抗和外部負(fù)載阻抗匹配時(shí)，系統(tǒng)輸出最大功率，因此光伏控制器的關(guān)鍵就在于通過(guò)控制一級(jí)直流轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制光伏陣列的輸出電壓和電流，使得輸出電壓和輸出電流的比值即內(nèi)部阻抗與負(fù)載阻抗保持一致。

圖1　光伏陣列多峰值PV曲線

本系統(tǒng)光伏控制器采用TI C2000 DSP作為控制核心，其嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)合了自適應(yīng)粒子群算法，硬件部分涉及電壓電流采集電路、EMI抑制電路、過(guò)流保護(hù)電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路等。光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池板在多塊串、并聯(lián)情況下的發(fā)電模型如圖2所示。

圖2　　光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1DSP系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

DSP控制核心采用TMS320F28335，該芯片為一個(gè)高效率32位CPU，其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)60 MHz，并集成了DSP運(yùn)算指令，同時(shí)支持浮點(diǎn)型運(yùn)算，此外片上還包含ADC、ePWM、定時(shí)器、外部中斷等外設(shè)模塊。其外圍電路包括復(fù)位電路、晶振電路、電源部分以及鍵盤(pán)和OLED顯示電路。主控DSP可通過(guò)SPI方式控制OLED的顯示輸出。

2.2功率采集電路設(shè)計(jì)

功率采集電路主要由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器及信號(hào)處理電路三大部分組成?；魻杺鞲衅鞑杉降碾妷骸㈦娏餍盘?hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路的濾波、放大和一級(jí)電壓跟隨后進(jìn)入到DSP的AD采集口，繼而在DSP內(nèi)部計(jì)算當(dāng)前光伏陣列的輸出功率，為后續(xù)算法的執(zhí)行和DC-DC電壓的控制做好準(zhǔn)備。

2.3功率控制電路設(shè)計(jì)

功率控制環(huán)節(jié)包括EMI抑制電路、過(guò)流保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和BOOST-BUCK電壓轉(zhuǎn)換電路，是整個(gè)控制器的重要組成部分，其基本功能即為完成光伏陣列內(nèi)阻與負(fù)載阻抗的匹配。

2.3.1DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，控制器需要加入直流電壓變換環(huán)節(jié)，考慮到阻抗匹配過(guò)程有時(shí)需升高光伏陣列輸出電壓，有時(shí)又需降低光伏陣列輸出電壓以實(shí)現(xiàn)匹配，因此設(shè)計(jì)了升降壓(BOOST-BUCK)直流變換電路。最終通過(guò)DSP的PWM輸出控制該部分電路中IGBT的通斷，即可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。BOOST-BUCK電路如圖3所示。

圖3　BOOST-BUCK電路

在IGBT導(dǎo)通、二極管VD截止期間，輸入電壓U0向電感輸入能量，負(fù)載端電壓靠電容C放電維持輸出電壓，保證其值基本不變；在IGBT管截止且二極管導(dǎo)通期間，電感L會(huì)把前一階段儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，這部分能量被加在負(fù)載R上的同時(shí)還會(huì)對(duì)電容C進(jìn)行充電。理想情況下，BOOST-BUCK電路的輸出電壓公式為：

電機(jī)中主要熱源有鐵耗，銅耗[5]。由于軸承摩擦損耗分析過(guò)程分析涉及到耦合場(chǎng)仿真問(wèn)題，較為復(fù)雜，可暫不考慮，主要考慮鐵耗，銅耗。工況均假定周?chē)h(huán)境溫度為70℃，考慮最嚴(yán)酷的散熱工況，電機(jī)通過(guò)機(jī)殼表面與空氣對(duì)流換熱和輻射散熱[6]。對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行仿真。該電機(jī)為長(zhǎng)時(shí)工作制，一次工作20000 s，用穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算電機(jī)穩(wěn)定后的工作溫度，得到各部件最高溫度，見(jiàn)表1。

式中：α為控制BOOST-BUCK電路中開(kāi)關(guān)管PWM的占空比；E為光伏陣列的輸出電壓；U0為負(fù)載端電壓即直流電壓變換電路的輸出電壓，值得注意的是，U0的極性發(fā)生了由正到負(fù)的轉(zhuǎn)變。

在不考慮分立元件的能量損耗，根據(jù)能量守恒定律，可推得：

由式(2)可看出只需通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比α即可實(shí)現(xiàn)光伏陣列內(nèi)部阻抗的變換。當(dāng)DSP調(diào)節(jié)占空比輸出至光伏陣列等效阻抗與負(fù)載阻抗相等時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了光伏最大功率點(diǎn)追蹤。

2.3.2EMI抑制電路設(shè)計(jì)

前一節(jié)提及的直流變換電路中引入了由高頻PWM控制的開(kāi)關(guān)電路，其開(kāi)關(guān)特性的工作方式將導(dǎo)致系統(tǒng)中電磁噪聲的出現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)了如圖4所示的抑制EMI電路。其中共模電感的作用在于濾除線路中的共模電磁干擾，并且抑制系統(tǒng)本身不向外發(fā)出電磁干擾；輸入級(jí)電容的設(shè)置是為濾除高頻干擾信號(hào)，輸出級(jí)電容是為濾除低頻干擾信號(hào)。

圖4　EMI抑制電路

2.3.3過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

計(jì)算當(dāng)前功率所需的電壓電流會(huì)通過(guò)AD采集電路實(shí)時(shí)進(jìn)入到DSP控制器內(nèi)部，在其內(nèi)部與設(shè)定好的閾值做對(duì)比，若超過(guò)設(shè)定閾值，DSP即刻通過(guò)I/O口控制繼電保護(hù)裝置斷開(kāi)通路，切斷能量的輸入從而防止對(duì)系統(tǒng)造成不可逆的損壞。過(guò)流保護(hù)電路如圖5所示。

圖5　　過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路

2.3.4IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V，遠(yuǎn)超過(guò)DSP的可輸出范圍，同時(shí)考慮到需防止強(qiáng)電部分可能對(duì)DSP系統(tǒng)工作帶來(lái)的不良影響，因此加入了光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，綜合考慮IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和工作頻率，這里選用型號(hào)為T(mén)LP350的光耦，IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。其中使用到的系統(tǒng)軟件即為μC/OS-II，除與處理器硬件相關(guān)部分外，μC/OS-II代碼均由C語(yǔ)言編制完成，而與處理器硬件相關(guān)部分的代碼則因考慮到系統(tǒng)的可移植性使用匯編語(yǔ)言完成編寫(xiě)[加入引用]；應(yīng)用軟件則主要由AD采集程序、鍵盤(pán)掃描程序以及OLED顯示程序組成。

圖6　IGBT驅(qū)動(dòng)電路

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成μC/OS-II在TMS320F28335上的移植需要修改3個(gè)與該芯片相關(guān)的文件，如表1所示。

? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 　? ? ? 　?? ? ? 1 　O S _ C P U . H 　? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ? ? ? ? ! " # $ ? O S Ta s k S tk I n i t() ％＆amp;’()* + , ?-.$?O STime Ti c k Ho ok () 2 　O S _ C P U _ C . C 3 　O S _ C P U _ A . S ? ? / ? ? 0 1 2 3 ? ??45?*+67,? ? 8901＆amp;’()

除表1中所示3個(gè)文件之外，如果需額外裁剪或者修改μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)以減少資源損耗，則可直接對(duì)文件OS_CFG.H進(jìn)行修改和調(diào)整。

系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍通過(guò)DSP定時(shí)器1來(lái)產(chǎn)生，設(shè)置每10 ms產(chǎn)生一次定時(shí)器中斷，即時(shí)鐘節(jié)拍為100 Hz，當(dāng)程序執(zhí)行到內(nèi)核的OSStart()函數(shù)時(shí)，即表示多任務(wù)系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，該過(guò)程執(zhí)行的第一步就是實(shí)現(xiàn)定時(shí)器中斷。

完成以上文件的修改即進(jìn)行了μC/OS-II系統(tǒng)的移植。接下來(lái)只需要檢驗(yàn)系統(tǒng)是否正常工作即可。

3.2應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制器需實(shí)現(xiàn)的GMPPT功能和人機(jī)交互功能，其應(yīng)用軟件應(yīng)至少包括電壓采集、電流采集、功率計(jì)算、算法執(zhí)行、PWM輸出、OLED顯示和鍵盤(pán)掃描七大部分，為增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的可讀性，每個(gè)軟件部分被單獨(dú)定義成一個(gè)任務(wù)事件，任務(wù)如表2所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行TaskInit()，該任務(wù)主要完成DSP系統(tǒng)的初始化，并創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)。其中TaskInit()只執(zhí)行一遍，其余的各個(gè)任務(wù)程序?qū)⒃谝粋€(gè)無(wú)限循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行。

????????? ?? 　??? 　???? 1 　T a s k S t a r t( ) 　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 　T a s k A D ( ) 　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! 3 　T a sk C l a c ( ) 　? " # ! $ ％ ＆amp; $ ? ? ? ? ? ? ? ?? ’4 　T a s k A lg o r it h m ( ) 　( ) * + ％ , -. / $ ％ ? 0 1 5 　T a s k P W M ( ) 　2 3 B O O S T -B U C K ? 4 5 I G B T ? 6 7 8 6 　T a s k D i s p la y ( ) 　2 3 O L E D 9 : ; ＆lt; = ? ?? ’＆gt; ? @ A 7 　T a s k K e y b o a r d ( ) 　B C D E !

3.3算法軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器采用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法 (adaptive particle swarm optimization,APSO)，算法開(kāi)始時(shí)，粒子群會(huì)被隨機(jī)初始化，之后不斷進(jìn)行迭代，直到粒子群追蹤到合適的全局最優(yōu)解。迭代時(shí)，粒子會(huì)通過(guò)追蹤到的粒子個(gè)體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解來(lái)更新自己。當(dāng)所有粒子全部收斂到群體最優(yōu)解上時(shí)迭代結(jié)束。APSO算法軟件流程如圖7所示。

圖7　　算法軟件流程

APSO算法的目標(biāo)函數(shù)為光伏陣列的功率函數(shù)，光伏陣列輸出的功率值會(huì)隨著B(niǎo)OOST-BUCK電路中開(kāi)關(guān)管PWM波的占空比的變化而變化。在控制器設(shè)計(jì)上，粒子的位置對(duì)應(yīng)著控制器輸出PWM波的占空比，當(dāng)所有粒子的位置與某個(gè)固定位置誤差在5％之內(nèi)時(shí)，表明粒子群已收斂，即找到了全局最優(yōu)解[4]。

4 測(cè)試結(jié)果

圖8　光伏陣列P-V多峰曲線

為了測(cè)試控制器的追蹤性能，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的一組多峰曲線來(lái)模擬光伏陣列的P-V特性，多峰曲線如圖8所示。隨后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入安捷倫E4360模塊化的太陽(yáng)電池陣列仿真器，并通過(guò)仿真器自帶的數(shù)據(jù)采集卡采集系統(tǒng)當(dāng)前的輸出電壓和功率，如圖9所示。由圖9可知，控制器在1.50 s時(shí)開(kāi)始工作，在2.78 s開(kāi)始微調(diào)控制器的輸出，最后將光伏陣列的輸出維持在114.60 W。另外從圖8中可以看出，光伏陣列全局最大功率點(diǎn)為116.97 W，由此可算得目前控制器的追蹤精度已達(dá)到97.97％，且由圖9可看出控制器算法執(zhí)行時(shí)間僅為1.28 s，可基本滿足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求。

圖9　功率響應(yīng)

5 結(jié)束語(yǔ)

控制器采用嵌入式μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，極大提升了DSP控制芯片的資源利用率及系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性；同時(shí)自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法的采用使得控制器可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)在典型光伏陣列輸出多峰值P-V特性下追蹤全局最大功率點(diǎn)的目標(biāo)，使得系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步提升。

[1]廉小親，張曉力，王嵩，等.光伏系統(tǒng)在部分遮擋條件下的GMPPT算法研究[J].電源技術(shù),2012,36(10):1470-1473.

[2]劉幼林,姬勞.基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的斷路器智能控制單元設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用,2006,25(1):29-32,37.

[3]劉邦銀，段善旭，康勇，等.局部陰影條件下光伏模組特性的建模與分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(2):188-192.

[4]朱艷偉，石新春，但揚(yáng)清，等.粒子群優(yōu)化算法在光伏陣列多峰最大功率點(diǎn)跟蹤中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(4):42-48.

Design of PV controller based on embedded μC/OS-II

SHEN Zhuo,LIAN Xiao-qin,LI Kang-fei,ZHANG Xiao-li,DUAN Zhen-gang
(College of Computer＆amp;Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

For PV panels were series or parallel connected,the P-V characteristic curve of the system had multiple peak points.Adaptive global maximum power point tracking algorithm based on TMS320F28335 DSP was designed to solve this problem.It could be used to track the maximum power point effectively.Besides keyboard,OLED display and other interactive interface,embedded μC/OS-II real-time operating system were added aiming at improving the resource utilization of DSP and the stability of the whole system.Test results show that the system can work accurately and quickly when tracing the global maximum power point.

PV system;MPPT;DSP;OS

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0135-03

2015-06-14

北京市自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目B類(lèi)(KZ201410011014)；北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201110011005)

沈卓(1990—)，女，北京市人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

廉小親