《电子技术应用》

分布式发电微网控制系统的设计

2017年电子技术应用第6期 作者:谢 檬,赵录怀,王 娟
2017/7/25 10:04:00

谢  檬,赵录怀,王  娟

(西安交通大学 城市学院,陕西 西安710018)


    摘  要: 为了节约能源和保护环境,人们已经努力发展和使用可持续能源。光伏发电、风力发电和燃料电池发电将成为今后主要的分布式发电方式。所设计的分布式发电微网控制系统,将分布式电源发出的最大功率通过微控制器、H桥电路、驱动电路、采样电路双闭环控制、储能装置,在负载或分布式电源输出功率变化时,利用双闭环系统以稳定直流母线电压,该系统使得最大功率跟踪模块能量可以向电网输送,实现能量的双向流动。经过测试,控制系统可以完成光伏电池的最大功率的输出控制,并使得在电压稳定度的范围内很小,且达到很高的稳压精准度。

    关键词: 分布式电源;光伏电池;最大功率跟踪;H桥式电路

    中图分类号: TM733

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.038


    中文引用格式: 谢檬,赵录怀,王娟. 分布式发电微网控制系统的设计[J].电子技术应用,2017,43(6):151-154,158.

    英文引用格式: Xie Meng,Zhao Luhuai,Wang Juan. Design of distributed generation micro-grid control system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):151-154,158.

0 引言

    随着人类社会的发展,能源的需求量也随之急剧提高,为了节约能源和保护环境,人们已经努力发展和使用可持续能源[1-5]。光伏发电、风力发电和燃料电池发电将成为今后主要的分布式发电方式[6-8]。由于光伏发电随着太阳的光照强度的变化,输出功率也随之变化,所以其提供的能源不能被负载直接使用,需要经过直流并网系统控制,维持直流母线电压的稳定,才能供负载正常使用[9-11]。本文所设计的分布式发电微网控制系统,将分布式电源发出的最大功率通过微控制器、H桥电路、驱动电路、采样电路双闭环控制、储能装置,在负载或分布式电源输出功率变化时,利用双闭环系统以稳定直流母线电压,该系统使得最大功率跟踪模块能量可以向电网输送,实现能量的双向流动。即当分布式电源提供的功率大于负载所需功率时,通过直流并网系统将多余的能量储存在蓄电池中,当分布式电源提供的功率不足时输出能量维持直流母线电压的稳定。通过此控制系统能量双向流动,在维持直流母线电压稳定的同时,分布式电源发出的电能也得到了最大利用[12-16]

1 控制系统的硬件结构

1.1 控制系统的结构框图

    分布式发电微网控制系统的硬件结构框图如图1所示,是由分布式电源、最大功率跟踪模块、直流母线、负载、网络控制器、储能装置六个主要模块构成。此系统使得最大功率跟踪模块可以自动适应跟踪,且系统可以实现能量的双向流动,为负载和储能装置提供电能。负载或分布式电源变化时,通过电压电流双闭环控制,在分布式电源功率弱的情况下,最大功率跟踪模块的功率就会低于负载功率,储能装置中的功率反向输送到直流母线上,以稳定直流母线电压并提供给负载;在分布式电源功率强的条件下,最大功率跟踪模块的功率就会高于负载功率,能量不仅供给负载使用而且通过母线给储能装置充电,并来稳定直流母线的电压。

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1.2 升降压电路

    控制系统的主电路由MOSFET管、电解电容、二极管等器件组成的H桥电路,完成可控的升降压功能,如图2所示。主电路输入侧并联一个大电容使得输入侧电压脉动很小,同时,当电网回送功率时,大电容具有储能作用,既保护输入端电路又可以使电压很稳定。两个332小电容可以消除输出波形的毛刺,使得输出波形稳定。

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    H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性,两组控制信号理论上要求互为倒相,而实际必须相差一个1 μs左右,因此,运用单片机产生两组具有死区时间的互补PWM波来改变占空比,从而控制四个MOS管的通断。

1.3 电流和电压采样

    负载电流理论值范围大约在-2.5 A~+2.5 A。放大器INA114用来放大0.165 Ω电阻的电压,为了将0.165 Ω电阻的电压值和A/D采样电压相匹配,采用基准电压Vref使采样电压正向偏移。当用+3.3 V单电源供电时,输给单片机的电压就被钳位在0 V~3.3 V中间,精确可靠地保护了单片机正常的工作。

1.4 驱动电路

    在大功率驱动系统中,将驱动回路与控制回路电气隔离,减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。隔离后的控制信号经驱动逻辑电路产生逻辑控制信号,分别控制H桥的上下臂。在驱动电路中,内部输出信号与外部电路隔离,能够把两电路间的地环回路完全隔断,更有效地抑制了地线干扰,提高开关电源的抗干扰能力。单片机PWM波通过双通道高速的MOS管驱动芯片TPS2811,使MOS管快速开始工作。

1.5 电源模块

    分布式发电微网控制系统的供电部分分为主电路供电与控制电路供电。主电路供电属于功率流强电范畴,控制电路供电属于信息流弱电范畴。一般情况下主电路是磁干扰源,控制电路是被干扰对象。为了使电力电子设备可靠地运行,除了解决主电路与控制电路之间的电气隔离外,还要解决控制部分的抗电磁干扰等问题。本系统采用IA0512芯片,它通过将+5 V转化为与其相隔离的+12 V和-12 V,不仅将四路驱动信号相隔离使其相互不受影响,而且还使得控制部分与主电路部分相隔离。

2 控制系统的软件设计

2.1 PI算法程序

    当直流母线电压因为分布式发电输出功率的变化出现波动时,以50 kpbs的速率采样直流母线的实时电压反馈给单片机MSP430,单片机将采样电压与母线给定电压进行比较产生了偏差电压eu。通过判断eu的极性来控制电流内环给定电流增减的方向,当给定电流发生改变时,电流内环产生电流偏差ek。系统为了维持电压稳定,电流内环采用PI控制,增强了系统的调节能力,如图3所示为PI算法程序的流程图。

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2.2 占空比可调互斥的PWM波的实现

    PWM波的特点为开关周期T=300 μs;两路PWM,并且同步互斥;带有死区,死区时间1 μs左右,如图4所示为两路占空比可调互斥的PWM波形的中断服务子程序流程图。MSP430 Timer_A的工作模式在具有3个捕捉/比较模块的16 bit定时/计数器,不仅能完成定时的基本功能,还能完成对计数值的捕捉功能,同时可以输出多路PWM波形。

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3 系统的测试及结果分析

3.1 测试仪器及步骤

3.1.1 测试仪器

    示波器:TDS 1001B;电源:SS3323可跟踪直流稳定电源;万用表:FLUKE 15B;信号发生器:TFG2015G DDS函数信号发生器;定制工频电抗器:10 mH;功率负载:25 W/5 Ω~50 Ω。

3.1.2 测试步骤

    (1)观测控制器输出的SPWM信号,符合要求后接入到60 V DC和负载中,用万用表测Ud、Id、U01、I01

    (2)观察负载段的输出波形,查看其频率、幅值、失真等参数,并记录相关波形;

    (3)设置欠压过流故障,测试欠压、过流保护;

    (4)排除欠压、过流故障,测试装置自动恢复功能。

3.2 测试条件及结果

3.2.1 维持直流母线电压稳定功能的测试

    在模拟两端电压不变时,只改变负载,测试结果见表1,可以看出,此时直流母线上的电压基本保持不变。

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    在负载不变,改变给定直流母线电压,测试结果见表2,通过计算,得到直流母线上的电压精准度,p=0.013 8。

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    经过测试,得到电压稳定度s为:

    s=(15.356 8-15)/15=0.023

    综上所述:该应用于分布式发电微网控制系统在稳压范围内,可以稳定母线电压并使得在电压稳定度的范围内很小,且达到很高的稳压精准度。

3.2.2 最大功率跟踪部分的测试

    试验波形及数据如图5所示,为两路互斥的PWM波形,其中,开关周期为300 μs,频率3.3 kHz。

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    死区时间为1 μs,如图6所示。

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    测定功率的传送过程测试数据见表3,可以得到测量值和理论值的比较测定功率的传送过程。

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    当光伏电池输出最大功率时,光伏电池两端的电压U和电流I的比值,即等效电阻R=U/I与电阻的内阻r相等时,光伏电池此时输出最大功率为MPP=U×I是最大值。当MPP时,U=V/2。因此,控制系统可以完成光伏电池的最大功率的输出控制,MPPT太阳能充放电控制器,势必会最终取代传统太阳能控制器。

4 结束语

    本文所设计的分布式发电微网控制系统,在MSP430单片机控制下,以H桥式电路为核心的MPPT设计思想。该系统通过单片机发出的两路占空比可变,互补的PWM波,控制H桥式电路四个MOS管的通断时间,来改变光伏电池的输出电流,同时对当前电流和电压采样,待PI调节器将电流恒定,计算当前的电流和电压。利用MPPT的电流扰动观察法,计算并判断出最大功率点MPP,从而实现光伏电池系统的输出功率最大。经过测试,控制系统可以完成光伏电池的最大功率的输出控制,并使得在电压稳定度的范围内很小,且达到很高的稳压精准度。

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