風光互補發(fā)電系統(tǒng)

1、風光互補發(fā)電系統(tǒng)摘要進入二十一世紀，人類面臨著實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問題日益嚴重，一方面是常規(guī)能源的匱乏，另一方面石油等常規(guī)能源的開發(fā)帶來一系列的問題，如環(huán)境污染、溫室效應等。人類需要解決能源問題，實現可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源和新能源。而太陽能和風能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級利用太陽能發(fā)電和風力發(fā)電技術受到世界各國的高度重視。由于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)均受到外部條件的影響，光靠獨立的風力或太陽能發(fā)電系統(tǒng)經常會難以保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此，在采用風光互補的混合發(fā)電系統(tǒng)來進行相互補充，實現連續(xù)、穩(wěn)定地

2、供電。風光互補發(fā)電以其獨特優(yōu)勢成為新能源研究的熱點之一。本文針對風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計了一套小型模擬裝置，包括太陽能電池模擬，用直流電機對風機的模擬和交錯并聯(lián)Buck-Boost蓄電池充電主電路，并對交錯并聯(lián)Buck-Boost電路和交錯并聯(lián)Cuk斬波電路進行了研究、仿真，以及進行了模擬風機裝置的調試。系統(tǒng)控制全部采用Freescale公司的56F8013 DSP控制實現，給出了各部分流程圖。對于軟硬件的關鍵問題還給出了相應解決方案。關鍵詞：風光互補BuckBoost電路DSPWind & Solar Hybrid Generating SystemABSTRACTEntering th

3、e 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious, on the one hand, conventional energy is serious short on the other hand, the development of oil and other conventional energy brings a series of pr

4、oblems, such as the environmental pollution, the greenhouse effect and so on. Only by relying on the progress of science and technology and the large-scale exploitation and utilization of renewable energy and new energy can human solve the problem of energy, and realize the sustainable development.

5、And solar and wind power are considered the most representative of new and renewable energy, The power technology of solar energy and wind attrack worlds attention. Because of wind power and solar power system under external conditions, and only by independent wind or solar power systems often hard

6、to ensure the continuity and consistency of power system therefore, using hybrid power system of complementary scenery to complement each other, realize the continuous, stable power supply. Wind-light complementary with its unique advantages become one of new energy research hotspots. Aiming at wind

7、-light complementary this article design a small device, including solar cells in dc motor, the simulation and interlacing of fan parallel Buck - hee, and main circuit batteries to Buck staggered shunt circuit and interlacing parallel hee - Cuk chopper were studied, and the simulation, the simulated

8、 fan unit commissioning. Control system adopt Freescale company 56F8013 DSP control chart, each part. The key question for software and hardware to the corresponding solutions.Keyword:Wind and PV hybridBuckBoost Circuit DSP目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.1能源問題11.2風能太陽能的概況11.3 風光發(fā)電的發(fā)展概況11.4 本文的主要內容32風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體方

9、案的設計42.1風光互補發(fā)電系統(tǒng)的組成及總體框圖42.2 模擬太陽能電池框圖52.3 模擬風力發(fā)電機組的組成及框圖63風光互補發(fā)電系統(tǒng)的硬件設計73.1風光互補系統(tǒng)硬件的總體設計73.2風光互補系統(tǒng)主電路83.3風光互補系統(tǒng)的電源模塊9電壓產生電路93.3.2±5V電壓產生電路9電壓產生電路103.4檢測模塊11電壓檢測電路11電流檢測電路113.5驅動模塊124風光互補發(fā)電系統(tǒng)的軟件設計144.1軟件實現功能144.1.1模擬太陽能電池輸出裝置軟件主要實現功能144.1.2直流電機電樞電流控制軟件主要實現功能144.1.3蓄電池充電電路軟件主要實現功能144.2軟件設計工具144.

10、2.1軟件開發(fā)環(huán)境CodeWarrior概述154.2.2PE(Processor Expert)概述154.3程序實現方法及流程圖154.3.1模擬太陽能電池輸出流程圖154.3.2模擬風機流程圖174.3.3蓄電池充電電路流程圖184.4程序關鍵部分的實現204.4.1使用DSP芯片實現PWM移相204.4.2單極性移相PWM控制的實現214.4.3 雙極性移相PWM控制的實現214.4.4 DSP定標和標幺化214定標214標么化225系統(tǒng)仿真與調試235.1仿真工具簡介235.2交錯互補buck-boost斬波電路235.2仿真模型235.2.1仿真結果235.2.3結果分析265.3

11、模擬風機系統(tǒng)調試265.3.1調試設備275.3.2跟蹤風機I-n曲線實驗275.3.3模擬太陽能電池輸出曲線306結論32參考文獻33附錄34謝辭571 緒論1.1能源問題能源是不僅僅是現代經濟社會發(fā)展的基礎，也是經濟社會發(fā)展的重要制約因素。當前，包括我國在內的絕大多數國家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。“解決能源危機可以有如下三種辦法：一是提高燃燒效率以減少能源消耗，實現清潔煤燃料以減少污染；二是開發(fā)新能源，積極利用可再生能源；三是開發(fā)新材料、新工藝，最大限度地實

12、現實現節(jié)能。太陽能和風能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級利用，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電技術受到世界各國的高度重視?！?1.2風能太陽能的概況人太陽能能分布廣發(fā)，可自由利用，取之不經，用之不竭，是人類最終可以依賴的能源。而光伏發(fā)電技術是太陽能利用技術中最具有發(fā)展前景的方式之一。5它具有無污染、無噪聲、安全可靠、故障率低、維護簡單、建設周期短等優(yōu)點。它是今后可替代礦物燃料的戰(zhàn)略性能源，又是當前邊遠地區(qū)能源供應的一種有效的補充。隨著礦物燃料的逐漸消耗，太陽能光伏發(fā)電技術將越來越顯示其重要性和發(fā)展?jié)摿ΑｏL是地球上的一種自然現象，它是由太陽輻射造成地球表面受熱不均引起的，引起大

13、氣層壓力分布不均，以致空氣流動所形成的動能稱為風能。風能是太陽能的一種轉換形式，是一種重要的自然能源，一起蘊藏量巨大、可以再生、分布廣泛以及沒有污染等優(yōu)勢而在各國發(fā)展迅速。全球的風能約為2.74×109WM，其中可利用的風能為2×107WM，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍?？梢钥闯觯柲馨l(fā)電和風力發(fā)電對于改善能源結構、推動生態(tài)環(huán)境建設，特別是對邊遠地區(qū)的生產、生活用電等諸多領域的發(fā)展將發(fā)揮積極的作用，具有廣闊的市場前景。1.3 風光發(fā)電的發(fā)展概況光伏發(fā)電技術1839年，法國物理學家EdmondBecquerel意外的發(fā)現，用兩片金屬浸入溶液結構的付打電池在光照下

14、會產生額外的電視，他將這種現象稱為“光生付打效應（Photovoltaic Effect）”。1873年，英國科學家WilouzhbySmith觀察到對光敏感的硒材料，并推斷出在光的照射下硒導電能力的增加正比與光通量。1880年，Charles Ffitts 開發(fā)出以硒為基礎的太陽能電池，以后人們即把能夠產生光生付打效應的器件稱為“光伏器件”。半導體PN結器件在陽光下的光電轉換效率最高，通常稱這類光伏器件為“太陽能電池（Solar Cell）”。1954年，貝爾實驗室的科學家們第一次用晶體硅材料制成了光伏電池，光電轉換效率高達4%。始于20世紀50年代的空間發(fā)展計劃成為光伏發(fā)電技術的第一個主要

15、應用對象，而且光伏技術的發(fā)展也成為整個空間技術發(fā)展計劃的一部分，對光伏技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用。今天，幾乎所有的人造衛(wèi)星都是靠光伏電池供電，包括通信衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星和科學家實驗衛(wèi)星。風能發(fā)電技術20世紀90年代中后期，在世界范圍內形成了一股風力發(fā)電熱，風力發(fā)電量增長速度居全球之首。全世界風力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要有一下幾個：第一，風力發(fā)電技術比較成熟。近20年來，美國、丹麥等國家投入了大量的人力、物力和財力研究可以商業(yè)運營的風力機，取得了突破性的進展?？衫寐蕪脑瓉淼?0%提高到98%，風能利用系數超了40%。由于采用計算機技術，實現了風機自診斷功能，安全保護措施更加完善，并且實現了單機獨

16、立控制、多機群控和遙控，完全可以無人職守?，F代風力機技術是現代高科技的完善組合。目前，百千瓦級風機已經商品化，投入批量生產，兆瓦級機組也正小批量生產。第二，風力發(fā)電具有經濟性。目前據美國能源部2000年統(tǒng)計，全世界風力發(fā)電機組的單位造價已降為1000美元/KW，單位發(fā)電成本為47美分/kWh；而火力發(fā)電單位造價為700800美元/KW，單位發(fā)電成本為58美分/kWh。第三，全球有豐富的風能資源。據統(tǒng)計全球風能潛力約為目前全球用電量的5倍。美國0.6%的陸地面積安裝了風力發(fā)電機，便可以滿足美國目前電力需求的20%。第四，政府的優(yōu)惠政策。美國政府為風力機行業(yè)提供40%的信貸；德國政府也給風力機投資

17、者提供資助，資助金額最高達單臺風力機投資的60%；丹麥政府對風力機投資者提供資助，20世紀80年代初期為30%，以后逐年減少，到1990年資助完全取消。這些優(yōu)惠政策，促進了風力商品化進程，這也是以上3個國家能成為世界上風電生產大國的一個主要原因。第五，風力發(fā)電是實現人類可持續(xù)發(fā)展的需要。隨著現代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。據專家預測，煤炭還可以開采221年，石油還可以開采39年，天然氣只能用60年。國際能源專家預言：21世紀是風力發(fā)電的世紀。綠色能源風力發(fā)電將為人類最終解決能源問題帶來新的希望?！?】風光互補發(fā)電上世紀八十年代許多人開始了風能、太

18、陽能的綜合利用的研究。丹麥的N.EBusch和Kllenbach（1981年）提出了太陽能和風能混合利用技術問題；美國的C.LAsPliden（1981）研究太陽能風能混合轉換系統(tǒng)的氣象問題；前蘇聯(lián)的N.sarin等根據概率原理，統(tǒng)計出近似的太陽能風能潛力的估計值；余華楊等（1987）也提出了太陽能、風能發(fā)電機的能量轉換裝置。盡管太陽能和風力發(fā)電有上述眾多優(yōu)勢，但是作為獨立供電設備二者均存在一定的局限性。獨立的風力發(fā)電裝置在無風天氣下無法提供電能的連續(xù)供應，而太陽能發(fā)電裝置在夜晚以及陰雨天等氣候條件下無法保證電能的連續(xù)供應。采用風光互補發(fā)電技術后，可以有效解決單一發(fā)電不連續(xù)問題，保證基本穩(wěn)定的

19、供電。我國屬季風氣候區(qū)，一般冬季風大，太陽輻射強度?。幌募撅L小，太陽輻射強度大。同時大部分地區(qū)正午太陽光強的時候一般沒有風，而在夜間沒有太陽光照的時候風力則相對較強。風和光在時間上的互補性使得風光互補發(fā)電技術在保障供電連續(xù)性上有重大意義，風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有電力輸出穩(wěn)定、經濟性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，也解決了太陽能發(fā)展中對電網沖擊等影響。因而風光互補發(fā)電技術正在得到廣泛地應用。1.4畢設任務的提出將風力發(fā)電機與太陽能電池組合，通過控制系統(tǒng)對蓄電池進行充電，就能保證晴天、陰雨天的充電能量能夠持續(xù)。但是由于風能和太陽能受氣候影響波動大，輸出不穩(wěn)定，而且二者輸出功率不匹配，使得風光互補發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調工

20、作存在一定困難。因此，本文的主要目的是在模擬一套風光互補發(fā)電系統(tǒng)裝置對風光互補發(fā)電匹配進行試驗，設計一種用于小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)儲能環(huán)節(jié)的充電控制器，該控制器能夠實現升降壓控制穩(wěn)定輸出電壓，這樣就可以將功率變化較大的風電和光電有效的加以利用，從而提高系統(tǒng)的整體運行效率。1.5本文的主要內容主要的工作本文對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點設計了一套風光互補模擬裝置，其中包括風機模擬裝置和太陽能電池輸出模擬裝置，并設計了蓄電池充電電路，還進行了大量理論研究、仿真模擬和實驗驗證。本文主要章節(jié)如下安排：第一章 介紹了本課題提出的背景，將當今世界的能源問題和新的能源的發(fā)展情況進行了簡要的概述，明確了自己的設計任務

21、。第二章 簡單的介紹了風力發(fā)電，太陽能發(fā)電以及風光互補發(fā)電的發(fā)展和技術特點、難點。第三章 給出了總系統(tǒng)的設計方案，有系統(tǒng)的總框圖、蓄電池充電主電路、模擬太陽能電池輸出裝置和模擬風機裝置的電路框圖。第四章 就本文所涉及到的關鍵問題進行了分析與解決，包括主要拓撲結構的選擇，控制策略的選擇和實現方法等。第五章 用PSIM對本文提到的兩種交錯拓撲進行了仿真研究，得到了些仿真結果，證明了設計思路的合理性和分析結果的正確性；并對橋式電路的模擬風機和太陽能輸出效果做了實驗，證明了可行性。第六章 總結了個人所做的工作和不足之處。2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體方案的設計2.1風光互補發(fā)電系統(tǒng)的組成及總體框圖風光互補發(fā)

22、電系統(tǒng)由太陽能電池板、小型風力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等組成。本文基于太陽能模擬電路模擬太陽能電池板輸出，使用直流電機模擬小型風機帶動直流發(fā)電機構成風力發(fā)電機組，蓄電池充電電路為交錯互補buckboost電路，系統(tǒng)控制器采用Freescale公司DSP56F8013為控制核心對各模塊分別控制實現。下圖為系統(tǒng)的總體框圖：圖21風光互補發(fā)電系統(tǒng)總體框圖模擬風機所要使用的直流電機以及永磁發(fā)電機、增量式編碼器的照片如下：圖22模擬風力發(fā)電裝置及測速環(huán)節(jié)（1） 風力機：將風能轉換為機械能。本實驗中使用直流電機模擬。（2） 發(fā)電機：發(fā)電機直接與風力機相連，由風力機帶動向外發(fā)電。（3） 整流橋

23、：實現不可控整流，將發(fā)電機所發(fā)出的交流換為直流電。（4） 模擬太陽能電池裝置：產生類似于太陽能電池輸出特性的直流電輸出。（5） DC/DC模塊：直流模塊，將整流、濾波后的直流電變換為可供蓄電池和負載使用的恒壓或橫流電，是系統(tǒng)的主要受控模塊。（6） 蓄電池：系統(tǒng)的儲能裝置，它將系統(tǒng)所發(fā)電能儲存起來，在無風的情況下釋放能量向負載供電。（7） 輔助電源：由多個DC_DC電源模塊組成，產生不同幅值的電壓，向控制板上的各類有源器件提供電能供應。（8） DSP控制器：系統(tǒng)的控制核心，用來進行檢測信號的分析、處理并得出相應的控制策略，從而產生控制信號。（9） 驅動：用于驅動控制板上各種功率元件。（10） 上

24、位機PC:與控制器之間進行通信，可向控制器發(fā)出各種控制指令，并可獲得下位機的工作情況。2.2 模擬太陽能電池框圖圖2-3 太陽能電池模擬裝置總體框圖(1) 交流變壓器：產生一個可以調節(jié)的交流電壓，一方面降低整流電路器件壓力，另一方面實現電氣隔離，防止燒毀器件。(2) 整流橋：實現不可控整流，將發(fā)電機所發(fā)出的交流電變換為直流電。(3) 濾波電路：電容濾波，產生電壓比較穩(wěn)定的直流電。(4) 全橋變換電路：通過PWM控制，調節(jié)輸出電壓。(5) 輔助電源：由多個DC-DC電源模塊組成，產生不同幅值的電壓，向控制板上各類有源器件提供電能供應。(6) DSP控制器：系統(tǒng)的控制核心，用來進行檢測信號的分析、

25、處理并得出相應的控制策略，從而產生控制信號。(7) 驅動：用于產生能夠驅動IGBT的PWM信號。2.3 模擬風力發(fā)電機組的組成及框圖圖2-4模擬風機裝置的總體框圖(1) 交流變壓器：產生一個可以調節(jié)的交流電壓，一方面降低整流電路器件電壓應力，另一方面實現電氣隔離，防止燒毀器件。(2) 整流橋：實現不可控整流，將發(fā)電機所發(fā)出的交流電變換為直流電。(3) 濾波電路：電容濾波，產生電壓比較穩(wěn)定的直流電。(4) 全橋變換電路：通過PWM控制，調節(jié)輸出電流。(5) 直流電機：用來模擬風機輸出特性，其輸出In曲線符合風力機輸出曲線。(6) 光電編碼器：用于檢測直流電機轉速。(7) 輔助電源：由多個DC-D

26、C電源模塊組成，產生不同幅值的電壓，向控制板上各類有源器件提供電能供應。(8) DSP控制器：系統(tǒng)的控制核心，用來進行檢測信號的分析、處理并得出相應的控制策略，從而產生控制信號。(9) 驅動：用于產生能夠驅動IGBT的PWM信號。3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的硬件設計3.1風光互補系統(tǒng)硬件的總體設計系統(tǒng)硬件電路包括主電路部分，控制板部分，驅動部分，信號采樣調理部分和輔助電源部分，設計原理圖如圖3-1所示，圖3-2為PCB設計圖。接上一節(jié)去教學樓的圖3-1風光互補系統(tǒng)硬件設計原理圖圖3-2 PCB設計圖圖3-3系統(tǒng)電路板實物圖3.2風光互補系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路的原理如圖3-4所示。圖3-4系統(tǒng)主電路原理

27、圖圖中BR為不可控整流橋，E1=E2=630uF/450V為整流濾波電容，R1=330KW、R2=360KW、R3=10KW為輸入側直流電壓檢測部分，Q1Q4為直流變換開關器件，Q5為負載投切控制開關,IGBT選用G40N60B3D。L1=L2=0.5mH為電路主電感，D1、D2為BUCK變換續(xù)流二極管，D3、D4為BOOST變換反關斷二極管，R8=100KW、R9=10KW為輸出直流側電壓檢測部分，Ra為流經蓄電池電流的檢測電阻，Rb為負載電流檢測電阻。此外，主電路中還包括各濾波電容、功率器件的緩沖電路、蓄電池和負載等部分。3.3風光互補系統(tǒng)的電源模塊內部電源模塊的24V電源直接由主電路獲得

28、，當系統(tǒng)開始正常工作時，系統(tǒng)一邊向負載和蓄電池供電，同時向內部電源模塊供電，以保證控制部分的正常工作。而在系統(tǒng)的啟動過程中，蓄電池將提供系統(tǒng)啟動所需的電能，在系統(tǒng)開始正常工作后進行補充。15V電壓產生電路15V電壓產生電路如圖3-4所示。該電路使用24V轉15V的帶隔離直流電源模塊IB2415LS/D-2W，該模塊體積小，工作穩(wěn)定性好，應用靈活，圖3-4 15V電壓產生電路很適合線路板上分布式電源系統(tǒng)中需要產生一組與輸入電源隔離的電源的應用場合。系統(tǒng)共有三個該電源產生電路，用于提供功率開關IGBT的驅動電壓，其中Q1、Q3由于發(fā)射極與輸入電壓不共地，所以需要單獨提供驅動電源，Q2、Q4、Q5發(fā)

29、射極基本處于同一電位，所以可共用一個驅動電源。±5V電壓產生電路±5V電壓產生電路如圖3-5所示。該電路使用24V轉±5V的帶隔離穩(wěn)壓的直流電源模塊IA2405KS-1W，該模塊溫度特性好，且輸出電壓穩(wěn)定紋波小，適合與線路板上產生與輸入隔離的正負電源的場合。系統(tǒng)只有一個該電路結構，它的輸出參考點和系統(tǒng)模擬地共在一起，用于向電流檢測信號調理電路的運放提供所需的正負電源。圖3-5 5V電壓產生電路3.3.35V電壓產生電路圖3-6為數字3.3V電壓產生電路，該電路由兩個直流模塊組成，先使用IB2405LS/D-2W將24V電壓變?yōu)?V電壓，再利用芯片LM3940將5V

30、電壓變?yōu)?.3V電壓。LM3940使用時輸入和輸出側必須要有濾波電容，否則無法正常工作。該電路主要向控制板的DSP及其外圍電路和驅動芯片輸入端進行供電。圖3-6 數字3.3V電壓產生電路圖3-7是產生3.3V模擬電源的電路，利用小磁珠將數字3.3V和模擬3.3V、數字地和模擬地進行隔離，得到干凈的模擬電源，作為運放輸入的參考電壓使用。圖中DS為電源指示燈，R55為限流電阻，當系統(tǒng)上電后，DS發(fā)光表明供電模塊正常。圖3-7 模擬3.3V電壓產生電路3.4檢測模塊電壓檢測電路電壓檢測電路如圖3-8所示，該系統(tǒng)直接利用電阻分壓進行電壓檢測。分壓電阻根據端電壓的最大值大進行選取，當端電壓為最大值時，使

31、分壓結果為3.3V即可。C為濾波電容，濾除高頻噪聲。D1、D2為限壓保護二極管，當檢測電壓低于0V時，下管D2導通，將輸出電壓U牽制在0V，而當檢測電壓高于3.3V時，上管D1導通，從而將輸出電壓U牽制在了3.3V，所以輸出電壓U只在0V到3.3V之間，不會對DSP產生損壞。電流檢測電路電流檢測電路如圖3-9所示，利用一個采樣電阻進行電流檢測。Ra為50m采樣電阻，最大可通過5A電流，C為濾波電容。由于采樣電阻很小，所以需要進行進一步的處理才能輸入到DSP，圖3-10為電流檢測信號放大調理電路。該電路共有兩級運放，由于所檢測的蓄電池電流有正負之分，所以運放利用正負電源進行供電。電路選用雙運放芯

32、片OP284，該芯片具有供電電壓范圍寬，增益穩(wěn)定，溫漂小，帶寬大，噪聲小等特點，完全可以滿足電路設計需要。圖3-8 電壓檢測電路 圖3-9 電流檢測電路圖3-10 電流檢測信號放大調理電路電路第一級為信號放大環(huán)節(jié)，設其增益為A1，輸入為V1in，輸出為V1out，則有： (3-1)該環(huán)節(jié)放大電路將采樣電阻檢測得到的微小電壓信號，放大為-3.3V+3.3V的電壓信號。由于DSP的輸入只能是0V3.3V的電壓信號，所以需要偏置環(huán)節(jié)將前級放大信號調整到合適的范圍，調理環(huán)節(jié)實際上就是給前級輸出加一個直流偏置，將-3.3V+3.3V的電壓信號變換為0V3.3V的電壓信號。調理環(huán)節(jié)的輸入為V1out，設其

33、輸出為V2in，則有： (3-2)第二級運放為電壓跟隨電路，設其輸出為V2out，則有： (3-3)該環(huán)節(jié)將調整好的電壓信號直接輸出，起緩沖穩(wěn)壓作用。最后的環(huán)節(jié)是對信號進行濾波與保護，該環(huán)節(jié)的作用和電壓檢測電路中介紹的作用相同。3.5驅動模塊由于DSP發(fā)出的PWM信號不能直接驅動IGBT工作，IGBT工作時需要+15V的開柵電壓和低于0V的關柵電壓，所以本文選用惠普公司專用驅動芯片HCPL3120。它是一種專門用于驅動IGBT的光耦隔離式集成驅動芯片，最高開關頻率可達2MHz，輸出驅動電壓變化范圍大，它可以驅動1200V/100A的IGBT。圖3-11是該芯片的功能框圖和真值表。當光耦導通時，

34、如果所加電壓VCCVEE大于13.5V，芯片輸出高電平VO=VCCVEE，驅動IGBT開通；當光耦關斷時，芯片輸出低電平使IGBT關斷。圖3-11 HCPL3120的功能框圖和真值表圖3-12 驅動電路原理圖圖3-12為驅動電路的原理圖，將芯片中內部發(fā)光二極管的正端接3.3V高電平，負端接控制信號GA_A，當GA_A為低電平時，內部光耦導通，輸出高電平驅動IGBT開通，當GA_A為高電平，內部光耦關斷，輸出低電平使IGBT關斷。R10為內部二極管的限流電阻，C21為電源濾波電容，該電容必須有，不然芯片可能無法正常工作。C26、R20、D9是為了確保IGBT可靠關斷，R25用來限制柵極du/dt

35、不至過大，DZ5用來穩(wěn)定驅動輸出電壓，使之保持在015V之間。4 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件實現功能軟件實現以Freescale公司DSP56F8013為控制核心，分別控制太陽能電池輸出模擬裝置的全橋變換器，直流電機電樞電流控制的橋式整流電路和蓄電池充電電路中的交錯并聯(lián)DC/DC變換器。4.1.1模擬太陽能電池輸出裝置軟件主要實現功能對采樣檢測到的模擬信號進行AD轉換；對AD轉換后的采樣信號進行軟件低通濾波，對系統(tǒng)進行軟件保護； 根據檢測信號得到相應的控制策略和控制量；產生4路PWM脈沖信號，控制主電路中四只IGBT開關管的開通和關斷。4.1.2直流電機電樞電流控制軟件主要實現功能對

36、采樣檢測到的模擬信號進行AD轉換；對AD轉換后的采樣信號進行軟件低通濾波，對系統(tǒng)進行軟件保護； 使用外部中斷計算脈沖編碼器的脈沖數，進而計算直流電機轉速； 根據檢測信號得到相應的控制策略和控制量；產生4路PWM脈沖信號，控制主電路中四只IGBT開關管的開通和關斷。4.1.3蓄電池充電電路軟件主要實現功能對采樣檢測到的模擬信號進行AD轉換；對AD轉換后的采樣信號進行軟件低通濾波，對系統(tǒng)進行軟件保護； 根據檢測信號得到相應的控制策略和控制量；產生4路PWM脈沖信號，控制主電路中四只IGBT開關管的開通和關斷。4.2軟件設計工具本系統(tǒng)主要使用的軟件為Motorola公司DSP的軟件開發(fā)調試工具Cod

37、eWarrior和其嵌入式PE(Processor Expert)軟件包。17對于DSP56800系列產品，飛思卡爾提供了兩個有力的軟件開發(fā)工具。一個是CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境，是一種可靠的用于交叉匯編，交叉C編譯、鏈接和調試的開發(fā)工具；另外一個是軟件開發(fā)工具PE(Processor Expert)軟件包它提供了各種外設模塊的驅動程序和接口。4.2.1軟件開發(fā)環(huán)境CodeWarrior概述CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境包含了一個可視化的工程創(chuàng)建和管理系統(tǒng)，對源代碼文件和庫進行全面的管理，降低了工程的復雜性。它帶有一個代碼編輯器，采用了習慣的拼寫風格，是建立和修改源代碼的理想工具。

38、它還帶有一個C源碼級的調試器，提供基于WINDOWS的代碼調試功能，可視化地顯示復雜的數據結構和表達式的內容，大大加快了系統(tǒng)開發(fā)的速度，提高了工作效率?？傊?，CodeWarrior IDE允許設計人員可視化地進行代碼編輯、鏈接、調試和內核仿真等多種操作。4.2.2PE(Processor Expert)概述PE(Processor Expert)是Codewarrior IDE中集成的軟件包，內置自動代碼生成工具；并且具有數據可視化和帶模板的項目管理工具，可以根據用戶的要求選擇需要的外設模塊，利用圖形化的用戶接口，對選定的模塊進行設置，自動創(chuàng)建初始化代碼，并按照要求生成一些功能代碼。能夠顯著縮

39、短開發(fā)時間、提高代碼質量。使用該軟件開發(fā)應用系統(tǒng)，可極大減少用戶的工作量，大大提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。利用PE可以花較少的時間了解所應用的DSP，就可以通過嵌入式豆將所需的功能進行配置，并完成驅動程序的生成，所以用戶就可以快速建立一個初步的應用軟件進行測試和改進，使用戶專心開發(fā)用戶系統(tǒng)特有的程序而不必拘泥于芯片的細節(jié)設置。由于Processor Expert具有上述特性，因此對于它的操作就非常簡單便捷。一切操作都是圍繞每一個Embedded Bean的“特性”、“方法”和“事件”這三種屬性產生的。下面就結合Processor Expert的界面來介紹對它的操作 18。4.3程序實現方法及流程圖4.

40、3.1模擬太陽能電池輸出流程圖模擬太陽能電池輸出時，在主函數進行了各模塊的初始化，在ADC中斷中實現了AD轉換與濾波,在PWM重載中斷中實現PI控制與PWM給定，在定時器中斷中判斷電路有無過流，有過流則關閉PWM輸出。圖4-1模擬太陽能電池輸出流程圖其中ADC與PWM同步轉換。其實現為每次PWM中斷開啟使能AD轉換中斷，進入AD中斷之后AD轉換濾波完畢后關閉ADC，等待下一次進入PWM重載中斷在此開啟AD后才進行下一次AD轉換。這樣，沒執(zhí)行一次PWM重載只執(zhí)行一次AD轉換。4.3.2模擬風機流程圖模擬風機時，在主函數進行了各模塊的初始化，在ADC中斷中實現了采樣電壓、電流的AD轉換與濾波,在P

41、WM重載中斷中實現PI控制與PWM給定，當脈沖編碼器有脈沖產生時進入外部中斷，在外部中斷中進行脈沖計數并判斷電機是否轉速太高，在定時器中斷中判斷電路有無過流，有過流則關閉PWM輸出，同時進行電機轉速的計算。圖4-2 模擬風機流程圖4.3.3蓄電池充電電路流程圖程序控制交錯并聯(lián)BUCK-BOOST變換器實現電池兩階段充電，程序中應用到了ADC中斷和PWM重載中斷。首先在主函數進行了各模塊的初始化，在ADC中斷中實現了采樣電壓、電流的AD轉換與濾波,并判斷是否有過流和過壓的情況，如果有則使CONTROL_STATE置0，然后關閉ADC跳出中斷，跳出中斷；否則根據采樣電流電壓判斷蓄電池電量，選擇相應

42、的控制策略給CHARGE_STATE賦不同的值。圖4-3 主電路控制流程圖主程序和AD中斷程序在PWM重載中斷中首先判斷CONTROL_STATE狀態(tài)，如果為0則封鎖PWM輸出，否則通過讀取CHARGE_STATE的值來判斷蓄電池充電控制策略，CHARGE_STATE為0，則四路PWM均給0，CHARGE_STATE不等于0則根據CHARGE_STATE狀態(tài)和采樣電流電壓計算期望的給定電壓Vref，比較Vin和Vref選擇Buck或者Boost控制策略，同時將另一組PI歷史積分值置0，并實現PI控制產生PWM給定，之后進行ADC中斷使能。圖4-4 主電路控制流程圖PWM重載中斷程序4.4程序關

43、鍵部分的實現4.4.1使用DSP芯片實現PWM移相Freescale公司DSP56F8013芯片可以配置成三個互補的PWM輸出或六個獨立的PWM輸出或二者的組合?？梢栽O置成為邊沿對齊模式或者中心對齊模式，6個PWM通道共用一個PWM計數器，可以實現中心對齊模式下的半周期重載或1-16個PWM周期重載。194.4.2單極性移相PWM控制的實現觀察單極性移相PWM四路控制信號的波形可以看到PWM1和PWM2的導通中心是相同的，所以在實現時可以將PWM設置成中心對齊模式；同時可以看到PWM1和PWM2導通時間之和是一個周期，而PWM1的占空比與PWM2的占空比之差正是實際的占空比，所以PWM1占空比

44、50%+D/2，PWM2的占空比50%-D/2，重載后四路PWM波形即如圖4-11(c)所示。4.4.3雙極性移相PWM控制的實現因為Freescale公司DSP56F8013芯片6個PWM通道共用一個PWM計數器，所以不能夠直接產生移相的PWM波形。對于雙極性的移相PWM控制要求兩個互補的PWM信號，占空比均為50%，但是它們之間要求可以在0-180度范圍內調節(jié)相差。該PWM波形可由以下方法產生：設置PWM模塊中心對齊模式，半周期重載，第一個PWM信號直接給占空比50%，第二個的PWM信號在前半個PWM周期中給一個占空比D1，后半個周期給一個占空比100-D1，則兩個PWM信號占空比均為50

45、%，而在相位上有一個等于（50-D1）/100的相差，最多可以超前或滯后90度，如果兩個PWM信號均用上述半周期改變占空比的方法，則可以產生最多超前或滯后180度的PWM輸出。4.4.4 DSP定標和標幺化4.4.4.1定標在定點DSP中，采用定點數進行數值運算其操作數一般采用整型數來表示，而且是以2進制補碼形式表示的。以16位定點DSP為例：無符號數的表示范圍是：065535有符號數的表示范圍是：-3276832767對于定點DSP而言，內部運算的操作數均為16位整型數。但是在實際控制系統(tǒng)中許多變量均為小數。如果要用整型數來表示一個小數，就需要確定變量的小數點在16位整型數的位置。這一過程就

46、是定標。通過設定小數點在16位數中的不同位置，就可以表示不同范圍和不同精度的數。如果把小數點放在最低位之前，我們稱Q1定標，依次為Q2，Q3，放在最高位的前面是Q16定標。取最高位為符號位，我們就可以有Q0，Q1Q15定標十六種定標方式。定標之后的數在進行加減運算時要先進行統(tǒng)一定標，之后才可以加減；在進行乘法時，結果的定標是兩個乘數定標之和；除法運算結果定標為兩個定標之差。4.4.4.2標么化將物理量或參數用實際值用相對于該量的基準值來表示的單位制，成為相對單位制。16相對單位制表達的量也稱為標么值，定義為因為在DSP控制中，AD采樣的結果，占空比的給定都是標幺值，所以電壓電流的表示以及其他中

47、間運算最好也用標幺值，這樣更容易統(tǒng)一單位，而且不需要考慮乘系數。在定標過程中要求所有量定標要統(tǒng)一，例如：已經給電壓和電流定標，那么電阻基準值就等于電壓基準值除以電流基準值。在16位定點DSP的標幺化中，所有標幺值都是Q15定標，實際值在-1和0.9999695之間，所以要求基準值大于或等于實際的最大值。CodeWarrior IDE軟件開發(fā)平臺可以非常容易地實現Q15作為固定定標值的小數運算，集成在嵌入豆DSP Func MFR中。加減乘除分別用Frac16 add(Frac16 x,Frac16 y),sub(Frac16 x,Frac16 y),Frac16 mult_r(Frac16 x

48、,Frac16 y),Frac16 div_s(Frac16 x,Frac16 y)。因為Q15定標處理的數實際上表示小數，所以在做除法時要求被除數小于除數。5 系統(tǒng)仿真與調試5.1仿真工具簡介PSIM是趨向于電力電子領域以及電機控制領域的仿真應用包軟件，具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設計、電機驅動研究等有效提供強有力的仿真環(huán)境。PSIM具有獨特仿真速度、可控制任意大小的電力變換回路、及對控制回路仿真功能的特點，在各不同系統(tǒng)的仿真領域、控制環(huán)的設計、以及電機驅動系統(tǒng)設計領域被廣泛應用。20PSIM作為仿真工具以及設計工具使用，可大大提高工作效率和生產

49、性能，對降低開發(fā)成本和縮短研發(fā)周期都起到舉足輕重的作用。5.2交錯互補buck-boost斬波電路5.2.1仿真模型圖5-1 蓄電池充電電路仿真電路圖5.2.2仿真結果輸入電壓：Vin=10V30V的三角波，頻率20Hz輸出電壓給定：Vref=20V開關頻率：f=20KHz主電感：L1=L2=0.5mH仿真時間：t=0.2sBUCK變換PI控制參數：Kp=0.5，Ki=0.000007BOOST變換PI控制參數：Kp=25，Ki=0.0011按照上述參數運行仿真，得到系統(tǒng)仿真結果波形如下圖所示：圖5-2為啟動階段仿真波形，圖5-3為輸出電壓的放大圖，從中我們可以看出輸出電壓大約經過6ms的調節(jié)

50、時間即能達到穩(wěn)定；圖5-4為穩(wěn)定階段的放大圖（100ms到150ms），從中我們可以觀察出控制波形在電路buck和boost工作狀態(tài)之間的切換；圖5-5在圖5-4的基礎上進一步進行了放大，從中即可觀察出buck工作狀態(tài)到boost工作狀態(tài)轉換過程中PWM波形的變化；圖5-6為兩相斬波電路PWM波形交錯互補的波形圖，圖形選自137.3ms到137.7ms，波形選擇為boost工作狀態(tài)PWM3和PWM4波形；圖5-7為buck工作狀態(tài)下的電流波形，可以看出輸出電流脈動大為降低；圖5-8為IGBT1驅動失效情況下輸出電壓波形，可以看出輸出電壓仍然能夠穩(wěn)定在20V左右。圖5-2 啟動階段仿真結果圖5-

51、3 啟動電流放大圖圖5-4 局部放大圖（已經穩(wěn)定）圖5-5 PWM狀態(tài)轉換放大圖圖5-6 PWM交錯互補波形圖圖5-7 buck工作狀態(tài)下的電流脈動波形圖5-8 IGBT1驅動失效輸出電壓曲線5.2.3結果分析該系統(tǒng)能夠實現升降壓變換，在10-30V范圍內的輸入電壓，均能很好的穩(wěn)定到期望電壓上，在輸入電壓變化過程中能夠很好地判斷升降壓狀態(tài)并進行切換，啟動時調節(jié)時間6ms左右。而且通過仿真確實看到了兩相buck電路輸出電流脈動要小于兩相電路中電感電流脈動，因此能夠減小感性元件體積。同時通過做IGBT1驅動失效的仿真證實了雙相斬波電路能夠增強系統(tǒng)可靠性這一結論。5.3模擬風機系統(tǒng)調試本文控制橋式電

52、路模擬風機P-n特性，并將P-n轉化為I-n圖，其曲線近似正態(tài)曲線形狀，本文控制橋式輸出電流跟隨電機轉速以正態(tài)曲線變化。在以下實驗結果圖中n均以綠色曲線表示，I均以紅色曲線表示。5.3.1調試設備圖5-20 調試設備照片5.3.2跟蹤風機I-n曲線實驗風機I-n曲線近似于其輸出特性P-n曲線（圖1-3），本實驗實際跟蹤一條由Matlab產生的正態(tài)分布變化規(guī)律的曲線。本文在測試了DSP控制芯片響應正確，電流檢測電路輸出正確之后，又對PWM輸出進行了檢測，在各個部分調試完全正常的情況下對系統(tǒng)整體進行了測試，通過PC_Master對系統(tǒng)進行在線調試并采得了波形。首先調節(jié)AD采樣偏置，使沒有電流時，A

53、D反饋為零。結果如下圖6-21：其中綠線表示電機轉速，從0到500r/min；紅線表示期望電流；藍線表示采樣電流；淺綠色線代表通過低通濾波以后的電流值。圖5-21 沒有輸出電流時的波形然后通過自耦調壓器逐漸加大電壓，當電壓偏小時，電感電流變化較慢會對應一個大的PI參數。增大自耦調壓器輸出到25V左右，調節(jié)PI參數，系統(tǒng)實現了很好的跟隨效果，如圖5-22。藍線去濾波后電流值（以下圖均如此）圖5-22 輸出波形在調試過程中還得到如下波形，其中圖5-23為參數P偏小時的波形，圖5-24為參數P偏大的波形，圖5-25為參數I偏小的波形。圖5-23 參數P偏小圖5-24 參數P偏大圖5-25 參數I偏小

54、由上可知，PI調節(jié)器參數是受硬件參數影響變化的。對應于某個特定的環(huán)境，有一個PI參數的范圍能使系統(tǒng)達到要求的控制效果，參數太大或太小，系統(tǒng)性能都會大打折扣。5.3.3模擬太陽能電池輸出曲線太陽能電池輸出特性曲線如1-4所示，本實驗控制橋式電路根據電壓值產生期望電流，控制輸出電流跟蹤太陽能電池輸出曲線。實驗結果如圖5-26所示，太陽能電池參數選擇：Uoc=50V，Isc=5A，Um=40V，Im=4.5A其中綠色線表示輸出電壓Vout，其中500代表50V；紅色線表示期望的電流值，綠色線代表電流霍爾對輸出采樣的采樣電流值，其中7000代表5A。圖5-26 太陽能電池輸出特性跟蹤效果6結論通過這個

55、實驗我們也看出了，使用橋式電路來控制電流是可行的，而且效果很好，可以使用橋式電路來進行風機和太陽能電池輸出的模擬。本文雖然完成了系統(tǒng)的設計以及已經各部分的模擬和實驗，但是由于缺少關鍵設備導致沒有對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合試驗，無法整個系統(tǒng)的給出確定性結論。此外，由于時間原因，本文只是完成了一些簡單設計，風光互補發(fā)電技術尚有許多可以更深入思考的地方，比如容量預測，功率因數校正等等，值得進一步研究。通過兩個月的鍛煉，我的動手能力，分析問題的能力都有了一定提升。我在這個風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要負責電路板和驅動板以及主電路板的焊接。主要負責了焊接控制板，由于我時間有限在北京的這兩個月時間負責了控制板的焊接，尤其是DSP8037芯片的焊接。以及做整個系統(tǒng)仿真模型的連線。雖然我們做完了兩臺風光發(fā)電的機子送到寧夏進行試驗的時候出了故障。但是我通過在實驗室里對整一個系統(tǒng)進行模擬仿真結果是非常好的。我們會在不斷地改進我們的方案，使得我們的風光互補發(fā)電系統(tǒng)能夠得到真正的應用。為國家電網減輕供電負擔。我在學習這個系統(tǒng)的原理時不斷地查閱文獻過程中豐富了自己的知識，提高了檢索能力，總的來說還是很有收獲的。參考文獻1王曉丹：通信電源設備使用維護手冊J，人民郵電出版