數(shù)字信號控制器在太陽能逆變器中的應(yīng)用

　　由于DSP芯片是DSC 核心部件，所以太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計(jì)方案是基于DSP技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。值此以TMS320C2000TM DSP為典型應(yīng)用作分析。因?yàn)橐訲MS320C2000TM DSP的平臺(tái)能夠最佳地響應(yīng)太陽能逆變器多條實(shí)施線路的實(shí)時(shí)挑戰(zhàn)。故以TMS320C2000TM DSP為典型應(yīng)用作分析。該TMS320028xTM，內(nèi)核32位CPU以150MHz的最高頻率運(yùn)行，能夠高效地執(zhí)行在最大功率點(diǎn)下操作面板所需的高精度算法，可確保最高的電源轉(zhuǎn)換效率，甚至在最苛刻與不斷變化的條件下也是如此。DC/AC轉(zhuǎn)換器主橋的驅(qū)動(dòng)由TMS320C 2000器件高度靈活的PWM模塊執(zhí)行并與片上高速12位ADC配合使用，調(diào)節(jié)所需的電流與電壓，從而獲得最常見的正弦波形。圖3(b)為用TMS320C2000 DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計(jì)方案示意框圖。太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計(jì)方案由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。

　　C2000片上高速12位ADC可對電池電壓、電池溫度、環(huán)境溫度與計(jì)量計(jì)數(shù)器的模擬量迸行A/D轉(zhuǎn)換。DC/DC變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使其跟蹤最大功率點(diǎn)。所以在太陽能電池板后接Boost升壓斬波器，將電壓升到400V，這樣設(shè)計(jì)有利于提高系統(tǒng)的效率，也便于后級全橋逆變器并網(wǎng)控制。而DC/AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。

　　對于控制系統(tǒng)，當(dāng)控制電路上電后，首先檢測電網(wǎng)參數(shù)和光伏電池的電壓， 當(dāng)網(wǎng)壓正常時(shí)，全橋逆變器工作在PWM整流器狀態(tài)，中間電壓為400V左右。逆變器工作過程中，由控制芯片DSP檢測中間電壓、并網(wǎng)電流，如果中間電壓過高或者并網(wǎng)電流超過最大電流時(shí)，由控制芯片封鎖全橋逆變器和Boost升壓斬波器的開關(guān)管控制脈沖，同時(shí)斷開繼電器。延時(shí)一段后再嘗試重新啟動(dòng)，若故障仍然存在，則斷開逆變器，DSP能快速響應(yīng)命令。

　　太陽能電池輸出的最大功率隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，系統(tǒng)的最大功率跟蹤由前級Boost升壓斬波器控制。為實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流，其由后級全橋逆變器控制。他們的控制都是由DSP芯片TMS320C2000 協(xié)調(diào)完成逆變器的設(shè)計(jì)。

　　除上述DSC為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源以外，本文還將對太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用、太陽能及風(fēng)力發(fā)電的控制器及風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源等技術(shù)與應(yīng)用作簡介。

　　4、太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

　　太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用自然能源，取之不盡，用之不竭。它的利用不僅解決我國目前8000萬無電居民的用電問題，而且可改善目前全球日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。除此之外，它的利用給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，架設(shè)5公里電線及以后的電費(fèi)投資，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資。

　　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)見圖4所示。由于太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時(shí)，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

　　圖4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖

　　5、太陽能及風(fēng)力發(fā)電的控制器

　　控制器是有效控制太陽能或風(fēng)機(jī)發(fā)出的電力向蓄電池充電，蓄電池向負(fù)載放電，使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內(nèi)工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。

　　5.1全數(shù)字太陽能智能控制器

　　全數(shù)字太陽能智能控制器全部采用微電腦和無觸點(diǎn)控制技術(shù)，并具備各種保護(hù)功能，廣泛應(yīng)用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島*以及移動(dòng)場所提供電力。由于太陽能電池的壽命一般均在20年以上，因此系統(tǒng)壽命可靠性較高，并可取代柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人值守。

　　性能特點(diǎn)：控制電路與主電路完全隔離，可正接地也可負(fù)接地；LED、LCD顯示功能，可顯示當(dāng)前蓄電池電壓、太陽能電池陣列輸出電流、負(fù)載電流及蓄電池充電電流、日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量；多路(6路/12路/18路等)太陽能可以同時(shí)接入；階梯式控制方式，可使太陽能電池發(fā)出的電能最大限度向蓄電池充電，效率大大提高；各路充電電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止靜態(tài)開關(guān)進(jìn)入振蕩狀態(tài)；過充、過放、過載、短路、接反、過熱等一系列報(bào)警和保護(hù)功能；霍爾電流互感器檢測電流；溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)電壓；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，缺電時(shí)電量可以存儲(chǔ)；太陽能每天累計(jì)發(fā)電量，太陽能歷史累計(jì)發(fā)電量，掉電數(shù)據(jù)不丟失；具有RTC功能，可以查尋當(dāng)前時(shí)間，在任何時(shí)候出現(xiàn)異常(過充、過放、過載、短路等)，會(huì)把不同故障發(fā)生的時(shí)間分別記錄下來，送上位機(jī)顯示；提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口；根據(jù)客戶不同需要，可安裝不同等級防雷器；根據(jù)系統(tǒng)需要，可提供光控、油機(jī)、備用電源等功能。

　　5.2全數(shù)字風(fēng)力發(fā)電智能控制器

　　全數(shù)字風(fēng)力發(fā)電智能控制器是控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，控制器全部采用微電腦和無觸點(diǎn)控制技術(shù)，并具備各種保護(hù)功能，廣泛應(yīng)用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島*以及移動(dòng)場所提供電力。

　　其性能特點(diǎn)與全數(shù)字太陽能智能控制器類同，不同之處如下：多路風(fēng)機(jī)可以同時(shí)接入；階梯式控制方式，可使風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能最大限度面向蓄電池充電，充電效率大大提高； 控制器內(nèi)置大功率風(fēng)機(jī)卸載電阻，無級調(diào)節(jié)，逐級投入，使蓄電池不會(huì)經(jīng)受突變大電流充電，大大提高蓄電池使用壽命；風(fēng)機(jī)平穩(wěn)降速，有效防上風(fēng)機(jī)飛車；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，沒電時(shí)電量可以存儲(chǔ)。

　　5.3無尾翼風(fēng)機(jī)控制器原理與特征

　　5.3.1無尾翼風(fēng)機(jī)控制器原理可用圖5描述。

　　圖5 無尾翼風(fēng)機(jī)控制器原理圖

　　5.3.2無尾翼風(fēng)機(jī)控制器特點(diǎn)

　　采用Microchip公司專用微處理芯片；專用的風(fēng)速儀與高性能風(fēng)向傳感器；實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、風(fēng)向、功率、電壓、電流、手/自動(dòng)剎車、偏航、變槳等信息；EMI/EMC指標(biāo)優(yōu)異，配備RS232/RS485及上位機(jī)監(jiān)管軟件；具有欠/過壓自動(dòng)切換，可實(shí)現(xiàn)三級電動(dòng)剎車，自動(dòng)關(guān)槳；防雷擊、過載、短線等各種故障自動(dòng)保護(hù)功能及故障報(bào)警；可設(shè)置最佳切入風(fēng)速和切出風(fēng)速，運(yùn)行中能進(jìn)行智能控制，自動(dòng)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，改變槳距、偏航方向，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出；工作溫度-20℃～+70℃，可配置微型打印機(jī)。其應(yīng)用范圍適用于各種無尾翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制。

　　5.4風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器

　　風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器是控制太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)將太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，由于風(fēng)力資源和陽光資源在不同的地域、季節(jié)、天氣條件分布不同，具有一定的互補(bǔ)性。同時(shí)充分利用風(fēng)力資源發(fā)電一次性投資較低，而新能源發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)量低，采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，性價(jià)比高。兼有太陽能控制器、風(fēng)力發(fā)電控制器的特點(diǎn)。

　　5.5路燈控制器

　　太陽能路燈是一種獨(dú)立的照明系統(tǒng)，路燈控制器是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池為道路提供照明的裝置，采用微電腦芯片和無觸點(diǎn)控制技術(shù)，并具備各種保護(hù)功能。

　　性能特點(diǎn)為：照明開/關(guān)燈自動(dòng)控制(光控、定時(shí)可設(shè)定)；時(shí)控有1小時(shí)、3小時(shí)、4小時(shí)、5小時(shí)、6小時(shí)、8小時(shí)自由選擇；蓄電池充/放電、欠壓/過壓/反接保護(hù)及溫度補(bǔ)償自動(dòng)控制；負(fù)載開/短路自動(dòng)保護(hù)，保護(hù)自復(fù)位。

　　6 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源

　　風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變成交流電并饋送電網(wǎng)。與太陽能發(fā)電一樣，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　工作原理可用框圖6表示，其性能特點(diǎn)與太陽能并網(wǎng)逆變電源類同。

　　圖6 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源框圖

　　7 光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)專用上位機(jī)軟件

　　該軟件為用戶提供一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)管供電、用電設(shè)備的在線系統(tǒng)，配合多功能離網(wǎng)、并網(wǎng)逆變電源，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與處理、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)事故追憶、各種文檔備份、用戶級別選擇、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程特定功能控制、新用戶電源使用學(xué)習(xí)、在線幫助等功能。

　　具體功能如下：

　?、賹?shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與處理：對于系統(tǒng)電量、事故記錄等非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)電源系統(tǒng)采集周期，做定時(shí)采集，打包。在系統(tǒng)相應(yīng)采集周期設(shè)定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行處理并備份。

　?、谑鹿首窇洠壕邆湓敿?xì)的事故記錄(精確到秒，以時(shí)間段顯示，同時(shí)記錄系統(tǒng)所有運(yùn)行參數(shù)備查)；多種查詢方式(按站點(diǎn)、時(shí)間、日期及起組合方式)；報(bào)表生成和打??；數(shù)據(jù)軟件和數(shù)據(jù)硬件備份。

　　③告警功能：具備報(bào)警參數(shù)設(shè)定，告警參數(shù)顯示與保持。提供聲音(內(nèi)容可以自行選擇，滿足個(gè)性需求，同時(shí)提供pc機(jī)內(nèi)部蜂鳴器報(bào)警，為用戶節(jié)約電能)、光、短信、郵件、電話等報(bào)警方式。

　?、馨踩Ｊ剑簩τ脩籼峁?quán)限管理、密碼登錄、無誤操作設(shè)計(jì)，***升級電源知識(shí)數(shù)據(jù)庫，新電源用戶學(xué)習(xí)影像資料；對電源設(shè)備實(shí)時(shí)控制，參數(shù)全面具體，防誤操作處理。

　?、莞郊庸δ芘c人性化設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)顯示多樣化；避免重復(fù)運(yùn)行的設(shè)計(jì)；還可實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控。

　　8 結(jié)束語

　　應(yīng)該說國內(nèi)外許多廠商有很多系列的太陽能及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與產(chǎn)品，上述介紹的應(yīng)用特征僅從共性的角度出發(fā)，因此在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，確定參數(shù)與指標(biāo)，以獲得較高的性價(jià)比。