基于DSP控制的光伏电池模拟器的设计方法

A Design Method on Photovoltaic Cell Based on DSP Control Abstract: This paper presents a design method on photovoltaic cell based on DSP control. And a mathematics module for photovoltaic cell is built up. Making use of the DSP processor outputs to share empty ratio PWM differently to control the BUCK convertor, make the characteristic that its exportation matches the photovoltaic cell I-U. Practice is proved the way that it can replace the actual photovoltaic cell to carry on various photovoltaic cell of the characteristic exportation is a kind of good method. Key Words: photovoltaic cell; simulator; DSP control; PWM 摘要：本文提出了一种基于DSP控制的光伏电池模拟器的设计方法，建立了光伏电池的数学模型，利用DSP处理器输出不同的占空比PWM来控制BUCK 变换器，使其输出符合光伏电池I-U的特性。实践证明用模拟器来代替真实的光伏电池进行各种光伏电池的特性输出实验是一种良好的方法。 关键词：光伏电池；模拟器；DSP控制；PWM

1  引言          太阳能光伏发电是世界上节约能源、倡导“绿色电力”的一种主要的高科技术产业。光伏发电产业目前在中国及世界各国正以前所未有的速度迅猛发展，但对于光伏发电系统的研究,若采用真实的光伏电池试验，由于太阳能电池价格昂贵,以及受天气、温度、日照的影响等一系列问题会受到很大的限制，因此研究出能够在室内进行各种光伏实验，不受外界环境因素的影响按照光伏电池的I—U特性输出的模拟器，是很有必要的[3].此文详细的介绍了一种光伏电池模拟器的设计方法，并在实验中证明了此方法的可行性。

2  光伏电池的数学模型[1] 光伏电池的数学模型是此光伏电池模拟器实现的基础,由图1可以看出光伏电池I—U 特性具有很强的非线性。  

3  光伏电池模拟器的系统装置结构         模拟器的系统装置结构主要包括整流滤波电路、BUCK变换电路、采样检测电路、DSP控制电路及光耦驱动电路。BUCK变换电路完成DC/DC的转换，主要使输出具有光伏电池I-U特性这种很强的非线性关系；控制电路采用DSP处理器输出多路不同占空比的PWM完成对BUCK电路中的IGBT通断的控制，使其输出符合光伏电池的I-U特性；采样检测电路用于实时采样检测外电路的电流电压，用于反馈采集控制电路所需要的信息。在BUCK电路中由电流传感器（LA28-NP）和电压传感器（LV28-P）分别采集检测电流和电压，传送给DSP控制电路。  

                    3.1  BUCK变换电路        电路中BUCK变换器的开关器件需要采用IGBT开关管进行控制，如果采用单独的IGBT开关管再加上续流二极管，势必会使得变换器的体积增大，即加大了设计的复杂性又增加成本。而采用IPM智能模块就可以很方便的节约成本和减少体积。此设计选用的是三菱公司型号为75CLA060的IPM智能模块，它内部具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高可靠性IGBT。内置有过电流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及外部输出警报端口。用这样的模块作为BUCK变换器的功率器件，大大简化了硬件电路的设计，缩小了电源体积，简化了接线，缩短了开发周期，更主要的是，它提高了系统的安全性和可靠性，而且可以减小由分立元件实现所带来的电平波形不对称的问题。 3.2  DSP控制部分         控制电路作为该变换器的大脑部分，其功能为完成脉宽调制波(PWM波)的生成。该系统所选用的DSP芯片为TMS320LF2407，此芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力。每片LF2407具有两个事件管理器(EVA, EVB)，并且每个事件管理器都具有2个通用定时器，8个16位PWM通道，可以方便地产生三相PWM波，对功率开关器件进行PWM控制[2]。DSP的主要功能是由反馈回来的电压和电流最终生成控制BUCK变换电路的PWM波，在软件设计上完成此功部分，其任务是根据BUCK电路中的实时情况采样电流，电压，完成A/D转换，由数学模型计算出的参考电压，与采集到的电压进行比较，当参考电压大于采集到的电压时，那么调节PWM占空比使电流增大，则参考电压减小，采集电压增大，最终使参考电压与采集电压接近相等，此时PWM占空比不变；当参考电压小于采集到的电压时，与之相反。由差值产生不同占空比的PWM信号以及动态调整占空比的值以改变PWM的波形来控制BUCK电路中的开关器件的通断，目的使差值接近零，使其按照光伏电池I-U的特性输出。

3.3  驱动电路        驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，作用是将输出信号隔离放大，并驱动功率晶体管。DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的通断状态。为了电磁兼容性考虑，驱动电路的输入和输出是相互隔离的。控制信号先通过线性光耦HCPL-0466然后控制IGBT开关管的通断状态。当故障发生时，IGBT模块的故障检测信号Fo先通过TLP181光耦然后再送到DSP，可以将外部控制或保持PWM信号的芯片封锁，关断所有的PWM信号输入，即可保护IGBT。HCPL-0466是专门用于IPM或IGBT/MOSFET的隔离和驱动的线性光耦。   

4 实验仿真及结果         DSP控制程序的编写和调试采用闻亭公司TDS510 USB2.0型仿真开发系统，在TI公司CC‘C2000仿真环境调试下完成的。图5为在日照1000W/m2,温度25oC均不变的情况下实验仿真结果，其波形基本与理论光伏电池I-U特性相符合。  

5  小结       光伏电池的数学模型是一种复杂的指对数运算，因此需要一种高速、高精度地进行实时信号处理的处理器，DSPTMS320LF2407控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为此模拟器控制系统应用提供了一个理想的解决方案.此仿真结果是在没有考虑日照和外界环境温度均变化的理想情况下的曲线，在以后的深入研究中应该考虑到这些真实的外界因素。         本文作者创新点:基于DSP控制的光伏电池模拟器 ,是以光伏电池的数学模型为基础，以功能强大、运算速度快、实时处理能力强的DSP取代单片机控制直流开关电源，对控制指令的处理采用实时计算的方法，而不是传统的查表法。 参考文献： [1] 茆美琴，余世杰，苏建徽. 带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型，系统仿真学报，2005，17-5：1249。 [2] 刘和平，王维俊等. TMS320LF240x DSP C 语言开发应用，北京航空航天大学出版社，2003，1：126-178。 [3] 计长安，张秀彬，何斌等. 基于MCU的光伏控制系统 [J]，微计算机信息，2005，21-3：46-47。 作者简介： 张宇（1981-），男，硕士在读，研究方向太阳能电力电子技术。 张宇翔（1962- ），男，副教授，博士，主要从事太阳能电力电子技术的研究。 通信地址：郑州大学物理工程学院，河南，郑州，450001