|
- UID
- 1023166
- 性别
- 男
- 来自
- 燕山大学
|
摘要：文中设计了以DSP28335为控制核心的风光互补智能发电控制系统。分析了前级DC／DC斩波电路的工作原理并运用了基于改进扰动法的最大功率跟踪策略来实现风光互补系统最大功率的跟踪，采用DSP28335芯片作为控制核心，通过对直流斩波电路的检测与控制来实现对系统最大功率的跟踪和总体控制，并通过系统仿真与实验验证了设计的合理性。
关键词：风光互补系统；DC／DC电路；功率跟踪；DSP28335
随着化石能源的日益消耗与环境问题的日益突出。发展新能源技术和保护环境已日益引起世界各国的关注与重视。作为清洁能源的太阳能和风能是目前技术利用最成熟、最具规模化和产业化的新兴能源。但是太阳能和风能都存在稳定性差、常受天气影响和对周围环境依赖性高等缺陷。同时太阳能和风能在时间和地域上的互补性使风光互补发电系统可以最大限度地利用风能与太阳能，提高能源的利用率。随着新能源领域技术的不断成熟与发展，风光互补发电系统作为一种灵活、稳定的电能供给系统将在今后的新能源领域得到广泛的发展与应用。本文提出了基于DSP28335的风光互补发电系统，能够将风能和太阳能进行转化、控制和储存并实现最大功率的输出。
1 风光互补发电系统总体结构
风光互补发电系统主要由基于太阳能与风机组成的电能产生单元、基于DC／DC电路组成的电能变换单元、基于铅蓄电池组成的存储单元、基于逆变器组成的逆变单元和基于DSP28335组成的系统控制单元构成。电能变换单元主要通过前级DC／DC变换电路将风机与太阳能产生的电能变成能被蓄电池存储和逆变器有效转换的稳定电能。系统控制单元主要通过对太阳能输出电压电流，风机整流后的输出电压电流，DC／DC变换电路输出电压电流和蓄电池端电压的检测来实现对风光互补发电系统最大功率的跟踪和蓄电池充电的合理优化。风光互补发电系统总体结构如图1所示。
1．1 前级DC／DC变换电路
文中采用了基于传统升降压电路的一种新型直流斩波电路。改进后的DC／DC变换电路可以保证当风机与太阳能电能输入较少时系统依然可以保持正常的工作模式。DC／D变换电路的工作原理如图2所示，通过MOS管m1和m2控制风机与太阳能电能的输入来实现主电路的升降压，MOS管m1和m2均采用相同周期的PWM控制，MOS管的导通时序如图3所示；t1时间段MOS管m1导通m2关闭，风机独自为电路提供电能此时电感L吸收的电能为UL=UW-Ur；t2时间段MOS管m1、m2同时导通风机与太阳能同时为电路提供电能电感L吸收的电能为UL=UW+UP；t3时间段MOS管m3导通m1关闭太阳能独自为电路提供电能，电感L吸收的电能为UL=UP；t4时间段MOS管m1、m2同时处于关闭状态，此时无电能输入电感L释放存储的能量则有UL=Ur。
对DC／DC变换电路进行分析可得，在一个周期T内当电路工作在t1、t3、t4时间段时，电路处于交替工作状态，根据伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。可得
根据公式(2)可得该直流斩波电路不仅包含基本DC／DC电路所具有升降压功能，同时电路的双输入模式可以保证当风机与太阳能在输入电能较低时仍能保证系统的正常工作，能够充分的利用风能与太阳能可以有效的提高电能的转换效率，同时也可以通过控制MOS管来实现对风机和太阳能输入的控制，具有很好的实用性与可操作性。1．2 基于DSP28335的控制系统
本文控制系统以TMS320F28335型DSP为核心，TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司推出的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与定点DSP相比，28335型DSP在降低成本减小功耗的同时提高了系统的总体性能，增加了外设的集成度以及数据域程序的存储量使A／D转换更加精确与快速。TMS320F28335采用高性能的静态CMOS技术主频可达150 MHz，同时有多达18路的PWM输出，12位16通道ADC，可实时快速完成双向AC／DC变换器的采样、控制和计算等要求。32位浮点处理单元和哈佛流水线总线结构，能够快速执行中断响应，较高的数据处理精度可以使用户快速编写控制算法从而缩短了开发周期，降低软件开发的复杂程度。
基于TMS320F28335DSP的控制系统框图如图4所示控制系统包括DSP芯片、辅助电路、检测电路、PWM控制电路和通信接口电路。控制器通过实时检测太阳能电池输出端电压电流、风机整流后输出电压电流、蓄电池端电压与温度的变化来实现对整个风光互补发电系统的监控，并通过PWM控制电路适时调节前级DC／DC电路中MOS管的导通时序使太阳能电池和风机发出的不稳定能源变为可供控制管理的能源形式，并实现风机与太阳能最大功率的输出。基于DSP28335的风光互补发电控制系统如图4所示。
2 系统最大功率跟踪
由于风机和太阳能电池的功率输出曲线都具有非线性的特征，而且容易受外界环境和用电负荷的影响。因此，要提高风光互补发电系统的电能利用率，就需要控制系统不断的调整风机与太阳能板的功率输出点，使系统功率输出始终保持在最大功率点近。功率跟踪实质是对系统功率不断检测与调整的过程，通过对特定参数的检测与调节，使风机和太阳能电池实观最大功率的输出。文中采用了改进扰动法的最大功率跟踪策略，其既保留了传统扰动法硬件电路结构简单且容易实现的优点同时可以有效的提高跟踪精度减少系统振荡。改进扰动法最大功率跟踪具体的算法思想是将固定步长的跟踪变为可变步长的跟踪，通过对太阳能与风机整流后输出电压和电流的采集，计算得到此时的输出功率P(t)，然后对输出电压施加一个正向的扰动，计算得出施加扰动后的输出功率P(t+1)，然后对输出功率P(t)、P(t+1)做比较，若P(t+1)>P(t)，则说明施加的扰动方向是正确，可以按此扰动方向继续追踪最大功率点；若P(t)>P(t+1)，则说明施加的扰动方向是错误，需要改变扰动的方向。改进扰动法最大功率跟踪的流程图如图5所示。
控制流程图中d为输出PWM波形的占空比，△d为占空比扰动量，§为允许的误差范围值。通过对施加扰动前后电压的采集与功率的计算判断最大功率跟踪的方向是否正确，然后进行下一次的采集、计算和判断，如此循环直到找到最大功率点。系统最大功率的跟踪，就是通过不断地采集、计算和判断进行自寻优的一个过程。在开始时采用较大的步长跟踪，随着工作点不断的接近系统最大功率点，则逐渐地减小扰动步长直到跟踪到系统的最大功率点。采用变步长的扰动跟踪，可以使系统在较短的时间内追踪到最大功率点；同时在功率变化较小时采用小步长扰动跟踪，可以降低系统的稳态误差保证最大功率跟踪的跟踪速度与跟踪精度。
3 仿真分析
本文应用PSCAD电力系统仿真软件建立了永磁同步风力发电机和光伏电池的仿真模型并构建了基于改进扰动观察法的小型风光互补发电系统最大功率跟踪的仿真模型，如图6～8所示。
从图8中可以看出，改进的扰动观察法能很快地跟踪到系统最大功率点，太阳能的输出曲线基本保持平稳，风力发电机的输出曲线虽然出现了小幅度的波动但是由于风力发电系统容易受风速与风向的影响，其输出本身存在不稳定性所以出现小幅度波动是允许的。
4 实验结果
通过对DSP28335控制系统PWM输出信号的采集和DC／DC电路输出电压的检测可以看出在系统运用改进扰动观察法追踪最大功率的过程中，输出PWM的占空比是不断变化的，同时输出电压也随着占空比的变化而不断变化如图9和图10所示，可见基于改进扰动观察法的最大功率跟踪可以快速有效的追踪到系统的最大功率点。
5 结论
在传统的DC／DC电路的基础上采用了一种基于DSP28335的新型直流斩波电路，该直流斩波电路具有升降压功能且可以同时进行能量的双输入。同时在输入能量较低时仍能保证系统的正常工作，可以有效的提高电能的转换效率。同时采用以DSP28335为核心的控制系统可以使基于改进扰动法最大功率跟踪策略能准确迅速的跟踪到系统最大功率点，并通过仿真与实验验证了设计的正确性。 |
|
