光伏发电系统MPPT数字控制器设计

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太阳能是-种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用正逐步成为各国政府重点发展的战略。光伏发电”是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的-种可再生、无污染的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世界各国可再生能源发展的重点。典型的光伏发电系统是 由光伏阵列、电缆、电力电子变换器、储能元件、负载等构成。

光伏阵列根据系统实际电压和电流的需要 ，由若干光伏电池组件经串、并联组成。光伏发电系统分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统-z 。

光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受 日照强度、环境温度和负载情况影响。在-定的日照强度和环境温度下，光伏阵列所接负载阻抗不同，输出功率不同。

只有当所接负载阻抗与光伏阵列此时的最佳匹配阻抗相等时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，-个重要的途径就是实时调整光伏阵列的输人阻抗，使之始终等于光伏阵列的最佳匹配阻抗，这-过程就称之为最大功率点跟踪。

目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载中间加入- 个 DC/DC变换器，通过改变 DC/DC变换器中功率开关管的导通率 ，来调节光伏阵列输入阻抗的大小，从而实现最大功率跟踪控制。

本文对独立光伏发电系统设计 了-种基于 MSP430单片机的最大功率点跟踪数字控制器。

1 最大功率点跟踪控制器硬件设计1.1 直流变换器主电路a)元器件选型直流变换器主电路采用 Buck电路，原理图如图 1所示，D 为防反充二极管，当接蓄电池负载时，可防止蓄 电池在低照度时和夜晚反向对光伏阵列充电。D 选取的型号为 6A10，最大通流能力为 6 A。设置 C 是为了保证光伏阵列输出电流连续 ，以免发电功率损失，实验时选取 C为 2 200 uF。

光伏电池阵列D L/，，lC. Dz C：二 [图1 太阳能发电系统 Buck电路原理图目前中小功率 DC/DC变换器主功率开关管-般选择MOSFET管；对于大功率变换，由于 MOSFET管功率及电压等级的限制，-般利用 IGBT拈作为开关器件。正确选择MOSFET管的电压、电流额定值是保证器件安全可靠工作的作者简介：张杰(1989-)，男 ，江苏泰州人，硕士研究生，研究方向为新能源与电机控制。

· 164· htp：/ZZHD.chinajourna1.net.ca E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.ca《机械制造与 自动化》· 电气技术与自动化 · 张杰，等 ·光伏发电系统 MPPT数字控制器设计先决条件。通常，MOSFET管的额定值和实际值之间应留有- 定的余量，使器件的工作轨迹限制在安全工作范围内。由于光伏阵列在标准测试条件下开路电压约为24 V，以25 V估算 MOSFET的额定电压应该在 2x2550 V以上。实验中选用 IRF540：额定电压 100 V，额定电流28 A。

若仅仅用电阻负载来做最大功率点跟踪实验，则可以不需要接滤波电感 、滤波电容和续流二极管。然而对于独立型太阳能发电系统，蓄电池是其不可缺少 的储能部件。

要实现对蓄电池的充电，充电电压和充电电流要连续、稳定。所以对于蓄电池负载，滤波电感、滤波电容和续流二极管是必不可少的。

Buck电路 中，电感元件的选取十分重要，电感取值过大，平波效果较好 ，输出电流纹波较小，但系统的动态响应较慢，同时增大电感体积，增加成本 ；电感取值过小，虽然系统的动态响应较快，但是流过电感的电流不连续，输出电流的纹波很大-关管频率选取 10 kHz。若接 l2 V蓄电池负载，则 ：t 、9Dl 0.5 (1)U in 厶 )临界电感 根据公式：L (D1) (2)厶f ofs用式(2)来计算，可得临界电感值为L ：312.5 p.H，-般取 2倍的 ，可选取 625 p，H。

负载选用 8个 10 W10 n 的水泥电阻，并可通过外接线进行串并联组合，构成各种阻值电阻。

b)驱动电路设计IRF540驱动电路选用集成芯片 IR2117，IR2117是美国IR公司专为驱动单个 MOSFET或 IGBT而设计的栅极驱动器，它采用高压集成电路技术和无闩锁 CMOS技术，并采用双列直插式封装，可用于工作母线电压高达600 V的系统中。其输入与标准的CMOS电平兼容，输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动-个工作于母线电压高达600 V的、在高边或低端工作的N沟道 MOSFET或 IGBT。IR2117的典型接法如图 2所示 ：图2 IR2117的典型接法TOLOAD由 采用 自举技术得到，则接于引脚 与 之间的二极管应为超快恢复二极管选取型号为 MUR120。

在使用 自举技术产生 时，接于 与 之间的电容应为高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容，可选满足该要求的瓷片电容或钽电容 ，电容容量为 0.1-1 均可，该电容量将随IR21 17工作频率的提高而下降。

Machine Building 8 Automation，Jun 2013，42(4)：164167，1711.2 检测与控制电路a)电流检测与电压检测电流检测采用霍尔电流传感器 ，电流传感器选用江苏茶花 电气有 限公 司生产 的霍 尔电流 传感器，型 号为CS010GT，如图 3所示。额定输入电流为 ， 10 A，电流测量范围为-20A～20A，输出零点为 2.5 V，额定输出电压为 1 V，精度≤1%。该款霍尔电流传感器采用 5 V供电，可简化系统的设计。当待测电流从传感器穿芯孔穿人，即可从输出端测得与被测电流--对应的电压值。图4为该电流传感器的输入输出特性曲线。

- - - 被测电流4.5 V3.5 V2.5 V1.5 V0.5 V图3 CS010GT霍尔电流传感器/ ////////- 2I，N -IpN 0 IpN 2IpN图 4 电流传感器输入输出特性曲线霍尔电流传感器输出滤波后接-级电压跟随器，再接MSP430F149单片机 P6.4，进行A/D转换，电路图如图5所示。

图 5 电流检测电路4· 165·· 电气技术与自动化 · 张杰，等 ·光伏发电系统 MPPT数字控制器设计电压检测采用电阻分压，滤波、放大，可选用数值较大的电阻，以减小功率损耗，放大电路选用通用运放 LM324，如图 6所示。

接光伏电池图 6 电压检测电路b)MSP430F149单片机最小系统设计MSP430F149芯片是美国 TI公司推出的超低功耗微处理器，有 60KB256字节 FLASH，2KBRAM，包括基本时钟拈、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和 PWM输出的 16位定时器、带 7个捕获/比较寄存器和 PWM输出的 l6位定时器、2个具有中断功能的 8位并行端 口、4个 8位并行端 口、模拟比较器、12位 A/D转换器、2个 串行通信接 口等拈。MSP430F149芯片具有如下特点：1)功耗低：电压 2.2V、时钟频率 1 MHz时，活动模式为200 IxA；关闭模式时仅为 0.1 A，且具有 5种节能工作方式。

2)高效 16位 RISC-CPU，27条指令 ，8 MHz时钟频率时，指令周期时间为 125 ns，绝大多数指令在-个时钟周期完成；32 kHz时钟频率时，16位 MSP430单片机的执行速度高于典型的 8位单片机 20 MHz时钟频率时的执行速度。

3)低电压供电、宽工作电压范围：1.8-3.6V；4)灵活的时钟系统：两个外部时钟和-个内部时钟；5)低时钟频率可实现高速通信；6)具有串行在线编程能力；7)强大的中断功能；8)唤醒时间短 ，从低功耗模式下唤醒仅需 6 txs；9)ESD保护，抗干扰力强；10)运行环境温度范围为-40℃-85℃，适合于工业环境。

MSP430系列单片机的所有外围拈的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器，可以选择汇编或 C语言编程，IAR公司为 MSP430系列的单片机开发了专用的 C430语言，可以通过 WORKBENCH和 C-SPY直接编译调试 ，使用灵活简单。

单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于MSP430系列单片机来说，最小系统-般应该包括：电源电路、时钟电路、复位电路组成，如图7所示。

1)电源电路本系统需要使用5 V和3.3 V的直流稳压电源，其· 166·图 7 MSP430F149单片机最小系统中MSP430F149及部分外围器件需要3.3 V电源，另外部分需要5 V电源。电源电路设计见 1.3节。

2)晶振电路MSP430系列单 片 机 时钟模 块 包括 数 控振 荡 器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等 3个时钟源。数字控制振荡器 DCO已经集成在 MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

768 kHz晶振的要求。LFXT1振荡器默认工作在低频模式，即32.768 kHz，也可以通过外接 450 kHz～8 MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中使用低频模式，晶振外接 2个 22 pF的电容经过 XIN和XOUT连接到 MCU。

高速晶振也称为第二振荡器 XT2，它为 MSP430F149工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8 MHz。在系统中XT2采用 8 MHz的晶体，XT2外接 2个 22 pF的电容经过 XT2IN和 XT2OUT连接到 MCU。

3)复位电路复位操作有通电自动复位和按键手动复位两种方式，通电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的，手动复位是指通过接通-按钮开关，使单片机进入复位状态。

1.3 电源电路本文设计的光伏发电实验系统所需辅助电源有 MOS-FET驱动用12 V电源，CSOIOGT霍尔电流传感器用5 V电源，430单片机用 3.3 V电源。l2 V、5 V电源分别采用 LM7812和LM7805三端稳压集成块，3.3 V电源采用LM1117。如图 8所示。

图8 电源拈htp：//ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.ca《机械制造与自动化》· 电气技术与自动化 · 张杰，等 ·光伏发电系统 MPPT数字控制器设计2 最大功率点跟踪控制器软件设计2.1 控制周期的选择与 PWM 波产生a)控制周期的选择对于数字控制系统，控制周期越小，控制效果越接近连续控制。然而控制周期并不是越小越好，-方面，从处理器的工作量来看，在控制周期内，必须使得控制算法有足够的时间完成。另-方面，控制周期要大于系统中的最大时间常数。综上 ，本系统选择控制周期为 50 ms。利用Timer B定时器产生 50ms定时中断，程序如下：TBCCTL0CCIE； //TBCCR0中断使能TBCCRO1638； //TBCCR0计数值TBCTL TBSSELIMC- 1；//ACLK，增计数b)PWM波产生利用TimerA可以实现PWM，如果 Timer-A定时器工作在增计数方式，输出采用模式7(复位、置位模式)则可以利用寄存器 CCR0控制PWM波形的周期，用某个寄存器 CCRx控制占空比。这样 Timer-A就可以不需要利用中断而产生出任意 占空 比的 PWM波形。

例如 MCLKSMCLKDCOCLK1.0485 76 MHz，以下程序可产生频率约为 10 kHz，占空比为 50%的PWM波，只需改变 CCR1的值即可改变占空比。

TACTL TASSEL2MC-1；CCRO 100；CCTLI OUTMOD7；CCR1 50；2.2 AD转换与数字滤波a)AD转换MSP430F149单片机集成了12位ADC拈，分辨率达到满刻度电压的 1/409 6，如果满刻度电压输入电压为3.3 V，则12位ADC拈能够分辨输入电压变化的最小值单片机初始化lADC寄存器设置i：时器A产生10 kHz，)%占空 比初始PWN波l庭时器B设t5o ms中断l开定时器B、ADC中断，开总中断J进入低功耗LPMO约 O.8 mV，在采用增量电导法实现 MPPT时，对电压测量和电流测量精度要求较高，MSP430F149单片机内部集成的 12位 ADC拈可以满足这-要求。

MSP430中 ADC12内置参考电源，而且参考电压 由6种可编程选择 ，分别为 与 -的组合。其 中， 有A (模拟电源正端)、 EP(A/D转换器内部参考电源的输出正端)及 叭 (外部参考电源的正输入端)， -包括AVss(模拟电源负端)和 EF./ EF.(A/D转换器参考电源负端--内部或外部)。实验时选择 为A ， -为A ，分别为 3.3V和 0V。

ADC12提供4种转换模式：单通道单次转换；序列通道单次转换；单通道多次转换；序列通道多次转换。本实验时采用第四种模式：序列通道多次转换，这样可方便进行数字滤波。电流采样信号接A3(P6.3)，电压采样信号接 A4(P6。

b)数字滤波太阳能发电系统由于受环境因素影响较大，测量信号可能带有噪声，尤其是光照强度和环境温度突变时，另外在系统启动时也有可能带来尖峰干扰。除传感器本身需考虑抗干扰处理外，还可以采用软件进行数字滤波处理。

常用的数字滤波有算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波、-阶顷性滤波 ，为简化程序设计，本系统采用算术平均值滤波的方法，即：l，1置 (3) 将转换次数设为 32，程序上只需执行右移 5位的操作指令(sumj >>5；sumU>>5；)即可实现算术平均值滤波算法。

2.3 软件总体流程图光伏发电系统最大功率点跟踪控制器的软件设计总体流程图如图9所示。MPPT算法采用扰动观察法 ，程序流程图如图 1O所示。

TimerB计数器赋初值l启动AD转换计时器B中断程序图9 总体流程图Machine Building 8 Automation，Jun 2013，42(4)：164-167，jADC中断程序(下转第 171页)· l67·· 电气技术与自动化 · 王贺伟，等 ·基于 802D的盘式刀库 自动换刀控制3 结语PLC有很好的逻辑处理功能，通常让 PLC和数控系统配合使用，共同控制换刀过程的实现。针对本课题专用的盘式刀库，分析了该刀库的自动换刀流程，设计了完整的 PLC自动换刀程序。该程序能很好的完成刀库换刀的控制，提高了刀库换刀的灵活性和可靠性、减少了换刀时间和提供换刀效率。